基于HAZOP分析模式的应急辅助决策系统的设计

周晓颖 张东胜 董博恺

(北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029)

引 言

危险与可操作性(HAZOP)分析作为一种国际公认的工艺危害分析方法，能有效地辨识出工艺过程的危险性，在化工行业应用广泛。自2008年起，我国陆续出台了多部文件，对HAZOP分析的应用提出了指导性意见并对重点行业及企业做出了明确要求。尤其是近年来，有关HAZOP分析的应用在化工行业越来越受到重视。

HAZOP分析现仍多以传统的人工分析为主，人工分析结合了专业知识和现场经验，具有分析全面、系统、深入的优点。但在实际应用中，因纸质版的分析报告不易查询和修改，并且不能对现场操作提供具体指导，花费大量时间和精力的HAZOP分析结果往往得不到有效的利用，难以在后续的生产活动中发挥作用，进而为生产工艺安全提供及时有力的帮助。

已有一些学者对HAZOP分析结果的后续利用问题进行了研究。冯坚等[1]以化工过程HAZOP分析结果和典型事故原因分析结果为基础构建知识库，设计了化工事故预防信息系统；通过分析非正常工况的产生条件和征兆，指导操作人员及时发现问题原因并作出处理。王厚尚等[2]结合实时数据库技术设计了HAZOP专家系统框架，实现了在线辅助分析功能，然而并未解决HAZOP分析结果不易查询和修改的问题，且数据库的数据较为单一。许晶等[3]基于HAZOP设计了应急指导系统，构建了HAZOP风险数据库并建立了数据接口，实现了对分析结果的查询、管理、更新和在线辅助分析功能。

目前的研究成果主要聚焦于实时生产工艺参数和HAZOP分析结果之间的关联性，以实现HAZOP分析结果的在线辅助分析功能[4]，并未对HAZOP分析结果的功能延展适用性和过程管理实用性进行挖掘，在实际应用中难以提供具有可操作性的现场指导意见。此外，现有研究中对信息更新功能的设计不够完善，仅提供了更新功能的接口，并没有明确更新信息的来源和流程。针对上述问题，本文对HAZOP分析结果进行补充扩展，设计了HAZOP风险信息表并在此基础上构建了工艺风险数据库，设计开发了针对实际生产过程的应急辅助决策系统。所设计系统增强了HAZOP分析结果的操作指导性，保证了风险信息的实时有效，提高了HAZOP分析结果的后续利用价值。

1 系统总体架构

本文建立的应急辅助决策系统采用三层C/S体系架构，如图1所示。三层结构的说明如下。

(1)数据层是系统的基础，用来存放系统所需的业务数据，其一是建立的工艺风险数据库，其二是来自distributed control system (DCS)的现场工艺数据。

(2)功能层负责系统具体功能的实现，由核心功能和通用功能两大部分组成。核心功能部分包括风险数据管理、风险数据更新、生产操作指导、事故应急处置4个功能模块。通用功能部分包括权限管理、日志管理等基础功能模块。

(3)界面层提供用户与系统各个功能间的人机交互界面，用户可通过直观可视化的界面操作系统。

2 企业风险数据库的构建

2.1 数据库设计

数据库是系统功能实现的基础，围绕HAZOP分析结果进行构架，整体结构如图2所示。

根据系统功能需求，除基于HAZOP分析结果的HAZOP风险信息外，还需要其他数据作为支撑，主要包括4类：第一类是与HAZOP分析结果相关的节点信息和风险判断矩阵等；第二类是包含化学品危害信息、工艺技术信息和设备信息在内的工艺安全信息；第三类是包含应急预案和应急资源等信息在内的应急信息；第四类是系统运行过程中产生的权限信息、操作信息和报警信息等系统信息。

2.2 HAZOP风险信息表构建

HAOZP风险信息表以HAZOP分析结果为基础构建，是工艺风险数据库的核心数据表。

2.2.1HAZOP分析要素

根据《危险与可操作性分析应用指南》(GB/T 35320—2017)，HAZOP分析工作表包含6个必需要素，即工艺参数、引导词、详细偏差、后果、安全措施、建议措施。实际应用时还会在分析中加入对风险的评估，多通过风险矩阵判定风险等级。HAZOP分析要素如图3所示。

