化工过程危险剧情分类及犛犇犌定性识别方法

书书书　第６０卷　第１０期　　化　工　学　报　　　　　　　Ｖｏｌ．６０　Ｎｏ．１０　２００９年１０月　　ＣＩＥＳＣ　Ｊｏｕｒｎａｌ　　　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２００９檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究论文化工过程危险剧情分类及犛犇犌定性识别方法纳永良１，２，吴重光１，夏迎春１，３，张卫华１，４（１北京化工大学信息科学与技术学院，北京１０００２９；２北京思创信息系统有限公司，北京１００１０１；３北京东方仿真控制技术有限公司，北京１０００２９；４中石化安全工程研究院，山东青岛２６６０７１）摘要：系统深入地揭示危险“剧情”是分析和解决化工过程安全问题的基础和核心内容，也是安全评价和故障诊断的核心内容。本文对危险剧情进行了定义，并在将危险剧情分为５类的基础上，采用符号定向图（ＳＤＧ）定性识别方法，提出了连续系统的智能化自解释报警、单故障和多故障根原因诊断的算法步骤。研究成果对过程系统的危险与可操作性分析（ＨＡＺＯＰ）、安全防护层分析（ＬＯＰＡ）、自解释报警和故障诊断系统在过程工业领域的开发具有重要的理论与实际意义。关键词：危险识别；危险剧情；符号定向图；ＨＡＺＯＰ；ＬＯＰＡ；故障诊断；根原因；不利后果中图分类号：Ｘ９３７　　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００９）１０－２５０３－０７犆犾犪狊狊犻犳犻犮犪狋犻狅狀狅犳狆狉狅犮犲狊狊犺犪狕犪狉犱狊犮犲狀犪狉犻狅犪狀犱犛犇犌狇狌犪犾犻狋犪狋犻狏犲犻犱犲狀狋犻犳犻犮犪狋犻狅狀犿犲狋犺狅犱犖犃犢狅狀犵犾犻犪狀犵１，２，犠犝犆犺狅狀犵犵狌犪狀犵１，犡犐犃犢犻狀犵犮犺狌狀１，３，犣犎犃犖犌犠犲犻犺狌犪１，４（１犛犮犺狅狅犾狅犳犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犛犮犻犲狀犮犲犪狀犱犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔狅犳犆犺犲犿犻犮犪犾犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００２９，犆犺犻狀犪；２犅犲犻犼犻狀犵犛狋狉狅狀犵犐狀犳狅狉犿犪狋犻狅狀犛狔狊狋犲犿犆狅．犔狋犱．，犅犲犻犼犻狀犵１００１０１，犆犺犻狀犪；３犅犲犻犼犻狀犵犈犪狊狋犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀牔犆狅狀狋狉狅犾犜犲犮犺狀狅犾狅犵狔犆狅．犔狋犱．，犅犲犻犼犻狀犵１０００２９，犆犺犻狀犪；４犛犐犖犗犘犈犆犛犪犳犲狋狔犈狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵犐狀狊狋犻狋狌狋犲，犙犻狀犵犱犪狅２６６０７１，犛犺犪狀犱狅狀犵，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌａｎｄｔｈｏｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｈａｚａｒｄｓｃｅｎａｒｉｏｉｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｅｎｏｔｏｎｌｙｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｆｉｎｄｉｎｇｔｈｅｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｓａｆｅｔｙｉｓｓｕｅｓ，ｂｕｔａｌｓｏｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｈａｚａｒｄａｎａｌｙｓｉｓ（ＰＨＡ）ａｎｄｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ．Ｔｈｅｈａｚａｒｄｓｃｅｎａｒｉｏｗａｓｄｅｆｉｎｅｄａｎｄｗａｓｃａｔｅｇｏｒｉｚｅｄｉｎｔｏｆｉｖｅｇｒｏｕｐｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅａｂｏｖｅｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，ｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｓｅｌｆｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｄａｌａｒｍ，ｓｉｎｇｌｅａｎｄｍｕｌｔｉｐｌｅｆａｕｌｔｒｏｏｔｃａｕｓｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｓｉｇｎｅｄｄｉｒｅｃｔｅｄｇｒａｐｈ（ＳＤＧ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｃｏｕｌｄｐｌａｙａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｈａｚａｒｄａｎｄｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙ（ＨＡＺＯＰ），ｌａｙｅｒｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ（ＬＯＰＡ），ｓｅｌｆｉｎｔｅｒｐｒｅｔｅｄａｌａｒｍａｎｄｏｎｌｉｎｅｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｓｙｓｔｅｍｆｏｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｄｕｓｔｒｙ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｈａｚａｒｄｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｈａｚａｒｄｓｃｅｎａｒｉｏ；ｓｉｇｎｅｄｄｉｒｅｃｔｅｄｇｒａｐｈ；ｈａｚａｒｄａｎｄｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙｓｔｕｄｙ；ｌａｙｅｒｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓ；ｒｏｏｔｃａｕｓｅ；ａｄｖｅｒｓｅｃｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅ　　２００８－０８－０６收到初稿，２００９－０７－１０收到修改稿。联系人及第一作者：纳永良（１９６７—），男，博士研究生。　引　言石油化工是危险性极高的行业之一，生产中一旦发生火灾、爆炸、毒气泄漏等重大恶性事故，其损失将极为惨重。为保障装置的安全运行，采用先　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００８－０８－０６．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＮＡＹｏｎｇｌｉａｎｇ，ＰｈＤｃａｎｄｉｄａｔｅ，[e-mail]　进的方法和技术对化工装置进行安全评价、管理与监控已经列入发达国家行业安全规范、国家标准和国际标准［１６］。近期颁布的发达国家行业安全规范、国家标准和国际标准体现了人们对过程系统危险认识的不断深化、完善和提高的发展过程，其重要进展是：在安全评价中采用系统性强的危险与可操作性分析（ＨＡＺＯＰ）方法［７］越来越得到重视；防护层分析（ＬＯＰＡ）［８］标志着安全评价方法从定性过渡到半定量的重大技术进步，为了实施ＬＯＰＡ分析，必须首先实施深度ＨＡＺＯＰ分析［９］揭示系统危险“剧情”（ｈａｚａｒｄｓｃｅｎａｒｉｏ），依据剧情信息才能半定量计算出风险降低程度的概率数据，最终实现安全评价与安全措施的设计及实施的密切结合。符号定向图（ＳＤＧ）是一种由节点和节点之间有方向的支路构成的网络图，它具有揭示潜在危险以及故障在系统中传播规律（即危险剧情）的特殊作用。二十多年来，在危险级别非常高的化学工业、炼油及石油化学工业领域，为了进行有效的计算机自动化危险与可操作性分析以及在线故障诊断，ＳＤＧ的应用，特别是在安全评价方面取得了重大进展［１０２３］。吴重光等［２４］阐述了ＳＤＧ模型及定义、基本性质、建模方法和原则、故障诊断和危险分析的推理机制、ＳＤＧ与定量仿真的辅助关系和ＳＤＧ方法的优缺点等内容。本科研群体开发了我国自主知识产权的基于网络拓扑原理的ＳＤＧ多功能高速定性推理“引擎”和ＳＤＧ建模方法，成果在多个石油化工装置上进行了大型工业应用的验证［２５２８］。大量的过程系统危险识别、分析及诊断实践使人们认识到，系统深入地揭示危险“剧情”是分析和解决安全问题的基础和核心内容，或者说是系统安全评价和故障诊断的核心内容。国内安全领域对系统中危险剧情的概念还普遍比较陌生。为了确保重要的国际安全标准能在国内相关行业正确实施，以及准确把握系统安全科学技术中有关计算机自动安全评价研究和系统故障诊断技术研究的攻关方向，本文总结了本科研群体在承担国家高技术研究发展计划项目过程中产生的研究成果，并对过程系统的危险剧情进行了科学分类。在此基础上，总结了国内外采用ＳＤＧ方法自动识别简单剧情和复杂剧情的实施步骤。在诸多故障诊断方法中，基于ＳＤＧ的故障诊断技术是很有发展前景的一种方法，它已从化工系统扩展到机械、电子、交通、突发事件、信息和软件等系统的故障诊断应用中。１　危险和危险剧情危险或称“危害”可以看作是一种情况或内在的特性，该情况或内在特性有导致危害的潜在可能性。