高校实验室风险信息分类及采集传输系统研究*

高玉坤,邓 萌,秦挺鑫,闫 瑢,欧盛南,杨轶芙,张英华

(1.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；2.北京科技大学 矿山避险技术研究中心，北京 100083； 3.中国标准化研究院，北京 100191)

0 引言

高校实验室仪器设备多样、操作规范严格[1]，实验过程涉及许多易燃易爆、有毒有害危险化学品、高温高压设备、压力气瓶等，因安全管理不规范、实验人员误操作、设备或材料存放不合理等因素，可能导致突发事件发生[2]，由于对救援场所实际情况掌握不准确，往往导致应急救援不到位，使事故后果扩大化。因此，准确、快速地获取灾情信息，实现快速响应和紧急救援成为高效应急救援的关键。现有高校应急救援体系尚不完备，对现场信息采集和分析等缺少系统性研究。对典型场景中需采集的信息进行分析，用以指导应急准备、预警、响应、恢复等各阶段工作，有利于应急管理工作科学高效地展开。

对信息进行分类编码是解决系统建设中信息格式不统一、信息共享和交换困难等问题的重要途径。在信息采集方面，对于自然灾害和事故灾难的灾后信息采集研究较多，部分学者致力于地震现场的灾情快速获取和高危场合的火灾现场侦察研究[3]：谢庆明[4]、涂崖村[5]采用传感器采集地震现场有毒气体浓度以及建筑物破坏状况等信息，经过嵌入式系统处理存储后传输给救援指挥中心，救援指挥中心通过分析数据实施救援指挥策略;周崇波等[6]设计火灾现场多路数据采集和图像无线传输系统；消防远程监控物联云、智慧消防平台的建立，不仅为消防应急决策提供信息化数据支持，还能最大限度地保障人民群众生命财产安全[7-8]。

基于此，本文拟在统计分析实验室事故基础上，通过建立风险信息分类编码体系以提高信息处置能力，针对典型应急场景，建立信息采集传输系统，确保事故发生时能快速获取事故种类、数量、时间、地点、性质、温度、压力、救援设备、救援力量等详细信息，通过智能分析预测事故发展态势，有效部署救援力量，统一指挥、协调组织，科学高效地掌控实验室安全事故局面。

1 实验室事故统计与风险因素分析

通过对2010—2020年国内外典型高校实验室事故进行统计分析发现，高校实验室事故主要包括爆炸事故、火灾事故、中毒窒息事故、气体泄漏事故4类[9]，爆炸与火灾事故是高校实验室事故的主要形式。实验室常用化学药品、试剂和高压钢瓶、干燥箱等仪器设备[10]，具有易燃易爆特性，操作失误可能引发火灾、爆炸等突发事件；回流、蒸馏、电解和萃取等需要明火或通电加热的化学实验等也存在一定安全隐患[11]；部分实验需要在高速、超高电压、超强磁场等环境下进行，操作不当也有可能引发火灾；部分实验会产生有毒有害气体，若不及时进行处理，会对实验室人员及仪器设备造成损害；机械实验室的机床、刨床、铣床等有高旋转、高重力冲压的器械等同样存在安全隐患。

实验室事故多发环节为实验材料、仪器设备的使用以及废弃物的处理。实验室事故发生主要原因包括操作人员不规范实验操作、实验室安全教育薄弱以及实验室安全管理欠缺3个方面，对应实验室主要固有风险信息包括楼宇建筑特性、消防应急设施设备、安全管理，事态发展动态信息包括导致事故发生发展的危险源、实验操作过程、人员受伤情况等。

2 实验室主要风险信息分类与编码

风险信息分为固有信息和动态信息2类。针对高校典型实验室事故进行固有风险信息采集、整理和分类，根据在应急、快速反应、现场紧急救援、决策指挥、抢险救灾等阶段所需事故相关信息，确定分类体系内容，如图1所示。根据事故信息的加工程度，固有信息包括建筑基本信息、救援设备信息、内部环境信息和其他信息4个方面，细分为建筑特性、防灭火设计、消防施救设施、安全疏散设施、应急救援设备、其他设施设备、实验室基本情况、安全管理情况、设备设施信息、应急预案、事故案例、就近医院、补充信息13个大类。

图1 实验室固有信息分类体系Fig.1 Classification system for inherent information of laboratories

通过对2010—2020年实验室事故案例进行整理和分析，对高校典型实验室事故发生时需获得的动态风险信息进行预梳理和分类，如图2所示。动态信息分为事件描述信息、事故现场信息和其他信息3个方面，细分为实验室爆炸、实验室着火事件、实验室中毒窒息、实验室机械伤害、其他事件、实时环境信息、人员信息、疏散救援情况、其他信息9个大类。

图2 实验室动态信息分类体系Fig.2 Classification system for dynamic information of laboratories

