一种基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统

技术领域

本发明涉及安全控制系统技术领域，特别是一种基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统。

背景技术

伴随着工业技术的持续发展，工业现场信息化、智能化水平不断提升，安全管理从依赖责任转变为依赖技术，并向基于人、物和环境的协同安全发展。

近年来，石油天然气、化工、电力等过程工业的安全事故频发。从上述事故的调查报告可知发生原因多为企业风险评估不到位、风险监测不及时、安全意识薄弱、安全规程不完善、相关规定不合规且执行落实不到位等问题。

传统的过程工业安全管理更多地依赖于管理水平和人员责任，其风险管控的预防性、实时性、动态性及智能化水平均存在很大的不足，导致实际生产过程中的安全隐患无法尽早发现和处理，以事后应急和整改为主，已造成巨大的损失。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统。本发明具有能进行风险实时评估、定位和预警的作用，从而提高过程工业风险管控的智能化和实时性，减少安全事故的发生。

本发明的技术方案：一种基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统，包括智能动态风险分析模块、用于智能动态风险分析模块相关基础数据增删改查的基础数据维护模块、用于安全生产现场数据的实时采集模块，用于风险矩阵定义与生成的风险矩阵模块和用于权限配置及日志记录的系统管理模块；所述系统管理模块包括动态投屏模块；所述智能动态风险分析模块包括用于实时HAZOP分析与风险管理的智能动态HAZOP分析模块和用于生成联锁与高风险点记录表及汇总表并进行实时保护层分析计算的智能动态LOPA分析模块。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述基础数据维护模块包括：

设备管理：采用树形结构，分层级对装置区、装置、节点、设备相关信息以及以设备为圆点的死亡半径和致死概率等信息进行维护管理；

设备类别管理：对设备的类别及对应图标维护，用于新增设备时选择设备类别；

伤害后果种类管理：对人员伤害后果种类维护，用于新增设备时，输入距离/致死率时选择；

季节设置：设置季节性影响风险因素，用于实时风险警示计算；

原因类别：编辑HAZOP分析中原因类别；

偏差库：设置各类参数包含哪些偏差，用于HAZOP分析中的偏差管理；

人员点火概率：设置人员个数与人员点火概率对应关系，用于实时风险警示计算；

阀门仪表管理：实现阀门仪表库的增删改查及导入导出，用于实时风险警示计算；

控制器基础库：实现控制器基础库的维护，用于实时风险警示计算；

火焰探测器设备配置：实现火焰探测器与设备的配置管理，即火焰探测器与装置、设备的对应关系，用于实时风险警示计算；

汽车探测器设备配置：实现汽车探测器与设备的配置管理，即汽车探测器、设备的对应关系，用于实时风险警示计算；

打卡点配置：实现打卡点与设备的配置管理，即打卡点与装置、设备的对应关系，用于实时风险警示计算；

人员打卡信息：获取自动采集打卡信息，实现打卡信息的删除；上班和下班打卡，取出没有打下班卡的所有岗位组中，岗位级别最高对应的误操作概率；根据打卡自动采集，可人工维护；

岗位级别概率：设置岗位级别的概率值，用于实时风险警示计算；

汽车点火概率：设置一个汽车频率，影响HAZOP分析与该设备相关并且保护措施有点火概率下汽车的频率，用于实时风险警示计算。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述智能动态LOPA分析模块包括：

联锁记录表：主要对联锁进行分析生成记录表；

高风险点记录表：(根据所选的等级后)同一种原始风险严重性等级，同一种后果导出一个高风险点记录表；

联锁汇总表：对已生成联锁下的LOPA进行汇总处理(去重后)；

高风险点汇总表：对已生成高风险点下的LOPA进行汇总处理(去重后)。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述风险矩阵模块包括：

后果类别：实现后果类别的增删改查；

后果等级：实现可容忍性频率与后果等级对应关系的增删改查，等级越高，后果越严重；

后果：实现后果等级的维护，即某一等级，对应各类后果的描述；

发生可能性：实现频率取值维护；

风险等级：实现风险等级和颜色基础信息管理；

实时风险等级：设置实时风险等级对应风险等级范围，以及该实时风险等级是否为不可接受风险；

生成风险矩阵：选择风险矩阵基础数据，生成风险矩阵。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述系统管理模块包括：部门管理、人员管理、角色管理、日志查询、动态接口调用、OPC配置、OPC日志。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述动态分析算法的内容如下：

