中国安全科学学报杂志

中国安全科学学报杂志2022年第3期

• 智能安全人机工程学学科建设及内容体系研究

  董陇军, 王加闯

  为进一步完善安全科学学科体系,针对传统安全人机工程学理论与方法存在的不足,开展智能安全人机工程学学科理论的研究与课程内容体系的基本建设。首先,根据人机工程学发展进程,基于信息化视角,提出智能安全人机工程学的概念,并分析其学科内涵与属性;其次,分析智能安全人机工程学学科基础、学科任务、学科研究对象与内容体系;最后,针对未来智能安全人机工程学面临的挑战,讨论未来的研究任务与应用前景。通过分析智能安全人机工程学的几个学科基本问题可知:智能安全人机工程学较传统安全人机工程学更具实效性。

• 《中国安全科学学报》30年的整体画像

  李杰, 刘娇, 梁绪树, 钱金鑫, 郝立敏

  为明确《中国安全科学学报》(CSSJ)30年的发展态势,从中国知网引文数据库中采集8 894 篇CSSJ的文献,并使用文献分析工具(BAT)清洗和预处理数据;采用文献计量学方法分析CSSJ的产出与下载趋势、整体影响分布、产出的主要省级区域、机构和作者、研究主题热点与方法以及高被引论文。结果表明:CSSJ自创刊以来,载文量和下载量都呈现出增长趋势;影响因子、被引频次以及H指数的分布都展现出CSSJ的高影响力;形成以北京、江苏及湖南等为代表的安全科学高产区域,高产机构来自北京交通大学、辽宁工程技术大学及中南大学;CSSJ的作者队伍也越来越壮大,合著型论文已经成为CSSJ论文的主要形式。30年来的高产学者包含吴超、傅贵及陈国华等;CSSJ在不断发展中形成6大主题群,包括安全与应急管理、安全工程模拟与试验、安全与风险评价、交通安全、安全行为与安全文化以及安全预测。数值模拟、层次分析法(AHP)、神经网络以及结构方程模型等是CSSJ论文中常用的研究方法。

• 我国海洋石油安全事故分类与分级研究

  曹杨

  为促进我国海洋石油安全事故统计分析工作,首先,通过分析当前海洋石油安全事故法规、标准、指南等文献,进一步明确我国海洋石油安全事故定义,细化事故分类与分级;然后,对比分析国务院、应急管理部、国内不同行业、“三桶油”企业以及国际石油公司等在海洋石油安全事故分类与分级的规定或做法;最后,阐释海洋石油安全事故范围和定义,并分类分级,说明其含义或适用情形。结果表明:在应急管理部海洋石油安全事故分类基础上,将我国海洋石油安全事故扩充为8个大类39个小类;在国务院事故等级划分基础上,将我国海洋石油安全事故分为6个等级。

• 山地城市多车道交织区驾驶人心理负荷研究

  张雪榆, 潘存书, 林伟, 徐进

  为明确驾驶人在城市道路多车道交织区路段行驶时的减速行为特性及其与驾驶心理负荷间的相关性,开展实车试验,采集驾驶人心电信号和车辆运行参数等数据,将驾驶人按不同的换道状态分为2种类型,分析驾驶人心率变化特性与减速特征间的关系。研究结果表明:在交织区段内,非干扰状态下驾驶人心理负荷较干扰状态整体明显增大,但后者心理波动更频繁;女性驾驶人驶入交织区段时较男性驾驶人更易产生较大的心理负荷;在干扰与非干扰状态下,驾驶人心率增长率均表现出与最大减速度之间偏相关性较高,即最大减速度对驾驶人心率增长率的影响更大。

