油气安全预警类课程群项目式教学方案设计

         胡瑾秋^*   张来斌   李云涛   肖尚蕊  

（中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院，北京，昌平102249 ）

[摘  要]：石油天然气行业是涵盖勘探、开发、生产、储运与加工利用等诸多环节的工业体系，不仅产业链长、涉及面广、区域跨度大、环节关联性强，且易受地质、环境、气候、社会等复杂因素影响，兼具高温高压、易燃易爆、有毒有害等危险性特点，是国际上公认的高风险行业，具有重大事故高发、多发等特点。过程安全风险控制是油气安全学科重要的培养方向之一，其中油气生产安全预警类课程群是该方向的重要系列课程。本文分析了课程现状和教学中存在的问题，提出了基于项目式教学法的教学改革。该教学法优化了教学内容，更新教学模式和考核方式，培养学生的实践技能，充分激发学生学习的主动性与探索精神，提高了学生的综合应用能力和创新能力，取得了显著的教学效果。

[关键词]：油气生产系统，安全预警，项目式教学，案例研讨

[基金项目]： 2019年度中国石油大学（北京）“本科教学工程”项目“《人工智能与安全预警》课程项目式教学方法改革与探索”【校级项目，没有编号】；北京市高等教育学会2021年度立项课题“基于视线追踪技术的油气安全工程线上课程学习效果研究”（YB202144）。

[作者简介]：胡瑾秋（1983-），女，江苏南京人，博士，中国石油大学（北京）安全与海洋工程学院教授，博导，主要从事油气开采及管网早期预警与应急决策研究。

[中图分类号]：G642  [文献标识码]：A    

0.引言

油气生产复杂系统具有层次性、非线性、开放性以及脆性等特点。正所谓“千里长堤，溃于蚁穴”，重大灾难性事故的发生、发展、加剧以及衍生、次生过程与复杂系统的上述特点密不可分。油气装备结构的复杂性和操作工况的多样性，不同装备在不同环境下事故致因因素的时空关联作用的表象又有所不同，但机理却有规律可循。因此，风险溯源、评估及安全预警研究的目的正是为了避免复杂系统事故致因因素间这种强因果“连锁反应”的发生，实现见微知著，防微杜渐。一方面从根源上抑制其诱发，另一方面从事故致因因素时空关联作用过程中减轻其危害程度，增强系统安全韧性，降低运行风险。从而将事故预防关口前移，将以事故发生后应急为主的管理模式转变为事前危险状态监控、预防为主的管理模式；将静态的安全管理方法转变为动态的风险预测及主动维修方法；将分散、单项的事件处理方式转变为系统、组合的管理体系。

过程安全风险控制是油气安全学科重要的培养方向之一，其中油气生产安全预警类课程群是该方向的重要系列课程，贯穿于油气安全工程本科与研究生一体化培养的全过程。该课程群包括新生研讨课“风险的世界”、专业基础课“燃烧与爆炸学”、专业核心课“过程安全工程”、专业选修课“人工智能与安全预警”，以及本博一体化（含研究生）学位课“过程风险控制理论”。通过对该课程群的学习，学生将围绕油气生产复杂系统“人-机-环-管”全方位风险因素，以“油气生产系统风险因素识别”→“异常工况及故障监测” →“燃烧与爆炸机理”→“风险防控技术”→“早期预警”→“典型案例研讨（涵盖炼化、非常规、深水等复杂油气生产领域）”为主线，系统性掌握油气生产安全预警领域中的理论、方法与技术应用，这对培养具有跨学科知识结构和综合应用能力的综合型人才具有重要作用。

本次研究从培养应用型和创新型人才综合能力的角度出发，结合中国石油大学（北京）安全工程专业具体课程教学的实际情况，对该课程群进行项目式教学方法改革与探讨。项目式学习（Project-based learning，PBL）是一种以学生为中心的教学方法，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。根据教学过程中存在的主要问题，总结出一套基于项目式教学法的油气生产安全预警类课程群教学模式与研讨方案，并应用于实践教学中，挖掘学生的共性与个性，培养学生的实践技能，激发学生对油气安全预警领域科学问题的发现与探索精神，取得了显著的教学效果。

1. 油气安全监测预警课程群的设置与教学特点  

1.1 油气生产系统风险特点

油气生产系统包括石油天然气的勘探开发、储运、加工利用以及LNG等海外油气资源接收站（库）等关键过程及相关的设备设施。其安全问题区别于其它行业有几大不同特征：1）物料大多具有易燃易爆性、反应活性、毒性和腐蚀性；2）生产装置规模大、集成度高，且生产过程具有强非线性；3）系统组成关系与行为复杂、以及与其环境之间的关联程度高、耦合性强，导致系统故障的形成、传播、演化等故障行为具有多样性、随机性、涌现性等特点；4）事故演化过程及其衍生次生灾害形成多灾种耦合事故场景，对应急救援决策带来严峻挑战。

