美国得州农工大学获PHMSA资助开发数字孪生控制室模拟
2026-05-29 14:14
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维度网讯,异常工况仍是炼油厂、石化厂、管道及其他加工设施安全高效运营的主要威胁之一。虽然大多数现代设施已配置控制、报警和安全系统,但问题往往不在于这些防护层是否存在,而在于当过程偏离正常运行范围时,它们能否有效协同工作。

许多保护策略仍部分依赖操作员行动。只有在操作员能在规定时间内检测到状况、诊断原因并完成响应时,这些措施才能降低风险。否则,报警堆积、状况变化,一个可控偏差就可能演变为生产损失、停机乃至更严重的事故。

行业正越来越多地关注在问题实际发生前加以解决。在得克萨斯农工大学科珀斯克里斯蒂分校(TAMU-CC),一项数字孪生控制室模拟项目正在开发中,资金来自美国交通部管道和危险材料安全管理局(PHMSA),并得到霍尼韦尔(Honeywell)的支持。霍尼韦尔提供了一套操作员培训模拟器,包括过程模拟、控制仿真及Experion控制系统环境。

SIS-TECH Solutions总裁、过程安全与安全仪表系统专家安吉拉·萨默斯(Angela Summers)表示,最大的盲点之一是假设操作员响应会成功,却没有充分测试系统在压力下是否给予操作员所需的清晰度、时间和支持。萨默斯指出,许多设施将操作员响应视为安全保障,却未验证状况恶化时的真实表现。在纸面上,所需行动看似简单,但实际控制室中情况复杂得多。

她举例了一种暴露差距的场景:入口阀门故障打开,程序要求关闭它但阀门没有响应。真正考验是操作员能否迅速确定下一步行动,如派现场操作员检查阀门状态、隔离上游,或在可用时间耗尽前采取其他行动。萨默斯强调,直到在真实条件下测试,这一防护层仍只是一个假设。

霍尼韦尔的克里斯·琼斯(Chris Jones)表示,该项目将呈现真实控制室环境的外观和感觉,主要变量在于模拟过程与特定实际操作的接近程度。这种真实性使演练超越课堂教学,允许操作员、研究人员和行业合作伙伴研究理论扰动发生时人和系统如何响应。

一旦环境就绪,模拟的价值就超越了演练罕见场景。工厂在正常报警指标上可能看似可接受,但在异常工况下仍可能用报警淹没操作员。萨默斯指出,一旦状况通过集成过程传播,操作员可能在需要明确优先级的关键时刻遭遇报警激增。此时,模拟不仅可测试操作员响应,还能评估哪些报警应优先处理或抑制,以便在压力下更容易诊断初始问题。

同一环境还能暴露常规审查中难以发现的弱点。报警可能掩盖而非澄清初始原因,界面设计可能延误对最重要信息的识别,程序可能与操作员实际所见不一致,控制策略可能在过程偏离后留给恢复的时间过少或支持不足。对于运营公司,这些问题很重要,但在实际操作中难以研究。琼斯表示,日常生产、可靠性和盈利性要求很少为深入的假设分析留出空间。

TAMU-CC这项PHMSA资助研究的首席研究员朴章云(Jangwoon Park)博士表示,该实验室可用于开展受控的人因研究和实验,而工业中通常更难进行。研究包括界面设计、报警呈现、工作负荷及其他条件如何在压力下影响操作员决策。朴的研究在管道控制室中尤为相关,疲劳、认知需求、长班次和沟通挑战都会影响操作员对发展趋势的理解和响应。

斯图尔特·贝希(Stewart Behie)博士在重大危害风险管理和过程安全领域工作四十多年后加入TAMU-CC,他表示目标是创造一个对行业足够熟悉的环境,以支持有意义的培训和实用研究。他解释称,坐在实验室控制室中的人应看到与工厂操作完全相同的设置。这对劳动力准备和工厂绩效都有影响,可缩短新操作员进入日益复杂控制环境的路径,并帮助设施在报警、程序和界面设计的弱点暴露前加以识别。

大学实验室可以承担研究负担,多次运行场景,并生成行业日后可应用的做法,而无需自行完成所有原始研究。对贝希而言,这创造了超越课堂的价值,使操作员能在问题出现前接触异常状况、报警过载和界面挑战,也为没有维护自有模拟器但希望获得更真实培训的设施提供了可能性。

更大的机遇在于工厂不再假设操作员响应有效,而是开始测试实现良好响应的条件,包括有助于而非分散注意力的报警、使初始问题更容易识别的界面,以及在过程偏离正常时仍然有效的程序。对于操作员、工程师和工厂管理者而言,问题不在于模拟是否存在,而在于纸面上认可的保护策略在控制室中当报警堆积、时间缩减时是否依然有效。如果真实的模拟环境在实际异常工况之前暴露了弱点,其回报将远超培训,意味着更快的诊断、更少的可避免停车、更强的异常工况应对能力,以及操作员层在最需要时能够发挥作用的更大信心。

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