油氣安全預警類課程群項目式教學方案設計

胡瑾秋，張來斌，李云濤，肖尚蕊

（中國石油大學〔北京〕 安全與海洋工程學院，北京 102249）

引言

油氣生產復雜系統具有層次性、非線性、開放性及脆弱性等特點。正所謂“千里長堤，潰于蟻穴”，重大災難性事故的發生、發展、加劇及衍生、次生過程與復雜系統的上述特點密不可分。油氣裝備結構的復雜性和操作工況的多樣性，使得不同裝備在不同環境下事故致因因素的時空關聯作用的表象又有所不同，但機理卻有規律可循。風險溯源、評估及安全預警研究的目的正是為了避免復雜系統事故致因因素間這種強因果“連鎖反應”的發生，實現見微知著、防微杜漸。一方面從根源上抑制其誘發；另一方面從事故致因因素時空關聯作用過程中減輕其危害程度，增強系統安全韌性，降低運行風險。從而將事故預防關口前移，將以事故發生后應急為主的管理模式轉變為事前危險狀態監控、預防為主的管理模式；將靜態的安全管理方法轉變為動態的風險預測及主動維修方法；將分散、單項的事件處理方式轉變為系統、組合的管理體系。

過程安全風險控制是油氣安全學科重要的培養方向之一，其中油氣生產安全預警類課程群是該方向的重要系列課程，貫穿于油氣安全工程本科與研究生一體化培養的全過程。該課程群包括新生研討課“風險的世界”、專業基礎課“燃燒與爆炸學”、專業核心課“過程安全工程”、專業選修課“人工智能與安全預警”及本博一體化（含碩士生）學位課“過程風險控制理論”。通過對該課程群的學習，學生將圍繞油氣生產復雜系統“人—機—環—管”全方位風險因素，以“油氣生產系統風險因素識別→異常工況及故障監測→燃燒與爆炸機→風險防控技術→早期預警→典型案例研討（涵蓋煉化、非常規、深水等復雜油氣生產領域）”為主線，系統性掌握油氣生產安全預警領域中的理論、方法與技術應用，這對培養具有跨學科知識結構和綜合應用能力的綜合型人才具有重要作用。

本次研究從培養應用型和創新型人才綜合能力的角度出發，結合中國石油大學（北京）安全工程專業具體課程教學的實際情況，對該課程群進行項目式教學方法改革與探討。項目式學習（Project-based Learning，PBL）是一種以學生為中心的教學方法，改變了以往“教師講，學生聽”的被動教學模式，創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。根據教學過程中存在的主要問題，總結出一套基于項目式教學法的油氣生產安全預警類課程群教學模式與研討方案，并應用于實踐教學中，挖掘學生的共性與個性，培養學生的實踐技能，激發學生對油氣安全預警領域科學問題的發現與探索精神，取得了顯著的教學效果。

一、油氣安全監測預警課程群的設置與教學特點

（一）油氣生產系統風險特點

油氣生產系統包括石油天然氣的勘探開發、儲運、加工利用及LNG 等海外油氣資源接收站（庫）等關鍵過程及相關的設備設施。其安全問題區別于其他行業的特征有：第一，物料大多具有易燃易爆性、反應活性、毒性和腐蝕性；第二，生產裝置規模大、集成度高，且生產過程具有強非線性；第三，系統組成關系與行為復雜，以及與環境之間的關聯程度高、耦合性強，導致系統故障的形成、傳播、演化等故障行為具有多樣性、隨機性、涌現性等特點；第四，事故演化過程及其衍生次生災害形成多災種耦合事故場景，為應急救援決策帶來嚴峻挑戰。

因此，油氣生產系統中一旦任何子系統或其中部件發生故障，易引發鏈式效應，所造成的危害和影響遠比單一故障事件大而深遠。對油氣生產系統的故障及異常工況等行為進行快速辨識與預警，能夠增強系統的安全彈性，降低運行風險。鑒于此，油氣生產過程的安全性及其事故多災種耦合演化過程與規律的研究及相應的風險防控工程也成為當今世界油氣安全工程行業關注的重點之一。

（二）安全預警課程群的設置

過程安全風險控制是我校安全科學與工程一級學科的重要研究方向之一，在教學體系中與此相關的知識點內容多，實踐性和綜合性較強，且分散在多門課程中，故而難以形成系統的知識邏輯和關聯，且碎片化知識在后續的畢業設計、科研課題研究及工程實踐過程中將遇到許多障礙和局限性，全方位育人效果欠佳。