因此，油气生产系统中一旦任何子系统或其中部件发生故障，易引发链式效应，所造成的危害和影响远比单一故障事件大而深远。对油气生产系统的故障及异常工况等行为进行快速辨识与预警，能够增强系统的安全弹性，降低运行风险。鉴于此，油气生产过程的安全性及其事故多灾种耦合演化过程及规律的研究及相应的风险防控工程也成为当今世界油气安全工程行业关注的重点之一。

1.2 安全预警课程群的设置

过程安全风险控制是我校安全科学与工程一级学科的重要研究方向之一，然而在教学体系中与此相关的知识点内容多、实践性和综合性较强，且分散在多门课程中，难以形成系统的知识逻辑和关联，且碎片化知识在后续的毕业设计、科研课题研究以及工程实践过程中将遇到许多障碍和局限性，全方位育人效果欠佳。

根据国际减灾战略秘书处的定义，预警是指对即将发生的灾难进行紧急警告。在系统安全工程领域，其内涵既包括对可能即将来临的事故（如管道破裂、机组非正常停机等）发出的紧急警告，也可以包括对一段时间后由此事故可能引起的二次事故（如火灾、爆炸等）或衍生次生灾难（大规模停水停电、交通瘫痪等）发出的提前警告。因此安全预警是对油气生产系统未来风险状态进行测度，并对未来故障或异常工况的发展进行预期性评估，以提前发现系统未来运行可能出现的问题及其成因，预报不正常状态的时空范围和危害程度以及提出防范措施，从而避免或最大程度降低可能的损失。

为了解决油气安全预警类课程体系问题、激发学生学习兴趣、强化师生互动、充分发挥专业课程教学的育人功能等核心问题，本文依托教改项目研究提出基于项目式教学的油气安全监测预警类课程群教学方法，优化教学内容，加强课程内容与科研热点、学术探讨以及专业综合应用的联系；采用项目式教学方法，提供课题研讨平台和实验场所，提高学生学习兴趣；深度融合OBE和课程思政理念，注重全过程、全方位育人。

油气安全监测预警方向的专业基础知识点包括：油气生产系统建模与系统安全分析、事故机理、异常工况监测与识别、过程故障诊断、故障传播路径建模与推理、故障智能溯源、动态风险评估、安全预警大数据技术、多源信息融合技术、人员安全行为以及人工智能在安全预警领域的理论方法与应用等。这些知识点贯穿于油气安全工程培养计划的本科、硕士和博士阶段的多门课程，因此围绕油气安全监测预警方向专业基础知识点，建立油气安全监测预警课程群，其中包括：《风险的世界》（新生研讨课）、《燃烧与爆炸》（专业基础课）、《人工智能与安全预警》（小班研讨课）、《过程安全工程》（专业核心课）、《过程风险控制理论》（研究生学位课），以及《油气安全工程前沿（安全预警专题）》（研究生学位课），见表1所示，表中也列出了各门课程中对应安全预警关联的主要知识点。

表1安全预警课程群的设置 

2. 项目式教学的基本出发点

“项目教学法”^[1-2]最早见于美国教育家凯兹和加拿大教育家查德合著的《项目教学法》。项目教学法是指师生通过共同实施一个或一系列完整的项目工作而获得专门知识并提高实践能力的教学活动。心理学研究结果表明：当感受类型是“听”时，记忆的保持率为20%；当感受类型是“看”时，保持率为30%；当感受类型是“听 看”时，保持率为50%；当感受类型是“亲身实践”时，保持率为90%。在项目教学过程中，只有当一个人已有的知识无法解决他所面临的问题时，真正的学习才会发生^[3-5]。学习不是由教师向学习者传递知识的活动，而是学习者自己建构知识的过程；学习者不是被动地吸收信息，而是主动地通过已有的认知结构对新信息进行加工和建构，这种学习更强调主动性、社会性、情境性、协作性，而且这种建构教师不能代替。

在教学过程中“项目”的范围较广，可以是生产一件具体的、具有实际应用价值的产品为目的的任务，它要求学生自己计划运用已有的知识和经验，通过自己亲手操作，在具体的情境中解决实际问题。也可以是设计一系列实验揭示某种规律或现象、建立一组计算模型解决某个科学或工程难题、研发一个产品提供某项有意义的创新服务等，其目的在于促进学生知识串联和应用能力的发展^[6-7]。