• 一种评估网络结点和链接重要性的改进介数

  胡小兵, 李佳茹, 刘骋越, 李航, 周航

  为准确评估出网络系统中的重要结点和链接,首先通过分析网络系统抗打击能力的3类情况,基于传统介数定义,给出一种改进的网络结点和链接介数定义,即网络中所有起点-终点(OD)对之间满足给定约束条件的路径通过某个结点或链接的次数;然后提出一种新的涟漪扩散算法(RSA),用于求解网络结点和链接的改进介数;最后分别计算出北京地铁网络中各结点和链接的传统和改进介数值,用于评估其重要性,通过对比传统介数和改进介数计算结果,结果表明:改进介数是一种普适化的定义,而传统介数只是改进介数的一个特例;改进介数能够从更加全面的角度评估网络结点和链接的重要性。

• 海底腐蚀管道剩余寿命预测与维修策略研究

  张新生, 王旭业, 张莹莹, 常潆戈

  为预测海底管道剩余寿命并实现维修费用最优化,提出一种加速应力退化试验下基于Gamma过程剩余寿命预测的维修策略建模方法。通过温度、压强双应力加速退化试验获取管道腐蚀退化数据,利用Gamma过程建立管道剩余寿命预测模型,使用广义艾林模型反映管道平均寿命与应力之间的关系,并以极大似然法整体估计模型参数;建立以最小期望费用率(ECR)为目标的维护决策优化模型,确定最优维修次数和ECR;以N80管道为例验证所建模型的合理性和正确性。结果表明:利用加速退化试验能大幅度缩短数据获取时间;基于剩余寿命建立维修优化模型,得到最优维修次数为7与最小ECR为4.435元/h。

• 一种矿山三维井巷模型快速生成方法及其应用

  朱权洁, 张震, 梁娟, 刘晓辉, 谷雷, 钟磊磊

  为实现矿井三维场景的快速构建和可视化表征,针对当前矿井三维模型开发难度大、可操作性差等缺陷,提出一种基于开源程序的矿山三维井巷模型快速生成方法。首先,以采集的矿山井巷属性信息为基础,借助MySQL数据库实现数据的自动导入和规范化存储;其次,通过分析联通巷道的几何特征,建立平直、倾斜与竖直巷道等不同类型巷道的解构思路,提出相应的参数化表达方法;然后,利用Python和Blender开发平台快速生成矿山三维井巷模型;最后,为验证该方法的有效性,开展T型、Y型等联通巷道及典型开拓模型的快速构建。结果表明:所提出参数化建模方法将三维建模简化为“参数+算法”,实现了三维井巷模型的快速构建,较好地处理了联通巷道建模失真等难题;所构建的系统平台,利用输入的关键数据即可实现矿井三维场景的快速构建。

• 超高压含硫天然气节流阀冲蚀磨损机制研究

  贾文龙, 李晓宇, 成婷婷, 罗召钱, 徐嘉爽, 韩西成

  为保障超高压含硫天然气井安全运行,分析冲蚀磨损速率的影响因素;以压力高于70 MPa、 H2S体积含量为0~2%的天然气井口笼套式节流阀为例,基于冲蚀磨损理论和Fluent软件,建立冲蚀模型。研究井口节流阀内固体颗粒的运动轨迹和磨损机制,并与实际情况进行对比。结果表明:固体颗粒在井口节流阀上游直管段部分时,冲蚀磨损可忽略不计;在节流阀180°小孔正对的阀腔壁面,冲蚀磨损最严重,但是下游磨损较小;阀腔下半圆弧部分磨损原理为二次冲蚀,直管段入口处和节流阀上半圆弧大多为微切削磨损;H2S含量和流体的平均流速越大,冲蚀磨损越大,因此,可将天然气的流速控制在331 m/s以内。