根據國際減災戰略秘書處的定義，預警是指對即將發生的災難進行緊急警告。在系統安全工程領域，其內涵既包括對可能即將來臨的事故（如管道破裂、機組非正常停機等）發出的緊急警告，又包括對一段時間后由此事故可能引起的二次事故（如火災、爆炸等）或衍生次生災難（大規模停水停電、交通癱瘓等）發出的提前警告。因此安全預警是對油氣生產系統未來風險狀態進行測度，并對未來故障或異常工況的發展進行預期性評估，以提前發現系統未來運行可能出現的問題及其成因，預報不正常狀態的時空范圍和危害程度并提出防范措施，從而避免或最大限度降低可能的損失。

為了解決油氣安全預警類課程體系問題，激發學生的學習興趣，強化師生互動，充分發揮專業課程教學的育人功能等核心問題，本文依托教改項目研究提出基于項目式教學的油氣安全監測預警類課程群教學方法，優化教學內容，加強課程內容與科研熱點、學術探討及專業綜合應用的聯系；采用項目式教學方法，提供課題研討平臺和實驗場所，提高學生的學習興趣；深度融合OBE和課程思政理念，注重全過程、全方位育人。

油氣安全監測預警方向的專業基礎知識點包括油氣生產系統建模與系統安全分析、事故機理、異常工況監測與識別、過程故障診斷、故障傳播路徑建模與推理、故障智能溯源、動態風險評估、安全預警大數據技術、多源信息融合技術、人員安全行為及人工智能在安全預警領域的理論方法與應用等。這些知識點貫穿于油氣安全工程培養計劃的本科、碩士研究生和博士研究生階段的多門課程，因此圍繞油氣安全監測預警方向專業基礎知識點，建立油氣安全監測預警課程群，如表1所示，列出了各門課程中對應的與安全預警關聯的主要知識點。

表1 安全預警課程群的設置

二、項目式教學的基本出發點

項目教學法最早見于美國教育家凱茲和加拿大教育家查德合著的《開啟孩子的心靈世界——項目教學法》。項目教學法是指師生通過共同實施一個或一系列完整的項目工作而獲得專門知識并提高實踐能力的教學活動［1-2］。心理學研究結果表明，當感受類型是“聽”時，記憶的保持率為20%；當感受類型是“看”時，保持率為30%；當感受類型是“聽+看”時，保持率為50%；當感受類型是“親身實踐”時，保持率為90%。在項目教學過程中，只有當一個人已有的知識無法解決他所面臨的問題時，真正的學習才會發生［3-5］。學習不是由教師向學習者傳遞知識的活動，而是學習者自己建構知識的過程；學習者不是被動地吸收信息，而是主動地通過已有的認知結構對新信息進行加工和建構，這種學習更強調主動性、社會性、情境性、協作性，而且這種建構教師不能代替。

在教學過程中項目的范圍較廣，可以是以生產一件具體的、具有實際應用價值的產品為目的的任務，它要求學生運用已有的知識和經驗，通過自己親手操作，在具體的情境中解決實際問題；也可以是設計一系列實驗揭示某種規律或現象、建立一組計算模型解決某個科學或工程難題、研發一個產品提供某項有意義的創新服務等，其目的在于促進學生知識串聯和應用能力的發展［6-7］。

結合表1安全預警課程群的特點，項目教學法的基本出發點包含以下幾方面：屬于安全預警領域的主要、重點教學內容，并具有理論研究或實際應用價值；能將安全預警基礎理論知識和工程技能結合起來；與油氣行業設備或工藝實際生產運行等活動的安全保障要求有緊密聯系；學生可以獨立制訂研究計劃并實施；學生可以運用所學知識克服、處理在項目工作中出現的困難和問題；難度水平高于課內作業，學生在完成過程中需要查閱文獻資料進行自主學習和運用新的知識與技能；有明確而具體的成果展示，師生能共同評價項目完成情況和工作成果。

三、基于PBL的油氣生產安全預警技術類課程群研討問題設計

圍繞油氣安全過程風險控制學術前沿與知識體系中的重點、難點，提煉安全預警課程群項目教學中的研討重點問題如下。

第一，針對油氣生產關鍵設備設施，除了極少數突發故障以外，大多數故障的產生是有一個漸進過程的。早期故障（指設備部件發生早期缺陷或部件之間的傳動配合不良，但程度輕微，不影響設備系統的正常功能）是產生耦合故障的初始原因（故障萌芽），是誘發故障耦合作用的根源（早期故障在故障耦合作用下能量聚積，導致系統崩潰）。及時診斷出早期故障，消除這一初始原因，遏制故障耦合作用的激發，是實現設備系統故障預警的首要一步。

引導學生思考并提出關鍵科學問題：故障監測預警環節的應用難點。例如，早期故障敏感特征微弱，常被噪聲淹沒，如何準確識別；早期故障數據較少，為數據挖掘和智能故障模式識別帶來了挑戰，有哪些解決途徑等。

