李磊

1.中国石化安全工程研究院 山东青岛266071

2.中国海洋大学 山东青岛266100

摘要：探讨了数字化、信息化与虚拟现实技术在安全、健康、环境（Healthy、Safety、Environment，简称HSE）研发中的应用。通过介绍数字化与虚拟现实技术的概念、基本原理、应用范围，结合数字化技术的发展趋势，提出了 “HSE数字化”技术的体系结构、方法及关键技术。最后应用实例，证明数字化技术应用于HSE的研发是可行的,并极大的提升了HSE学科的信息化程度。

关键词: 数字化；虚拟现实；HSE

1.引言

    石化行业是一个高风险的行业，安全、环保、职业健康仍然是石化企业生产的薄弱环节。石化企业有着自己的行业特点，从原材料和产品的性质看，石化生产中涉及物料危险性大，发生火灾、爆炸、伤亡事故几率高。加强石化企业安全、环保、健康（HSE）相关技术的研究、培训提高员工技能、防止事故的发生，降低人身伤害、减少环境污染是石化行业的一项长期、艰巨而又需要持之以恒抓好的重要工作。

    随着计算信息技术与三维虚拟现实技术（Virtual Reality）的飞速发展，国内相关机构的研究人员正探讨将虚拟现实和数字化技术应用到HSE研发与管理体系中来。虚拟现实与数字化技术是融合数字图像处理、计算机图形学、媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支的一种综合性信息技术。虚拟现实技术作为二十一世纪信息技术发展的重要驱动力，将是人们关注的焦点[1]。

      2.“HSE数字化”技术的应用研究

    本文以虚拟现实和数字化技术为载体，以事故数值模拟和HSE业务加载为核心，结合HSE学科的专业应用，在三维数字化工厂引擎中引入HSE的典型应用，研发 “数字化HSE”应用管理系统（VRHSE），在数字化工厂中实现了对HSE元素的体现。

2.1关键设备安全管理

VRHSE平台中关键设备安全的专业应用包括：

①建立装置、设备和管道的基础信息数据库的管理及查询。平台中能够管理和查询相应装置、设备和管道，能够显示相应后台数据库的信息，能够根据设备或管道编号进行查询和定位。

②外浮顶罐、内浮顶储罐三维数字化模型的建立，及静电事故、雷电事故、硫化亚铁事故虚拟现实展示。基于储罐三维数字化模型，实现储罐静电事故、雷电事故、硫化亚铁事故发生原因、发展过程和事故后状态的虚拟现实展示。

③典型炼油设备结构剖析、工作机理、危险点分析、事故案例分析等三维数字化模拟。

2.2职业卫生

VRHSE平台中职业卫生的专业应用包括：

①装置中职业卫生相关设施的三维展示。

②装置中硫化氢分布图的三维模拟。装置中的设备按照其中物料硫化氢含量的高低和职业危险度分为三个等级，分别高度危险、高度危险、轻度危险，平台以色块的形式实现职业危险度的三维模拟。

③物料中硫化氢流向的三维模拟。将装置硫化氢在工艺过程中流程在虚拟装置上动态展现出来。

④装置中硫化氢泄漏的模拟扩散。假设泄漏源为连续排放，基于高斯模型，实现装置内空间某一点在某一时刻的浓度下的泄漏扩散模拟。

2.3监测检验

①建立可燃气、有毒气体报警仪三维数字化模型，实现报警仪相关数据内容的查询与检索，数据内容包括检定证书、生产厂家、现场照片等。

②展示监测点的空间分布及监测点对应的检测数据。在虚拟场景中，分单元的标注出每一个挥发性有机物检测点，并把检测到泄漏的数据展示出来；实现查找功能，根据浓度值查找相应的阀门，支持模糊查询；实现泄漏点红外监测视频三维接入。

2.4功能安全

①根据SIL等级，实现不同等级的联锁回落的展示。

②典型设备的联锁系统展示。

③点击某个联锁回路，给出相关的信息，包括传感器类型，SIF功能描述，执行机构，SIL等级，检验信息等。

④不符合等级的联锁回路的展示。根据专业的计算结果，给出不符合等级回路的介绍，建议措施等说明。

2.5安全培训与教育

基于三维数字化工厂模型，平台提供了一种寓教于乐的操作方式下，实现了石化企业员工三维实时培训与考核。

①三维实时培训系统可以对空间、时间、内容、设备、角色等进行虚拟，创造一个人性化的学习环境，使受训员工能够在亲切、自然、趣味性足而且安全的虚拟环境中方便地取得感性知识和实际经验。

②对装置历史上发生的事故进行研究和分析，分析结果进行三维可视化，三维可视化的内容包括事故过程、事故原因、建议整改措施等。

4.总结

本文将职业卫生、检测检验、设备安全、应急预案等典型HSE业务模型与三维数字化工厂相结合，实现了典型炼油装置“数字化HSE”的应用，开发了数字化HSE应用管理系统，将HSE元素在三维数字化工厂直观形象的展示出来，使数字化技术作为HSE研发工作的重要工具和载体。下一步工作将在现有基础上加大与工艺安全、安全评价等专业应用，丰富现有“数字化HSE”典型业务模型，打造中国化创新的石化企业数字化HSE的产品。

参考文献

[1]张丽,张礼敬等.虚拟现实在安全评价中的应用[J].南京工业大学学报. 2005

[2]易涛,杨义. 化工安全虚拟现实仿真系统的设计与实现[J].计算机与应用化学.2006，23（1）：49-54

[3]何莉.铁路线路构造物三维模型库的研究[J]. 西南交通大学硕士论文.2007

[4]刘强,陆愈实,徐晓贤,杨黎.煤矿安全虚拟现实仿真通用引擎的设计与研究[J].工业安全与环保，2008，12.

[5]徐明亮,卢红星,王琬. OPENGL 游戏编程. 北京: 机械工业出版社, 2008 ,1

[6]LIU Bing,LIU Huai-shan. Applications of virtual reality in petroleum exploration and development[J].《Northwestern Geology》,2004-04