危化品企业受限空间作业智能监控系统研发与应用*

穆 波,徐 杨,李绪延,董平军

(1. 中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104 2.中石化管理体系认证(青岛)有限公司,山东青岛 266071)

0 前言

目前对于受限空间的定义很多,通常认为受限空间是指封闭或部分封闭,进出口较为狭窄有限,未被设计为长期工作场所,自然通风不良,易造成有毒有害、易燃易爆物质积聚或氧含量不足的空间[1-3]。在受限空间的作业则称为受限空间作业,受限空间内一旦发生事故,因外部无法直观了解内部情况,信息传递困难,且因其空间狭小,造成应急救援困难,易使事故后果扩大[4-5]。据统计[6-7],2016—2020年全国共发生受限空间作业较大以上事故 173 起,死亡604 人,平均每10天一起,事故多发频发,总量居高不下;受限空间较大以上事故起数占全国较大以上事故起数的比例从2016年的4.5%上升至2019年的7.5%,2021年上半年,全国共发生受限空间事故17起,造成45人死亡,15人受伤。另外据美国劳工部职业安全健康管理局的数据统计[8],2012—2022年,美国发生受限空间事故275起,死亡超过202人。对中国石化同一时期的事故统计也可以发现,受限空间作业过程中所发生的事故占比约1/4。

危化品企业受限空间及检修作业数量多、作业地点分散、作业人数多,监管难度较大,导致人员伤亡事故经常发生。这些事故中最主要的原因就是受限空间作业危险性大、隐蔽性强、作业环境复杂, 现场危险因素较多,作业人员无法及时获知风险变化,而外部人员不易掌握现场内部情况,尤其是危险气体浓度变化,在受限空间相关事故中由这些原因所引发的事故占比超过了1/3[9]。

为了改善这种状况,国内外都提出利用远程监控系统、智能传感器集成BIM(Building Information Modeling,建筑信息模型)等信息化方式加强作业过程的安全管控[10-13]。但受限空间作业由于作业地点及环境特殊,常规视频设备无法进行覆盖、布置,气体传感器难以实现连续实时监测传输,各方人员也难以第一时间掌握受限空间内有毒有害气体变化情况,延误最佳救援时机。为此,本文依托工业互联网及5G通讯技术,开发融合视频与气体监测等多传感器的配套终端及具备集中控制与报警联动的智能监控系统,从而提高现场信息获取、气体报警和风险预警等能力,起到保障作业过程安全的作用。

1 受限空间作业分析

1.1 受限空间特点

1.1.1 生产设施

生产设施常见受限空间类型包括炉、塔、釜、罐、仓、槽车、反应器、烟道等,主要存在硫化氢中毒、一氧化碳中毒、可燃气体爆炸、氮气窒息等风险。其受限空间特点主要有:①吹扫、置换、蒸煮不彻底,残存物料挥发产生有毒有害、可燃气体;②设备隔离时未断开法兰或加装盲板,违规用阀门代替盲板;③设备内物料长时间存放发生化学反应,产生有毒有害、可燃气体;④罐区气相联通导致罐间气体互窜,风险增大。

1.1.2 环保设施

环保设施常见受限空间包括污水沟、污水井、污水池、沉淀池、下水井、污油池、下水道、尾气处理器等,主要存在硫化氢中毒、一氧化碳中毒、氮气窒息、可燃气体爆炸等风险。其受限空间特点主要有:①环保设备设施内有毒有害、可燃气体长期存在,吹扫置换困难,无序化排放导致气体浓度阵发性突变;②环保设备设施内风险具有较强的隐蔽性,存在作业时搅动污水、污泥产生有毒有害或可燃气体的可能,导致作业前的检测结果不能代表作业时的气体浓度;③采取明沟改暗渠、污水池密闭等措施后受限空间内有毒有害、可燃气体浓度升高,但又未完全密封,导致可燃气体逸出后遇点火源闪燃,回火导致受限空间爆炸。

