（控制科学与工程专业论文）基于图模型的间歇过程误操作风险辩识方法研究.pdf

学位论集 1 嬲磐 中图分类号 t p1 8 1 学科分类号 1 2 0 6 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 1 1 0 8 1 1 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 l o 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名蔡昕辰学号 2 0 0 8 0 0 0 8 1 1 获学位专业名称控制科学与工程获学位专业代码 0 8 1 1 0 3 课题来源自选课题研究方向安全系统工程 论文题目基于图模型的间歇过程误操作风险辨识方法研究 关键词间歇过程，图模型，误操作，风险辨识 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 6论文类型 基础研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师张贝克教授北京化工大学系统仿真，故障诊断、安全评价 评阅人1朱群雄教授北京化工大学智能系统与数据挖掘、过程模拟 评阅人2黄克谨教授 北京化工大学工业过程的模型化、控制及优化 评阅人3 评阅人4 评阅人5 撇员会拂朱群雄教授北京化工大学智能系统与数据挖掘、过程模拟 答辩委员1 黄克谨教授北京化工大学工业过程的模型化、控制及优化 答辩委员2王友清教授北京化工大学间歇过程建模、控制与优化 答辩委员3耿志强副教授 北京化工大学计算智能与系统 答辩委员4 王晶副教授北京化工大学先进过程控制 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 化工过程日益大型化和复杂化，各种重大恶性事故不断发生，世界各 国为此付出了惨重的代价。如何保障过程工业安全成为全球科研的一个重 要方向。化工过程分为间歇过程和连续过程，间歇过程广泛应用于食品、 聚合物、药品、染料等产品的生产，受到人们的普遍重视。和连续过程相 比，间歇过程自动化水平低、涉及大量的手动操作，易发生误操作，进而 导致灾难性的后果。本文研究的重点正是针对间歇过程的误操作进行风险 辨识，预先分析出误操作可能导致的后果，便于工厂采取有针对性的防护 措施，从而降低误操作带来的危害。 对间歇过程误操作进行风险辨识的重点和难点在于建模。常用的建模 方法有符号有向图( s d g ) 、p e t r i 网以及s d g 结合p e t r i 网。s d g 能够较 好地描述连续过程；p e t r i 网在描述系统的动态信息方面具有较好的适用 性；s d g 结合p e t r i 网的方式能够结合各自的优点，然而当前的研究结果 却很难描述具体操作，因此，在描述误操作方面显得无能为力。 本文提出了一套基于图模型的建模方法，该模型以p 嘶网和符号有 向图( s d g ) 为基础将模型分为上部和下部，加入操作点、控制库所、判 断模块等图模型元素，并结合间歇过程的特点，首次提出了关联变量、目 标变量检查表、操作点检查表和关联变量检查表等概念。根据误开误关、 过早过晚、步骤颠倒及删除等误操作，对模型进行验证。验证结果表明， 北京化- t 大学硕十学位论文 该模型解决了先前方法难以描述具体操作的缺陷，并且模型结构简单，具 有整体性。不仅能够方便地描述三种不同类型的误操作，还能有效地对误 操作进行风险辨识，具有一定的适用性。 关键词：间歇过程；图模型；误操作；风险辨识 r e s e a r c hw o d d w i d e c h e m i c a lp r o c e s si sd i v i d e di n t oc o n t i n u o u sp r o c e s sa n d b a t c hp r o c e s s b e c a u s et h eb a t c hp r o c e s s e sa r ew i d e l yu s e di nf o o d ，p 0 1 y i n e r s ， p h 砌a c e u t i c a l s ，d y e sa n do t h e rp r o d u c t s ，t h e r e f o r ei t i sr e i c e i v e dw i d e l y a t t e n t i o n f o rb a t c hp r o c e s sw i t hl o w e ra u t o m a t i c ，m e yr e q u i r em a n ym a n u a l o p e r a t i o n s t h e s em a r m a lo p e r a t i o n sm a k et h ep o