HAZOP分析的主要目的是根据偏差识别工艺过程中的生产操作失误与设备故障，找到偏差产生的原因以及可能导致的不利后果，并分析已有安全措施是否满足降低风险等级的要求。而针对偏差传播路径中关键节点的控制和处置则不在HAZOP分析的要素中，因而HAZOP分析结果中没有对识别出的危险场景提出具备可操作性的现场处置措施，不能为现场操作提供具体有效的指导，在实际生产中的应用效果不佳。

2.2.2HAZOP风险信息表设计

为解决HAZOP分析不能对实际生产过程提供有效指导的问题，在设计HAZOP风险信息表时，将HAZOP分析结果与生产操作措施相结合，在异常工况下给出有针对性的现场解决方案，增强HAZOP分析结果的操作指导作用。

提取HAZOP分析表中的要素设计风险信息表，并在原有要素的基础上补充操作指导项，详细设计如表1所示。相比于传统的HAZOP分析表，本文的HAZOP风险信息表补充了分别针对原因和后果要素的措施项，扩展了HAZOP分析的功能和效能。处置措施项对应工艺参数异常原因项，用于指导异常工况下的现场处置工作。应急措施项对应工艺参数异常可能导致的不利后果，当异常工况难以控制时，可以提供有针对性的应急措施，帮助相关人员及时有效地进行应急工作。

表1 HAZOP风险信息表Table 1 Process risk information form

2.2.3HAZOP信息完善

根据HAZOP风险信息表的设计完善HAZOP分析结果，其中补充措施项是信息完善的关键，直接影响系统功能的完整性和准确性。要根据HAZOP分析识别出的偏差传播路径和风险级别，并结合事故特点制定有针对性、适用性和可操作性的现场解决方案[5]。补充措施项主要通过两种途径实现：其一是根据HAZOP分析结果梳理已有的操作规程、应急预案和现场处置方案等，抽提出与偏差传播路径相对应的处置措施和应急措施，充分利用现有资源；其二是通过专家会议讨论，有针对性地对每条重要的分析结果提出具体的措施，作为具备可操作性的指导建议。

2.2.4HAZOP信息标准化

将补充后的HAZOP分析结果导入HAZOP风险信息表，其中的要素项应与HAZOP风险信息表中的字段相对应，并符合字段的属性要求。因HAZOP分析结果通常以表格的形式保存，虽有标准格式但书写内容存在差异，不利于系统的识别，所以在导入前还需要对系统主要识别项的对应信息进行标准化。

“节点”“P&ID图纸号”“设备位号”字段对应的数据应采用统一的编码形式， “可能性”“严重程度”和“风险等级”字段对应的信息为分级形式，按照企业风险分级标准修正信息。

“工艺参数”和“引导词”是识别偏差传播路径的标志，直接与报警规则对应。根据工艺参数的变化在DCS系统是否可监测将工艺参数分为两类，一类是具体可测量的工艺参数，包括温度、压力、液位、流量等，在实际的生产过程中可以通过监测参数数值来确定其是否异常；另一类是描述抽象过程的工艺参数，包括混合、反应、浓度、pH值等。引导词以《危险与可操作性分析应用指南》给出的7个基本的引导词以及4个与时间及顺序相关的引导词为基础，但在进行实际分析时，还可能使用其他对偏差辨识更有利的引导词，因此在标准化的过程中需要对表达同类含义的引导词进行归类，例如对应可测量工艺参数的引导词“多”和“少”表达可测量参数值的变化，但在实际分析时为了更符合语言习惯，还会使用“高”“低”“大”“小”等引导词。如表2所示归类的这些引导词，正向偏离统一使用引导词“多”，负向偏离统一使用引导词“少”。

表2 引导词归类例表Table 2 Examples of guide words classification

对系统识别项标准化后，导入标准化后的信息完成HAZOP风险数据表的构建。

3 系统功能设计

3.1 风险数据管理模块

风险数据管理模块为用户提供直观可视化的数据管理界面，便于对工艺风险数据库中的信息进行查询和修改。对HAZOP风险信息的查询以关键字段为标签，可以通过单独或组合标签形成检索条件，快速准确地获取HAZOP风险信息，并调取数据库中与之相关联的其他信息。