1.1.3 新建设施

新建设施形成的受限空间通常认为风险较低,不作为受限空间进行管理,但也发生多起事故,应予以重视。该类设施的风险主要是作业时引入有毒有害、可燃气体,导致事故发生。

1.2 受限空间作业风险特点

一般来说,受限空间作业风险主要由环境危害因素引起:①空气因素危害,包括缺氧或富氧危害、易燃气体、有毒气体和蒸汽危害等; ②生物因素危害,包括细菌、病毒和动物等; ③物理因素危害, 包括照明不足、过冷过热和潮湿等; ④ 结构因素危害,包括行程过长、易滑表面、倾斜表面和尖锐物体等; ⑤其它因素危害,包括坍塌、物体移动或坠落、悬空载荷和流体冲击等[14-18]。其作业风险特点可以主要归纳为以下3方面:

a) 作业环境情况复杂,危险性大,潜在事故类型多。受限空间狭小,自然通风不良,不利于气体扩散,危险性气体容易积聚致使浓度超标;周围暗流的渗透或突然涌入、建筑物的坍塌或其它流动性固体(如泥沙等) 的流动等;作业使用的电器漏电,作业使用的机械,都会给受限空间作业人员带来潜在的危险。主要后果多为人员伤亡。

b) 影响因素交织,情况多变,需要持续监测和预警。因塔、罐等设备内的危险介质未清理置换干净,或者与之相连的管道、孔洞未有效隔离,危险介质可能会意外释放。另外由于如气温、湿度、外界扰动等因素变化,非危险介质发生反应产生或散发之前未辨识到的新危险气体,引发事故发生。

c) 内外部沟通不畅,信息传递和获取困难。受限空间内由于照明和通信不畅,外部监护监管人员无法及时了解内部状况,而内部作业人员也不能及时传递信息到外部,尤其是在较大作业面时,相邻作业点之间不能及时获取某作业点危险信息,种种信息传递障碍造成应急救援时机的延误。

1.3 管控方式现状

受限空间作业的安全管控除了传统管理手段外,近些年依托国家《“工业互联网+安全生产”行动计划》及系列指南,结合感知、监测等手段,各机构开展了一系列智能化技术的探索[19]。

a) 风险库及信息系统。在普光应用的“直接作业环节安全管控系统”,采用装置现场固定刷卡、取样人刷卡、监护人刷卡以及过程视频及照片资料记录的方式,解决了受限空间气体取样必须在30 min之内完成等问题[20]。刘珍,等[21-22]从作业活动、设备设施、工艺流程、场所环境4个方面建立动态更新风险信息数据库。于秀彦[23]设计了JSA(Job Safety Analysis,工作安全分析)模拟实训平台,通过实训平台可实现JSA在线分析、JSA分析标准数据库辅助分析及JSA分析结果在线审核三大功能。

b) 视频监控系统。最新的特殊作业国家标准中都要求受限空间作业从作业现场准备、安全交底、作业开始到作业完工验收进行全过程视频监控。目前各方研发了不少相关监控设备,但都存在着集中一体化程度差、图像和气体浓度等传感数据无法融合传输、受限空间内信号屏蔽影响传输或采用有线传输限制了现场布设的灵活性等问题[24-26]。

c) 环境气体监测。汪圣华,等[27]设计开发了危险气体监测系统,监测系统分成应用管理层、网络传输层和感知层3个层次。感知层为各种气体传感器组成的气体检测仪表群;网络传输层则是将气体传感器的RS-485信号通过GPRS或串口服务器转换为IP/TCP协议,实现气体传感器数据的网络传输;应用管理层则是通过软件开发,实现检测数据的收集入库、统计分析、管理、数据展示等。通过危险气体监测系统的开发,可实现危险气体浓度数据的实时在线监测。

d) 智能穿戴。有研究通过脑电智能穿戴监测设备监测工人脑疲劳状况,作业人员佩戴传感器以提取人体运动特征,通过传感器反馈的数据采用模式识别技术来进行人体疲劳状态判断[28]。于露[29]研发设计一款腕表设备,基于PPG(Photo Plethysmo Graphy,光电容积描记)信号的实时测量,实现脉搏波形的人因参数监测与异常生理状态预警。

