（系统工程专业论文）面向HAZOP的图形化人机界面环境的研究与开发.pdf

一 i 学位论文数据集 中图分类号 t p 圳j 学科分类号 1 2 0 d 论文编号 a o o 2 0 0 7 口譬嘭 密级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 翻 学号 二弘p u 口4 f 7 6 获学位专业名称 森鼬艟 获学位专业代码 0 谚 课题来源 幽幽裂萤佥 研究方向 胞出趁斜豺状 论文题目 确蝴聊熊豳眈1 7 f ( 5 i ；矗环境纳厕_ 唆身厢幺 一 i 一一 关键词 潮 ，浦拟辅勖l h 4 卯删魄 l 刺、面触级 论文答辩日期论文类型 司燃2 w 7 ( ； 学位论文评阋及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 瀚善l兹援腑觎样戚琢眦堕 评阅人1 臁忘工廊韶涮霞艘 编白闭弛盘聪阮从唾 评阅人2 燃删j 6 6 觚讲泣棵踟谶l 评阅人3 评阅人4 评阅入5 徽员猢 掀 鬲工旅醐之重柱密愀盾嗽诅础豹、幽钮 答辩委员i 副础吕懒秸0 置留姚剧 答辩委员2 艰露兹画l 燃i ，珏地i 辎吞雌 答辩委员3 答辩委员4 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 、， 阿【r 、j 摘要 面向h a z o p 的图形化人机界面环境的研究与开发 摘要 随着人们对安全问题的日益重视，安全系统分析已经成为过程工业不 可或缺的一部分。在众多的分析方法当中，h a z o p ( 危险与可操作分析) 是目前过程工业应用最为广泛的安全评价方法之一。 近年来，由于现代计算机技术的发展，计算机辅助h a z o p 技术及软 件已经成为了安全评价过程重要的辅助工具。由于基于计算机的h a z o p 评价在很大程度上解决了人工评价费时、费力、完备性差等缺点，因此已 经在全球范围内成为安全评价技术的研究热点。 本文讨论了计算机辅助h a z o p 技术及应用软件工具的发展进程，着 重在软件构架、功能模块等方面对目前的主流技术与软件进行了分类、比 较与分析。针对最新发展的基于计算机智能自动推理的h a z o p 安全评价 技术进行了深入介绍，并对该项技术进行了总结和展望。、 本文结合i - u 气z o p 基本原理和s d g 自动建模策略，着重阐述了面向 对象的h a z o p 软件系统人机界面环境的设计方法和实现过程，分析了构 造评价系统的原则，并提出了改进评价系统的思想和目标。在设计部分， 使用u m l ( 统一建模语言) 建模技术来描述系统，提出了一个模块化、 图形化、层次化的h a z o p 信息集成框架设计方案，并举例就其中的主要 模块详细介绍了u m l 建模过程。在实现部分，选择m i c r o s o f tv i s u a le h 6 0 作为此系统的开发环境，充分利用c + + 语言灵活的面向对象支持能力， 伊lr，i 对功能模块、人机界面、数据存储和软件国际化等方面给出了具体实现方 法。 关键词：安全评价，计算机辅助h a z o p ，软件工程，u m l 建模，面向对 象 h 1】 l 、 l 声 _ t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fi n t e r f a c e a i mf o rh a z o p a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o n c e mo ft h es a f e t yf r o mt h ep u b l i c ，i t sf o r c e f u l l y r e q u i r e dt oc a r r yo u ts a f e t ya s s e s s m e n ti np r o c e s si n d u s t r y h a z o p ( h a z a r d a n do p e r a b i l i t y ) i so n eo ft h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n i q u e sa m o n gt h e p r o c e s sh a z a r da s s e s s m e n tm e t h o d se s p e c i a l l yi nc h e m i c a li n d u s t r y r e c e n t l y , b a s e d t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t a t i o n a lt e c h n o l o g y , t h e a u t o m a t i cc o m p u t e rb a s e dh a z o pb e c o m e sp r a c t i c a b l e l i m i t a t i o n st h a to n