高校實驗室風險信息分類及采集傳輸系統研究*

高玉坤,鄧 萌,秦挺鑫,閆 瑢,歐盛南,楊軼芙,張英華

(1.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；2.北京科技大學 礦山避險技術研究中心，北京 100083； 3.中國標準化研究院，北京 100191)

0 引言

高校實驗室儀器設備多樣、操作規范嚴格[1]，實驗過程涉及許多易燃易爆、有毒有害危險化學品、高溫高壓設備、壓力氣瓶等，因安全管理不規范、實驗人員誤操作、設備或材料存放不合理等因素，可能導致突發事件發生[2]，由于對救援場所實際情況掌握不準確，往往導致應急救援不到位，使事故后果擴大化。因此，準確、快速地獲取災情信息，實現快速響應和緊急救援成為高效應急救援的關鍵。現有高校應急救援體系尚不完備，對現場信息采集和分析等缺少系統性研究。對典型場景中需采集的信息進行分析，用以指導應急準備、預警、響應、恢復等各階段工作，有利于應急管理工作科學高效地展開。

對信息進行分類編碼是解決系統建設中信息格式不統一、信息共享和交換困難等問題的重要途徑。在信息采集方面，對于自然災害和事故災難的災后信息采集研究較多，部分學者致力于地震現場的災情快速獲取和高危場合的火災現場偵察研究[3]：謝慶明[4]、涂崖村[5]采用傳感器采集地震現場有毒氣體濃度以及建筑物破壞狀況等信息，經過嵌入式系統處理存儲后傳輸給救援指揮中心，救援指揮中心通過分析數據實施救援指揮策略;周崇波等[6]設計火災現場多路數據采集和圖像無線傳輸系統；消防遠程監控物聯云、智慧消防平臺的建立，不僅為消防應急決策提供信息化數據支持，還能最大限度地保障人民群眾生命財產安全[7-8]。

基于此，本文擬在統計分析實驗室事故基礎上，通過建立風險信息分類編碼體系以提高信息處置能力，針對典型應急場景，建立信息采集傳輸系統，確保事故發生時能快速獲取事故種類、數量、時間、地點、性質、溫度、壓力、救援設備、救援力量等詳細信息，通過智能分析預測事故發展態勢，有效部署救援力量，統一指揮、協調組織，科學高效地掌控實驗室安全事故局面。

1 實驗室事故統計與風險因素分析

通過對2010—2020年國內外典型高校實驗室事故進行統計分析發現，高校實驗室事故主要包括爆炸事故、火災事故、中毒窒息事故、氣體泄漏事故4類[9]，爆炸與火災事故是高校實驗室事故的主要形式。實驗室常用化學藥品、試劑和高壓鋼瓶、干燥箱等儀器設備[10]，具有易燃易爆特性，操作失誤可能引發火災、爆炸等突發事件；回流、蒸餾、電解和萃取等需要明火或通電加熱的化學實驗等也存在一定安全隱患[11]；部分實驗需要在高速、超高電壓、超強磁場等環境下進行，操作不當也有可能引發火災；部分實驗會產生有毒有害氣體，若不及時進行處理，會對實驗室人員及儀器設備造成損害；機械實驗室的機床、刨床、銑床等有高旋轉、高重力沖壓的器械等同樣存在安全隱患。

實驗室事故多發環節為實驗材料、儀器設備的使用以及廢棄物的處理。實驗室事故發生主要原因包括操作人員不規范實驗操作、實驗室安全教育薄弱以及實驗室安全管理欠缺3個方面，對應實驗室主要固有風險信息包括樓宇建筑特性、消防應急設施設備、安全管理，事態發展動態信息包括導致事故發生發展的危險源、實驗操作過程、人員受傷情況等。

