特种机电设备安全检测、监测与风险管理研究进展*

王新华杨兆瀚黄国健刘金王东辉

（1.广州市特种机电设备检测研究院研发中心 2.哈尔滨工程大学自动化学院）

特种机电设备安全检测、监测与风险管理研究进展*

王新华1杨兆瀚2黄国健1刘金1王东辉1

（1.广州市特种机电设备检测研究院研发中心 2.哈尔滨工程大学自动化学院）

随着社会的进步，人们对特种机电设备安全运行提出了更高、更严格的要求，特种设备的安全保障已不再局限于常规的安全检测、状态监测。本文从特种机电设备安全检测、监测发展现状，特种机电设备风险管理理念与现状，以及基于监测的管理和评价体系发展三方面展开研究，并结合“十二五”期间全国特种设备科技工作的重点方向和研究任务，指出健全完善机电设备管理体系和安全的工作机制，提高对设备管理工作重要性的认识，提高技术人员的业务水平和加大隐患排查工作力度，确保特种设备安全可靠运行。

特种机电设备；安全检测；状态监测；风险管理

0 引言

特种机电设备主要包括电梯、起重机等，是国民经济建设的重要基础设施，也是与人民群众生活关系极其密切的设施[1]。确保特种机电设备的安全运行，对于保障人民群众的生命、财产安全具有重要意义。随着社会的进步，对特种机电设备安全运行也提出了更高要求[2]。加强特种设备的安全检测、监测，指导建立不同特种机电设备的风险评估、监控措施和事故预警、防范对策，在科学量化分析特种设备安全状况的基础上，研究制定有针对性的监管方式，保障安全，降低管理成本，提高工作效率，科学评价特种设备安全对经济社会发展的影响，为政府科学决策提供依据，从而促进国民经济和社会进步的协调发展[3]。

特种机电设备风险评估是在对设备潜在危害因素进行识别、分析的基础上，评估它们危险程度的大小，进而提出相应的安全措施，以寻求尽可能低的事故率、尽可能小的危害损失和最佳的安全投资回报[4]。风险管理体系是在风险评估的基础上建立，而风险评估则以检测、监测的手段加以实现[5-6]。提出符合特种设备事故特点的事故因果连锁模型，建立特种机电设备的风险管理体系，为科学有效地开展特种设备的风险控制提供基础性的理论保证和实践指导。

1 特种机电设备安全检测、监测发展现状

随着我国经济的高速发展和城市化进程的加快，我国电梯的数量也持续快速增长。截至2012年底，我国电梯保有量已经突破200万部，而且这个数字还在以更快的速度增长。“十一五”期间，我国起重运输机械产品的工业总产值、销售收入和利润总额的年平均增长率超过15%。截至2011年底，我国起重机械总量已达171.14万台。2012年，该行业的工业总产值也已达到3270亿元[7]。

近年来，随着政府对特种设备安全的重视和持续投入，起重机每万台设备死亡率正持续下降。但重大事故时有发生，10人以上的群死群伤和重大财产损失的事故几乎每年都有发生。因此实现起重机械的健康监测、安全评估和剩余寿命预测成为当前研究的重中之重。此外，电梯的快速增长和检验人员不足的矛盾也越来越明显。如何提高现场检验的效率，加强对检验人员的规范管理与统筹已成为特检系统亟待解决的问题。

目前，物联网技术、光纤光栅传感技术以及传统的声发射技术、电涡流技术、基于风险的检验（risk based inspection，RBI）等在安全评估中的应用得到深入研究，为上述问题的解决提供了途径[8-9]。