c e f o r c eu st ou s et i m e c o n s u m i n gm e t h o d sa n dp r o d u c ep o o r - a d e q u a t er e s u l t s a r e b e i n gr e p l a c e db y e f f i c i e n ts o f t w a r et o o l st h a tc a n g i v e u sm o r e c o n v e n i e n c e t h i sp a p e ri l l u m i n a t e st h ed e v e l o p m e n t a lp r o c e s s e sl e a d i n gt os o f t w a r e t o o l sf o rp e r f o r m i n gh a z o p , i n c l u d i n gt w os t a g e s a tt h ec o m p u t e r - a i d e d s t a g e ，t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ni sl i s t e do u ti ns o f t w a r ef r a m e w o r ka n d f u n c t i o n m o d u l e ；a t t h es e c o n d s t a g e ，t h e a d v a n c eo fi n t e l l i g e n t c o m p u t e r - a u t o m a t e dh a z o p i so u t l i n e d ，e s p e c i a l l yf o c u s i n go na n di n f e r e n c e e n g i n e b a s e do nh a z o p a n a l y s i st h e o r ya n ds d ga u t o m o d e l i n gs t r a t e g y , t h e d e s i g nm e t h o da n dt h er e a l i z a t i o no fo r i e n t e do b j e c ts o f t w a r ea s s e s s m e n t n i 北京化工大学硕士学位论文 s y s t e ma r em a i n l yi n t r o d u c e d ，t h ep r i n c i p l eo fc o n s t r u c t i n ga s s e s s m e n ts y s t e m a r ea n a l y z e d ，a n dt h ei m p r o v i n gi d e a sa r ea l s op u tf o r w a r d a c c o r d i n gt oi t s s t e p s a n dr e q u i r e m e n t ，w e i n t r o d u c e m o d u l a r i z e d ，g r a p h i c a l ，l a y e r e d i n f o r m a t i o ni n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r eo fh a z o p t h i sa r c h i t e c t u r ei sd e s c r i b e d u s i n gu m l ( u n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e ) b a s e d o i l o b j e c t o r i e n t p r o g r a m m i n g ( o o p ) d u r i n gt h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，w eu s em i c r o s o f tv i s u a l c + + 6 0a n dt a k ef u l l a d v a n t a g eo fc + + l a n g u a g es oa st or e a l i z em a i n l y f u n c t i o n so fa s s e s s m e n tp l a t f o r m ，s u c ha sf u n c t i o nm o d u l e ，i n t e r f a c e ，d a t a s t o r a g ea n ds o f t w a r ei n t e r n a t i o n a l i z a t i o n k e yw o r d s ：s a f e t y a s s e s s m e n t , c o m p u