所述动态指的是初始原因发生可能性、保护措施的降险能力以及条件修正因子是动态的，源自仪表/阀门可能发生的故障，工艺装置影响区内人员数量的变化，死亡半径的变化，季节变化，汽车探测器和火焰探测器监测情况的变化；

所述动态分析算法通过实时监测仪表/阀门的状态、工艺装置影响区内人员数量的变化、死亡半径的变化、季节变化、汽车探测器和火焰探测器监测情况的变化，将产生的变化情况实时反馈给智能动态 HAZOP分析模块对应的位置，重新进行初始原因发生可能性、保护措施的降险能力以及条件修正因子的计算和自动赋值，得出工艺装置在出现上述任何参数变动情况的实时风险。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述智能动态HAZOP分析模块通过动态分析算法与LOPA分析模块相互关联，从而将HAZOP分析与LOPA/SIL定级分析相互关联，实现定性分析和定量分析内容的相互转换；其步骤如下：

A、获取HAZOP分析的过程及结果；

B、生成LOPA/SIL定级分析表格；

C、计算定级结果并确定定级建议；

D、根据定级建议的采纳与否，反向修改HAZOP分析结果。

所述动态分析算法的内容为：根据LOPA/SIL定级分析方法的原理，将HAZOP分析中导致同一后果的不同初始事件进行筛选并汇总处理，将“洋葱图”保护层模型嵌入，实现对现有保护措施的智能分层辨识，对获取的保护层的降险数据及条件修正/使能事件的修正因子，应用基于复合场景的保护层分析方法，进行LOPA/SIL定级计算。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，具有 HAZOP-LOPA的双向数据联动及LOPA-HAZOP逆向危险溯源分析的双向数据分析互动计算的功能(所述HAZOP-LOPA和LOPA-HAZOP中的 HAZOP和LOPA为智能动态HAZOP分析模块和智能动态LOPA分析模块)，其具体为：

a、以HAZOP分析为基础生成LOPA分析工作表；

b、以分析结果为基础，判断是否有采纳提出的降险措施：若采纳，执行c；反之执行z；

c、根据降险措施的降险能力将降险因子反向传输至HAZOP分析中；

z、不执行其他操作。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，设有多级复杂保护体系智能层级识别和赋值算法，所述算法与智能动态HAZOP 分析模块相关联，是智能动态HAZOP分析模块中计算保护层降险能力的具体算法。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，具有对生产过程的实时监测和预警功能，其具体内容如下：对工艺参数、设备状态、人员状态、环境要素等可能影响事件发生频率、后果严重性等级、使能条件、条件修正因子的参数进行实时监测和预警，依据动态变化参数计算出实时风险值并反馈更新HAZOP分析与LOPA/SIL定级分析中的预估值，实现风险动态感知。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，设有多个动态接口端，实现工业系统(所述工业系统为本发明系统分析的装置区，即HAZOP分析的对象)现场硬件设备(仪表、阀门、控制器)、环境数据(人员个数、距离参数、死亡半径、火焰信号、车辆信息等)与软件数据(所述软件数据指本发明系统运行过程中产生的各种数据)的交互，结合嵌入的动态算法，实时调整初始事件发生频率、后果严重程度、保护措施降险能力、条件修正参数、风险等级等，实现实时风险的动态计算。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，设有基于硬件故障裕度(HFT)的智能动态辨识及保护层降级算法，HFT为功能安全分析中的重要参数之一，受保护措施的原始配置及设备的故障个数影响。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述智能动态辨识及保护层降级算法通过原始保护措施的配置进行HFT的计算，并根据设备故障信号的实时动态获取，实现保护层降级的辨识及重新赋值计算，得出最终符合现场实际的动态风险分析结果，若故障设备更换或维修完成，本发明系统也会升级相应保护能力参数，实现实时风险的计算。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，具有实时风险影响要素动态提取及展示功能，实现了实时风险的及时提醒和定位、实时风险影响要素的统计、实时风险的分布展示、实时风险的变化趋势展示、设备故障统计等。