结合表1安全预警课程群的特点，项目教学法的基本出发点包含以下方面：

（1）属于安全预警领域的主要、重点的教学内容，并具有理论研究或实际应用价值；

（2）能将安全预警基础理论知识和工程技能结合起来；

（3）与油气行业设备或工艺实际生产运行等活动的安全保障要求有紧密联系；

（4）学生可以独立制定研究计划并实施；

（5）学生可以运用所学知识克服、处理在项目工作中出现的困难和问题；

（6）难度水平高于课内作业，学生在完成过程中需要查阅文献资料进行自主学习和运用新的知识和技能；

（7）有明确而具体的成果展示，师生能共同评价项目完成情况和工作成果。

3. 基于PBL的油气生产安全预警技术类课程群研讨问题设计

围绕油气安全过程风险控制学术前沿与知识体系中的重点、难点，提炼安全预警项目教学中的研讨重点问题如下：

（1）针对油气生产关键设备设施，除了极少数突发故障以外，大多数故障的产生是有一个渐进过程的。早期故障（指设备部件发生早期缺陷、或部件之间的传动配合不良，但程度轻微，不影响设备系统的正常功能）是产生耦合故障的初始原因（故障萌芽），是诱发故障耦合作用的根源（早期故障在故障耦合作用下能量聚积，导致系统崩溃）。及时诊断出早期故障，消除这一初始原因，遏制故障耦合作用的激发，是实现设备系统故障预警的首要一步。

引导学生思考并提出关键科学问题：故障监测预警环节的应用难点， 例如，早期故障敏感特征微弱，常被噪声淹没，如何准确识别；早期故障数据较少，对数据挖掘和智能故障模式识别带来了挑战，有哪些解决途径。

（2）故障预警分析中的动态安全评价技术又有别于传统意义上的安全评价，由于故障预警的根本目标是避免故障产生的条件，那么故障预警分析中的安全评价应重点对可能产生故障时的条件（工况和状态）进行评估，特别是故障可能萌芽时的条件和特征，将防控措施提前到早期故障阶段之前，形成一种超前保护意识。

引导学生思考并提出关键科学问题：由于设备系统具体的运行过程、组织过程、内/外环境因素、操作任务是动态的，如何根据外部环境的变化、工况操作的调节以及系统自身的退化规律动态、自动更新评价方法与模型（模型结构与参数），使预警分析具有自适应性。

学生根据科学问题进行组队，开展项目研讨，提出解决方案，例如，系统安全不仅体现在某个时间点上的状态，还与其变化趋势及历史运行特点密切相关。针对设备系统故障耦合作用的不确定性和动态性特点从“时－空”维度（“时间维度”：系统历史、现状及未来发展状态；“空间维度”：功能相关性、故障相关性和结构相关性）对设备系统建立动态、自适应、综合的评估模型。

（3）针对预测预警方面，在教学过程中提出工程难题引导学生积极思考，例如，当故障耦合作用引发的系统共因失效、相关失效及多危险源共存时，已有的预警分析方法往往忽略了系统部件之间以及故障失效过程之间的相互作用、传播及影响程度，外部环境变化、工况调节对部件退化过程的影响，而从单纯的部件自身退化过程出发计算平均寿命，预测未来的剩余可靠性寿命，所得结果往往偏乐观，不切实际，并容易产生大量的冗余解甚至误报或漏报现象。

学生分组建立团队独立制定研究计划，探讨科学问题，提出研究项目，例如：1）如何建立系统－子系统－部件之间的结构关系模型，系统变量（可观测与隐含状态变量）之间的相互依赖影响关系模型，以及故障失效之间因果传播模型，并将这些关系模型定量化？2）如何拓展或改进传统单部件预测方法，杜绝以往“只见树木，不见森林”的预测模式，使之能够对子系统及整个系统的安全性、可靠性进行动态的预测？

（4）在风险控制方面，教学过程中提出工程难题引导学生积极思考，例如，一些传统的预控对策系统虽然可以找出所有系统故障传播路径，但并非每条都可以在现实生产条件下发生，而相当一部分发生的概率极低。在复杂系统故障预警防御过程中，这种低识别性的分析方法最终将产生庞大的可能故障报警结果甚至“信息爆炸”现象，无法及时、准确的采取有效的预控措施。