t e r - a i d e dh a z o p , s o f t w a r e e n g i n e e r i n g ，u m l ，o b j e c t o r i e n tp r o g r a m m i n g ( o o p ) i v f _ 1 q p 】； 目录 目录 i第一章绪论1 1 1 过程安全评价的重要性1 1 2 过程安全评价( p r h a ) 概念、目的、发展过程1 1 3 过程安全评价( p r 姒) 分析机制3 1 4 危险和可操作性分析法( h a z a r da n do p e r a b i l i t y ，h a z o p ) 4 1 5 本论文所研究的主要内容及大纲5 第二章计算机辅助h a z o p 7 2 1h a z o p 基础原理7 2 2 人工姒z o p 评价局限8 2 3 计算机辅助h a z o p 评价优势1 0 2 4 计算机辅助h a z o p 发展1 l 2 4 1 计算机辅助h a z o p 管理类软件工具发展1 1 2 4 2 计算机自动h a z o p 推理类软件工具发展1 5 2 5s d g h a z o p 方法1 7 2 5 1s d g 介绍1 7 2 5 2s d g h a z o p 建模1 9 第三章计算机辅助s d g - - h a z o p 安全评价平台的设计2 l 3 1 系统定义2 l 3 2 系统的设计目标2 1 3 2 1 设计功能2 l 3 2 2 设计目标2 2 3 3 技术路线2 3 3 3 1 开发环境和开发语言的选择2 3 3 3 2 系统开发流程2 4 3 3 3 软件总体体系构架2 5 v 北京化工大学硕士学位论文 3 3 4 软件代码管理2 5 3 4 系统的模块设计2 6 3 4 1 结构模块设计2 6 3 4 2 功能模块设计2 7 3 5u 札建模2 8 3 5 1u m l 建模优势2 9 3 5 2 用例分析2 9 3 5 3 动态行为模型分析3 0 3 5 4 静态模型分析3 2 3 5 5u m l 建模总结3 3 3 6 数据库设计3 3 3 6 1 数据库需求分析3 5 3 6 2 数据库概念设计3 6 3 6 3 数据库逻辑设计阶段及表的设计3 7 3 6 4 小结3 9 3 7x m l 技术3 9 3 7 1x m l 与数据库两种技术对比3 9 3 7 2x m l 在本课题中的应用要求4 0 3 7 3x m l 相关概念4 0 3 7 4 ) 【m l 应用程序接口4 l 3 8 人机交互界面设计4 2 3 8 1 人机交互界面设计准则4 2 3 8 2 人机界面设计流程4 3 3 8 3 人机界面的面向对象设计4 4 第四章h a z o p 评价平台的实现4 5 4 1h a z o p 评价模块的实现4 5 4 1 1 人员信息管理模块4 5 4 1 2 会议信息管理模块4 6 4 1 3 偏差设置模块，4 9 4 1 4 评价分析模块5 2 4 1 5a d o 的数据类型5 3 4 2 界面开发5 4 4 3 ) ( m l 文档化5 8 v i f ， 0 目录 4 3 1 概述5 8 4 3 2m s x 肌解析器5 9 4 3 3 ) 眦文档操作6 0 4 4 软件本地化实现6 3 4 4 1 软件本地化的市场需求6 3 4 4 2 多语言用户界面解决方案6 4 4 4 3 辅助d l l 的实现6 5 4 5c a d 绘图6 7 4 5 1g r a p h i c g u i 概述6 7 4 5 2g r a p h i c g u i 的设计模式6 8 4 5 3 核心类简介6 9 4 5 4 图形库建立7 0 第五章结论7 3 参考文献7 5 附录1 缩略词说明7 7 附录2u m l 模型图例7 9 致谢8 5 研究成果及发表的学术论文8 7 作者及其导师简介8 9 v i i 1，一。 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h es i g n i f i c a n c eo f p r o c e s sh a z a r da s s e s s m e n t 1 1 2r e v i e wo f p r o c e s sh a z a r da s s e s s m e n t 1 1 3p r o c e s sh a z a r da s s e s s m e n ta n a l y s i sm o d e 3 1 4h a z a r da n do p e r a b i l i t y 4 1 5 t h e m o s t l y c o n t e n t a n d b r i e f o f t h i s p a p e r 5 c h a p t e r2c o m p u t e r - a i d e d h a z o p 7 2 1n e b a s i c t h e o r y o f h a z o p 。7 2 2d i s a d v a n t a g eo f m a n u a lh a z o p 。