• 放顶煤工作面立体自燃带动态变化特性研究

  赵文彬, 刘方顺, 石新岩, 刘辉, 王忠密, 李振武

  为探究采空区自燃带动态分布特征,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的方法,研究空隙、裂隙结构及氧化速率改变对采空区漏风及氧气体积分数分布特征的影响,揭示综采放顶煤自燃带由采空区后部向工作面顶煤动态变化特性。结果表明:受采动应力及上覆岩层垮落滞后影响,顶煤裂隙及采空区空隙结构随暴露时间延长发生改变;支架后方中上部伞檐空场形成自由扩散漏风;随冒落煤岩体暴露时间增加,耗氧速率增大,顶煤裂隙结构发育,采空区垮落空间上移,中下部内部空隙结构下降,导致自燃带范围由采空区后部向综采支架顶煤范围扩展。

• 剧烈干湿交替下高海拔排土场安全稳定性研究

  董建军, 杨嫡, 闫斌, 梅媛

  为揭示剧烈干湿交替对高海拔排土场安全稳定性的影响,针对高海拔矿区水泥用石灰岩矿露采1、2号排土场,基于非饱和-饱和渗流理论,导入非饱和土基质吸力分布规律方程、抗剪强度方程,通过数值计算研究剧烈干湿交替下非饱和-饱和渗流场的演化特征及排土场稳定性情况。结果表明:随干湿交替强度加剧,排土场边坡表面土体由非饱和状态向饱和状态转变,土体抗剪强度降低;1号排土场未产生滑移,而2号排土场受干湿交替影响产生滑移,滑移区域位于坡脚至第2台阶,随干湿交替强度加剧向深层发展;排土场边坡位移随干湿交替强度增强不断增大;安全系数随干湿交替程度增强而减少。

• 矿山巷道救援生命保障孔轨迹设计与控制方法

  周兢, 刘永升, 豆子钧, 阴慧胜, 张彪, 陈国强

  为解决矿山巷道应急钻探救援过程中生命保障孔实钻轨迹中靶问题,运用解析几何方法对连通轨迹和巷道进行设计建模,并开展生命保障孔轨迹设计与控制方法研究。首先,综合考虑井口与连通点之间的相对位置,确定生命保障孔轨迹的设计类型,并给出矢量求解的轨迹计算方法;其次,针对钻探救援目标位置不确定和轨道控制要求高的特点,优选出“增-稳-增”设计剖面,并提出分段轨迹连通设计方法;然后,以缩小救援目标位置的不确定性为目标,提出点到面的轨迹连通方法及二次连通的轨迹控制模型;最后,结合井眼设计资料及实钻数据,以实例验证所建模型。结果表明:该设计计算方法可避免繁琐的试算和校核,同时减少连通轨迹长度的6.7%;所提轨迹控制方法可克服传统钻探救援技术频繁进行扭方位操作造成的弊端。

• 社区户内燃气泄漏动态预警模型

  李超, 邓小宝, 史运涛, 孙德辉, 焦彦宗

  为提升社区户内燃气泄漏动态预警的能力,构建一种社区户内燃气泄漏动态预警模型。首先,利用无线传感器网络采集社区户内燃气数据,通过智能网关实现数据上云的功能;其次,在云平台中利用模糊控制算法优化随机森林算法的输入,减少重要度较低特征的干扰,并将优化后的数据作为随机森林算法的输入,以泄漏等级作为输出,建立模糊-随机森林模型;然后,开发可视化模块,以显示社区户内燃气泄漏的等级;最后,根据北京某社区燃气历史数据,在实验室条件下进行仿真模拟,验证该模型的有效性。结果表明:该模型可有效提升社区户内燃气泄漏的在线监测和动态预警的能力,与其他算法相比,模糊-随机森林算法在发现早期微小泄漏方面表现更优。

• 化工运行装置HAZOP的过程偏差联合分析法

  高明

  为提升危险和可操作性分析(HAZOP)在化工运行装置中的应用效果,并加以改进,结合现代大型化工装置10年来HAZOP实践经验,提出联合分析方法。首先,研究工艺过程参与者行为因素,建立过程风险关注度模型;然后,提出工艺偏差漏斗,利用数学模型筛选出全系统可能的偏差趋势和风险因素,经过人工进一步确认后列入HAZOP分析重点;最后,综合各专业资源输出HAZOP报告,进而形成人机互补和层层筛选的方法集合。结果表明:联合分析方法可提高HAZOP的可持续性,提升化工运行装置风险辨识的准确性,进而提升企业的安全绩效。