与现有技术相比，本发明通过植入动态评估思维并与工业现场历史数据库、数据采集设备完成数据交换和共享，实现风险的实时评估、定位和预警，利用动态在线评估算法充分考虑现场人员分布、设备仪表运行状态、不同岗位人员能力、季节情况、车辆分布等实时要素，实现装置区风险动态感知及预警，提高过程工业风险管控的智能化和实时性。

因此，本发明具有能进行风险实时评估、定位和预警的作用，从而提高过程工业风险管控的智能化和实时性，减少安全事故的发生。

进一步的，本发明不仅实现了实时初始事件的统计及分类及展示、设备的故障统计及排序以及实时故障提醒，为响应决策提供参考，并为后期平台扩展FMEA分析、SIL验证计算及寿命预测计算等功能预留接口及底层数据收集模块。

而且本发明能够：

1)加速安全生产从静态分析向动态感知、事后应急向事前预防、单点防控向全局联防的转变，提升工业生产本质安全水平。

2)建设快速感知能力。围绕人员、设备、生产、仓储、物流、环境等方面，开发和部署专业智能传感器、测量仪器及边缘计算设备，打通设备协议和数据格式，构建基于工业互联网的态势感知能力。

3)建设实时监测能力。开发和部署安全生产数据实时分析软件，实现安全生产关键数据的云端汇聚和在线监测。

4)建设超前预警能力。建立风险特征库、失效数据库，分行业开发安全生产风险模型，推进边缘云和5G+边缘计算能力建设，下沉计算能力，实现精准预测、智能预警和超前预警。

附图说明

图1是本发明的模块结构图；

图2是本发明动态分析算法的示意图；

图3是本发明HAZOP分析中实时风险值的更新示意图；

图4是本发明LOPA/SIL定级分析中实时风险值的更新示意图；

图5是本发明实施例的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统，如图 1-4所示，包括智能动态风险分析模块、用于智能动态风险分析模块相关基础数据增删改查的基础数据维护模块、用于安全生产现场数据的实时采集模块，用于风险矩阵定义与生成的风险矩阵模块和用于权限配置及日志记录的系统管理模块；所述系统管理模块包括动态投屏模块；所述智能动态风险分析模块包括用于实时HAZOP分析与风险管理的智能动态HAZOP分析模块和用于生成联锁与高风险点记录表及汇总表并进行实时保护层分析计算的智能动态LOPA分析模块。

