深井受限空间物理实验系统研发与安全人因参数试验研究

游波，指导老师：吴超

摘要

   深井开采实际上是在一个受限空间内作业。深井采矿作业面恶劣环境条件会对人体的生理健康和工作效率产生重大的影响，并影响到人体的安全行为。随着浅部资源的枯竭，我国矿山逐步进入到深部开采，因此，研究深井开采作业面的安全与环境问题意义重大。由于在深井现场开展研究极为困难和受到条件限制，如果能对深井受限空间作业环境进行物理模拟仿真，在地面开展相关试验来研究其对人体生理和工作效率的影响规律等，则可以避免井下的不利条件和收到更好的效果。

本文在检索国内外相关研究成果的基础上，采用理论分析、环境物理模拟仿真与室内模拟试验结合的研究手段，来系统研究深井受限空间恶劣环境对人体生理和工作效率的单独和复合影响。论文的主要研究内容和取得的成果如下：

(1) 基于安全科学与生理学学科体系内容，提出了安全生理学原理定义理论，阐述了其研究对象和内涵。对安全生理学原理划分了5条下属二级原理，包括安全生理需求原理、安全生理感知原理、安全生理反馈原理、安全生理稳态原理和安全生理作业效能原理，并对各下属原理的研究内容和之间的逻辑关系进行了探讨分析。最后研究分析了安全生理学原理在人体安全行为过程中的应用机理、对安全的影响和实际意义。

(2) 创建了安全工程原理理论体系，基于矿井工作环境特点，根据安全工程原理的要求设计研发了深井受限空间环境与安全人工智能仿真实验系统装备，在地面真正实现了对井下环境条件的真实物理模拟。环境模拟装备能对矿井温度、湿度、噪声、照明度、气压、风速、粉尘、有毒有害气体进行仿真模拟，并设计有人体生理参数测试系统，利于研究各环境因素对人体生理参数的影响。该实验系统装备拥有先进的自动化操作和监测监控技术，可以系统地开展一系列试验来探讨研究深井受限空间恶劣作业环境与人体生理健康、工作效率及安全行为之间的作用联系。

(3) 利用模糊数学理论对深井受限空间环境与安全人工智能仿真实验系统装备的可靠性进行分析，建立实验系统的故障模式与影响分析(FMEA)表，并划分了故障模式危害度，对实验装备系统内的各种仪器设备的故障模式进行多层次模糊综合评判，最终得到各种故障模式对系统可靠性影响大小的排序结果，为提高系统的可靠性提供了依据。

(4) 在深井受限空间环境与安全人工智能仿真实验系统中开展单因素对人体的影响试验，对深井的温度、湿度、噪声和照明度环境条件进行物理仿真模拟，选取血压、心率、呼吸率、体温、疲劳度、注意力、记忆力、反应速度为人体生理和工作效率响应评价指标，通过人体在特殊的设定环境下进行劳动模拟测试，探索人体生理指标和工作效率指标在深井受限空间恶劣环境中的变化规律，同时确定单因素拟合公式，分析了各评价指标与各个环境因素之间的定量关系。

(5) 采用正交设计理论，开展深井受限空间温度、湿度、噪声和照明4中恶劣环境对人体复合影响的正交试验，在单因素影响试验结果的基础上，运用SPSS统计软件对正交数据进行分析，得到人体生理和劳动效率各评价指标相对于恶劣环境因素的复合影响拟合公式，并对数学预测模型的准确性进行了验证分析，揭示了人体各评价指标与环境因素之间的数量关系。

有机热载体炉积碳检测技术及安全评价研究

彭小兰，指导老师：吴超

摘要

从国家质量监督检验检疫总局近五年的特种设备事故情况通报可知，尽管每年的万台设备事故率有所下降，但是在锅炉台数有所减少的情况下锅炉事故例数仍高居不下。对事故通报原因进一步分析得知：中小工业锅炉中有机热载体炉的火灾事故一直高发。

为解决有机热载体炉积碳和火灾事故，本论文依托质检公益性行业科研专项（201210080）“有机热载体炉安全评定及积碳在线检测关键技术研究”和质检总局科技计划类项目（2013QK212）“导热油炉基于FLUENT的流场数学建模和仿真研究”这两个国家质检总局项目，在系统而全面地检索及深入分析以前的学者已经取得系列研究成果的基础上，采取理论分析、试验模拟仿真与实际检测应用三者相结合的研究方法，针对有机热载体炉积碳检测、介质FLUENT流场分布和安全评价三方面进行了深入研究，取得的主要创新性成果如下：

1.统计分析了国内近十年有机热载体炉火灾事故以及有机热载体炉积碳检测控制技术的相关论文，阐述了有机热载体炉火灾事故的主要形成原因，并指出有机热载体炉积碳层是导致有机热载体炉火灾的关键因素。

