黃少華 董巖 趙鈺 楊吉強(qiáng) 陳剛
1.中交城鄉(xiāng)能源有限責(zé)任公司 北京 100029
2.中城鄉(xiāng)(煙臺(tái))液化天然氣有限公司 山東 煙臺(tái) 264000
國(guó)務(wù)院國(guó)資委在《關(guān)于加快推進(jìn)國(guó)有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》中指出,按照?qǐng)鼍膀?qū)動(dòng)、快速示范的原則,加強(qiáng)智能現(xiàn)場(chǎng)建設(shè),推進(jìn)5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)規(guī)模化集成應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)全要素、全過程自動(dòng)感知、實(shí)時(shí)分析和自適應(yīng)優(yōu)化決策,提高生產(chǎn)質(zhì)量、效率和資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)水平,賦能企業(yè)提質(zhì)增效。
目前國(guó)外使用數(shù)字孿生技術(shù)在LNG作業(yè)區(qū)安全生產(chǎn)方面主要是對(duì)作業(yè)區(qū)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備,將實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生系統(tǒng),以便更準(zhǔn)確地模擬作業(yè)區(qū)運(yùn)營(yíng)情況和優(yōu)化作業(yè)區(qū)安全。建立虛擬的訓(xùn)練場(chǎng)景,通過數(shù)字孿生技術(shù)模擬各種突發(fā)事件,對(duì)作業(yè)區(qū)人員進(jìn)行培訓(xùn)和演練。采用該技術(shù)的國(guó)外作業(yè)區(qū)有:美國(guó)的洛杉磯作業(yè)區(qū)、新加坡的樟宜港、荷蘭阿姆斯特丹等國(guó)際作業(yè)區(qū)。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用,主要是通過數(shù)字化建模,將各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器信息標(biāo)注在模型上,只能通過逐個(gè)點(diǎn)擊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示,既不直觀也無法形成和其他信息的聯(lián)動(dòng);在視頻方面,需要通過逐個(gè)點(diǎn)擊才能展示視頻畫面。從應(yīng)用效果上看,傳統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)并未達(dá)到預(yù)期的理想效果,尚未解決傳統(tǒng)監(jiān)控視頻位置分散難以管理、視角獨(dú)立不夠直觀、畫面割裂難以看懂等痛點(diǎn)問題[1]。
隨著LNG接收站投產(chǎn)運(yùn)營(yíng),各類安全隱患、各類人員安全、各類生產(chǎn)行政車輛安全等安全壓力劇增。為有效避免人為管理上的漏洞和疏忽,擬通過建設(shè)LNG接收站視頻孿生安全生產(chǎn)可視化管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和管理的升級(jí),提升LNG接收站安全管理水平[2]。
目前LNG運(yùn)輸船舶在駛?cè)?、??俊⒀b卸和離開作業(yè)區(qū)的過程中,人員車輛船舶絡(luò)繹不絕,同時(shí)作業(yè)區(qū)周界環(huán)境較為復(fù)雜,陸、海、空等多方都會(huì)造成突發(fā)性事件,?;钒踩鹿孰[患多種多樣,而信息化管理系統(tǒng)建設(shè)不完善,無法對(duì)作業(yè)區(qū)的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行全要素展示,缺乏有效的智能化手段來實(shí)時(shí)感知各類風(fēng)險(xiǎn),難以及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警,嚴(yán)重影響應(yīng)急處置效率,容易造成安全事故問題[3]。
建設(shè)LNG接收站安全生產(chǎn)可視化系統(tǒng),結(jié)合3DGIS、視頻孿生、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段,對(duì)接收站進(jìn)行全方位立體化安全監(jiān)管,多維度智能分析輔助決策,通過統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一監(jiān)測(cè)、統(tǒng)一管理等方式,提升LNG接收站監(jiān)測(cè)預(yù)警及應(yīng)急處置能力,保證LNG接收站運(yùn)行安全。