所述基础数据维护模块包括：

设备管理：采用树形结构，分层级对装置区、装置、节点、设备相关信息以及以设备为圆点的死亡半径和致死概率等信息进行维护管理；

设备类别管理：对设备的类别及对应图标维护，用于新增设备时选择设备类别；

伤害后果种类管理：对人员伤害后果种类维护，用于新增设备时，输入距离/致死率时选择；

季节设置：设置季节性影响风险因素，用于实时风险警示计算；

原因类别：编辑HAZOP分析中原因类别；

偏差库：设置各类参数包含哪些偏差，用于HAZOP分析中的偏差管理；

人员点火概率：设置人员个数与人员点火概率对应关系，用于实时风险警示计算；

阀门仪表管理：实现阀门仪表库的增删改查及导入导出，用于实时风险警示计算；

控制器基础库：实现控制器基础库的维护，用于实时风险警示计算；

火焰探测器设备配置：实现火焰探测器与设备的配置管理，即火焰探测器与装置、设备的对应关系，用于实时风险警示计算；

汽车探测器设备配置：实现汽车探测器与设备的配置管理，即汽车探测器、设备的对应关系，用于实时风险警示计算；

打卡点配置：实现打卡点与设备的配置管理，即打卡点与装置、设备的对应关系，用于实时风险警示计算；

人员打卡信息：获取自动采集打卡信息，实现打卡信息的删除；上班和下班打卡，取出没有打下班卡的所有岗位组中，岗位级别最高的可能性；根据打卡自动采集，可人工维护；

岗位级别概率：设置岗位级别的概率值，用于实时风险警示计算；

汽车点火概率：设置一个汽车频率，影响HAZOP分析与该设备相关并且保护措施有点火概率下汽车的频率，用于实时风险警示计算。

所述智能动态LOPA分析模块包括：

联锁记录表：主要对联锁进行分析生成记录表；

高风险点记录表：(根据所选的等级后)同一种原始风险严重性等级，同一种后果导出一个高风险点记录表；

联锁汇总表：对已生成联锁下的LOPA进行汇总处理(去重后)；

高风险点汇总表：对已生成高风险点下的LOPA进行汇总处理(去重后)。

前述的基于工业网络的过程工业智慧安全管理系统中，所述风险矩阵模块包括：

后果类别：实现后果类别的增删改查；

后果等级：实现可容忍性频率与后果等级对应关系的增删改查，等级越高，后果越严重；

后果：实现后果等级的维护，即某一等级，对应各类后果的描述；

发生可能性：实现频率取值维护；

风险等级：实现风险等级和颜色基础信息管理；

实时风险等级：设置实时风险等级对应风险等级范围，以及该实时风险等级是否为不可接受风险；

生成风险矩阵：选择风险矩阵基础数据，生成风险矩阵。

所述系统管理模块包括：部门管理、人员管理、角色管理、日志查询、动态接口调用、OPC配置、OPC日志。

所述动态指的是初始原因发生可能性、保护措施的降险能力以及条件修正因子是动态的，源自仪表/阀门可能发生的故障，工艺装置影响区内人员数量的变化，死亡半径的变化，季节变化，汽车探测器和火焰探测器监测情况的变化；

所述动态分析算法通过实时监测仪表/阀门的状态、工艺装置影响区内人员数量的变化、死亡半径的变化、季节变化、汽车探测器和火焰探测器监测情况的变化，将产生的变化情况实时反馈给HAZOP 分析模块对应的位置，重新进行初始原因发生可能性、保护措施的降险能力以及条件修正因子的计算和自动赋值，得出工艺装置在出现上述任何参数变动情况的实时风险。

所述智能动态HAZOP分析模块通过动态分析算法与智能动态 LOPA分析模块相互关联，从而将HAZOP分析与LOPA/SIL定级分析相互关联，实现定性分析和定量分析内容的相互转换；其步骤如下：

A、获取HAZOP分析的过程及结果；

B、生成LOPA/SIL定级分析表格；

C、计算定级结果并确定定级建议；

D、根据定级建议的采纳与否，反向修改HAZOP分析结果。

所述动态分析算法的内容为：根据LOPA/SIL定级分析方法的原理，将HAZOP分析中导致同一后果的不同初始事件进行筛选并汇总处理，将“洋葱图”保护层模型嵌入，实现对现有保护措施的智能分层辨识，对获取的保护层的降险数据及条件修正/使能事件的修正因子，应用基于复合场景的保护层分析方法，进行LOPA/SIL定级计算。

具有HAZOP-LOPA的双向数据联动及LOPA-HAZOP逆向危险溯源分析的双向数据分析互动计算的功能(所述HAZOP-LOPA和LOPA-HAZOP 中的HAZOP和LOPA为智能动态HAZOP分析模块和智能动态LOPA分析模块)，具体为：

a、以HAZOP分析为基础生成LOPA分析工作表；

b、以分析结果为基础，判断是否有采纳提出的降险措施：若采纳，执行c；反之执行z；

c、根据降险措施的降险能力将降险因子反向传输至HAZOP分析中；

z、不执行其他操作。

设有多级复杂保护体系智能层级识别和赋值算法，所述算法与 HAZOP分析模块相关联，是HAZOP分析模块中计算保护层降险能力的具体算法；其运行主体是已设置的多个保护层、运行对象为HAZOP 分析模块中识别出的中高风险点和现有SIF，属于HAZOP分析模块，作用于LOPA分析模块。