学生分组建立团队独立制定研究计划，提出研究项目，例如：如何将专家知识经验、历史数据及实时监测数据，以及系统物理发展规律结合起来，提出有效的主动预防性维修策略？学生进而自主学习人工智能算法，将经验驱动、数据驱动以及物理驱动有机结合，建立数学计算模型将装备自身内在的状态演化与耦合交互的演变过程相结合，预测部件和系统的剩余可靠性寿命，并从整体最优的角度提出系统预防性维修策略。

4. PBL的组织与实施

项目教学法将一个相对独立的项目交给学生自己处理。信息的收集，方案的设计，项目的实施及最终的评价，都由学生自己负责。学生通过该项目的进行，了解并把握整个过程及每一环节中的基本要求。运用项目教学法，学生的学习过程一般包括七个环节（见表2与图1）：明确任务、收集信息、制定计划、进行决策、组织实施、过程检查，以及结果评估。表2也给出了结合安全预警领域的科学问题，在每个阶段PBL的组织与实施示例。

学生从项目的实施，到最后实现项目目标、解决了预设的问题或难题，学生通过完整的参与项目的研究和自主学习过程，自己克服、处理在项目工作中出现的困难和问题，并且能够运用新学习的知识、技能，解决过去从未遇到过的实际问题，从而以更大的学习热情和兴趣投入下一个项目的学习。

图1. 项目教学法的实施过程

表2 安全预警类课程群PBL的组织与实施

 表3 PBL实施流程时间计划

5. 结论

过程安全风险控制是油气安全学科重要的培养方向之一，其中油气生产安全预警技术类课程群是该方向的重要系列课程，贯穿于油气安全工程本科与研究生一体化培养的全过程。本文从培养应用型和创新型人才综合能力的角度出发，结合中国石油大学（北京）安全工程专业具体课程教学的实际情况，对该课程群的项目式教学方法改革进行探讨。建立了油气生产安全预警技术类课程群项目式教学方法与方案设计框架，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式，从而激发学生对油气安全预警领域科学问题的发现与探索精神，取得了显著的教学效果。同时，为安全专业的课程建设、考试改革、专业建设等提供相应的参考。

[参考文献]

[1] 赵桂艳,徐今强,徐国保.传感器与检测技术课程项目式教学法探究[J].中国现代教育装备,2021(11):110-112.

[2] 张岚,王金朋,葛伟娜,张家琦,王莉,潘玉欣.基于项目式教学法的翻转课堂在生物信息软件方法课程中的教学实践[J].科学咨询(教育科研),2021(06):100-101.

[3] Ruslana M., Bilad M., Noh M. et al. Integrated project-based learning (IPBL) implementation for first year chemical engineering student: DIY hydraulic jack project. Education for Chemical Engineers, 2021, 35: 54–62.

[4] Chen G, Li X, Zhang X, et al. Developing a talent training model related to chemical process safety based on interdisciplinary education in China. Education for Chemical Engineers, 2021,34: 115–126.

[5] Ricaurte M, Viloria A. Project-based learning as a strategy for multi-level training applied to undergraduate engineering students. Education for Chemical Engineers, 2020, 33:102–111

[6] Sharma A, Dutt H, Sai Ch. et al. Impact of Project Based Learning Methodology in Engineering. 9th World Engineering Education Forum, WEEF 2019, Procedia Computer Science 172 (2020) 922–926.

Castaldi P, Mimmo N. An Experience of Project Based Learning in Aerospace Engineering. IFAC PapersOnLine 52-12 (2019) 484–489  Project-based Learning Method and Teaching Scheme Design for Course Group of Safety Early Warning in Oil and Gas Production Industry   

HU Jin-qiu^* ZHANG Lai-bin and LI Yun-tao

(College of Safety and Ocean Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing, China)

Abstract: Oil and gas industry covers exploration, development, production, storage, transportation, processing and utilization processes. It can be considered as a long industrial chain with the characteristics of wide range, regional span, strong correlation, and vulnerable to complex factors such as geology, environment, climate and society. In oil and gas industry, the process has risk factors such as high temperature and pressure, flammable and explosive, toxic and harmful, which lead to possible major accidents. Process safety risk control is one of the important education directions of oil and gas safety engineering discipline. Many courses in this direction involving oil and gas production safety early warning method and technology can be clustered as course group. This paper analyzes the current situation of the course group and also the problems existing in teaching stages. Project-based learning method is utilized in the reformation and practice of the teaching, and the novel teaching scheme design for course group of safety early warning is proposed to optimize the teaching content, update the teaching mode and assessment method, which is conducive to cultivate students’ practical skills, and fully stimulate their learning initiative and exploration spirit. The results show that introducing project-based learning achieves remarkable teaching results by improving students' comprehensive application ability and innovation ability.

Key words: oil and gas production, safety early warning, project-based learning, case study