構(gòu)建LNG接收站視頻孿生場(chǎng)景,以視頻實(shí)景監(jiān)控和歷史回放相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)對(duì)LNG接收站作業(yè)區(qū)運(yùn)行狀況的全面掌控,利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置;同時(shí)對(duì)作業(yè)區(qū)的人員及車輛進(jìn)行基于實(shí)景三維視頻實(shí)時(shí)定位跟蹤的安全管理,實(shí)現(xiàn)全要素管理,通過構(gòu)建周界安全預(yù)警,AI識(shí)別等方式,支持工藝和設(shè)備安全數(shù)據(jù)接入,針對(duì)各種安全隱患及突發(fā)事件,優(yōu)化決策,及時(shí)處置閉環(huán),使接收站安全水平提升。
通過LNG接收站安全生產(chǎn)可視化管理系統(tǒng)研究來實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和管理的升級(jí),提升LNG接收站安全管理水平。
主要研究目標(biāo)為以下四個(gè)方面:
(1)研究如何利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置;
(2)研究如何開展作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員安全管理;
(3)研究如何開展生產(chǎn)行政車輛安全管理;
(4)研究如何應(yīng)對(duì)周界安全問題。
系統(tǒng)將結(jié)合視頻孿生技術(shù)、氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)、電子圍欄等技術(shù)來建設(shè)安全可視化信息平臺(tái),建設(shè)內(nèi)容和解決問題如下:
在傳統(tǒng)模式中各傳感器監(jiān)控設(shè)備,缺乏有效的統(tǒng)一管理,不能快速的有效的反應(yīng)出生產(chǎn)過程中各類風(fēng)險(xiǎn)問題,通過建設(shè)后,利用實(shí)景三維視頻孿生結(jié)合視頻氣體探測(cè)攝像機(jī)設(shè)備,快速清晰識(shí)別氣體泄漏及爆炸氣云產(chǎn)生的地點(diǎn)、尺寸和方向,并進(jìn)行泄漏總量的計(jì)算、火災(zāi)情況的探測(cè)、氣云累積量的辨識(shí)和計(jì)算,全天候支持對(duì)甲烷濃度 250 ppm.m的檢測(cè)。通過以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示,為各種應(yīng)急處置提供有力的支撐[4]。
傳統(tǒng)模式下,只能采用手工表格和監(jiān)控視頻進(jìn)行人員安全管理,管理效率低下,同時(shí)容易形成安全死角。采用新技術(shù)后,將通過視頻孿生、AI分析和電子圍欄等技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員作業(yè)安全問題,通過有效的預(yù)警及處置,降低人員安全管理風(fēng)險(xiǎn)[5]。
傳統(tǒng)模式下,只能采用登記、電子審批形式和監(jiān)控視頻來進(jìn)行車輛安全管理,容易造成管理的疏漏和響應(yīng)不及時(shí),傳統(tǒng)視頻監(jiān)控不能有效的還原出車輛的行駛軌跡,無法有效對(duì)進(jìn)入接收站的車輛進(jìn)行跟蹤管理,容易造成安全漏洞。采用新技術(shù)后,在通過視頻孿生技術(shù)展示車輛在接收站行駛軌跡等信息,并結(jié)合AI識(shí)別來發(fā)現(xiàn)車輛違規(guī)行駛的問題,保障車輛安全管理[6]。
傳統(tǒng)模式下,只能通過人工查看視頻監(jiān)控來進(jìn)行管理,容易造成管理的疏漏,特別是在面對(duì)無人機(jī)時(shí)缺乏有效的手段管理。采用新技術(shù)后,構(gòu)建實(shí)時(shí)實(shí)景周界防護(hù)系統(tǒng)對(duì)周界進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)快速處置無人機(jī)、船舶、人員等闖入周界問題,通過視頻融合的方式,實(shí)時(shí)實(shí)景的展示出周界安全的真實(shí)情況[7]。
國(guó)產(chǎn)自主可控的三維地理信息(3D GIS)引擎為基礎(chǔ)核心,建設(shè)可視化AI系統(tǒng)管控平臺(tái),利用遙感影像、數(shù)字高程、傾斜攝影、BIM模型等地理空間數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生場(chǎng)景,利用三維全景視頻融合、經(jīng)度緯度海拔三維一體空間布局等虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的高新技術(shù),在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)視頻與空間位置的融合統(tǒng)一創(chuàng)新應(yīng)用。