• 铰链车右转内轮差区域范围确定方法

  李英帅, 闫琦若, 甄云竹, 王卫杰

  为解决铰链车内轮差引发的交叉口交通安全问题,提出一种考虑交叉口几何参数以及车辆参数的铰链车右转内轮差区域范围确定方法;以太原市晋源区、清徐县不同车型参数铰链车为研究对象,基于其在不同类型交叉口右转内轮差变化情况,建立铰链车右转内轮差计算模型,生成铰链车右转时,牵引车前内轮、挂车后轮的行驶轨迹,较精确地计算出内轮差区域范围;据此运用Python软件构建程序实现铰链车内轮差区域范围可视化;而后以相同时间点牵引车前内轮、挂车后轮坐标值作为评价指标,使用Tracker软件提取行驶轨迹数据来验证模型。结果表明:该方法所预测内轮差值与实际内轮差值相对误差最大值为8.32%,相对误差平均值为5.12%;该方法可有效确定铰链车右转时内轮差区域范围。

• 分岔隧道火灾烟气回流长度及温度分布试验研究

  高云骥, 罗越扬, 李智胜, 张玉春, 喻洋阳, 李涛

  为研究分岔隧道火灾时烟气流动特性,在1∶10缩尺寸分岔隧道模型中开展一系列火灾试验,火源位置设置在分岔隧道内,选取2个火源功率(15.9和31.9 kW),7个通风风速 (0、0.45、0.60、0.75、1.0、1.3和1.6 m/s),重点分析不同纵向通风风速作用下主隧道内烟气回流长度、主隧道温度分布及分岔隧道温度分布。研究结果表明:火灾发生在分岔隧道时,主隧道内烟气回流长度符合THOMAS烟气回流长度预测模型,但系数Cd远小于单洞隧道内的研究结果;主隧道内无量纲烟气温度分布符合指数衰减模型,衰减系数 k随着纵向通风增加符合幂函数衰减;分岔隧道内无量纲烟气温度分布符合指数衰减模型,衰减系数 k '随着纵向通风增加符合线性衰减。

• 基于位移信息融合的露天矿边坡动态预警方法

  冯巩, 夏元友, 王智德, 严敏嘉

  为有效利用露天矿边坡安全预警监测中的多测点信息,考虑边坡通常以位移监测为主,且随开采进程测点布设时间不同及坡高的动态变化特性,提出基于位移信息融合的露天矿边坡动态预警方法。首先,以监测剖面为单元,采用数值模拟方法确定各监测剖面位移动态分级预警阈值;然后,采用联邦Kalman滤波融合同一监测剖面多测点位移监测信息,获得表达各监测剖面实时稳定状态的动态位移融合值;最后,通过比较监测剖面动态位移融合值和位移动态分级预警阈值,实时动态预警边坡各监测剖面的稳定性状态。重庆忠县某石灰岩露天矿边坡的监测预警应用表明:该预警方法不仅能充分利用多测点信息,实时分区安全预警边坡,而且可以预判边坡未来开挖过程的稳定性。

• 基于混合气体黏度的可燃气体浓度测量方法

  杨淞成, 王纪哲, 王丽华, 张洪铭, 赵兰明

  为定量分析可燃气体组分,测量待测气体流经特制黏度传感部件后产生的压差响应信号,根据泊肃叶定律及混合气体黏度理论模型定量关系反演获得可燃气体体积分数,并利用不同体积分数H2开展测量试验。结果表明:基于混合气体黏度理论关系,可利用测量压差拟合计算待测气体浓度值,且理论计算浓度与基准值之间绝对偏差不超过±1.0%;在气体样品体积分数大于15%时,整体测量相对误差不超过±3%;定量检验结果表明:该方法具有较高的准确性,能够准确分析可燃气体浓度。