s s i b i l i 够o fm a l o p e r a t i o n o c c u 玎i n g i n c r e a s e t h e r e f i o r e ， i t i s n e c e s s a 巧 t o a n a l y z e e 行e c t so f m a l o p e r a t i o no nb a t c hp r o c e s ss ot h a tp r o t e c t i v em e a s u r e sc a nb ee a e c t i v e l y t a k e n t h i sp a p e rp r o p o s e san e wm o d e l i n gm e t h o du s i n gd i g r 印hm o d e l s t h e e s t a l b l i s h e dm o d e li sd i v i d e di n t ol o w e rp a r ta n du p p e rp a r tb a s e do np e t r in e t a n ds i g n e dd i r e c t e dg r a p h ( s d g ) i ti sa d d e dt h em o d e le l e m e n t ss u c h 嬲 o p e m t i o nn o d e ，c o n 仃o lp l a c ea n dj u d g i n gm o d u l ea n ds oo n t h ec o n c 印to f r e l a t i o nv 撕a b l e ，t a r 卿v 撕a b l e sc h e c l ( 1 i s t ，o p e m t i o nn o d e sc h e c h i s ta n d 北京化工大学硕士学位论文 r e l a t i o nv a d a b l e sc h e c l ( 1 i s ti sf i r s t l yp r o p o s e dc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f b a t c hp 1 o c e s s f i n a l l y ；t h i 。e et y p e so f m a l o p e i a t i o ni n c l u d i n ge a d i e ro rl a t e r e h o ro p e l l i n go re n - o rc l o s i n ga n da d d i n gs t 印so rd e l e t i n gs t 印s ，a r eu s e dt o v a l i d a t et h em o d e l t h er e s u l ts h o w st h a tm em o d e lc a ns o l v et h ep r o b l e mo fp r e v i o u s m e t h o dw h i c hc a n n o td e s c r i b et h es p e c i 丘co p e r a t i o n a n dt h em o d e ls t m c t u r e i s s i m p l ea n di n t e g r a t e d i nt h i s m e t h o d ， t h em a l o p e r a t i o ni sd e s c 曲e d c o n v e n i e n t l ma n dr i s k i d e n t i f i c a t i o n i sc o n d l l c t e d e n e c t i v e l ya i m i n ga t m a l o p e r a t i o n 1 ( e yw o r d s ： b a t c hp r o c e s s ； d i g r a p h m o d e l ； m a l o p e r a t i o n ； r i s k i d e n t i f i c a t i o n 2 1 引言9 2 2h a z o p 方法9 2 2 1h a z o p 方法的原理9 2 2 2h a z o p 的实施过程一10 2 3s d g 技术1 4 2 3 1s d g 简介1 4 2 3 2s d g 在h a z o p 中的应用1 5 2 4p e t r i 网16 2 4 1p e t r i 网概：述1 6 2 4 2p e t r i 网原理1 7 2 4 3p e t r i 网应用实例1 8 2 5p e t r i 网结合s d g 的建模方法1 9 2 5 1s d g 