综合来看,当前很多智能管控手段存在着诸多问题:①没有将多类传感数据进行融合,同步问题突出;②受限空间内部无法向外部输出数据或采用有线模式,布置灵活性受限;③联动报警机制缺乏,无法进行区域关联报警;④对于单项技术没有进行有效整合、功能零散,无法发挥系统化的防控作用。基于此,研究开发了受限空间作业风险智能监控系统。

2 系统建设内容

2.1 系统设计思路

系统主要包含两大部分:第一部分是前端感知,主要由监控监测数据RTP(Real-time Transport Protocol,实时传输协议)融合解析为核心的一体化数据融合采集装备构成,并结合5G通讯模组实现实时传输,从而实现受限空间内外部监控监测数据的在线传输以及报警信息的实时判断;第二部分是监控预警平台,正常情况下,可以作为各受限空间作业点的辅助监管工具,便于监督作业过程状态,在异常情况下,当现场采集数据达到风险阈值后,作为中央平台根据气体浓度(C)、坐标位置(P)、视频异常(V)为判断预警分级的基础参数,并与现场声光报警类型、临近区域声光报警类型、紧急推送人群范围等处理措施进行关联,由平台进行风险预警的联动计算和推荐处置。其业务场景如图1所示。

2.2 系统服务对象与功能设计

系统的主要使用对象是现场作业负责人、监护人以及属地单位管理人员、上级单位现场监督管理人员,还包含应急值班人员。

监控终端部署于受限空间作业点周边位置,现场管理人员通过手持终端利用APP观察和监督内部作业情况,其他管理人员可通过手机、电脑等进行巡查。当有异常发生时,终端可主动报警或者接受管理人员的手动报警,提醒作业人员以及关联人员。其功能模块如图2所示,主要的业务功能如下:

图2 受限空间作业风险智能监控系统功能模块

a) GIS应用。借助监控设备的GPS/BD定位模组数据,将厂区各作业点分布情况展示在平台地图中,帮助企业安全管理人员全面、及时、准确地掌握厂区内作业动态分布情况。同时将各类数据(如视频、气体浓度、作业票信息、作业人员信息等)与作业位置点进行关联,一旦发生事故或异常情况需要疏散或救援人员时,可掌握更多现场信息,辅助应急指挥。

b) 监控监测。利用监控设备集成的双组单模气体传感器、宽动态高清成像模组和5G无线传输技术,能够同时对作业环境中的危险气体(最多可布置256个点位)进行实时连续监测,并能够实现监测信息的实时无线传输与异常声光报警。

c) 融合传输与显示。基于RTP协议,通过定义数据头、寄存器地址等定制专用封包格式,使视频数据和其他传感器采集数据能够一体融合、同步编码和解析,同时实现视频图像中的插帧OSD(On-screen display,屏幕菜单显示)融合显示,提高数据采集、传输和展示(包括历史记录)的精确性、完整性。

d) 报警预警。通过多类型报警的分级规则和主动视频监控,在气体超标等设定危险情况下,能够通过本地声光报警及时为现场对作业人员进行风险预警,同时通过主动信息推送,将现场图像、坐标、报警信息第一时间推送至监护人、周边人员及相关管理人员,提高了危险信息的传递能力和应急处置效率。