8 2 3t h ei n t e n t i o no f c o m p u t e r - a i d e dh a z o p 1 0 2 4d e v e l o p m e n to f c o m p u t e r - a i d e d 】j 眦o p l l 2 4 1d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r - a i d e dh a z o p m a n a g e m e n ts o f t w a r e 1 1 2 4 2d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r - a i d e dh f 。z ( ：) pi n t e l l i g e n t i z e ds o f t w a r e l5 2 5s d g h a z o pm e t h o d j 1 7 2 5 1r e v i e w o f s 】 ) h ( ) 1 7 2 5 2s d g h a z o pm o d e l i n g 1 9 c h a p t e r3d e s i g no f c o m p u t e r - a i d e ds d g - h a z o p p l a t f o r m 2 1 3 1d e f i n eo f s y s t e m 2 l 3 2p r i n c i p l eo f s y s t e md e s i g n 2 l 3 2 1d e s i g nf u n c t i o n 2 l 3 2 1d e s i g na i m 2 2 3 3t e c h n i q u ew a y 2 3 3 3 1c h o i c eo f d e v e l o p i n gi n s t r u m e n ta n dl a n g u a g e 2 3 3 3 2f l o wo f s y s t e md e v e l o p m e n t 2 4 3 3 3s o f t w a r ec o l l e c t i v e l yf r a m e w o r k 2 5 3 3 4s o f t w a r ec o d em a n a g e m e n t 2 5 3 4d e s i g no f s y s t e mm o d u l e 2 6 3 4 1f r a m e m o d u l ed e s i g n z 6 3 4 2f u n c t i o nm o d u l ed e s i g n 2 7 3 5u m l m o d e l i n g j 2 8 3 5 1a d v a n t a g e o f u m l m o d e l i n g 2 9 3 5 2u s e c a s ea n a l y s i s 2 9 3 5 3d y n a m i ca c t i o nm o d e la n a l y s i s 3 0 i x ， l 一 北京化工大学硕士学位论文 ：i 5 4s t a t i cm o d e la n a l y s i s ：i ：1 3 5 5s u m - u po f u 】、i l m o d e l i n g 3 3 1 i 6d e s i g no f d a t eb a s e ：i z i ：；6 1r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ：1 5 3 6 2d bc o n c e p t i o nd e s i g n 3 6 3 6 3d b1 0 酉c a ld e s i g na n dt a b l ed e s i g n 。3 7 ：i 6 4s u m m a r y ：1 9 3 7 煳i ，3 9 3 7 1c o m p a r i s o no f 删la n dd b 3 9 3 7 2a p p l i c a t i o no f x m li nt h i ss u b j e c t 4 0 3 7 3x m l b a s i cc o n c e p t i o n 4 0 3 7 4x m l a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e 4 1 ：i 8i n t e r f a c et e c h n i q u e z i ：1 3 8 1p r i n c i p l eo f i n t e r f a c ed e s i g n 4 ：! ：；8 2f l o wo f i n t e r f a c e d e s i g n 4 ：i 3 8 3o o pi ni n t e r f a c ed e s i g n 4 4 c h a p t e r 4i m p l e m e n to f h a z o p