• 辐射热流下定向刨花板热解自燃试验及数值模拟

  冯全, 张明锐, 龚俊辉

  为评估工程板材定向刨花板(OSB)在辐射热流下的自燃着火时间,首先,针对对OSB,开展毫克级的热重分析(TGA)试验,通过模型拟合法得到所建热解机制模型的动力学参数;然后,在锥形加热装置上进行7组恒定辐射热流下的克级自燃试验;其次,将改进的数值模型与测得的表面温度和质量损失率相结合,建立OSB的热力学参数反演模型,得到OSB的导热系数和比热容。最后,采用临界温度和临界质量损失速率参数预测暴露在6组恒定辐射热流下(28、30、35、40、45和50 kW/m2),着火时间分别为194、116、67、47、24、16和129、103、59、42、27、20 s。

• 大倾角工作面煤壁稳定性的云模型综合辨识

  熊钰, 孔德中, 杨胜利, 吴桂义, 左宇军, 程占博

  为保障大倾角工作面安全高效开采,基于层次分析法(AHP),建立带量化等级区间的大倾角煤壁稳定性评价指标体系;构建基于云理论的煤壁稳定性标准云模型;以3402大倾角工作面为例,生成煤壁稳定性评价云图,通过Dice系数计算评价云图与标准云模型各等级的相似度,辨识煤壁稳定性,验证该模型的科学性和有效性。结果表明:影响大倾角煤层煤壁稳定性的因素主要有一般倾角煤层的煤壁处顶板压力、煤体黏聚力和煤层采高,以及煤层倾角、工作面伪仰斜角等;经云模型辨识,3402工作面煤壁稳定性总指标评价云图与各标准等级相似度分别为0、0.345 3、0.787 2及0,该工作面煤壁稳定性处于Ⅲ级,呈不稳定状态,该结果与现场实际情况基本一致,证明文中所建模型具有一定的科学性和有效性。

• 低频振动下铀尾矿库滩面覆盖物控氡效果研究

  刘杰豪, 刘永, 洪昌寿, 徐正华

  为研究铀尾矿库滩面和周边环境安全,基于数值分析与试验模拟,找出控氡效果良好的滩面覆盖物。以南方某铀尾矿为例,比较沸石、石膏粉、粉煤灰3种覆盖物对抑制铀尾矿库滩面氡析出的影响,选出最优覆盖物,开展15、20、25 Hz频率累积振动下的控氡效果试验,验证覆盖物控氡性能差异。结果表明:不同覆盖物对抑制氡析出率有不同效果,在覆盖物厚度相同的情况下,覆盖材料中添加沸石层对抑制铀尾矿库氡析出率效果比加入石膏粉层或粉煤灰层的效果更优。随着振动频率增大,控氡效果更为显著。

• 排风流热回收装置内上喷式液滴群特征与运移

  樊思雨, 陈世强, 贺维国, 田峰, 刘纯玉, 刘刚

  为有效提高矿井排风热湿能量提取效率,在上喷式矿井排风流热回收装置内,采用马尔文激光粒度仪,开展喷嘴雾化压力、排风流风速对上喷式液滴群特征粒径与分散相分数影响试验,完成21个工况的沿程数据实测;应用临界韦伯数和韧带直径计算式,明确喷嘴操作参数与排风流动力学参数对液滴群分散相分数的影响;引入分散相分数,推导出具有液滴群特征粒径的单一液滴运移关联式。结果表明:液膜的初次破碎类型为长波长线性不稳定性破碎,当喷嘴雾化压力增大时,液滴粒径减小,分散相分数增大;引入分散相分数后,阻力系数增大,分散相分数对排风流热回收装置内的液滴群运移表现出类润滑作用。