1.1 电梯安全检测、监测现状

物联网是继计算机、互联网和移动通信网络之后全球信息产业第三次浪潮[10]。它把信息技术充分应用于各个行业、产业，通过安装在各类物体上的射频识别电子标签RFID、二维码、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等组成的智能传感器，经过接口与无线通信网络、因特网互连，组成人与物、物与物相互间智能化地获取、传输与处理信息的网络，其核心是智能传感网技术。物联网的精髓是感知，感知包括传感器的信号采集、协同处理、智能组网、信息服务，以达到控制指挥的目的。近年来，物联网技术迅猛发展，应用领域不断扩大。物联网的产生与发展为现场监测监控和特种设备的安全监测技术水平的提升带来难得的发展契机[11]。物联网技术在电梯安全检测、监测方面的应用逐渐成为新的研究趋势。

江苏省特种设备安全监督检验研究院李士林等人开发了基于物联网技术的电梯快速检验系统。该系统主要包含3部分：检验管理信息系统服务程序、检验管理信息系统PC客户端和检验员手持设备客户端。通过检验资源与特种设备信息的关联，快速自动生成检验计划，实现检验仪器、检验人员、被检设备基本信息等检验资源的智能匹配，达到检验资源利用的最优化[12]。

南京特种设备安全监督检验研究院任诗波等人进行了基于云端和CPS（传感、计算终端、通讯）技术的电梯联网体系结构研究。他们针对城市大规模电梯管理提出了基于“云+端”，即“云计算中心+CPS”模式构建电梯云联网体系。该体系以构建电梯云中心，利用GIS电子地图服务，构建电梯救援网络[13]。

重庆大学研究了基于专家系统和模糊推理的软测量技术，并结合罗克韦尔自动化的Control Net工业控制网，在RSView 32平台上开发了电梯故障预测系统。

天津大学万健如提出电梯故障在线远程监测技术。该技术由向操作员提供监控界面的服务中心计算机（上位机）、电话网络和调制解调器（MODEM）、位于控制现场的信号采集微处理器（下位机）三部分组成。当电梯发生故障时，采取外部中断的方式激活响应。维修工人到现场确认故障以后断电进行电梯维修，通过这种方式实现电梯运行的在线监测[14]。

浙江工业大学马福军对电梯群控系统作了较为深入的研究，包括电梯群控系统的硬件研究与设计、建立电梯群控系统数学模型的研究、电梯群控系统客流分析与群控系统交通模式识别的研究、电梯群控系统控制算法的研究等。通过对电梯群控系统全面深入的研究后，进行了电梯群控系统的仿真研究和开发，获得了一个能提高服务效率、服务质量的电梯群控系统[15]。

武汉理工大学在故障树诊断法（图1）的基础上，提出了基于神经网络的电梯故障诊断策略[16]。该策略采用基于神经网络推理策略的方法，建立了单故障诊断和复合诊断模型，并给出有权值训练的变步长BP算法，将该故障诊断方法应用于电梯的故障诊断，建立了电梯故障诊断的专家系统。

图1 电梯控制系统安全回路系统故障树

1.2 起重机安全监测现状

目前国内起重机械的安全保证仍然以维保单位的“定期保养，事后维修”和质监部门的定期验证性监督为主，缺乏大型起重机结构健康监测与安全预警技术，尚未对大型起重机运行安全问题采取更主动的、有针对性的措施，防止各类公共安全事故的发生。起重机安全评估和寿命预测已成为起重机新的研究趋势。物联网技术、RFID技术、人机交互系统、RBI风险评估技术、无损探伤技术目前在起重机安全评估研究中被广泛应用。起重机事故的动态仿真技术将是今后起重机安全检测、监测工作中的一个重要途径。

上海市特种设备监督检验技术研究院在夹轨器抗风防滑能力试验动态仿真方面有了初步进展，江苏省特种设备安全监督检验研究院在起重机复杂运行工况下的有限元模拟仿真技术方面取得了一定的成绩，这为以后组建特种设备仿真与监测实验室，从设计的角度考虑检测、监测提供了一些参考[17]。无损检测手段已广泛应用于管道、压力容器等的检测，可推广到起重机的安全评估和寿命预测，包括物联网技术、光纤光栅传感技术以及传统的声发射技术、电涡流技术等，尤其是无损检测手段等在安全评估中的应用[18]。