和p e t r i 网的本质19 2 5 2 普渡大学的经典方法1 9 2 6 本章小结2 1 第三章针对误操作的图模型建模方案2 3 v 4 3 误操作风险辨识3 9 4 3 1 过早过晚4 0 4 3 2 误开误关4 l 4 3 3 步骤添加删除4 4 4 4 误操作风险辨识分析报告4 6 4 5 本章小结4 7 第五章结论4 9 参考文献5l 致谢5 5 研究成果及发表的学术论文5 7 v l i 北京化工大学硕士学位论文 2 2 1w b r k i n g 删p l eo fh a z o p 9 2 2 2w b 幽n gp r o c 髓s0 fh a z o p 10 2 3s d gm e m o d 1 4 2 3 1 d u c t i o no f s d g 1 4 2 3 2s d g m o d e l i n g i 1 1h a z o p j 1 5 2 4p 炳n e t 。l6 2 4 1i i l t r o d u c t i o no f p e t r in e t 1 6 2 4 2w - 0 r k i n gp 血c i p l eo fp e t r in e t l7 2 4 3p e t r in 或a p p l i c a t i o n l8 2 5m o d e l i i 培m e t h o dw i t hs d gc o m b i n i n gp e t r in e t 19 2 5 1e s s e i l c eo fs d g 觚dp e t r in e t 19 2 5 2c l a s s i c a lm e m o di nn l r d u eu 1 1 i v e r s i t y 19 2 6b r i e fs u m m 锄v 21 c h a p t e r3d i g r a p hm o d e l i n ga i m e da tm a l o p e r a t i o n 。2 3 3 1h l t r o d u c t i o n 2 3 3 2c h a r a c t 嘶s t i c so f b a t c hp r o c e s s 2 3 3 3m a m e m a t i c a ld e s 砥p t i o no f m o d d 2 4 3 3 1m o d e le 1 咖饥t s 2 5 3 3 2m a m 锄a t i c a le x p r e s s i o n 2 5 c h a p t e r 5 c o n c l u s i o n 。4 9 r e f e r e n c e s 。 51 a c k n o w l e d g e m e n t 。5 5 r e s e a r c ha c h i v e m e n ta n d p a p e rp u b l i s h e d 。5 7 b r i e fi n t l o d u c t i o no fa u t h o ra n dt l l t o r 。5 9 x 为目前全球范围内相关科研工作的一个重要方向【2 1 。 化工过程分为连续过程和间歇过程，间歇过程指将有限量的物料按规定的加工顺 序在一个或多个设备中进行加工以获得有限量的产品的加工过程【3 1 。2 0 多年来，化学 工业发生着巨大的变化，其主要趋势表现为从大规模过程转向小规模的具有弹性的过 程；从连续加工转向间歇加工；由于间歇过程具有灵活多变的特性，满足小批量、多 品种、多规格快速高质量生产的需要，即它可以用同一套多用途、多功能的设备生产 多种类型的产品。这种转变导致在过程工业领域中，精细化工等高度技术密集和知识 密集的新兴产业蓬勃发展。间歇操作广泛应用于食品、聚合物、药品、染料和涂料等 产品的生产，间歇过程受到人们的普遍重视卜5 1 。 然而，由于间歇过程具有时变、非线性等特性，过程难以建模，且模型不准确， 许多过程性参数难以测量，具有多种操作约束条件，存在较多干扰，过程不可逆转， 难以采取补救措施【6 】。间歇过程的危险性一般可分为两类，即化学反应危险性和操作 危险性。对过去的事故统计结果表明，由于间歇过程复杂度大，绝大多数事故是由于 工人误操作所造成的【7 1 。因此，对间歇过程的误操作进行风险辨识是很有意义的。本 论文提出了图模型的方法，分析间歇过程中由误操作所引起的危险，通过对危险进行 风险辨识，防患于未然，以避免事故、保障工人的生命安全。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 常用安全分析法 为了寻求更大的经济利益，化工厂自动化程度越来越高，工艺越来越复杂，这使 得化工系统的不稳定因素增多，危险程度更大。而且，人类对于复杂系统的把握能力 北京化工大学硕士学位论文 非常有限，并没有因为控制系统的自动化水平的提高而得到加强。