2 實驗室主要風險信息分類與編碼

風險信息分為固有信息和動態信息2類。針對高校典型實驗室事故進行固有風險信息采集、整理和分類，根據在應急、快速反應、現場緊急救援、決策指揮、搶險救災等階段所需事故相關信息，確定分類體系內容，如圖1所示。根據事故信息的加工程度，固有信息包括建筑基本信息、救援設備信息、內部環境信息和其他信息4個方面，細分為建筑特性、防滅火設計、消防施救設施、安全疏散設施、應急救援設備、其他設施設備、實驗室基本情況、安全管理情況、設備設施信息、應急預案、事故案例、就近醫院、補充信息13個大類。

圖1 實驗室固有信息分類體系Fig.1 Classification system for inherent information of laboratories

通過對2010—2020年實驗室事故案例進行整理和分析，對高校典型實驗室事故發生時需獲得的動態風險信息進行預梳理和分類，如圖2所示。動態信息分為事件描述信息、事故現場信息和其他信息3個方面，細分為實驗室爆炸、實驗室著火事件、實驗室中毒窒息、實驗室機械傷害、其他事件、實時環境信息、人員信息、疏散救援情況、其他信息9個大類。

圖2 實驗室動態信息分類體系Fig.2 Classification system for dynamic information of laboratories

通過對相關風險信息進行分類編碼，實現日常維護管理、事故發生時信息快速采集和傳輸，用以指導應急各階段工作，有助于實驗室應急管理科學高效地展開。根據國家相關標準將實驗室風險信息按固有信息13大類和動態信息9大類進行分類與編碼[12-15]，建立規范化的信息編碼體系，為進一步完善固有信息數據庫、動態信息數據庫的日常維護管理，以及突發事件的信息快速采集和傳輸奠定基礎。本文著重對信息采集傳輸系統加以闡釋。

3 高校實驗室信息采集傳輸系統的設計和建立

信息采集傳輸系統是負責各類前端信息采集、通信傳輸以及數據存儲管理的軟件系統，主要基于救援現場風險信息分類模型，針對不同事件類型,實現風險信息、人員信息、裝備信息采集上報功能。

3.1 系統平臺任務需求分析

系統主要任務需求包括信息采集和信息傳輸2個方面，即利用相關應急監測設備采集事故現場物理數據，配合應急救援力量使用手機等終端二維碼小程序上報采集信息，將事故發生地采集的固有信息和動態信息通過網絡方式傳輸到云服務器，應急指揮平臺綜合分析并研判事故發展情況，進行應急調度，應急隊伍通過系統實時反饋救援信息。信息采集傳輸系統任務需求如圖3所示。

圖3 信息采集傳輸系統任務需求Fig.3 Task requirements of information acquisition and transmission system

其中，固有信息數據庫需通過前期對固有信息的采集錄入和后期對固有信息數據庫的實時更新實現。事故現場動態數據庫由事故現場應急監測設備通過現場數據采集控制器采集的環境數據和現場人員通過二維碼程序上報的事故數據2方面構成。

使用完好性監測算法，利用最小二乘構建方程首先要判斷算法的可用性。本文選擇水平保護等級法來判斷RAIM算法是否可用。

根據系統目標與范圍，業務層面上系統主要覆蓋的最終用戶包括救援現場的信息上報人員、現場應急救援人員、應急指揮人員和應急專家；實際操作層面上系統主要包括系統管理人員、現場信息上報人員、現場應急救援人員、應急指揮人員和應急專家。

3.2 系統平臺功能框架

在充分梳理系統服務需求與流程基礎上，對系統相關功能進行整體劃分與設計，提出以下6個模塊，如圖4所示。

圖4 信息采集傳輸系統整體功能框架Fig.4 Overall functional framework of information acquisition and transmission system

1)權限配置模塊。該模塊可實現用戶信息管理、用戶權限配置以及系統權限驗證3方面功能，是整個系統的安全管控中心，需要在系統用戶信息、用戶權限配置信息的基礎上，允許系統所有授權合法用戶的有效訪問，并禁止系統所有未授權用戶的非法訪問。