多级复杂保护体系智能层级识别和赋值算法的运算实例如下：对于保护层-报警功能，一般情况下，若存在多个报警功能，不允许重复赋值；但是对于特殊设置情况，应综合判断，以附图5为例：报警功能1设置于控制器1中，报警功能2设置于控制器2中，且由不同的人员进行不同行为的响应，同时设置有保护层-BPCS控制功能，控制功能1设置于控制器1中，控制功能2设置于控制器1中，控制功能3设置于控制器2中，此时，如控制器1的失效率为0.01，控制器2的失效率为0.1，那此时报警及控制功能的保护措施总共的降险能力应赋值为0.01*0.1(综合考虑保护能力的有效性、独立性及控制器的失效率)。对于保护层-SIS，其控制器为SIL3认证，当前设置有2个SIF，可以保护相同场景且均能实现SIL1，根据SIS控制器的 SIL等级，分析计算时应当仅给SIF保护层赋值为SIL2(等级累积不超过当前所属控制器的最大SIL能力)。

具有对生产过程的实时监测和预警功能，其具体内容如下：对工艺参数、设备状态、人员状态、环境要素等可能影响事件发生频率、后果严重性等级、使能条件、条件修正因子的参数进行实时监测和预警，依据动态变化参数计算出实时风险值并反馈更新HAZOP分析与 LOPA/SIL定级分析中的预估值；其运行主体是HAZOP分析模块中的初始事件和保护措施(预防类和减轻类、条件修正)，属于HAZOP分析模块，作用于LOPA分析模块和动态投屏模块。

设有多个动态接口端，实现工业系统现场硬件设备(仪表、阀门、控制器)、环境数据(人员个数、距离参数、死亡半径、火焰信号、车辆信息等)与软件数据的交互，结合嵌入的动态算法，实时调整初始事件发生频率、后果严重程度、保护措施降险能力、条件修正参数、风险等级等，实现实时风险的动态计算；该处所述的动态算法实例如下：

阀门本来给的初始事件是阀门故障开，给的发生频率是0.1，但是根据现场的阀门数据采集，发现阀门实际某一时刻坏了，那么此时就把原来的0.1频率自动变化为1，根据设备的实时状态，反馈到软件中各具体设备中的过程，是动态的，然后根据动态新赋值的数据重新计算风险。

设有基于HFT的智能动态辨识及保护层降级算法，HFT为功能安全分析中的重要参数之一，受保护措施的原始配置及设备的故障个数影响；其运行主体是HAZOP分析模块中的保护措施(预防类和减轻类)，属于HAZOP分析模块，作用于LOPA分析模块和动态投屏模块。

如设置为1oo3的传感单元而言，其HFT＝2，一共有3个传感器，即使其中2个传感器都出现故障，其依然可执行传感能力，其所在保护措施尚未失效，软件会给出黄色标注提示保护措施降级；如对于设置为1oo1的传感单元，其HFT＝0，只有1个传感器，如果该传感器发生故障，其失去传感能力，其所在保护措施失效，软件会给出红色标注提示保护措施失效，因此HAZOP分析中使用的该保护措施降险能力参数变为1，从而影响相关场景的HAZOP分析结果。对于处于同一 SIS控制器中的多层保护措施，应结合控制器的SIL认证等级，综合多层SIF各自承担的降险能力及共因失效影响，进行复合降级计算。

所述智能动态辨识及保护层降级算法通过原始保护措施的配置进行HFT的计算，并根据设备故障信号的实时动态获取，实现保护层降级的辨识及重新赋值计算，得出最终符合现场实际的动态风险分析结果，若故障设备更换或维修完成，本发明系统也会升级相应保护能力参数，实现实时风险的计算。

具有实时风险影响要素动态提取及展示功能，实现了实时风险的及时提醒和定位、实时风险影响要素的统计、实时风险的分布展示、实时风险的变化趋势展示、设备故障统计等；其运行主体是所有影响 HAZOP分析中初始事件和保护措施的动态因子，包括仪表、阀门、控制器故障，工艺装置影响区内人员数量，死亡半径，季节，车辆，火焰情况等，属于HAZOP分析模块，作用于HAZOP分析模块和动态投屏模块。