为此各国政府采取 措施：纷纷为安全问题立法并制定相应的国际标准和行业标准。由于各国文化及思维 方式的不同，加上化工过程的复杂性，国家与国家之间，各公司间的安全评价方法不 尽相同。发展至今，安全分析的方法不下几十种，1 9 8 5 年美国化学工程师协会( a i c l l e ) 化工安全中心公布了“安全评价指南 ，对化工过程安全人工评价方法进行了权威性 总结，得出了十种方法【8 】，如表1 1 所示。 表1 1 常用安全分析方法 t a b l el - lc o m m o nm e t h o d sf o rs a 佬t ) ，a n a l y s i s 名称目的 适用范围效果 故障树( f 1 隗) 事件树( e t a ) 故障模式和影响分 析( f m e a ) 安全检查表 ( c h e c kl i 8 t ) 危险性预先分析 ( p h a ) 根据系统可能或已发生 的事故结果，去寻找与 该事故发生有关的原 因、条件和规律 一种逻辑演绎法，分析 给定事件可能导致的各 种事件序列结果，从而 定性或定量地评价系统 的特性 采用系统分割方法将系 统分割成子系统，然后 逐个分析子系统潜在的 各种故障类型、原因及 影响 对照检查表中的细节， 检查工艺过程是否符合 标准的要求 在每项生产活动之前以 及设计的初始阶段，对 系统存在的潜在危险进 行概略地分析 设计和操作阶段，为制 定安全措施提供依据 设计和操作阶段，预测 事故及不安全因素并 预测事故的可能后果 用于连续生产过程 适用于各个阶段 开发阶段，在早期辨识 出潜在的危险 定性或定量地查明 系统内的潜在危险 定性或定量地推测 类似事故预防对策 定量或定性地找出 故障对系统的影响 定性地进行辨识， 使系统与标准一致 概要地得出设计所 需考虑的危险性。 危险与可操作性 用来辨识静态及动态过 分析程中的危险性适用于各个阶段 定性辨识 ( h a z o p ) 2 第一章绪论 因果分析 ( c c a ) 指数评价法 ( 道化、蒙德等) 数学模型计算 人员失误分析 辨识事故的 可能结果和原因 对系统及其子系统进行 危险度分析 通过数学建模，计算出 毒气、爆炸、火灾等事 故的伤害范围 通过找出误操作类型， 辨识出可能的误操作 原因及影响 设计过程定性或定量 在设计阶段找出薄弱 环节， 在生产阶段提供危险 信息 定性结合定量，确 定出工艺单元的危 险度等级 设计阶段纯定量 设计和操作时定性 发展至今，国内外提出的安全分析( 评价) 方法不下几十种，各种方法适用于各 自特定的场合，具有不同的特点。常用的安全分析方法有：安全检查表( c h e c kl i s t ) 、 危险性预先分析( p h a ) 、故障类型和影响分析( f m e a ) 、故障树分析( f 1 a ) 、事件 树分析( e t a ) 、危险与可操作性研究( h a z o p ) 、因果分析( c c a ) 等等。美国职业 安全与卫生条例【9 1 ( o c c u p a t i o n a ls a f i 毋a n dh e a l t l la c t ，o s h a ) 关于过程安全管理颁布 的标准中推荐的经典方法有：故障树分析( e t a ) ，故障模式和影响分析( f m e a ) ， 这两种方法用于识别可能导致系统层面的危害的相应组件失效以及有人工引起的失 误；安全检查表法( c h e c kl i s t ) ，目前工业领域的相关行业能够获得其相应的危害检 查表，这些检查表能够指导识别系统潜在的危险；危险与可操作性研究( h a z o p ) ， 该分析方法属于创造型危害识别方法，需要一个专业背景不同而且互补的团队通过头 脑风暴的方式进行风险的识别。 危险与可操作性研究( h a z o p ) 方法是一种致力于辨识阻碍系统安全平稳运行 的危险和危害的分析方法，该方法具有一套从准备定义到检查分析形成分析报告的高 度程序化工作流程。该方法是最早由英国帝国化学公司在2 0 世纪七十年代首先开发 应用的，本质是小组讨论的头脑风暴的方式对系统存在的设计缺陷、人工误操作进行 识别。该方法作为一种系统性的方法，具有一定的推广性和适用性，特别适合过程领 域。h a z o p 方法是石油化工行业进行危险识别的主要方法，本文在第二章对该方法 的基本原理和实施过程进行阐述。 由于人工m 虼o p 需要耗费大量的人力、物力和财力，而且其结果取决于小组成 员的水平，不具有通用性和适应性。由于计算机技术的迅猛发展，当前，越来越多的 专家学者尝试用计算机辅助的方式进行h a z o p 分析【l o 。1 2 】，以识别系统中的潜在危险。 北京化工大学硕士学位论文 1 2 2 计算机辅助m 忆o p 分析现状 危险与可操作性分析( h a z o p ) 自提出以来已有三十多年的历史，开始均采用 人工的方式进行h a z o p 分析，从2 0 世纪8 0 年代末开始有学者提出了计算机辅助 h a z o p 分析的方法。 