p l a t f o r m 4 5 4 1i m p l e m e n to f h a z o p 鹊s e s s m 饥tm o d u l e 4 5 4 1 1m e m b e rm a n a g e m e n tm o d u l e 2 1 5 4 1 2s e s s i o nm a n a g e m e n tm o d u l e 1 6 4 1 3d e v i a t i o ns e t t i n gm o d u l e z 1 9 4 1 4 a s s e s s m c n t m o d u l e ! ；：1 4 1 5d a t at y p eo f a d o 5 1 i 4 2i n t e r f a c ed e v e l o p i n g ! ；4 4 3x m l d o c u m e n t 5 8 4 3 1s u m m a r y ! ；8 4 3 2m s x 】、i l p a r s e r 5 9 4 3 3m a n i p u l a t i o no f x m l d o c u m e n t 6 0 4 4m u l t i 1 a n g u a g ei n t e r f a c e 6 ：i 4 4 1m 酞e tr e q u i r e m e n t 6 3 4 4 2s o l v ep r o j e c t 1 5 4 4 4 3i m p l e m e n to f a s s i s t a n td l l 6 5 4 5c a d p l o t 6 7 4 5 1r e n e w o f g r a p h i c g u l 6 7 4 5 2d e s i g nm o d e o f g r a p h i c g u i 6 ； 4 5 3r e v i e wo f c o d ec l a s s e s 6 9 4 5 4r e a l i z eo f g r a p h i c s 。7 ( ) c h a p t e r 5c o n c l u s i o n ：i 7 3 r e f e r e n c e 7 5 x _ j 1 一 k p x l ， j -p - ， i _ 第一章绪论 1 1 过程安全评价的重要性 第一章绪论 过程工业是国民经济的支柱产业之一，随着国民经济迅速发展，对石油化工等 产品的需求量与日俱增。但现代石油化工生产的工艺过程相当复杂，工艺条件要求相 当严格，介质具有易燃、易爆、有毒、腐蚀等特性，同时生产装置大型化和生成过程 连续性等特点致使生产过程发生事故的可能性增大，而由此造成的危害和损失也极为 惨重。据专家统计，一年内仅美国而言，由于事故在石油化工领域造成的经济损失就 达2 0 0 亿美元。据我国不完全统计，石油化工企业自1 9 8 3 年至1 9 8 8 年发生重大事故 达6 4 7 起，死亡人数达1 1 7 人，造成巨大的经济损失。 导致化工事故的原因有很多方面，但主要原因有如下几点： 不足的过程安全分析( p r h a ) ； 变化的不良管理( m o c ) ； 镀用不适当的设备； 过程状态没有充分标示； 没有预警告； 缺乏“软件和“硬件基础设施。 其中，不足的p r h a ( p r o c e s sh a z a r d a n a i y s i s ) 即过程安全分析，是最主要的原因【l 】。 由于p r h a 在消除危险隐患方面有重大作用，已列入许多国家的法规及国际安全标准。 例如，美国联邦职业安全与健康署( o s a h ) 要求相关企业必须进行p r i - i a , 并且第一次全 国性全面p r h a 应当在1 9 9 7 年5 月2 6 日前完成。之后，至少每五年进行一次p r h a 【2 j 。 由此可见，对于过程中存在的危险，企业进行p r h a 的重要性和必要性。 1 2 过程安全评价( p r h a ) 概念、目的、发展过程 1 9 9 2 年美国联邦政府公布实施的高危险性化学过程安全管理法规( p s m ) 中。 对其安全卫生管理的执行具有较完整的规范，要求业者执行过程安全分析( p r h a ) ， 特色是以过程的操作特性为基础制定安全管理计划：即依照操作特性简历过程安全信 息，利用过程安全信息执行过程安全分析，再运用安全分析的结果加强人员训练、设 北京化工大学硕士学位论文 备的管理及各项操作管理【3 1 而p s m 法令中有关过程安全分析的标准如下： 1 ) 应有系统化的方法辨识危害，并评估其危害控制措施失效时的可能后果 2 ) 由对过程熟悉或合格的适当人员组成评估小组 3 ) 定义执行时间进程与再评估频率 4 ) 分析结果记录与追踪 对于过程安全分析( p r u c e s sh a z a r da n a l y s i s ，p r h a ) 的要求包括： 1 过程安全分析应评估下列项目： ( 1 ) 辨识危害 ( 2 ) 由类似过程曾发生的事故研究所发现的工作场所潜在危险 ( 3 ) 工程及管理控制措施 ( 4 ) 设备设施配置 ( 5 ) 人因工程考量 ( 6 ) 对人员安全与健康的可能影响的评估 2 可选用的分析方法有： ( 1 )如果一怎么样分析( 一i f ) ( 2 ) 检查表法( c h e c k l i s t ) ( 3 ) 危险和可操作性分析法h a z o p ( h a z a r da n do p e r a b i l i t y ) ( 4 ) 故障模式与影响分析法f m e a ( f a i l u r em o d ea n de f f e c t s ) ( 5 ) 故障树分析法f t a ( f a u l tt r e e ) ( 6 ) 其他具有同等效力的方法 3 安全分析应有对工程、操作及过程有经验的人员组成评估小组来完成。