过程安全跨尺度风险表征与危机预警理论研究

Chemical process system can be considered as a nonlinear open system. Its risk has natural and social attributes. The factors of risk have scale effect in different levels and different operation cycles. However at present simple superposition of single risk factors is commonly used to assess and predict system risk. There are several reasons including the law of scale effect is not clear and lacks quantitative understanding; no scientific and systematic theory to characterize and measure the risk under different time and space scales has yet been established. How to use the micro monitoring, detection information to realize safety early warning on the macro-scale (i.e. the problem of trans-scale risk characterization comes down to how to pass through the restriction of different scale constraint systems) becomes the difficult point which hasn't yet made a major breakthrough in the process safety study area. In this project, the scale effect of the risk factors will be analyzed systematically, by which the way and the dependence the risk factors change from the scales are expected to reveal. Characteristic scales and risk sensitive indexes of the risk evolution process will be determined. The relevance theory of each risk scale will be further developed to realize the complete spatial and time scale correlation from micro, meso to macro levels. In this way, the new theoretical system involving trans-scale risk characterization and macro-scale early-warning by micro information can be established, which is conducive to improve the accuracy of the timing and location of accident prevention decision.

化工过程系统为非线性开放系统，其风险具有自然和社会属性，风险构成要素（即风险因子）在不同层次和不同运行周期上存在尺度效应。但目前对过程安全风险的研究手段为单风险因素简单叠加，其原因为风险因子尺度效应规律不明并缺乏定量认知；且不同尺度下风险如何表征与测度尚无科学系统的理论。以致如何实现利用微观监测、检测信息跨越多个尺度对宏观危机状态进行测算和预警，即跨尺度风险表征涉及到如何穿越不同尺度约束体系的限制，成为过程安全风险研究尚未突破的难点。本项目通过系统分析过程安全风险因子的尺度效应，拟揭示其随尺度变化的规律，进而获得风险演化过程特征尺度和风险表征敏感指标。进一步建立风险信息各尺度的关联理论以实现从微观、细观到宏观各尺度间比较完整的、系统性的尺度关联，由此形成通过微观信息进行跨尺度风险表征，对宏观过程安全危机进行预警的新的理论体系，有利于提高事故防御时机和位置决策的准确性。

我国油气生产复杂系统（如勘探开发、站库、炼厂中的关键设备设施群组）流程复杂，运行条件苛刻，影响因素高度耦合，并伴有高温、高压、低温、真空、大流量、高转速等极端条件。其故障与失效，在很大程度上影响着油气资源的安全、平稳供应与利用，对油气安全科学与工程学也提出了更高的要求。油气生产复杂系统运行安全已成为社会公共安全问题。 . 油气生产复杂系统结构复杂、环境恶劣、工况多变，具有根源隐蔽、事故影响大等特点，其风险具有自然和社会属性，风险构成要素在不同层次和不同运行周期上存在尺度效应。变工况下故障的精准监控、诊断、溯源与早期预警难题，需要采用多尺度、跨尺度的方法。依托本自然基金项目，针对油气生产复杂系统运行特点，开展过程安全跨尺度风险表征与安全预警理论研究。以事故“风险因子的尺度效应→多尺度特征与故障监测→多源信息融合与风险尺度推绎→跨尺度智能预警与报警优化→ 推广应用研究”为主线，开展基础科学问题的深入研究以及方法应用实践。研究工作及成果主要体现在以下方面：（1）基于风险因子尺度效应的事故场景及风险传播路径自适应分析方法；（2）基于油气生产复杂系统故障多模态识别与智能监测方法；（3）油气复杂系统多源异构风险信息融合与风险尺度推绎方法；（4）跨尺度智能预警与报警优化方法；（5）我国油气生产复杂系统（页岩气大规模压裂系统、炼化生产系统）的推广应用研究。 . 研究成果发表学术论文30余篇，其中SCI收录的期刊文章16篇，EI收录11篇。出版国际专著1部，教材1部。授权发明专利 5 项，申请并进入实审发明专利3项，授权软件著作权 4项。人才培养方面，培养博士生毕业4人，硕士4人，其中与国外高校联合培养博士生3人；项目负责人依托本项目研究成果获批2018年北京市科技新星计划以及2019年国家万人计划青年拔尖人才，研究成果也被石油、石化行业以及国际安全工程领域研究学者的广泛认可。