第二，故障預警分析中的動態安全評價技術有別于傳統意義上的安全評價。由于故障預警的根本目標是避免故障產生的條件，那么故障預警分析中的安全評價應重點對可能產生故障時的條件（工況和狀態）進行評估，特別是故障可能萌芽時的條件和特征，將防控措施提前到早期故障階段之前，形成一種超前保護意識。

引導學生思考并提出關鍵科學問題：由于設備系統具體的運行過程、組織過程、內/外環境因素、操作任務是動態的，如何根據外部環境的變化、工況操作的調節及系統自身的退化規律動態、自動更新評價方法與模型（模型結構與參數），使預警分析具有自適應性。

學生根據科學問題進行組隊，開展項目研討，提出解決方案。例如，系統安全不僅體現在某個時間點上的狀態，還與其變化趨勢及歷史運行特點密切相關。針對設備系統故障耦合作用的不確定性和動態性特點，從“時—空”維度（“時間維度”是系統歷史、現狀及未來發展狀態；“空間維度”是功能相關性、故障相關性和結構相關性）對設備系統建立動態、自適應、綜合的評估模型。

第三，針對預測預警方面，在教學過程中提出工程難題，引導學生積極思考。例如，當故障耦合作用引發系統共因失效、相關失效及多危險源共存時，已有的預警分析方法往往忽略了系統部件之間及故障失效過程之間的相互作用、傳播及影響程度，外部環境變化、工況調節對部件退化過程的影響，而從單純的部件自身退化過程出發計算平均壽命，預測未來的剩余可靠性壽命，所得結果往往偏樂觀，不切實際，并容易產生大量的冗余解甚至誤報或漏報現象。

學生分組建立團隊，獨立制訂研究計劃，探討科學問題，提出研究項目，例如：（1）如何建立“系統—子系統—部件”之間的結構關系模型、系統變量（可觀測與隱含狀態變量）之間的相互依賴影響關系模型，以及故障失效之間因果傳播模型，并將這些關系模型定量化。（2）如何拓展或改進傳統單部件預測方法，杜絕以往“只見樹木，不見森林”的預測模式，使之能夠對子系統及整個系統的安全性、可靠性進行動態的預測。

第四，在風險控制方面，教學過程中提出工程難題引導學生積極思考。例如，一些傳統的預控對策系統雖然可以找出所有系統故障傳播路徑，但并非每條都可以在現實生產條件下發生，并且相當一部分發生的概率極低。在復雜系統故障預警防御過程中，這種低識別性的分析方法最終將產生龐大的可能故障報警結果甚至信息爆炸現象，無法及時、準確地采取有效的預控措施。

學生分組建立團隊，獨立制訂研究計劃，提出研究項目，例如：如何將專家的知識經驗、歷史數據及實時監測數據，以及系統物理發展規律結合起來，提出有效的主動預防性維修策略。學生可以自主學習人工智能算法，將經驗驅動、數據驅動及物理驅動有機結合，建立數學計算模型將裝備自身內在的狀態演化與耦合交互的演變過程相結合，預測部件和系統的剩余可靠性壽命，并從整體最優的角度提出系統預防性維修策略。

四、PBL的組織與實施

將一個相對獨立的項目交給學生自己處理，信息的收集、方案的設計、項目的實施及最終的評價，都由學生自己負責。學生通過該項目的進行，了解并把握整個過程及每一環節中的基本要求。運用項目教學法，學生的學習過程一般包括七個環節（見圖1與表2）：明確任務、獲取信息、制訂計劃、做出決定、組織實施、過程檢查、結果評估。表2也給出了結合安全預警領域的科學問題，在每個階段PBL的組織與實施示例。

表2 安全預警類課程群PBL的組織與實施

圖1 項目教學法的實施過程

表3 PBL實施流程時間計劃

從項目的實施，到最后實現項目目標、解決了預設的問題或難題，學生通過完整的參與項目研究和自主學習過程，自己克服、處理在項目工作中出現的困難和問題，并且能夠運用新學習的知識、技能，解決過去從未遇到過的實際問題，從而以更大的學習熱情和興趣投入下一個項目的學習。

結語

過程安全風險控制是油氣安全學科重要的培養方向之一，其中油氣生產安全預警技術類課程群是該方向的重要系列課程，貫穿于油氣安全工程本科與研究生一體化培養的全過程。本文從培養應用型和創新型人才綜合能力的角度出發，結合中國石油大學（北京）安全工程專業具體課程教學的實際情況，對該課程群的項目式教學法改革進行探討。新的教學方案建立了油氣生產安全預警技術類課程群項目式教學方法與方案設計框架，改變了以往“教師講，學生聽”的被動教學模式，創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式，從而激發學生對油氣安全預警領域科學問題的發現與探索精神，取得了顯著的教學效果。同時，為安全專業的課程建設、考試改革、專業建設等提供了相應的參考。