2.根据有机热载体介质的物理化学性质和有机热载体炉系统的特殊性，分析了有机热载体积碳形成机理和有机热载体炉运行机理，并提出一种基于超声导波的积碳层厚度检测方法。

3.设计组装了一套有机热载体炉积碳检测系统，试验研究了超声导波的截止频率、跃迁频率和群速度这3个表征参数与积碳层厚度变化的关系。结果表明：可用超声导波的群速度与积碳层厚度变化的单调性规律来检测积碳层的厚度，并通过空管中的群速度频散曲线的拟合试验进一步论证该检测方法的可行性。

4.为识别积碳检测中超声导波的模态类别，故利用时频分析对炉管中多个模态进行比较分析，并结合时频分析的主要能量分布图与数值模拟的频散曲线中L(0，2)模态走势的拟合，推断出的主要波形模态为L(0，2)模态，通过时差法计算群速度和实验群速度的的相对误差仅为1.88%~3.48%。

5.通过模拟附着物超声导波积碳检测试验得到：信号为5周期，频率为500kHz，峰峰值为200mV，激励出的L(0，2)模态波的群速度检测盲区为探头布置间距小于350mm，有机热载体炉管中积碳层超声导波检测探头布置最佳检测距离为1000px。从信号的信噪比、时域和频域特征验证了检测的最佳周期为5周期；可用环氧树脂添加碳氢化合物和模拟积碳层，并成功激励出了L(0，2)模态。当探头间距1000px，检测周期取5周期时，用试验论证了L(0，2)模态在积碳管中的群速度较空管中的群速度减小7.65%，进一步论证了可用空管和积碳管群速度的变化关系来检测有机热载体炉管道中的积碳层。

6.将人机工程学原理运用到有机热载体炉运行风险评价中，得出运行中人机环境指标的权重分别为：1.830、1.293、1.749，比较得出人和环境这两个指标比有机热载体炉设备本体的权重大0.5左右。这表明有机热载体炉运行风险需要更多关注人员素质和环境管理。然后通过国内外有机热载体炉火灾事故统计调查，运用鱼刺因果分析法定性地分析了事故原因，再结合事故树分析和事件树分析方法，找到引发火灾事故的基本因素、关键因素（如：有机热载体泄漏）及其重要度和关键概率度。

7.运用FLUENT对盘管式有机热载体炉的盘管不同流速和不同积碳层厚度情况下进行模拟研究并发现：当无积碳层时，盘管内有机热载体流速分布靠管壁两侧的有机热载体流速较慢，尤其是辐射管壁侧更为明显；有机热载体管内流速从管壁往管子中心逐渐增大，辐射段因为有辐射热侧的紊流层比保温侧的紊流层区域更大；靠近辐射管壁，层流与紊流交界处，有机热载体介质流速接近最大。当入口流速为1.0m/s时，随着导热油流速的降低，有机热载体处于劣化变质状态局部流动随着管径和流速的变化而呈现一定规律的变化，碳层越薄越有利于流场的均匀和液膜温度不超温。

最后，在基于有机热载体炉积碳检测、安全评价和FLUENT流场模拟这三者综合构建的基础上，提出了有机热载体炉风险控制的管理模式和有机热载体炉安全立法的建议。

比较安全学构建及其应用实践研究

易灿南，指导老师：吴超

摘要

   本文从安全科学的比较实践入手，从学科高度与方法学视野来研究比较安全学问题。基于国内外比较安全学发展现状文献分析结果，归纳出比较安全学在学科及其体系，基础理论，及其应用模式面存在的三大问题。为了系统地构建比较安全学理论与学科体系、规范其应用模式、提高其比较实践效果、促进安全科学发展，通过对安全科学、比较学、系统学、比较法学、比较管理学与比较教育学等相关学科思想、理论、学科体系与研究方法的考察，综合运用比较、借鉴、归纳、演绎、历史分析，及分析-综合等方法，紧扣比较安全学的实践性、交叉性与工具性三大特征，系统地开展了比较安全学的内涵外延、基础理论、学科体系、分支学科、应用模式，及其比较实践等研究，主要完成的研究工作与获得的结论如下。

（1）首先基于国内、国外比较方法在安全科学各领域中应用文献的检索分析，发现比较安全学存在学科及其体系尚未建立、基础理论缺失，及其比较应用模式没有统一与规范三大问题；并在对比分析我国安全生产现状与国外主要发达国家差距的基础上，根据安全科学发展需要，阐述了本文研究的理论与现实意义，提出了本文研究的主要内容、方法及技术路线。

（2）在界定安全科学、比较方法与比较学等相关概念基础上，从学科层面提炼出比较安全学的定义,阐述其内涵与外延, 总结出其源于安全学比较实践的实践性特征，剖析了其跨时空与跨学科的综合与交叉学科属性，并归纳出其作为安全科学研究基本工具之一的核心功能；在此基础上，提出了比较安全学方法论体系，构建其理论基础体系，为比较安全学构建，及其应用与发展奠定基础。