中国特种设备检测研究院ASHM实验室丁克勤研究员等在国内首先开展了起重机械结构健康监测技术研究，在基于光纤光栅传感器的大型起重机械健康监测技术、基于光纤声发射传感器的大型起重机械局部损伤监测技术以及基于无线传感节点的大型起重机械健康监测技术研究等方面取得了阶段性研究成果，部分研究成果已在现场进行应用试验[19]。

基于光纤光栅传感器的起重机机械结构健康监测技术是一项以起重金属结构为对象，应用新型的光纤光栅传感器，对金属结构关键部位的应力、应变、挠度等多项参数进行实时在线监测的综合技术，该技术主要包括：光纤传感及解调技术、远程数据传输技术、损伤诊断技术和系统集成技术等。声发射监测是监测结构活性缺陷比较好的技术手段之一。然而，起重机械工作现场比较复杂，环境比较恶劣，传统信号传输方法具有传输距离有限、信号易受干扰等缺点，给传统的声发射监测带来困难。

基于无线传感网络的应变监测方法是采用无线传感节点采集起重机械的钢结构的运行状态，经无线传感网络发送到数据服务器，这些数据经过结构健康评估后，用户可通过客户端实现远程访问诊断结果。这样就能在起重机械工作的同时实现对起重机械状态的监测，避免发生危险事故，保证设备及人身安全。

南京特种设备安全监督检验研究院丁树庆等人开发了基于RFID技术的起重机械人机交互系统。图2是其开发的基于物联网的起重机人机互认及监控系统功能架构图，这套系统主要由射频识别终端和管理终端2部分组成。识别终端由人员识别射频卡、射频读卡器、无线发射模块、行车控制装置4部分组成。通过RFID射频识别卡存储作业人员信息，实现作业人员身份认证管理；经无线组网技术实现数据传输，通过远程下载可解锁运行起重机的作业人员信息[20]。

图2 基于物联网的起重机人机互认及监控系统功能架构图

2 特种机电设备风险管理理念与现状

在特种机电设备风险管理方面，欧美国家起步较早，特种设备风险评估体系的建立也比较完善。例如在欧盟的塞维索指令（Seveso Directive）中明确规定，凡是拥有重大危险装置的企业，向政府部门提交安全报告时，必须运用定量风险评估技术对所拥有的特种设备进行风险评估。欧洲的很多国家甚至给出了详尽的风险评估方案及评估内容规定。

我国在特种机电设备风险管理方面起步较晚，其体系建立发展也相对缓慢，致使我国对整个体系的认识还处于初级阶段。但随着我国经济的持续快速发展和特种设备的广泛使用，特种机电设备风险管理体系也在快速的建立和完善中。

目前，风险管理体系在锅炉、压力管道等承压设备中的应用较为成熟，但在特种机电设备中的应用体系有待形成。

华南理工大学陈国华教授等在遵循科学性、可操作性、全面性和可发展性原则的基础上，应用了安全系统工程、风险工程学基本原理，提出并且构建了包含有风险监管体系、监测预警体系、应急管理体系以及事后处置体系等在内的特种设备风险管理体系。从组织机构、运行机制、法律规章、关键技术4个方面对特种设备风险管理所面临的关键问题进行探究[21]。

四川省特种设备检验研究院樊晓松等人提出了基于RBI技术的特种设备风险评估检验。通过对系统中固有的或潜在的危险及其后果进行定性或定量的分析、评估，发现主要问题和薄弱环节，确定设备风险等级，从安全性与经济性相统一的角度，对检验频率、检验程度进行优化，使设备的检验和管理行为更加经济、安全、有效[22]。

3 基于监测的管理和评价体系

广州市特种机电设备研究院在特种机电设备监测管理和评价上开展得较早。该院从2000年开始，研制推出了垂直电梯的运行记录仪，可以获得电梯各个开关动作的状态信号，同时结合一定的逻辑处理，可判断出电梯是否处于正常状态。当发生垂直电梯的运行故障时，可以通过无线报警形式，通知维保单位进行应急救援，较好地实现了电梯的监管[23-24]。