系統(tǒng)融合大規(guī)模海量分散的監(jiān)控視頻,利用三維視頻融合技術(shù)將監(jiān)控視頻經(jīng)矯正、拼接后與三維地理信息場(chǎng)景融合統(tǒng)一,并融入AI分析、物聯(lián)感知等業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù),形成整體的動(dòng)態(tài)三維電子沙盤活地圖,視頻融合可視感知應(yīng)用系統(tǒng)與三維GIS系統(tǒng)合二為一,二三維一體化協(xié)同指揮,做到整體態(tài)勢(shì)與局部細(xì)節(jié)的多尺度感知,所見即所得,為三維全景立體可視化指揮調(diào)度、多部門協(xié)同管理提供強(qiáng)有力的支撐,實(shí)現(xiàn)全局立體可視化高效指揮和應(yīng)急處置。
通過無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云和人工建模等方式,對(duì)LNG接收站范圍進(jìn)行三維模型構(gòu)建,對(duì)LNG接收站范圍進(jìn)行實(shí)景還原,為可視化應(yīng)急指揮及決策掌控提供基礎(chǔ)支撐。
按照LNG接收站規(guī)劃的PDMS圖紙,構(gòu)建LNG接收站的基礎(chǔ)三維框架。在完成基礎(chǔ)三維框架搭建后,需要到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察工作,包括現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際情況無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云測(cè)量等工作。在現(xiàn)在勘察完成后,將三維模型、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和地理信息進(jìn)行融合,形成一套具體地理位置屬性的三維數(shù)字模型,為系統(tǒng)提供模型的支撐[8]。
建模內(nèi)容包括:
(1)LNG接收站作業(yè)區(qū)三維模型包括:接收站園區(qū)、路面、罐體和管道等;
(2)LNG接收站的人員、車輛和船舶等。
將多種類型的地理信息數(shù)據(jù)(如衛(wèi)星影像、傾斜攝影、矢量數(shù)據(jù)、BIM模型等)整合到一個(gè)三維環(huán)境中,以更加直觀和真實(shí)的方式呈現(xiàn)地球表面的特征和地理信息。用戶可以通過該平臺(tái)進(jìn)行空間分析和可視化,支持多種數(shù)據(jù)格式和輸出方式。
三維場(chǎng)景設(shè)備標(biāo)注功能是指在三維場(chǎng)景中對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注的功能。具體來說,可以通過該功能在三維場(chǎng)景中添加各種設(shè)備的標(biāo)注信息,如設(shè)備名稱、型號(hào)、位置、狀態(tài)等,方便用戶對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控。此外,該功能還可以支持設(shè)備的實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)展示,保證用戶對(duì)設(shè)備的監(jiān)控和管理更加精準(zhǔn)和及時(shí)[9]。
(1)設(shè)備位置標(biāo)注:在三維場(chǎng)景中標(biāo)注設(shè)備的位置,以便用戶快速找到設(shè)備。
(2)設(shè)備屬性標(biāo)注:在設(shè)備上標(biāo)注設(shè)備的屬性信息,如設(shè)備名稱、型號(hào)、生產(chǎn)廠家等,以便用戶了解設(shè)備的基本信息。
(3)設(shè)備狀態(tài)標(biāo)注:在設(shè)備上標(biāo)注設(shè)備的狀態(tài)信息,如設(shè)備是否正常運(yùn)行、是否需要維修等,以便用戶了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。
(4)設(shè)備關(guān)聯(lián)標(biāo)注:在設(shè)備上標(biāo)注設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如設(shè)備之間的連接方式、數(shù)據(jù)傳輸方式等,以便用戶了解設(shè)備之間的關(guān)系。
系統(tǒng)接入融合監(jiān)控資源,利用三維視頻拼接/融合技術(shù),對(duì)攝像機(jī)監(jiān)控畫面進(jìn)行矯正、拼接處理,實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控畫面覆蓋區(qū)域的三維場(chǎng)景進(jìn)行融合統(tǒng)一,實(shí)現(xiàn)氣模內(nèi)、前沿、關(guān)鍵路口等區(qū)域的全景三維視頻融合。
構(gòu)建LNG接收站實(shí)景動(dòng)態(tài)的三維立體空間,滿足管理單位對(duì)監(jiān)控視頻立體融合感知應(yīng)用的需求,全面提升管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的精準(zhǔn)感知能力。三維融合視頻支持手動(dòng)與自動(dòng)瀏覽播放,利用三維空間場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)視頻的查找、定位與瀏覽,顛覆傳統(tǒng)監(jiān)控視頻應(yīng)用方式,解決傳統(tǒng)監(jiān)控視頻位置分布不明確,畫面分散不直觀、視角獨(dú)立看不懂等痛點(diǎn)問題。