通过对相关风险信息进行分类编码，实现日常维护管理、事故发生时信息快速采集和传输，用以指导应急各阶段工作，有助于实验室应急管理科学高效地展开。根据国家相关标准将实验室风险信息按固有信息13大类和动态信息9大类进行分类与编码[12-15]，建立规范化的信息编码体系，为进一步完善固有信息数据库、动态信息数据库的日常维护管理，以及突发事件的信息快速采集和传输奠定基础。本文着重对信息采集传输系统加以阐释。

3 高校实验室信息采集传输系统的设计和建立

信息采集传输系统是负责各类前端信息采集、通信传输以及数据存储管理的软件系统，主要基于救援现场风险信息分类模型，针对不同事件类型,实现风险信息、人员信息、装备信息采集上报功能。

3.1 系统平台任务需求分析

系统主要任务需求包括信息采集和信息传输2个方面，即利用相关应急监测设备采集事故现场物理数据，配合应急救援力量使用手机等终端二维码小程序上报采集信息，将事故发生地采集的固有信息和动态信息通过网络方式传输到云服务器，应急指挥平台综合分析并研判事故发展情况，进行应急调度，应急队伍通过系统实时反馈救援信息。信息采集传输系统任务需求如图3所示。

图3 信息采集传输系统任务需求Fig.3 Task requirements of information acquisition and transmission system

其中，固有信息数据库需通过前期对固有信息的采集录入和后期对固有信息数据库的实时更新实现。事故现场动态数据库由事故现场应急监测设备通过现场数据采集控制器采集的环境数据和现场人员通过二维码程序上报的事故数据2方面构成。

使用完好性监测算法，利用最小二乘构建方程首先要判断算法的可用性。本文选择水平保护等级法来判断RAIM算法是否可用。

根据系统目标与范围，业务层面上系统主要覆盖的最终用户包括救援现场的信息上报人员、现场应急救援人员、应急指挥人员和应急专家；实际操作层面上系统主要包括系统管理人员、现场信息上报人员、现场应急救援人员、应急指挥人员和应急专家。

3.2 系统平台功能框架

在充分梳理系统服务需求与流程基础上，对系统相关功能进行整体划分与设计，提出以下6个模块，如图4所示。

图4 信息采集传输系统整体功能框架Fig.4 Overall functional framework of information acquisition and transmission system

1)权限配置模块。该模块可实现用户信息管理、用户权限配置以及系统权限验证3方面功能，是整个系统的安全管控中心，需要在系统用户信息、用户权限配置信息的基础上，允许系统所有授权合法用户的有效访问，并禁止系统所有未授权用户的非法访问。

2)信息采集设备集成与控制模块。该模块可实现对接入系统各类前端硬件的集成与对接信息的配置，具体接入方式包括基于网络的集成与配置和基于串口的集成与配置。目前系统集成的火灾事故现场采集设备是由“北京知控高科技术有限公司”提供的社区应急监测设备，智能手环具有采集上传人员生理数据、基于北斗系统的人员定位数据等功能。

3)现场信息实时采集与上报模块。该模块可实现二维码数据手动上报、现场照片手动上报、现场视频手动上报、火灾现场监测数据自动上报等功能，是各类事故现场多种采集信息的实时捕捉上传工具。按照信息采集上报方式可分为手动采集并上传和自动采集并上传2种；按采集信息类型分为二维码数据、照片、视频及传感监测数据4类。

4)现场采集信息图形化展示模块。该模块可实现现场采集信息列表展示、地图展示和统计图展示功能，是各类现场采集获得各类数据的可视化展示界面与人机交互界面。

5)现场环境基本信息管理模块。该模块可实现现场建构筑物、现场道路、现场应急物资及装备、现场应急队伍及人员的基本信息管理功能。系统对救援人员数据进行静态基本信息管理的同时，还需对其实时状态进行跟踪管理。

6)现场应急辅助决策支持模块。该模块可实现应急预案库、事故案例库和应急知识库的管理，以及应急专家意见填写与发布等功能，为现场应急响应、现场应急处置及现场应急指挥调度提供辅助决策支持。

3.3 系统平台架构设计

本文采用基于JAVA的B/S系统架构，系统整体架构如图5所示，系统运行环境见表1。基础设施层是系统运行的软硬件和网络基础，包括高性能移动工作站、网络设备、数据库管理系统、操作系统、WEB容器和地图服务器等内容；数据资源层是建立在基础设施层上的业务数据集合，根据业务数据特点，包括救援现场动态风险评估指标体系数据、风险评估专家数据、风险评估专家定性与定量评估意见数据、救援现场实时监测数据(气象信息、气体浓度信息、现场救援人员体征信息等)、救援现场周边环境数据等；服务接口层是实现数据和服务交互的接口，系统涉及的接口包括数据库服务接口(mybatis-plus)、计算模型接口(dll)、地图在线服务访问接口(高德)以及信息采集终端软件和风险信息动态采集监测系统；业务模块层按照系统业务功能框架进行划分，包括系统权限管理模块、救援现场动态采集数据管理模块、救援现场动态风险评估指标体系管理模块、救援现场动态风险评估指标权重管理模块、救援现场动态风险专家评估意见管理模块、救援现场动态综合风险计算与定级模块。