早期的计算机辅助方法在h a z o p 分析方法本身没有突破，计算机辅助主要用于 人工分析后期的结果报告部分，这部分结果报告由计算机程序自动生成，从而减轻了 秘书的繁重记录工作。这期间相应的软件有c a f o s 、h a z o p p c 等。这些软件只能 算是安全评价的工程管理软件，只涉及到过程的记录整理，对分析推理过程并没有改 进。 接下来一些学者利用计算机辅助的技术尝试在h a z o p 分析中引入专家系统对系 统进行浅层知识的分析推理。通过把一些专家的经验知识存到数据库中，形成专家系 统，对于系统中一些不利的偏差或人为失误，通过调用专家系统进行分析，得到相应 的分析结果。即用户通过对专家系统输入相应的关键字，相应的推理机制会和知识库 进行匹配并得出相应的结果。这种浅层知识或经验知识的分析机制，依赖于知识库的 完备程度，早期的h a z o p 软件都是采用该分析机制实现的。其代表性的方法有： n 、h e i n 0 和s u o k a u s 【”】基于专家系统的分析机制开发出一款名为 h a z o p e x 的软件。该软件包含了整个工艺过程的结构框架，同时具备能够搜索原因 及后果的算法。由于该算法和系统的结构紧密相连，系统结构发生变化，其相应的算 法规则也要随之做出调整，遇到复杂的过程系统，这款软件不具备通用性。 f a i s a l 和a b b 弱i 【1 4 】提出了一个基于知识的软件工具，称为t o p h a z o p 。该方法 对于下游流程单元的偏离传播和参数的交互作用没有被指出，可能导致不完备的 h a z o p 分析。 p 锄a r 和l e e s 【1 5 1 6 】采用基于规则的方法进行自动h a z o p 。这种方法存在一定的 缺陷：只能分析处理正常工况中的偏差。对于非正常工况所引起的偏差传播问题无法 进行处理。和h a z o p e x 一样，该方法中的知识库只能用于特定的过程系统，当系统 结构发生改变时，其知识库也得做相应的调整。因此，这款软件只适用于规模不大的 化工企业。 c a t i n 0 和u n “1 7 】开发了一款名为定性危险识别q h i ( q u a l i t a t i v eh a z a r d i d e i l t i f i c a t i o n ) h a z o p 系统分析软件。q h i 同样是基于知识库的专家系统，在其基础 上进行了优化，通过定性的方式识别系统的潜在风险。这种方法存在着致命的缺陷： 处理速度及其稳定性。对于一个案例的识别有的得花上数天的时间，这大大影响了该 软件的适用性。 基于专家系统的浅层知识的推理机制并没有从根本上改善并简化h a z o p 的分析 流程。为了让计算机能够自动进行分析推理，一些学者提出了基于深层知识的自动推 4 第一章绪论 理的安全评价方法。这类软件的特点是名副其实地利用了工艺系统内部的各个变量之 间的影响关系( 机理模型) 进行自动推理，而不是仅仅依赖专家的经验所形成的知识 库。其典型的方法有： d i m i 仃a d i s 、s h a l l 和p a n t e l i d e s 【1 8 】首次采用了状态传递网络的概念，使用该传递网 络来描述系统的状态，以进行安全评估。该分析方法依赖于系统的优化模型，由于实 际的工艺系统中存在大量的离散事件并体现出非线性的数学表述。因此该方法的理论 性太强，不具有适用性，在实际应用于化工生产的安全分析中时很难发挥作用。同时， 该方法缺乏全局性，在保证局部的优化同时，缺乏对整个系统的保证。 t u r k 【1 9 】开发出一款基于深层模型的应用软件。通过给定的化工工艺过程，系统的 深层模型能够自动索引出与之相关的动态关系。为了构建状态变量之间的传递关系， 这款软件的算法基于原因至后果的传播路径进行延伸。以该思路，提出了一套对物理 系统、控制系统以及操作序列进行h a z o p 分析的计算机辅助安全分析软件。 为了克服先前方法中纯定性或是纯定量方法的缺陷，s r i i l i v 觞觚和d i m i 跏i s 【2 0 】 采用了基于混合知识的模型框架。首先，对化工过程进行总的定性分析，抽提出所关 心的化工危险片段，根据情况，若对先前的定性分析的结论产生怀疑，则接下来进一 步对系统进行定量的分析，最后使用实际工业生产中的案例对分析的结果进行验证。 目前国内在计算机辅助安全分析的领域才刚刚起步，代表人物吴重光、张贝克 【2 1 。2 2 】提出了基于符号有向图的h a z o p 安全分析方法，同时开发出相应的软件。这种 方法的核心是基于符号有向图( s d g ) 模型，每个s d g 节点代表相应的化工过程的 变量，通过对过程变量的拉偏，触发模型进行推理，自动分析出该拉偏所产生的不利 后果。 