e) 区域联动。作业过程中,当发生报警事件时,根据设定好的关联规则,会引发报警设备以外的相关设备进行报警,及时提醒同一区域内的作业人员,提前做好防范措施。

f) 统计分析。对作业点设备使用次数、作业点日常数据以及异常报警数据等进行图表分析,帮助管理人员分析受限空间作业问题隐患规律,采取针对性的纠正、预防措施。

2.3 系统开发与实现

2.3.1 配套硬件研制与实现

针对受限空间作业现场典型风险因素和危险场所防爆标准进行模块化顶层设计,通过底层硬件驱动协议嵌入基于LoRa(Long Range Radio,远距离无线电)的低频自组网接口,有效集成气体检测、GPS/北斗、全网通讯等多类型传感器及声光报警器,结合电池负荷及元件能量分布和机械材料爆炸抗压性能分析,采用本安加隔爆的新型混合防爆结构,研制集数据采集、传输与实时报警等功能于一体、可根据现场需求模块化组装的集成化防爆终端,实现通过单套设备对现场风险信息的实时采集、同步融合和风险报警,并能够实现多台设备的区域式组网和报警信息联动,其逻辑结构如图3所示。

图3 监控终端逻辑结构示意

2.3.2 软件平台开发与实现

监控预警平台采用浏览器/服务器(B/S)的架构设计,如图4所示。主要有4层架构:①感知层。主要通过各种类型的传感器来获取高风险作业场所发生的各种物理事件及数据信息;②网络层。将来自感知层的各类信息通过基础承载网络传输到平台层,包括全网通4G/5G、专网4G/5G、WIFI和APN(Access Point Name,接入点)内网;③服务层。包含视频服务平台及共享服务平台2个平台子层;④应用层。根据底层采集的数据,形成与业务需求相适应的、实时更新的动态数据资源库,为各类业务提供统一的信息资源支撑,最终实现系统的各项功能。

图4 受限空间作业风险智能监控系统架构

3 系统应用过程

3.1 单点监控监测与报警

生产单位根据作业内容及条件,提前申请监控终端,并布设在受限空间内不影响行人和作业的位置。具备条件后启动终端,作业过程中,终端实时采集各类数据并实时传输,各级监管人员浏览现场作业画面、报警处理分析,对现场的不安全行为进行纠正,对管理问题提出建议,形成全方位安全监控机制。当发生浓度超标或其他报警时,终端进行声光报警提醒作业人员撤出报警区域至安全地点,并同时将报警信息通过监控平台自动推送至相应管理人员,提醒进一步处置。系统在青岛市某危化品企业的应用情况见图5。

图5 监控平台及APP应用截图

3.2 区域监控监测与联动报警

根据气体异常情况波及范围参数设置,结合多台监控终端设备间的组网模式,实现范围区域报警联动。单点监控终端报警后进行报警命令传输,服务器根据气体浓度异常信息、GPS/BD定位信息和内置的波及范围参数精确定义关联范围,确定联动监控终端设备后发送联动报警指令,并对作业人员、管理人员进行异常事件的报警提醒,如图6所示[30,31]。

图6 区域联动报警程序流程

4 结语

类似的受限空间监控系统,往往聚焦于环境监测点位合理性、准确性或者单纯的视频监控,而且配套应用的设备往往为隔爆设计,达不到炼化企业涉氢区域的使用要求[32-34]。相比这些系统,本文针对危化品企业受限空间作业的主要风险特点,以高度模块化的技术集成方式,研发了兼具感知、传输和预警的智能监控系统。

a) 研制了配套的一体化IIC级防爆监控监测终端,可以对受限空间作业状态进行连续实时采集和动态监测,突破了类似技术采集数据单一、防爆级别低、续航能力弱且笨重的局限。

b) 建立了具备可视化展示、分析处理和预警推送的监控平台,融合了气体浓度、视频图像以及报警信息,并根据信息传送特点,整合了LoRa、WIFI和5G等多种传输协议,可提高企业监控、预警、分析研判和应急处置能力。

c) 系统整合了感知传输终端、区域联动判断和集中平台,打通了采集、监测、分析和预警的技术环节,形成了针对受限空间作业过程安全风险的高效管控机制。

下一步系统将重点攻关受限空间复杂视觉特征下的违章行为图像识别以及考虑能量作用界面的作业风险计算模型,以提高作业风险识别预警的精准性和系统性。