承壓設備基于大數據的宏觀安全風險防控和應急技術研究概述

藍 麒 王 輝 劉三江

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

承壓設備基于大數據的宏觀安全風險防控和應急技術研究概述

藍 麒 王 輝 劉三江

(中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

經過60余年的發展建設，我國已經探索出一條適合中國國情的特種設備安全監管道路，但隨著經濟社會不斷發展，特種設備安全監管的一些深層次矛盾和問題日益突出，與人民群眾日益增長的安全保障需求還不相適應。近年來，隨著大數據等新理念新技術的涌現，為特種設備安全監管改革創新帶來了新契機，為特種設備安全監管理論、體制和機制研究創造了新條件。本文主要介紹了“承壓設備基于大數據的宏觀安全風險防控和應急技術研究”課題的背景、概況、目標、方案、路線、創新、內容、成果和效益等相關內容。

承壓設備 大數據 宏觀安全風險 安全狀態參數 應急技術

“承壓設備基于大數據的宏觀安全風險防控和應急技術研究（2016YFC0801906）”課題是“十三五”國家重點研發計劃“高參數承壓類特種設備風險防控與治理關鍵技術研究（2016YFC0801900）”項目中的第六個課題，也是最后一個課題。本課題將對課題一至課題五形成的關鍵技術方法進行系統集成，并構建高參數承壓設備全壽命周期風險防控技術方法體系，搭建基于大數據的承壓設備宏觀安全風險監管和事故應急平臺。本課題在項目中的位置以及與其他課題的關系如圖1所示。

圖1 課題所在項目總體路線圖

本課題是“十一五”國家科技支撐計劃“特種設備安全動態監管技術研究（2006BAK02B05）”和“十二五”國家科技支撐計劃“基于風險的特種設備安全監管關鍵技術研究（2011BAK06B06）”的延續和拓展，在風險管理技術引入特種設備安全監管的基礎上，依托大數據的理念和技術，主要以承壓設備為對象，重點考慮新一代信息技術對特種設備安全監管帶來的沖擊和影響，重新審視未來特種設備安全監管的發展方向，為推進特種設備安全治理體系和治理能力現代化提供理論支撐和技術支持。

本課題的突出特點是軟硬結合，將軟課題研究與硬技術研究緊密結合,將管理科學與安全技術緊密結合。本課題將通過研究宏觀安全風險理論，建立安全狀態參數識別技術，構建宏觀安全風險防控大數據預警模型；研究典型承壓類特種設備事故過程仿真再現和數值反演技術，建立毒性介質泄漏擴散模型和火災環境下多物理場耦合響應演化模型，提出相應應急處置技術；研究新常態下承壓類特種設備安全監管技術體系，開展市場準入模式、現場監察、監督檢驗機制優化研究；研究宏觀安全風險數據報告制度和可追溯機制，建立安全狀態參數、應急等專業數據庫，構建國家承壓設備宏觀安全風險防控與應急平臺；針對長管拖車、深冷罐車、小型氨制冷裝置等典型承壓設備，結合物聯網技術，開展全壽命周期信息可追溯監管及宏觀安全風險定位、預警與應急響應示范應用[1]。

1 研究概況

大數據是以容量大、類型多、存取速度快、應用價值高為主要特征的數據集合，正快速發展為對數量巨大、來源分散、格式多樣的數據進行采集、存儲和關聯分析，從中發現新知識、創造新價值、提升新能力的新一代信息技術和服務業態[2]。整體而言，全球大數據應用尚處于發展初期，各行業的發展呈現“階梯式”格局，互聯網行業為領跑者，金融、零售、電信、公共管理、醫療衛生等領域正在積極嘗試，基于大數據的特種設備監管和承壓設備監管研究剛剛起步。

1.1 國外研究綜述

國外研究機構對特種設備安全大數據需求規律、分類模型等理論研究較少，主要集中在基礎理論、數據存儲、計算和分析預警等方向。國際標準化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)成立了下一代分析技術與大數據研究組，重點研究對象包括元數據、大數據存儲和檢索、大數據所支持的復雜數據類型等。美國國家標準與技術研究院（NIST）建立了大數據公共工作組（NBD-PWG），其重點研究對象包括術語和定義、用例和需求、安全和隱私、參考體系結構和技術路線等。國外政府部門不斷加大數據開放力度、增加基礎技術投入、推動公共部門應用。美國積極強化頂層設計，率先推出“大數據行動計劃”。英國將大數據列為戰略性技術，對航天、醫藥等8類高新技術領域給予資金支持，并促進政府和公共領域的大數據應用。日本將發展大數據作為國家戰略的重要內容，聚焦大數據應用所需的社會化媒體等智能技術開發，以及在新醫療技術發展、緩解交通擁堵等公共領域的應用[3]。