从上面的分析不难看出，经过几十年的的发展，h a z o p 分析从人工头脑风暴转 向了通过计算机辅助俄方式来实现，计算机辅助的分析方式又以基于专家知识库浅层 推理模型转向基于机理模型的深层知识模型。从分析的对象上来看，计算机辅助的 h a z o p 分析方法多适用于连续过程，并制定出相应的标准，得到了较好的应用。对 于间歇过程，其离散性和非线性的特质，导致对其建立机理模型存在很大的困难，成 为世界各国研究的焦点和难点。 1 2 3 间歇过程安全分析现状 化工过程分为连续过程和间歇过程，间歇过程最明显的特征就是间歇进料，间歇 出料，由于间歇过程的应用范围越来越广，间歇过程受到人们的普遍重视。本论文所 研究的正是针对间歇过程建模并进行安全分析，对于间歇过程的安全分析现状： f m l 袖t a q 【2 3 】等学者通过比较连续过程和间歇过程h a z o p 分析方法的区别，提出 对间歇过程采用对工艺过程中的设备进行划分的方法进行h a z o p 分析。将间歇过程 5 北京化工大学硕士学位论文 划分为“加料 、“反应”、“卸料 三个阶段，系统化地针对间歇过程进行h a z o p 分 析。 vb a n o l o z z i 【2 4 】等学者提出了一套能够同时适用于连续过程以及间歇过程的 h a z o p 分析方案。该方案由图形描述、原因模型、h a z o p 模型以及结果模型构成， 针对具体设备和工艺流程，应用知识库自动推理从而对间歇过程进行安全分析。 b y o u n g g w 孤k a i l 寸2 5 】等学者提出了一种四层结构模型：工艺物料模型、单元动作 模型、单元效果模型、工艺操作模型；该四层模型之间的交互算法包含了：偏差分析 算法、故障分析算法、误操作分析算法以及事故分析算法。这种方法具有分层的结构 及完备的算法，层次清晰，简单易懂，能够较好地解决间歇过程的分析推理。 h o l g e rg r a f 2 6 】等学者采用状态图的方式提出了一套同时适用于定性和定量模型 的风险辨识方法。将原先的过程变量的三种状态增加至五种：即较高、高、正好、较 低、低。通过事件或外部干扰触发变量状态的变化引发推理进行风险辨识。这种方法 对于初始建模的要求很高，如果建模的质量不高，会直接影响推理结果的有效性。而 且由于某些变量很难采用定量的方式进行量化，因此导致该方案的适用性大打折扣。 y i f e l l gw 撕g ，j 伢- y uw h 【27 j 等人针对间歇过程首次提出了通过p e t r i 网来描述事 故传播路的系统化方案。该方案同样采用分层的结构，将系统分为四层，层与层之间 通过相应的元素进行连接。这种分层的建模方法使得结构清晰明了，采用分层方法可 以使建模思路清晰，并且通过对传统p e t r i 网进行扩展，所建的模型可以描述较复杂 的间歇过程，但由于分层数过多，层与层之间偏差传递关系很难表述吗，而且模型中 节点数目繁多，模型过于复杂，实用性不高。 d a “d h e 【2 8 】等学者用p e t r i 网作为建模工具，构建出一种能够识别操作步骤颠倒、 步骤添加删除的系统模型。这种方法结合了p “网的特点，在处理开停车过程中由 工序的顺序不当造成的风险能够有较好的表现。然而，由于模型结构发杂，对于简单 的单元都会建出庞大的模型，不利于工程师的使用，因此在实际应用方面打打折扣。 d a 啊d h e 等学者提出了基于p e t r i 网解决操作顺序上的误操作，v v o l o v o i 【2 9 】等 学者进一步改进，提出了基于p 嘶网解决工艺中由时间早晚及时间累积所导致的风 险的识别方法。这种方法在原有的p e t r i 网的基础上引入了新的图模型元素和动态规 则，能够较好地识别在时序层面上所引发的事故，如设备损耗度等。由于p 嘶网的 特点，在解决危害的传播时缺乏一种表达途径，因此该方法的应用具有一定的局限性。 乃啪l i i l d u 【3 ”1 】提出了一种四层构架的建模系统，其中包含：m 忆o p 分析工具， 利用内部的推理机制对工艺过程进行推理；诊断系统用来分析h a z o p 分析工具所生 成的推理数据；过程监控工具和过程方案设计决策支持系统用来控制工艺过程的执行， 并触发规则的执行。然而，这种方法执行结果的准确性的高低，很大程度上依赖于 6 第一章绪论 m 坦o p 分析工具的处理结果，因此该方法的局限性在于如何确保h a z o p 分析工具 的可用性。 r 旬a g o p a l a i ls r i i l i v 嬲孤和v c ：l l k a tv c ：l l l 【a t a s l l b r a m a i l i 弛【3 z 铘】将p e t r i 网和有向图相结 合对间歇生产过程进行建模，提出了用于对过程变量偏差和误操作进行自动h a z o p 分析的算法。模型采用了三层结构：第一、第二层为p e t r i 网，分别为生产配发层和 任务配方层；第三层为s d g 层，称作子任务层。