• 旧工业建筑再生项目消防安全韧性评估

  罗福周, 袁慧卿, 张扬

  为消除旧工业建筑再生项目现存火灾安全隐患,提升消防安全水平,推进韧性城市发展,基于韧性理论,提出再生项目消防安全韧性的概念;结合相关规范及文献,从吸收能力、适灾能力和恢复能力3个角度构建消防安全韧性评估指标体系;为削弱主观因素影响,采用组合赋权法为指标赋权,运用逼近理想解法(TOPSIS)评估再生项目的消防安全韧性;以陕西钢铁厂再生项目为工程背景,选取4个具体实例进行评估,验证该方法的科学性和有效性。结果表明:再生项目吸收能力及适灾能力较差,使得再生项目消防安全韧性等级普遍较低;从吸收能力和适灾能力2方面提出相应对策并实施,可使再生项目消防安全韧性水平明显提高。

• 基于贝叶斯网络的危化品道路运输事故推理模型

  鲁义, 伍江乐, 邵淑珍, 施式亮, 周荣义, 王伟

  为精准预测危化品道路运输事故风险,首先统计2015—2020年国内1 727例危化品道路运输事故数据,构建以事故影响因素、事故类型、事故应急处理时间及伤亡程度为主要节点的贝叶斯网络(BN)结构;然后在Netica中建立危化品道路运输事故推理模型,根据平均绝对误差(MAE)验证模型的有效性;最后通过正向因果推理和反向诊断推理观察目标节点各变量的后验概率变化,探究在设定条件下的事故发展趋势和事故演变过程。研究表明:该模型可在设定条件下有效进行事故推理预测,通过正向因果推理得出,中午时段,最易发生的事故是因追尾或罐体泄漏而引发的泄漏事故;结合反向诊断推理得出,运载量小于30 t是易燃液体泄漏事故可在0~3 h内处置完成的显著条件。

• 考虑需求等级与距离损失联动消防站选址研究

  霍非舟, 董格力, 李墨潇, 梅依云

  为提高城市火灾抗性,基于城市发展现状进行消防站布局是提高城市消防效率与优化消防资源配置的有效手段。通过人口密度与高危火灾潜势单位分布状况评估地区火灾潜势大小,运用ArcGIS模拟火灾潜势分布状况并进行分级;针对消防站响应距离对火灾损失的影响,建立一种基于需求等级与距离损失的联动消防站选址优化模型,通过多目标优化算法NSGA-Ⅱ迭代求解模型;以襄阳市襄州区、襄城区、樊城区为例,与现役消防站布局以及考虑单一要素选址布局进行对比分析。结果表明:选址优化模型综合考虑需求等级与距离损失2种因素,根据实际需求对高危单位实施多级覆盖,选址结果优于考虑单一要素选址优化模型,对消防资源利用更加合理。

• 基于RBF核的多分类SVM滑塌易发性评价模型

  丁茜, 赵晓东, 吴鑫俊, 张泰丽, 徐振涛

  为合理有效地评价地质灾害易发性,依托浙江省温州市飞云江流域地质灾害调查数据,通过有监督的支持向量机(SVM)机器学习模型,建立基于径向基函数(RBF)核的多分类SVM滑塌易发性评价模型。在地理信息系统(GIS)中选取9类特征数据,作为模型训练输入值,采用随机森林(RF)算法分析各指标权重,以高斯函数为RBF核函数,将SVM的输入特征数据映射到高维空间中并加以识别;同时提出高斯核函数超参数C和γ的优化方法,解决SVM模型中超参数不能优化求解的问题;训练后,极易发生类的受试者特征曲线(ROC)的曲线下面积(AUC)达0.97,宏观多分类ROC曲线下AUC值为0.87。训练得到的评价模型既保证了重要分类的精度,又避免过拟合的情况。