危险在过程安全的范畴定义为可能导致事故、造成人员伤害、财物损坏或环境污染的潜在的不安全因素。例如，化学有毒物料；物理的高压、高温物料；机械的高速转动设备；电力的高压供电等。化工、炼油和石油化工过程的主要危险是：火灾、爆炸和有毒物的泄漏，当过程失去抑制时，将会直接或间接发生事故。当代系统安全理论认为，生产系统中的每一个不合理因素都可能导致事故的发生，一起事故的发生是许多人的失误和物的故障相互复杂关联、共同作用的结果，即许多事故因素复杂作用的结果。对于过程系统复杂事故而言，物料流、能量流和信息流是导致危险在系统中传播漫延的主因，危险是由一个或数个根原因引发，可能在系统中的多个环节（部位）有条件或无条件定向传播，最终导致一个或数个不利后果。这种由根原因起始、经历中间环节的传播、最终导致不利后果的全过程称为危险剧情。一个危险剧情由一个可信的非正常原因与一个实在的不利后果的对偶及若干中间事件序列所构成，如图１所示。危险剧情又称为危险序列。图１　危险剧情的组成Ｆｉｇ．１　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｈａｚａｒｄｓｃｅｎａｒｉｏ　构成危险剧情的４个基本部分解释如下。①引发事件　引发事件又称为第一事件，是可信的非正常原因，该事件可能是设备故障、人员失误或外部事件（发生于过程之外，并且对过程产生不利的影响，例如，机械、燃烧、爆炸或闪电冲击）。②中间事件　中间事件是过程的响应并且从属于引发事件。③使能事件　使能事件或称条件事件，是可能包括的因素，它们不直接导致该剧情，但是使得·４０５２·化　工　学　报　　第６０卷　其他事件成为可能，或增强危险，而且在剧情的演变过程中必须出现并起作用。④不利后果　不利后果是以上各种事件的联合作用所导致的后果，即对剧情产生影响的人员、环境、设备、过程、相邻的装置等综合作用的后果。不利后果的特性可用类型和严重程度表示，类型表明后果是由什么所导致的，例如，人员、环境、性质等；“严重程度”是对影响的分级，例如，单一致命，多致命。“度量”是用于表示严重程度的单位，如伤亡数量，财产损失。过程危险分析（ＰＨＡ）的主要目标是识别危险剧情。２　理想情况的简单剧情理想的情况即为了识别故障对系统的影响，通常假定过程的初始状态是处于稳态条件下，即稳定在正常工况的条件下。因此，ＳＤＧ模型所有节点的初始值都为“０”。当一个外来摄动，例如一个误操作瞬间使得一个单一的过程变量或输入变量或参数（称为根结点）从原初始状态偏离（称为原始偏离），即状态不为“０”。这个根结点的偏离是所有后续扰动的源头。后续扰动导致若干ＳＤＧ模型节点也出现偏离。这个根结点的偏离可能在系统中通过一系列中间节点的偏离传播而导致一种故障后果（在ＨＡＺＯＰ中称为不利后果）。如果一个单一根结点的偏离通过一系列中间节点的偏离导致一个故障后果，称为简单剧情。对于简单剧情而言，由一条相容通路可以包含ＳＤＧ模型所有的偏离节点（在ＳＤＧ模型完全正确的前提下）。也就是可以解释全部节点的偏离。全部节点的偏离状态又称为征兆。在采用ＳＤＧ模型进行在线危险识别时，理想条件下所有节点应当是可观测的，并且每一个节点的状态能够实时跟踪工业现场的变化。由于ＳＤＧ模型是人为建立的，可能存在缺陷。因此，在ＳＤＧ模型中经过推理得到的剧情，即从根结点到故障后果节点的相容通路，有可能出现多种候选。多种候选属于一种推断或假定，不一定符合实际情况。只有当这些剧情中的某一个能解释当前所有节点的征兆时，该剧情才是可信度最高的危险识别结论。在ＳＤＧ模型中经过推理得到的候选剧情对实际剧情的包含能力称为识别的完备性。候选剧情中“伪剧情”应当尽可能减少，称为识别的分辨率。３　危险“剧情”的类型在实际工厂中理想情况是难于实现的。概略地定义非理想情况，可以表达为所有不满足以上简单剧情条件的都属于非理想情况。非理想情况常见的类型有：根节点不止一个；故障后果节点不止一个；初始状态不一定是系统的正常稳定状态（即ＳＤＧ节点状态不全为“０”）；所有的ＳＤＧ模型节点中只有部分是可观测的；系统中存在有自动控制回路；当然，人工建立的ＳＤＧ模型缺陷也属于一种非理想情况。图２表达了具有犖个根结点和犕个故障后果节点的复杂危险剧情的简略结构，从图２可以比较直观地将剧情划分为如下５种类型：①从一个或多个中间报警节点到一个或多个根结点的非完整剧情。此种类型属于智能化自解释报警类型。即从所有当前的报警节点反向追溯到导致报警的所有根结点；②单根结点与单故障后果节点对偶所组成的简单剧情；③单根结点与多故障后果节点所组成的复杂剧情；④多根结点与单故障后果节点所组成的复杂剧情；⑤多根结点与多故障后果节点所组成的复杂剧情。此种剧情是最为复杂的情况，称为多故障类型。图２　复杂危险“剧情”的结构Ｆｉｇ．２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｏｍｐｌｅｘｈａｚａｒｄｓｃｅｎａｒｉｏ　多故障是