利用对误操作进行分析的算法，能 够分析出由误操作带来危险，包括物料处在不正确的温度和压力下时、副反应出现时 和设备在一定条件下失效时产生的危险。不过，该方法同样存在建模规模太大的缺点， 而且该分层的结构无法有效描述故障在层与层之间的传播问题。 综上所述，国内外对化工过程的安全分析进行了有意义的研究，但较多地是集中 于连续过程，对其潜在的危险进行分析。由于间歇过程具有时变、非线性等特性，过 程难以建模，且模型不准确，因此相比连续过程更容易发生危险，近几年涌现了部分 学者对间歇过程尝试建模、分析，但在解决误操作方面的研究还较少。 1 3 本文的主要研究内容 针对间歇过程的建模及安全分析的问题，本文对其进行了较为深入的研究，主要 内容如下： 第一章：绪论。首先介绍了课题的研究背景及意义，接下来从常用安全分析方法、 计算机辅助m 坦o p 分析和间歇过程安全分析现状三个方面介绍了该课题的国内外安 全分析现状。 第二章：原理介绍。详细介绍本课题的研究中所用的主要技术。首先介绍危险和 可操作性分析( h z a o p ) 在化工安全分析中的应用现状，接下来介绍基于符号有向 图( s d g ) 、p e t r i 网以及s d g 结合p e t r i 网的建模方法。 第三章：为了对间歇过程进行有效地安全分析，对其建模是重点也是难点。本章 首先通过总结间歇过程的特点以便对其进行抽象；然后对间歇过程进行数学建模，设 计图模型元素，建立动态规则以将这些元素有机结合在一起。最后选定典型的化工间 歇过程对象，运用以上的图模型元素并遵循动态规则对其进行建模。 第四章：方法验证。对误操作进行分类，针对不同的误操作，分别对该建模方案 的适用性进行验证。 第五章：结论。对本文进行总结，说明了主要的工作内容及取得的突破和创新点， 并指出该方法的不足之处及对未来工作的展望。 7 北京化工大学硕士学位论文 的建模方法及其原理。本章余下的四节主要内容为： 第二节：介绍危险与可操作分析( h a z o p ) 。这是目前进行化工安全分析最常用 的方法； 第三节：s d g 方法在h a z o p 分析中应用广泛。目前在化工的连续过程中绝大多 数采用s d g 进行建模； 第四节：p e t r i 网最早应用于通信领域，能够很好地描述离散过程。由于间歇过程 不同于连续过程，具有阶段性、间歇性及离散性，目前越来越多的学者尝试结合p “ 网的知识解决间歇过程中的离散问题； 第五节：化工中的间歇过程往往是连续过程和间歇过程共存的状态，本文称作混 杂过程。自然就会有学者想到用s d g 描述连续过程，用p 嘶网描述间歇过程。 2 2h a z o p 方法 随着石油与化工行业生产日益复杂，安全问题不断涌现。为了寻求更大的经济利 益，化工厂自动化程度越来越高，工艺越来越复杂，这使得化工系统的不稳定因素增 多，危险程度更大；而且，人多于复杂系统的把握能力非常有限，并没有因为控制系 统的自动化而得到加强。同时，现有的安全措施也无法有效适应这种愈加复杂的状况。 为此各国政府采取措施：纷纷为安全问题立法并制定相应的国际标准和行业标准。危 险与可操作性( h a z o p ) 分析以其分析全面、系统、细致等突出优势，成为目前全 球使用最广泛的安全评价方法，尤其是在化工、核电领域，是一套系统的评价方法。 2 2 1m 屹o p 方法的原理 h a z o p 分析方法最早是由英国帝国化学工业公司( i c i ) 为解决除草剂制造过程 中的危害，在1 9 6 0 年发展起来的一套以引导词( g u i d e w r o r d s ) 为主体的危害分析方 法，用来检查工业设计的安全性及危害的因果来源。h a z o p 最初的定义是：各专业 9 北京化工大学硕士学位论文 人员所组成的分析组对相关的工艺过程的危险和操作性问题进行分析，这些危险和操 作性问题实际上是一系列“偏差 ，即偏离工艺设计的初衷【3 5 】。 h a z o p 分析方法主要用来识别并评估工艺过程安全方面以及操作性的危险，该 分析方法最初是为缺乏预报危险和操作性问题的经验而设计的，然而，通过使用后发 现该方法同样适用于运行中的设备。h a z o p 分析通过系统分析新设计或现有的生产 工艺流程和工艺功能，来评价设备、装置的个别部位因误操作或设备故障而引起的潜 在危险，同时评价该危险对工艺单元及整个工厂的影响。 无论对于新建装置或是已投入运行的装置，h a z o p 分析方法都具有一定的适用 性。虽然h a z o p 分析方法目前已经基本建立，然而各国家、各机构、各公司之间所 用的h a z o p 分析方法不尽相同，不过该方法的核心思想以及专业术语都存在共同点。 常用的h a z o p 分析术语【3 6 】如表2 1 所示。 