國外還沒有系統的文獻,基于大數據視角開展特種設備風險監管和應急研究，但近10年來，RBI(risk based inspection)技術在國外已被廣泛應用于對特種設備風險評估，并建立起特種設備全生命周期數據追蹤系統和機制，為生產裝置長期安全運行提供可靠的技術保障。此外，為了預防和減少壓力容器、壓力管道以及機電設備危害公共安全的事故、災害和突發事件，發達國家相繼研發了全國統一的國家應急管理信息系統，打破了不同機構和企業之間的“數據孤島”。美國應急聯邦管理局（FEMA）制定了E-FEMA戰略，開發了國家應急處理系統（NIMS），可實現公共安全應急的一體化、實時化、精確化和快速反應。歐盟建立了基于衛星通訊的應急管理技術支撐系統（e-Risk）,德國建立了危機預防信息系統（deNIS）,各國都在積極推動信息技術與政府監管和應急技術的深度融合。

1.2 國內研究綜述

我國對于大數據的研究總體處于初級階段，其理論和技術還在不斷的發展當中。在基礎理論方面，中國電子技術標準化研究院等機構對大數據的概念、技術以及面臨的挑戰進行了研究，成立非結構化數據管理標準工作組，并發布《大數據標準化白皮書》。在安全生產方面，對大數據的概念、范疇、分類等基本問題還有待明確和統一，示范應用還處于起步探索階段；國家安監總局發布《安全生產網絡輿情應對預案》，將網絡輿情納入安全生產應急管理工作機制中；郭東華院士提出應用空間大數據推動防災減災；瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室、教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室等部門通過大數據思維、云計算技術設計礦機瓦斯安全預警系統等。在特種設備安全方面，2015年9月中國特檢院啟動863計劃“大型復雜起重設備全生命周期數據集成管理與應用技術研究”課題，對大型復雜起重設備的健康監測技術、管理分析技術以及數據集成管理技術進行研究；浙江、山東、貴州、重慶等地相繼開展特種設備安全監管信息化管理平臺研究和建設工作，貴州的平臺建設得到了2017年全國特種設備安全監察工作會議的充分肯定。

我國對特種設備安全監管的軟課題研究從“十一五”正式起步，“十二五”期間國家科技支撐計劃“基于風險的特種設備安全監管關鍵技術研究”課題取得了一定的突破。課題在充分分析特種設備安全監管面臨主要問題的基礎上，針對我國特種設備安全監察和檢驗中的“人機矛盾”，以風險管理為導向，從基本概念及基礎理論出發，對事故隱患分類分級、設備關鍵風險要素及可接受準則、安全責任劃分等開展了深入研究，設計了基于風險的特種設備分類方法及使用單位分類方法模型，為國家特種設備安全監管部門開展風險監管、分類監管提供了理論支撐，對特種設備安全技術規范制定的原則、方法、流程及范圍界定進行研究，為安全技術規范的制定提供指導，并得到監管部門的充分肯定和推廣應用，取得了良好的社會效益，為我國開展基于風險的特種設備安全監管奠定了基礎。

2 課題設計

2.1 研究目標

本課題從宏觀安全風險防控基礎理論研究入手，明確承壓設備宏觀安全風險防控數據需求，建立承壓設備宏觀安全風險防控大數據預警模型，構建高參數承壓設備全壽命周期風險防控技術方法體系，搭建基于大數據的承壓設備宏觀安全風險監管和事故應急平臺，提升我國高參數承壓設備風險防控和治理的技術能力和裝備，為政府和企業的風險防控和治理提供技術支撐。

2.2 研究方案

本課題依據國務院關于政府職能轉變、大數據、互聯網+、重要產品追溯體系建設、應急產業發展等文件精神，及質檢總局特種設備安全監管改革頂層設計方案的相關要求，結合特種設備安全工作現狀和發展趨勢，采取理論分析、工程應用等相結合的研究方法，對承壓設備基于大數據的宏觀安全風險防控和應急技術進行研究。以基礎理論—預警模型—平臺建設—事故應急—機制優化—試點示范為主線，研究安全狀態參數及其與宏觀安全風險的關聯關系，構建宏觀安全風險預警模型；綜合運用數據管理、安全狀態參數組合傳感器、二維碼和移動終端等物聯網技術實現全壽命期數據信息可追溯；應用互聯網、GIS技術，實現全方位宏觀安全風險展示、定位、預警與應急響應，建立國家承壓設備宏觀安全風險防控和應急平臺；借助計算機模擬技術實現事故仿真和應急處置；參考國外監管模式，優化設計適合我國國情的科學監管模式；選擇設備較為集中、具備一定應用基礎的重點地區，針對長管拖車、深冷罐車、小型氨制冷裝置等開展試點示范。課題研究分解為如下4個任務，如圖2所示：