评估下组 至少有一人需熟悉评估方法。 4 针对评估小组的发现与建议应有追踪系统。 5 至少每五年再评估一次。 6 只要过程继续运作，p r h a 的相关资料与记录都应保存。 除了美国的p s m 法令之外，各国也有类似法规。例如1 9 8 2 年欧盟公布施行的重 大意外危害控制法案知道纲要( c o n t r o lo f m a j o r a c c i d e n th a z a r d s ，c o m a h d , 日本 于1 9 7 6 年公告施行化学工厂安全评估指针。要求特定工业简历新厂或修改部分既 有设施的事业单位应于申请时提出安全评估报告；我国7 0 年代末，化工行业开始应 用系统安全工程的危险分析和评价。1 9 8 2 年，北京市劳动保护研究所召开了安全系统 工程座谈会，由研究单位、大专院校和重点企业参加。1 9 8 5 年，中国“劳动保护管理 科学专业委员会”成立，在会上建立了“系统安全学组”。1 9 9 7 年，石油天然气总公司 发布石油天然气的h s e 行业标准，并于当年9 月正式实施。 因此，过程安全分析( p r o c e s sh a z a r da n a l y s i s ，p r h a ) 是应用有组织、有系统的 2 第一章绪论 方法来辨识及分析高危险的化学物质在处理或生产中重大潜在危险。首先需辨认过程 中可能的危害，进而分析事故发生的因果关系，最后评估事故所造成的影响及其重要 性。 1 3 过程安全评价( p r h a ) 分析机制 过程安全分析长期以来是由具有经验的专家小组人工完成。过程安全分析方法体 现了人类认识客观事物的规律。主要有两类方法，第一类是识别故障和原因，第二类 是在识别的基础上分析故障与原因之间的关系，主要有归纳法和演绎法。 识别故障和原因必须切合实际过程，是在大量的、深入的对所分析对象调查的基 础上，识别出非正常原因和不利后果，并进行分类分级。为了确保完备性，可按照预 先由专家确认的、全面的、系统性强的表格逐项检查。这就是过程安全分析中广泛应 用的检查表法。 归纳法是从个别事件中总结出一般性结论的方法。即对所分析的系统在已经识别 出的非正常原因和不利后果的前提下，首先假定一个故障源，然后设法找出该故障源 对系统正常运行的不利影响，直到把此类关系全部找出。 演绎法的机制和归纳法相反，是从一般到个别的方法。本方法对所分析的系统在 已经识别出的不利后果的前提下，首先假定已经出现的一个不利后果，然后设法找出 是哪一个部件( 原因) 导致了本不利后果( 故障) ，直到把此类关系全部找出。 常用的过程安全分析方法中，属于归纳法的是：如果怎么样法、故障类型与影响分 析法。属于演绎法的是：故障树分析法和各种故障诊断方法。h a z o p 方法是属于归 纳法和演绎法相结合的类型。 进一步研究发现，无论是归纳法还是演绎法，都采用了一种更基本的、具有共性 的方法，即推理。推理是设法找出非正常原因与不利后果之间的关系及故障在系统中 传播的途径。 推理的机制有三种，第一种是从非正常原因出发向不利后果进行完备的搜索，找 出由该原因所导致的后果及故障传播的路径，又称为正向推理：第二种是从不利后果 出发，反向进行完备的搜索，设法找出是哪些原因引起了该后果，以及可能的故障传 播路径，又称为反向推理。第三种是从中间的状态或部件如果发生了偏离，正向搜索 不利后果，反向搜索非正常原因，称为双向推理。例如，故障类型与影响分析法属于 正向推理，故障树分析和各种故障诊断方法属于反向推理，h a z o p 方法属于双向推 理。而识别在所有分析方法中都必须首先解决。显然，归纳法采用正向推理，演绎法 采用反向推理。 3 北京化工大学硕士学位论文 从以上所总结的过程安全分析的机制可以看出：要达到完各的识别，必须进行穷 举；要达到完备的推理，必须进行全面的搜索。对于大型过程系统要完成以上任务， 采用人工分析存在着固有的困难特别是复杂系统的推理工作，人工所面对的几乎是 “信息爆炸一问题【4 】 1 4 危险和可操作性分析法( h a z a r da n d0 p e r a bi i it y ，h a z o p ) 正如前文所述，每种p r h a 方法都有自己的适用对象其中h a z o p 方法具有系 统化、全面化的特点并且可应用于设计、试车。运行等多制程阶段，因而成为一套应 用最广泛的评价方法。尽管h a z o p 技巧原本是设计用来评估新的设计或技术，但