图5 信息采集传输系统整体架构Fig.5 Overall architecture of information acquisition and transmission system

表1 信息采集传输系统运行环境Table 1 Operating environment of information acquisition and transmission system

4 高校实验室信息采集传输系统的实现

本文采用Intellij Idea 2017.2.5进行系统的开发实现，下文结合系统对实验室突发事件发生后的应急响应流程进行阐述。JDK版本为Java 1.8.0_181。

假设某实验室发生着火事件，系统响应流程分为信息实时采集与上报、应急指挥与资源调度2方面，如图6所示。信息实时采集与上报包括现场数据采集设备上报和二维码信息上报；应急指挥与资源调度体现在突发事件接警、发展态势研判、应急辅助决策和应急资源调度4个方面；实验室突发事件接警实现上报信息接入、基本信息采集与录入、事发地点定位、事发周边环境分析等功能；发展态势研判实现数据的实时监测与反馈和事件发展态势预测及研判；应急辅助决策实现基于案例库的应急辅助决策支持；应急资源调度实现事发周边应急资源的多条件查询检索、应急资源到达事件现场的通行路径优化、应急资源的属性信息和空间信息实时共享。

图6 实验室着火事件响应过程示意Fig.6 Schematic diagram for response process of fire incident in laboratory

假设某高校1号实验楼6楼123实验室发生着火事件，模拟着火事件后信息采集传输响应和调动，将指挥中心设在保卫保密处，学校配备兼职消防救援队伍、应急专家和高校应急救援志愿者[16]。该实验室为环境实验室，涉及垃圾渗滤液硝化载体制作实验，易制爆危险化学品镁粉、磷酸和过硫酸钠，在系统中录入固有信息，包括实验楼相关建构筑物基本信息、涉及易燃易爆品、危险化学品等。实验室火灾事件现场采集设备实时监测采集O2、CO、CO2、NO2等多种要素数据，制定应对各类灾难事故应急处置工作预案，指挥平台可查看应急预案、相关事故案例、应急知识以及标准规范等，确保及时获取和有效指挥调度。应急辅助决策支持库如图7所示。

图7 应急辅助决策支持库Fig.7 Emergency aided decision support library

1)着火事件接警。二维码风险信息采集传输程序作为灾情快速采集上报的终端，当发生突发事件时，相关人员扫描二维码，填报事故位置、事故蔓延、受困人员等信息，借助便携式信息采集设备采集事故现场灾害信息，以最快的速度通过网络传输给应急指挥平台，对初起事故和事故蔓延情况进行全方位监测，为应急救援提供决策参考，二维码现场信息上报界面如图8所示。现场数据采集及远传设备通过实时采集现场信息，并上传至云服务器，通过WIFI及LORA连接专用接收网关设备进行传输。应急指挥中心通过云服务器远程查询事故现场情况，对初起火灾及蔓延情况进行全方位监测。

图8 二维码现场信息上报界面Fig.8 Interface of QR code field information reporting

2)应急响应调度。应急指挥中心通过对突发事件发展态势进行判断，利用应急指挥平台应急队伍基本信息管理模块通知事发地周围距离最近的应急队伍以及校内应急志愿者赶赴事故现场，并根据道路通行情况发送到达事发地点的最短路径，如图9所示。统计1号实验楼6楼123实验室发生着火事件模拟应急响应时间，第1批应急救援人员到达事发地的时间分别为144，162，131 s，均小于标准黄金救援时间360 s。

图9 到达事发现场最短路径示意Fig.9 Schematic diagram of shortest path to incident field

5 结论

1)实验室突发事件发生后，准确、快速地获取灾情信息，对进一步救援的灾情判断、辅助决策和应急指挥至关重要。因此，研究救援现场风险信息快速采集技术，形成1套集信息采集传输、风险评估综合研判及应急资源状态监测于一体的集成系统，有利于预测事件的发展趋势，实现救援现场各类资源的快速合理调度配置。

2)通过分析高校实验室突发事件，对相关风险信息进行分类编码，以实现日常维护管理、事故发生时信息的快速采集和传输。针对高校实验室事故进行信息采集传输系统总体设计，在对系统服务需求、信息传递方式及服务对象进行定位的基础上，进行系统相关功能的整体划分与设计。基于风险信息分类模型，针对不同突发事件类型，实现动态风险快速采集功能、救援现场人员重要生理指标信息采集功能、救援现场重要装备位置与工作参数的动态数据采集功能。

3)基于高校实验室信息采集传输系统模拟实验室火灾事件的接警、现场信息上报、应急指挥人员研判后进行调度等步骤，完成火灾事故信息的快速采集上报和到学校应急指挥平台的有效传递，实现救援现场动态风险信息、人员信息、装备信息的快速采集上报功能和应急指挥与资源调度功能，验证系统的可行性。