任務1：承壓類特種設備宏觀安全風險防控理論與大數據預警模型研究

任務2：承壓類特種設備宏觀安全風險防控預警應急平臺構架設計與工程示范

圖2 課題各任務邏輯關系圖

任務3：承壓類特種設備應急處置技術研究

任務4：承壓類特種設備安全監管技術體系及機制優化研究

2.3 技術路線

本課題技術路線如圖3所示。

圖3 課題技術路線圖

2.4 主要創新

本課題主要包括以下創新點：一是首次提出宏觀安全風險理論，以大數據技術和方法為指導，提出安全狀態參數識別技術，從區域、企業、設備三個層次構建了典型承壓設備宏觀安全風險預警模型。二是從安全監管角度設計國家承壓設備宏觀安全風險防控與應急平臺框架，構建全壽命周期風險預警與應急監管平臺。三是建立臥式儲存容器、鋼制球形儲罐火災環境下多場響應計算模型，建立儲存毒性介質的承壓設備在偶發事故中的介質泄漏擴散模型，提出火災環境和毒性介質泄漏情況下典型承壓設備的應急處置技術。四是建立基于設備和制造單位風險的許可模式和市場準入方式。

3 研究內容

3.1 任務1：承壓類特種設備宏觀安全風險防控理論與大數據預警模型研究

基于安全科學原理及風險管理理論，研究承壓類特種設備宏觀安全風險的定義、構成要素及其屬性等基本理論問題，建立宏觀安全風險防控理論體系；以大數據驅動特種設備實時監管為目的，統計近十年來承壓類特種設備事故案例和失效案例中的關鍵因素，分析典型承壓設備設計、制造、安裝、改造、修理、經營、使用和檢驗等八大環節[4]的宏觀風險安全狀態參數，建立實證和理論視角下典型承壓設備全生命周期宏觀風險安全狀態參數清單。綜合考慮政策、法律法規、規范和標準、管理機制及實施、地域特點、壽命期、安全狀況等級等方面的風險，從區域、企業、設備三個層次構建典型壓力容器宏觀安全風險預警模型。

3.2 任務2：承壓類特種設備宏觀安全風險防控預警應急平臺構架設計與工程示范

以典型承壓設備為對象，在安全狀態參數研究的基礎上，形成典型成套裝置固定式壓力容器和移動式壓力容器全生命周期質量安全信息可追溯機制，研究制定數據采集、傳輸、存儲、交換、應用、開放、保護等信息化管理標準，支撐TSG《特種設備信息化工作管理規則》修訂。研究建立與承壓設備相關的危化品數據庫、應急預案數據庫、應急專家數據庫、承壓設備典型事故案例數據庫，開發相關數據庫軟件；設計包含數據倉庫、風險評價預警系統、應急響應系統和風險展示系統的國家承壓設備宏觀安全風險防控與應急平臺架構，并針對長管拖車、深冷罐車、小型氨制冷裝置，結合二維碼、安全狀態參數組合傳感器、移動終端、GIS等移動物聯網技術，開展平臺上的示范應用，實現全壽命期信息可追溯監管，宏觀安全風險可視化展示、定位、預警與應急響應。

3.3 任務3：承壓類特種設備應急處置技術研究

針對鋼制球形儲罐、臥式和立式儲存容器等典型承壓設備，研究火災環境下盛裝壓縮氣體和加壓液化氣體的承壓設備燃燒場-熱場-結構場-流場等多物理場耦合響應演化過程，分析火災類型和位置、設備材料行為、內部介質類型、外界環境條件等多種因素對事故演化過程的影響規律；研究儲存毒性介質的承壓設備在偶發事故中的介質泄漏擴散模型、擴散規律和濃度分布，分析儲存容器結構參數、泄漏位置和破口尺寸、外界環境條件等多種因素對事故演化過程的影響規律；開展典型承壓特種設備事故過程的仿真再現和數值反演技術研究和軟件開發；提出火災環境和毒性介質泄漏情況下典型承壓設備的應急處置技術。研究成果可為特種設備應急救援、事故減損、事故調查等提供重要技術支撐。

3.4 任務4：承壓類特種設備安全監管技術體系及機制優化研究

基于特種設備宏觀安全風險預警，研究完善特種設備風險監管體系及其運行機制，建立基于設備和制造單位風險的許可模式和市場準入方式，形成《承壓類特種設備生產許可規則》建議稿，優化特種設備制造許可模式；基于典型壓力容器使用單位風險動態評價，研究現場監察機制優化方法，提升現場檢查的資源配置效率；針對典型壓力容器檢驗，建立基于風險的監督檢驗和定期檢驗的模式優化方法，研究社會資本參與檢驗的方式，為典型壓力容器檢驗模式優化提供依據。