表2 - l 常用的h a z o p 专业术语 1 阻b l e2 - lg u i d e w o r d sf o rh a z o p h a z o p 术语解释说明 分析节点 操作步骤 引导词 工艺参数 工艺指标 偏差 原因 后果 安全措施 补充措施 表示具有确定边界的设备单元，对该单元内的工艺参数所产生的偏差进 行分析 实际工艺过程的步骤，或是间歇过程中的不连续动作，也有可能是通过 计算机自动控制的操作 地忆o p 分析的核心，主要用于定性或定量设计系统工艺参数偏离设计 意图的简单术语 表示工艺过程中和物理化学相关的一些特性参数，如温度、流量、压力 等 是指生产工艺中确保生产按照计划执行而不发生偏离的定性或定量指 标 通过定性或定量比较，识别系统偏离预期设定目标的情况。在h a z o p 分析中时通过引导词结合工艺参数的形式表达偏差 是指偏差发生的原因。原因是事故发生的根源，知道原因所在就知道如 何解决偏差所造成的后果 由偏差所导致的不利后果。通过对后果的分析，可以采取相应的防护措 施，减轻后果带来的不利影响 通过设计和调节工程系统或者控制系统，从而避免和减轻危险带来的不 利后果 对设计和操作规程进行修改，提高系统的稳定性 2 2 2h a z o p 的实施过程 1 0 第二章常用的间歇过程安全分析方法 h a z o p 分析方法是基于这样一个基本概念，即各个专业、具有不同知识背景的 人员所组成的分析组一起工作比他们独自一人单独工作更具有创造性与系统性，能识 别更多的问题。因此，h a z o p 是以一种类似头脑风暴式的小组讨论的形式展开。一 个h a z o p 分析组往往由组长( 也称小组召集人) ，生产工程师，系统工程师，品质 工程师，仪控工程师，安全工程师及其他专业人员组成。对于大型的、复杂的工艺过 程，分析组一般由5 至7 人组成；相对较小的工艺过程，3 至4 人的分析组就可以了。 为了h a z o p 分析能够顺利地进行，并得到预期的后果，要求所有的参与组员能够自 由地陈述各自观点，成员之间的批评或指责的情况不能发生，以免压抑创造性过程。 h a z o p 分析的大体基本步骤【3 7 】分为：1 、分析的准备工作，2 、完成分析，3 、编 制分析结果报告。如图2 1 所示 定义 1 研究开始 2 确定范围和目的 3 确定责任 4 选择团队 量 准备 1 准备研究 2 收集数据 3 选定报告格式 4 估计时间 5 安捧日程表 f 善 检查分析 1 将系统按单元划分 2 选择其中一个单元，并定义其设计意图 3 用引导词对每个要素识别偏差 4 识别原因和结果 5 识别是古有重大问题存在 6 识别保护，检测和表示机制 7 识别可能的改善和缓解措麓( 可选的) 8 确定方案 9 分析该单元的其它节点( 重复步骤3 _ 9 ) 分折系统的其它单元( 重复步骤2 9 ) 喜 结果报告 1 记录分析结果 2 签署文件 3 产生研究报告 4 跟踪实施的方案 5 如有必要蘑新研究系统的部分单元 6 产生最后的输出报告安捧日程表 图2 1 地钇o p 的分析过程 f i g 2 lt l h eh a z o ps t u d yp r c c e d u 1 定义阶段 必须尽可能明确分析的目的、对象和范围，必须明确定义系统的边界、跟别的系 统和环境的接口必须明确定义，这样可以确保研究小组专注于明确的领域，而不会涉 北京化工大学硕士学位论文 及与目标无关的方面。研究范围的划定依赖以下几个方面：系统的物理边界；系统的 设计表现；在该研究之前系统所执行的m 吧o p 及其相关的分析范围。在h a z o p 分 析小组的协助下，由装置或项目的负责人确定分析对象。分析工作的展开需要按照正 确的方向和既定的目标开展，同时也应当考虑到会出现哪些危险的后果。 h a z o p 分析组应当由人数适当且有经验的人员有危险分析组的组织者委派，最 少由4 人组成，包括h a z o p 小组的组织者、会议记录员及两名熟悉设计和操作的人 员。这种规模小的分析组适合于结构简单、危险情况较少的分析组。若要得到高质量 的分析结果，5 至7 人的分析组比较适合。h a z o p 研究小组的知识、技术与经验对 确保分析结果的可信度及全面性来说很重要，这就要求h a z o p 组长选择的组员具有 一定的专业性，而且，所有组员应该对h a z o p 的分析流程比较熟悉，以确保研究工 作的高效、流畅。 2 准备阶段 确定好分析小组，接下来需要搜集相关的技术资料和数据。各种图纸如p d 图、 p f d 图、布置图等式重要的技术资料，除此之外还包括一系列相关的操作规程、逻辑 图、计算机程序、仪表控制图，有时还包括装置手册和设备制造手册。应当确保h a z o p 分析组的每一位成员在分析会议之前都能人手一份资料。 3 实施分析阶段 m 忆o p 组长带领组员按照先前确定的流程进行分析。首先在会议开始之前由一 名熟悉分析流程的组员简单概述一下研究计划，从而保证所有组员明确工作的目的和 范围，接下来概述设计并解释组长推荐使用的要素及引导词，最后找出潜在关