2)信息采集設備集成與控制模塊。該模塊可實現對接入系統各類前端硬件的集成與對接信息的配置，具體接入方式包括基于網絡的集成與配置和基于串口的集成與配置。目前系統集成的火災事故現場采集設備是由“北京知控高科技術有限公司”提供的社區應急監測設備，智能手環具有采集上傳人員生理數據、基于北斗系統的人員定位數據等功能。

3)現場信息實時采集與上報模塊。該模塊可實現二維碼數據手動上報、現場照片手動上報、現場視頻手動上報、火災現場監測數據自動上報等功能，是各類事故現場多種采集信息的實時捕捉上傳工具。按照信息采集上報方式可分為手動采集并上傳和自動采集并上傳2種；按采集信息類型分為二維碼數據、照片、視頻及傳感監測數據4類。

4)現場采集信息圖形化展示模塊。該模塊可實現現場采集信息列表展示、地圖展示和統計圖展示功能，是各類現場采集獲得各類數據的可視化展示界面與人機交互界面。

5)現場環境基本信息管理模塊。該模塊可實現現場建構筑物、現場道路、現場應急物資及裝備、現場應急隊伍及人員的基本信息管理功能。系統對救援人員數據進行靜態基本信息管理的同時，還需對其實時狀態進行跟蹤管理。

6)現場應急輔助決策支持模塊。該模塊可實現應急預案庫、事故案例庫和應急知識庫的管理，以及應急專家意見填寫與發布等功能，為現場應急響應、現場應急處置及現場應急指揮調度提供輔助決策支持。

3.3 系統平臺架構設計

本文采用基于JAVA的B/S系統架構，系統整體架構如圖5所示，系統運行環境見表1。基礎設施層是系統運行的軟硬件和網絡基礎，包括高性能移動工作站、網絡設備、數據庫管理系統、操作系統、WEB容器和地圖服務器等內容；數據資源層是建立在基礎設施層上的業務數據集合，根據業務數據特點，包括救援現場動態風險評估指標體系數據、風險評估專家數據、風險評估專家定性與定量評估意見數據、救援現場實時監測數據(氣象信息、氣體濃度信息、現場救援人員體征信息等)、救援現場周邊環境數據等；服務接口層是實現數據和服務交互的接口，系統涉及的接口包括數據庫服務接口(mybatis-plus)、計算模型接口(dll)、地圖在線服務訪問接口(高德)以及信息采集終端軟件和風險信息動態采集監測系統；業務模塊層按照系統業務功能框架進行劃分，包括系統權限管理模塊、救援現場動態采集數據管理模塊、救援現場動態風險評估指標體系管理模塊、救援現場動態風險評估指標權重管理模塊、救援現場動態風險專家評估意見管理模塊、救援現場動態綜合風險計算與定級模塊。

圖5 信息采集傳輸系統整體架構Fig.5 Overall architecture of information acquisition and transmission system

表1 信息采集傳輸系統運行環境Table 1 Operating environment of information acquisition and transmission system

4 高校實驗室信息采集傳輸系統的實現

本文采用Intellij Idea 2017.2.5進行系統的開發實現，下文結合系統對實驗室突發事件發生后的應急響應流程進行闡述。JDK版本為Java 1.8.0_181。

假設某實驗室發生著火事件，系統響應流程分為信息實時采集與上報、應急指揮與資源調度2方面，如圖6所示。信息實時采集與上報包括現場數據采集設備上報和二維碼信息上報；應急指揮與資源調度體現在突發事件接警、發展態勢研判、應急輔助決策和應急資源調度4個方面；實驗室突發事件接警實現上報信息接入、基本信息采集與錄入、事發地點定位、事發周邊環境分析等功能；發展態勢研判實現數據的實時監測與反饋和事件發展態勢預測及研判；應急輔助決策實現基于案例庫的應急輔助決策支持；應急資源調度實現事發周邊應急資源的多條件查詢檢索、應急資源到達事件現場的通行路徑優化、應急資源的屬性信息和空間信息實時共享。