4 預期成果

本課題將構建高參數承壓設備全壽命周期風險防控技術方法體系，搭建基于大數據的承壓設備宏觀安全風險監管和事故應急平臺，提升我國承壓設備風險防控和應急技術的水平，為推進特種設備安全治理體系和治理能力現代化提供理論支撐和技術支持。本課題預期成果為制修訂特種設備安全技術規范5項，申請發明專利2項，申請軟件著作權5項，提出新方法5項，開發數據庫5個,開展示范應用10項，發表學術論文30篇,出版專著3部,培養人才27名。

5 預期效益

預期通過對宏觀安全風險防控概念、安全狀態參數等基礎理論的研究，科學合理地為承壓類特種設備宏觀安全風險防控的數據需求分析提供科學數據，構建承壓類特種設備宏觀安全風險防控大數據預警模型，為修訂安全技術規范《特種設備信息化工作管理規則》提供技術支撐，提高風險監管數據報告的及時性、可靠性、完整性。建立高參數承壓設備全壽命周期風險防控技術方法體系，搭建基于大數據的承壓設備宏觀安全風險監管和事故應急平臺框架，全過程實時監測風險，即時預警，快速應急響應，避免或減少事故和衍生事故造成生產損失；及時發布風險警示和權威數據報告，提高監管部門公信度和社會公眾安全感，促進行業健康發展，為政府和企業的風險治理提供有力的技術支撐；利用典型壓力容器事故情景數字模擬案例，對承壓設備從業人員（生產、使用、檢驗、維修、監督檢查、應急救援）進行應急知識教育培訓；提供承壓設備產品全過程可追溯數據查詢檢索服務。建立基于宏觀安全風險的承壓設備市場準入方式和監督檢驗優化機制，提高政府監管的針對性和有效性，降低行政成本和企業負擔。

6 總結

本課題是“十一五”、“十二五”特種設備安全監管理論的縱向深入和橫向拓展，以承壓設備為主要研究對象，將大數據的理念和技術引入特種設備安全監管研究，綜合運用風險管理、戰略管理、價值工程和公共管理等理論以及物聯網、云計算、移動互聯網等先進技術，提出特種設備宏觀安全風險防控和安全監管機制完善的建議，構建基于大數據的承壓設備風險監管及應急平臺框架，探索“智慧監管”和“智能檢驗”的發展方向，為特種設備安全監管的健康發展提供解決方案，為特種設備安全監管的改革創新提供理論支撐。

[1] 宋明，邵珊珊，壽比南．高參數承壓類特種設備風險防控與治理關鍵技術研究[J]．中國特種設備安全，2016，32(11)：5-9.

[2] 國務院．促進大數據發展行動綱要[N]．光明日報，2015-09-06.

[3] 張群．大數據標準化現狀及標準研制[J]．信息技術與標準化，2015(7)：23-26．

[4] 質檢總局．特種設備安全監管改革頂層設計方案 [EB/OL]. 2016-03-01.http://www.aqsiq.gov.cn/ xxgk_13386/ywxx/tzsb/201603/t20160301_462059.htm

[基金支持：本課題由國家重點研發計劃“高參數承壓類特種設備風險防控與治理關鍵技術研究（2016YFC0801900）”項目資助]

Research on Macro Security Risk Prevention & Control and Emergency Technology of Pressure Special Equipment Based on Big Data

Lan Qi Wang Hui Liu Sanjiang
(China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)

After more than 60 years of development and construction, China has explored a special equipment safety supervision road suitable for China's national conditions. However, with the continuous development of economy and society, some deep contradictions and problems of special equipment safety supervision have become increasingly prominent, and the people's growing security needs are not suited. In recent years, with the emergence of new technologies such as big data, new opportunities have brought for the reform and innovation of special equipment safety supervision, new conditions have created for the research of special equipment safety supervision theory, system and mechanism. This paper mainly introduces the background, general situation, goal, plan, route, innovation, content, achievement and benefit of “Research on Macro Security Risk Prevention & Control and Emergency Technology of Pressure Special Equipment Based on Big Data”.

Pressure equipment Big data Macro safety risk Safety state parameter Emergency technology

X924

B

1673-257X(2017)05-0001-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.001

藍麒（1981～），男，博士，副主任，從事政策研究和法律事務工作。

劉三江，E-mail: liusanjiang@csei.org.cn。

2017-04-24）