事故虚拟交互与综合防控预警技术介绍

文/李浩淼 于成龙 高东 赵军 孙恩吉 时训先

高温熔融金属，即高温状态下以液体或液固两相状态存在的金属物质。高温熔融金属作业常见于各个行业，如冶金、有色、机械、建材等，尤其以冶金有色行业最为突出。

现代冶金工艺流程复杂，在钢铁、铝等高温熔融金属的冶炼、铸造、转运等作业过程中，爆炸、喷溅、泄漏、倾翻等事故多发，严重影响我国冶金有色行业的安全生产。其主要原因在于，高温熔融金属作业事故预防控制的基础理论研究薄弱、关键技术装备缺乏。对此，亟需开展有关高温熔融金属作业事故预防控制的相关研究，本文介绍了高温熔融金属作业事故虚拟交互与综合防控预警系统技术。

高温熔融金属作业现存的安全风险

通过历年冶金行业的事故案例分析，发现冶金企业的突出特点是企业规模大，生产工艺和流程复杂，高温、高压、有毒有害及易燃易爆等危险因素多，生产人员众多，在安全生产管理上稍有疏忽，就会造成设备事故或者人员伤害事故。其中，高温熔融金属作业风险性最高，且造成人员伤亡及财产损失最严重。

对历年冶金事故按事故类型统计分析发现，爆炸事故和灼烫事故发生起数较多，并且爆炸一旦发生，瞬间释放巨大能量，应急响应时间极短，造成事故后果比较严重，因此减少此类事故的发生至关重要。目前，常见的高温熔融金属作业事故主要包括：爆炸、喷溅、倾覆翻包等。

爆炸

高温熔融金属遇水爆炸事故发生的常见原因主要有：冶炼过程中，由于水冷系统漏水发生爆炸、高温熔融金属遇水或者潮湿的物料发生爆炸、由于操作失误将水混入高温金属液体中引起爆炸等。

预防措施主要包括：在熔融金属生产、处置和贮存设施附近、运输线路及附近区域不得有积水，正上方不得存在滴、漏水隐患；对原料、辅助材料严格检查，确保加入炉中的原料、辅助材料干燥无水；输送、转注熔融金属所使用的设备设施在输送、转注前须经充分干燥并保证畅通。

喷溅

喷溅不仅会造成金属损失，还会影响脱除P、S（磷、硫），热量损失增大，引起钢水量变化，影响冶炼控制的稳定性。喷溅产生大量烟气污染环境，同时喷出物堆积，清除困难，严重的喷溅会造成人员伤亡、财产损失等。除此之外，还会引发二次事故，如喷溅出的高温熔融金属遇到积水引发爆炸事故。

对于爆发性喷溅的预防主要有以下几个方面：控制好熔池的温度，前期温度不能过低，中后期温度不能过高，均匀升温；控制TFe（特种生铁）不出现积聚现象，初期及时降枪，同时促进熔池升温，终点时适当降枪，但枪位不宜太低；当炉温过高时，提枪时可适当添加石灰，稠化炉渣。

金属喷溅的预防措施主要有：分阶段定量装入，并合理增加装入量；保持合理的炉型，炉底上涨应及时处理，保持适当的炉底和液面高度；正确控制枪位，化好渣。泡沫性喷溅的预防措施主要有：控制好铁水中的Si、P（硅、磷）的含量，以及控制好TFe（特种生铁）的含量，防止积聚出现等。

倾覆翻包

倾覆翻包事故涉及范围广，人员也较密集，因此，一旦发生事故就会造成人员的伤亡，财产的损失。另外，也可能引发喷溅以及高温熔融金属遇水爆炸事故等二次事故，将造成更大的危害。如2007年4月18日，辽宁铁岭市清河特殊钢有限责任公司在炼钢车间生产过程中，发生一起钢水包倾覆特大事故，造成32人死亡，6人重伤，直接经济损失866.2万元。

根据倾覆翻包事故的发生原因，预防措施主要有：钢水包烘烤足够的时间，烘烤满足要求，充分了解钢水包的状态；注意钢水中氧和残锰的含量，操作工艺严格按照规范进行；加料时严禁物料潮湿，钢水不得超过限定容积；设备定期检修，改进其设计缺陷等。

高温熔融金属作业安全完整性评价及管理模式

基于管道完整性的概念，提出冶金企业高温熔融金属作业完整性管理概念，该概念基于系统安全理论，从人、物、环境、管理4个方面综合考虑高温熔融金属作业的完整性，其涵盖高温熔融金属作业过程中设备设施从设计、制造、选型、安装、改造、维修直到报废全寿命期间的安全性和可靠性管理及评价，作业人员身心健康检查、职业适合性评价、教育培训、应急能力考评及在岗要求和离岗条件的管理及评价，作业环境中涉及的职业危害因素的预先识别、评价及高温熔融金属作业过程职业危害因素防控措施的管理与职业危害因素的检测及评价。其目的是减少设备设施故障，避免事故的发生，降低作业人员的作业风险，有效控制作业场所的职业危害因素对设备设施和作业人员的影响。

高温熔融金属作业完整性评价及管理模式

高温熔融金属作业完整性管理，主要根据高温熔融金属作业过程的危险有害因素，对高温熔融金属作业过程中面临的风险进行评价，并制定相应的风险控制措施。通过监测、检验、检测、考查等方式，获取与专业管理相结合的高温熔融金属作业完整性的信息，识别出高温熔融金属作业过程主要危险有害因素，结合风险评价标准，对高温熔融金属作业过程进行评价，最终通过持续改进，达到减少和预防高温熔融金属作业事故的发生和安全运行的目的。