3.2 风险数据更新模块

在化工生产中，为了满足生产需求，提高生产效率，常需要对生产工艺或设备进行变更。在实施变更的同时，往往会引入新的风险[6]，所以需要通过HAZOP分析对变更所带来的风险进行辨析，使潜在危险得到预防和控制[7]。系统数据库是以变更前的HAZOP分析结果为基础建立的，因而在变更实施后数据库中原数据可能与变更后的现场实际状况不符，不利于对现场风险的掌控，还降低了相应危险场景下操作措施对现场处置工作的指导性，甚至会导致决策失误。

风险更新模块关注变更管理导致的风险变化，结合实施变更前的工艺危害分析程序，在实施变更后根据实际情况对数据库中信息进行更新，保证风险数据的有效性。风险数据更新流程如图4所示。

3.3 生产操作指导模块

化工生产工艺流程复杂，生产过程中危险性高，极易发生事故[8]，因此保障生产过程的安全性十分重要。生产操作指导模块将HAZOP风险信息与生产工艺过程进一步结合，帮助现场操作人员在生产异常情况下快速作出决策，将事故消除在萌芽状态，从而预防事故的发生。

生产操作指导流程如图5所示。在实际生产中，DCS系统实时监测生产过程中的关键工艺参数，当监测到参数异常时发出报警信号。生产操作指导模块利用与DCS系统的数据接口即时获取报警信息，再通过报警信息对应的检索规则在数据库中检索，提示操作人员异常工况产生的可能原因，并给出相应的现场处置方案。操作人员根据系统提示对现场情况进行排查，能够快速地找到异常致因并进行处理。

在实际生产过程中，工艺参数之间的变化往往具有相关性，因此在进行HAZOP分析时对各个参数偏差都进行系统的分析，查找到可能引起参数偏差的根本原因。如果相关参数在同一时段内出现变化，在HAZOP风险信息中会存在至少一条相同的可能原因，故当多个数据同时变化时，可以优先排查原因中的相同项，以减少排查异常致因所用的时间。

若在系统提供的参考原因中未找到符合现场情况的项，则说明存在未辨识清楚的工艺风险，需要根据现场情况和实际解决方案补充数据库中的风险信息，利用实际生产过程中的经验不断完善工艺风险数据库。

3.4 事故应急处置模块

化工事故一旦发生，发展往往非常快，处置不及时或未采取正确的应急措施可能会使事故得不到及时控制，造成事故恶化。事故应急处置模块整合数据库中的应急信息，利用应急信息和HAZOP风险信息之间的关联，在异常工况不能及时消除时根据事故的类型和特点对事故起因及演变路径进行分析，针对事故应急处置提出可供参考的对策措施，并提供有针对性的应急资源信息。

4 系统实现

以天津某化工企业树脂生产工艺为对象，实现系统的工程应用。通过人机交互界面完成了对工艺风险数据的查询和更新，如图6和图7所示。

当生产参数出现异常并超过报警极限值时，DCS报警信号触发应急辅助决策系统的生产操作指导功能，并给出相应的原因及后果分析。以兑稀罐压力过低为例，图8所示为兑稀罐压力过低时的分析界面，操作人员能够快速获取导致工艺参数异常的可能原因和不利后果，提供图9所示的操作指导，并在不能及时处置异常情况时，提供参考的应急措施，如图10所示。

5 结论

(1)根据HAZOP分析结果在实际生产中的应用效果以及系统的功能需求，对HAZOP分析结果进行扩充，增加了对应原因和后果的措施项以弥补其在指导实际生产过程方面的不足，增强了HAZOP分析结果在实际应用中的可操作性。

(2)所设计系统结合变更管理过程中的工艺危害分析程序，在实施变更后及时更新风险信息，使风险信息更加符合现场实际情况，增强了系统在生产过程中的适用性，避免了因信息滞后导致决策失误。

(3)所设计系统将HAZOP分析结果与实际生产工艺在线有机结合，在工艺参数出现偏离时依据推理规则分析导致异常的原因和不利后果，并为操作人员提供有针对性的操作指导；在事故发生后基于HAZOP分析模式和结果推导事故起因并给出可供参考的应急方案。该系统使投入大量精力并且汇聚集体智慧的HAZOP分析结果具有更大的附加价值，增强了其后续实用性。