围绕我国大型起重机共性、紧迫的结构健康监测与预警基础技术问题，从深度挖掘起重机械结构在整机运行过程中关键参数入手，广州市特种机电设备研究院开发了一套可适用于强风雨、雷电、粉尘等恶劣环境下的基于物联网的起重机械结构健康监测与预警系统，实现远程实时监测起重机械金属结构在整机运行的情况，并针对起重机械可能的安全隐患提出预警。这套系统采用基于现代移动通信网络（GPRS /3G）的分布式测量技术，通过应力、应变及温度数据采集和特征提取，实现了起重机械全生命周期下的运行状态监测、故障诊断、寿命预测、管理评价等功能[25-26]。

4 小结与展望

随着社会的进步，人们对特种机电设备安全运行提出了更高、更严格的要求，特种设备的安全保障已不局限于常规的安全检测、监测；健全完善机电设备管理体系和安全工作机制，提高对设备安全管理工作重要性的认识，提高技术人员的业务水平和加大隐患排查工作力度，可确保设备安全可靠运行。

围绕“十二五”期间全国特种设备科技工作的重点方向和研究任务，以下研究课题可供参考[27]：

1) 开展适应特种设备发展和使用需要的基于风险的检验、安全评价和寿命评估技术研究。研究对象包括大型成套设备、电梯、起重机、游乐设施、客运索道和场（厂）内专用机动车辆等。重点研究任务为：① 大型成套设备基于风险的预知检测和安全评价管理技术研究；② 电梯基于风险的检验和安全状况综合评价技术研究；③ 起重机械基于风险的检验、寿命评估和安全状况综合评价技术研究；④ 游乐设施基于风险的检验、寿命评估和安全状况综合评价技术研究；⑤ 客运索道基于风险的检验和安全状况综合评价技术研究；⑥ 场（厂）内专用机动车辆基于风险的检验和安全状况综合评价技术研究。

2) 开展适应特种设备安全检测监测需要的现代检测监测技术研究、标准制定和设备研制课题。重点研究任务为：① 基于电磁（涡流、漏磁、磁记忆、电磁超声、电磁感应）技术原理的非接触快速检测技术研究、标准制定和设备研制；② 基于声（超声、声发射、导波、声-超声）技术原理的自动快速检测技术研究、标准制定和设备研制；③ 基于数字射线、红外、光和电等新的检测监测技术研究、标准制定和设备研制；④ 大型游乐设施、电梯、客运索道等机电类特种设备运行状态安全监测与诊断技术研究与设备研制。

3) 开展适应特种设备事故特点和抢险救援需要的应急救援技术研究和装备研制课题。重点研究任务为：① 特种设备应急技术平台的研究与建立；② 带压密封技术的研究开发；③ 应急救援和保护装置研究开发；④ 应急预案编制的研究。

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王新华，男，1980年生，博士，江西人，主要从事特种设备安全与节能技术研究。

黄国健，男，1981年生，工学博士，博士，主要从事特种机电设备主金属结构健康监测，智能传感技术及应用。E-mail: guojian.huang@qq.com

Development of Special Mechanical and Electrical Equipment Safety Testing, Monitoring and Risk Management

Wang Xinhua1Yang Zhaohan2Huang Guojian1Liu Jin1Wang Donghui1
(1.Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing 2.Harbin Engineering University)

Along with social progress, the special electromechanical equipments are no longer confined to routine safety testing or condition monitoring. This paper focuses on the special electromechanical equipment safety detection, monitoring development status, special mechanical and electrical equipment risk management philosophy and status, as well as management-based monitoring and evaluation system development. The paper points out equipment management awareness of the importance to improve the level of business and technical personnel to increase troubleshooting efforts to ensure safe and reliable operation of special equipment.

Special Mechanical and Electrical Equipment; Safety Testing; Condition Monitoring; Risk Management