高温熔融金属作业完整性评价及管理流程

根据高温熔融金属作业设备设施工艺及人员的现场调研，并结合有关完整性管理的标准，建立了高温熔融金属作业完整性管理流程，如图1所示。

图1 高温熔融金属作业完整性管理流程

高温熔融金属作业事故虚拟交互与综合防控预警系统

该系统以钢铁、电解铝生产过程中高温熔融金属4类典型作业事故为研究对象，面向熔融金属生命周期/作业流程/环节，基于各类资料，辨识和表征事故隐患，归纳事故致因模式，运用图谱表达隐患之间的耦合关系，分析多隐患耦合作用下风险演化路径及过程。基于事件发生可能性、事件自身严重性以及受体暴露程度构建多层次欧氏距离风险表征模型，表征熔融金属作业事故风险。

综合3ds Max建模等方式，对高温熔融金属作业场景进行建模，形成了高温熔融金属作业三维场景。采用Unity 3D虚拟引擎，开发了具有生产安全认知、隐患风险表征、事故灾害预演，以及事故分析回放等功能的高温熔融金属典型作业事故风险表征与演化动态可视化系统原型，以形成面向多因素耦合形成隐患、隐患失控引发事故、应对失控导致灾害等多阶段动态过程的事故灾害防控方法规范及软件技术支持系统，为高温熔融金属作业安全提供技术及手段支撑。

基于设备设施完整性管理理念，结合高温熔融金属作业的特点，综合考虑作业人员、设备设施及作业环境，从全寿命、全流程、持续改进角度，初步提出高温熔融金属作业完整性评价及管理的概念、模式及流程。

明确高温熔融金属作业岗位人员的职责，确定高温熔融金属作业的典型岗位，设计作业人员安全作业及应急能力涉及生理、心理指标的测试方案，并对部分作业人员进行了测试。

建立了高温熔融金属CREAMLEC（认知可靠性和失误分析方法）评价法。构建了冶金企业作业人员在用安全帽有效性三级模糊综合评价指标体系，进行了评价。利用风险矩阵法，对转炉炼钢作业、连铸作业风险进行评价。利用故障树分析法，对铁水运输倾翻爆炸事故和转炉喷溅事故原因进行了分析。对炼钢车间高温、粉尘、毒物、噪声危害程度进行了分级。在对冶金企业炼钢车间调研基础上，对转炉炼钢车间危险有害因素进行辨识分析。

在应急交互训练系统和事故综合防控与预警系统研发方面，基于高温熔融金属作业现场的工艺流程，选取典型场景进行三维建模和交互设计，搭建高温熔融金属作业典型场景的交互系统，并在现有的体感交互座椅和虚拟现实设备的基础上进行一定程度的融合改变，生成虚拟现实体感式训练设备，以供后期高温熔融金属作业工作人员与虚拟场景之间交互的实现。

通过对全国高温熔融金属事故案例的分析，对爆炸、喷溅、倾翻、泄漏4种典型事故进行了情景亚分类，并通过事故发生的地点、原因以及事故发生的条件这3个因素来表征事故模式及其情景亚分类。

通过对事故演化过程的分析，对现有技术及管理手段的研究以及对法律法规、部门规章等的归纳总结，从防止事故发生和减少事故损失两个维度出发，基于事故的亚分类归纳整理出了相应的技术防控措施与行为防控措施，构建高温熔融金属作业典型事故防控与预警体系。

依据国家法律法规、行业标准规范、企业操作规程、事故案例分析以及项目研究成果，初步构建了典型事故综合防控系统，该系统可根据企业自身录入的信息，通过对比归纳整理的防控措施，得出评价结果并提出建议措施，设计并初步实现了高温熔融金属作业典型事故防控与预警系统。

进一步研究高温熔融金属作业事故的发生机理与管控方法，提出在高温熔融金属作业现场实施作业跟踪与岗位安全管控的安全管理方式，并通过学习相关技术文献，得出人员定位、移动视频监控、增强现实辅助应用于高温熔融金属作业的可行性。

在作业人员跟踪技术方面，选取了UWB（Ultra Wide Band，超宽带）作为定位信号载体，选取TDOA（Time Difference of Arrival，到达时差）作为定位算法，完成构建作业现场定位子系统，系统具有轨迹采集、区域报警、位置识别与热力图分布等定位相关功能，能够实现作业现场的高精度定位。

在岗位安全管控技术方面，通过搭建视频监控网络，联动报警控制，实现了作业现场视频信息的采集、传输与调看；选取光学透视的AR呈现形式，完成构建AR辅助作系统，预先设计AR作业场景，实现了员工作业指引与错误提醒等功能；设计包括厂区风险分级、一般作业定位监控、设备维修监管等在内的6大系统业务模式，完成系统整体框架设计；在系统框架内进行完成了各功能集成，包含监控交互窗口、现场作业辅助、人员风险响应等功能模块。

通过该系统的研发，在技术方法方面基本形成了典型事故风险与模式表征方法、作业安全完整性评价技术、事故综合防控与预警体系构建技术，有效支撑了典型事故演化动态可视化仿真系统、典型事故应急救援虚拟交互训练系统和典型事故综合防控预警系统软件的研发。

在硬件研发方面，对作业事故虚拟现实交互设备平台和事故场景快速构建系统进行了试制研究，为高温熔融金属作业典型事故应急救援虚拟交互训练、事故场景的快速构建提供设备手段。

在软件开发方面，该系统为防控爆炸、倾翻、喷溅、泄漏等典型事故及灾害提供预演、回放和训练交互虚拟技术手段，同时为冶金行业典型事故防控预警、以及事故应急救援提供强有力的技术支撑。

该系统的进一步转化将对实际生产过程中高温熔融金属作业典型事故的防范、安全管理起到指导作用，也将进一步提高相关人员的安全教育和技术培训效率。