（3）基于比较安全学属性与研究范畴，参考安全科学与比较学学科体系，从安全科学的理论类别、灾害类别、安全管理类别、工程类别，以及安全学科的纵向分支5个方面构建比较安全学的学科分支体系，以形成其学科体系框架，为比较安全学发展及其应用明确了方向。

（4）根据比较安全学的比较实践需要，参考比较研究要素相关概念，界定了比较安全研究中的比较主体、比较客体、比较目标、比较研究方法与比较结果5类基本要素，以及比较环境、比较维度、比较单元、比较标准与比较结论5个相关要素，并较为全面地阐述了这些比较要素的属性、范畴与特征，最后基于比较要素的相互作用逻辑与层次关系，构建其相互作用的机翼模型，为比较安全学研究与应用提供规范性与统一的要素，夯实了比较安全学基础理论体系。

（5）依照比较安全学客体属性，阐述了其比较单元与比较路径概念与性质；基于比较安全学的时空与知识维度，制定比较单元与比较路径划分方法，并获得了“以安全科学空间维度为基准”、“以安全科学时间维度为基准”与“以安全科学知识维度为基准”的三类比较单元，以及“同空间-历时性”、“当代异空间-共时性”、“异空间-历时性综合性”、“安全科学-历时性”、“当代共时-跨学科性”、“跨学科-历时综合性”、“同空间-跨学科性”、“安全学科-跨空间性”与“跨学科-异空间综合性”9条有效比较路径；并剖析了比较单元与比较路径属性与特征，为确定比较研究框架、明确比较研究方向与选择比较研究模式提供依据与支持。

（6）基于比较安全学的比较主体主观能动性，剖析了其比较认知活动，构建了比较安全学的比较认知行为模型；然后，基于比较研究过程特征与比较安全学实践需要，以比较分析活动的“比较准备-比较分析-比较总结”为主线，结合比较安全学的比较要素，融合主体在比较研究中的主观认知活动，综合构建了比较安全学基于认知活动的比较分析过程与模式，为比较安全学的比较实践提供了科学、统一与规范的比较范式，以提高比较安全学研究的效率与科学性。

（7）根据比较学、安全管理学与比较管理学等学科思想、理论与方法，首先提出比较安全管理学的定义及其内涵，阐述了其学科理论基础；其次描述其比较对象、内容、方法、环境等要素的相互作用关系，提出比较安全学的研究内容，构建比较安全管理学“知识维-技术维-逻辑维-理论维”的四维方法论体系；最后，基于比较分析过程特征，指出比较步骤适用的研究方法，并构建了比较安全管理学研究范式。

（8）基于比较学、安全法学与比较法学等相关学科思想、理论与方法，首先提出比较安全法学的定义及其内涵，构建其纵向与横向学科分支体系，确定比较安全法学研究的维度；然后，基于安全法的四个主要组成部分，界定比较安全法学的研究内容，构建其四维方法论体系；最后，基于比较安全法研究与应用需要，提出研究过程所适用的研究方法，并建立以“规范比较为起点、功能比较为主体、文化比较为辅”的比较安全法学综合比较路径与模式。

（9）基于比较学、安全教育学与比较教育学等学科思想、理论、方法，以及比较安全教育研究实践，首先从学科角度提出比较安全教育学定义及内涵，并分析比较安全教育研究的三大要素：主体、客体与维度；其次基于比较安全教育学交叉学科属性，提出以“历史为基础—实证为方法—多元文化为辅”的综合多层次分析框架，并构建基于比较研究一般过程的“选择客体-整理资料-比较分析-形成结论”比较安全教育研究四部曲；最后，提出比较安全教育学的比较研究方向与类型，以及安全教育理论、管理、技术与实践4方面的比较研究内容，并举例说明其应用。

（10）基于比较学、相似系统工程理论与安全系统工程学的理论与方法，阐述安全系统可比和可比性概念，提出了比较安全系统工程学的定义和内涵，给出了比较安全系统工程学研究的基本原理、研究维度及内容；然后，描述了开展比较安全系统工程学研究的程式和步骤；最后将比较安全系统工程学原理与方法应用于职业病危害预评价和安全预评价实践。

（11）选取安全生产标准化体系与杜邦安全管理体系为对象，基于上述建立的规范性的比较应用模式与过程来展示比较实践活动全部过程；首先确定比较要素，分析其比较维度、筛选比较路径及拟定比较技术路线；然后参考比较安全管理学研究所提出的研究范式开展两者比较研究（首先对两者的外部环境进行比较研究，其次对其内容体系—安全管理理论、组织制度及文化、安全管理要素、安全管理方法与评估技术4个方面进行比较分析）；最后总结比较结论，并对其进行评价、借鉴与移植。