圖6 實驗室著火事件響應過程示意Fig.6 Schematic diagram for response process of fire incident in laboratory

假設某高校1號實驗樓6樓123實驗室發生著火事件，模擬著火事件后信息采集傳輸響應和調動，將指揮中心設在保衛保密處，學校配備兼職消防救援隊伍、應急專家和高校應急救援志愿者[16]。該實驗室為環境實驗室，涉及垃圾滲濾液硝化載體制作實驗，易制爆危險化學品鎂粉、磷酸和過硫酸鈉，在系統中錄入固有信息，包括實驗樓相關建構筑物基本信息、涉及易燃易爆品、危險化學品等。實驗室火災事件現場采集設備實時監測采集O2、CO、CO2、NO2等多種要素數據，制定應對各類災難事故應急處置工作預案，指揮平臺可查看應急預案、相關事故案例、應急知識以及標準規范等，確保及時獲取和有效指揮調度。應急輔助決策支持庫如圖7所示。

圖7 應急輔助決策支持庫Fig.7 Emergency aided decision support library

1)著火事件接警。二維碼風險信息采集傳輸程序作為災情快速采集上報的終端，當發生突發事件時，相關人員掃描二維碼，填報事故位置、事故蔓延、受困人員等信息，借助便攜式信息采集設備采集事故現場災害信息，以最快的速度通過網絡傳輸給應急指揮平臺，對初起事故和事故蔓延情況進行全方位監測，為應急救援提供決策參考，二維碼現場信息上報界面如圖8所示?，F場數據采集及遠傳設備通過實時采集現場信息，并上傳至云服務器，通過WIFI及LORA連接專用接收網關設備進行傳輸。應急指揮中心通過云服務器遠程查詢事故現場情況，對初起火災及蔓延情況進行全方位監測。

圖8 二維碼現場信息上報界面Fig.8 Interface of QR code field information reporting

2)應急響應調度。應急指揮中心通過對突發事件發展態勢進行判斷，利用應急指揮平臺應急隊伍基本信息管理模塊通知事發地周圍距離最近的應急隊伍以及校內應急志愿者趕赴事故現場，并根據道路通行情況發送到達事發地點的最短路徑，如圖9所示。統計1號實驗樓6樓123實驗室發生著火事件模擬應急響應時間，第1批應急救援人員到達事發地的時間分別為144，162，131 s，均小于標準黃金救援時間360 s。

圖9 到達事發現場最短路徑示意Fig.9 Schematic diagram of shortest path to incident field

5 結論

1)實驗室突發事件發生后，準確、快速地獲取災情信息，對進一步救援的災情判斷、輔助決策和應急指揮至關重要。因此，研究救援現場風險信息快速采集技術，形成1套集信息采集傳輸、風險評估綜合研判及應急資源狀態監測于一體的集成系統，有利于預測事件的發展趨勢，實現救援現場各類資源的快速合理調度配置。

2)通過分析高校實驗室突發事件，對相關風險信息進行分類編碼，以實現日常維護管理、事故發生時信息的快速采集和傳輸。針對高校實驗室事故進行信息采集傳輸系統總體設計，在對系統服務需求、信息傳遞方式及服務對象進行定位的基礎上，進行系統相關功能的整體劃分與設計?；陲L險信息分類模型，針對不同突發事件類型，實現動態風險快速采集功能、救援現場人員重要生理指標信息采集功能、救援現場重要裝備位置與工作參數的動態數據采集功能。

3)基于高校實驗室信息采集傳輸系統模擬實驗室火災事件的接警、現場信息上報、應急指揮人員研判后進行調度等步驟，完成火災事故信息的快速采集上報和到學校應急指揮平臺的有效傳遞，實現救援現場動態風險信息、人員信息、裝備信息的快速采集上報功能和應急指揮與資源調度功能，驗證系統的可行性。