建設(shè)時(shí)空大數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)LNG各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚與集成共享,提供多協(xié)議適配的設(shè)備接入服務(wù),設(shè)備管控下發(fā)服務(wù),并對(duì)上層提供數(shù)據(jù)共享,包括狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢測(cè)數(shù)據(jù)等。通過主題庫(kù)方式建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析,提供分析結(jié)果。同時(shí)聚合LNG接收站三維模型數(shù)據(jù),為L(zhǎng)NG接收站數(shù)字孿生場(chǎng)景的構(gòu)建提供地理空間數(shù)據(jù)支撐。
建設(shè)各類物聯(lián)感知設(shè)備數(shù)據(jù)的匯聚接口,支持無線傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)接入,融合物聯(lián)網(wǎng)智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)設(shè)備、環(huán)境等多要素態(tài)勢(shì)的全面采集。對(duì)接監(jiān)LNG現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng),將不同平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合匯集于系統(tǒng)之上以進(jìn)行可視化管控,支持高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、轉(zhuǎn)換、萃取、同步分析顯示,為用戶決策研判提供全面、客觀的數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。
時(shí)空大數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、AI、安防等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚與集成共享。這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不再孤立存在,而是匯聚到同一個(gè)平臺(tái)中,通過共享來增加數(shù)據(jù)的價(jià)值。這不僅有利于提高效率和優(yōu)化決策,也有利于預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)和規(guī)劃未來發(fā)展方向。同時(shí),通過數(shù)據(jù)挖掘、分析和處理,可以更好地理解數(shù)據(jù)背后的真相和規(guī)律,為業(yè)務(wù)決策提供更加準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)[10]。
利用實(shí)景三維視頻孿生結(jié)合視頻氣體探測(cè)攝像機(jī)設(shè)備,能夠在短時(shí)間內(nèi)快速并準(zhǔn)確地感知和呈現(xiàn)氣體產(chǎn)生的精確地點(diǎn)、大小和方向,并通過智能的辨識(shí)能力和精確的計(jì)算功能,有效地識(shí)別并累計(jì)計(jì)算氣云的總量。通過以上仿真模擬和預(yù)警,結(jié)合融合通信技術(shù),能夠?qū)怏w泄漏的全過程進(jìn)行有效的管理和控制,以確保作業(yè)環(huán)境的安全和穩(wěn)定[11]。
根據(jù)LNG接收站人員作業(yè)票管理業(yè)務(wù)模型,完善人員管理功能。該功能在三維空間中構(gòu)建人員活動(dòng)范圍圖層、設(shè)備標(biāo)注、人員活動(dòng)模擬和報(bào)警設(shè)置等相應(yīng)功能。針對(duì)人員活動(dòng)圖層設(shè)置人員出入權(quán)限;對(duì)視頻、出入口閘機(jī)等設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注和建模工作;進(jìn)行人員行動(dòng)模擬、作業(yè)狀態(tài)模擬和違規(guī)狀態(tài)模擬等;報(bào)警設(shè)置包含視頻AI識(shí)別報(bào)警、作業(yè)過程視頻監(jiān)控和違規(guī)進(jìn)入報(bào)警等。
車輛管理功能,構(gòu)建各類車輛模型、車輛可行駛圖層、相應(yīng)設(shè)備建模、車輛行進(jìn)模擬和車輛報(bào)警設(shè)置等相應(yīng)功能。車輛模型將根據(jù)接收站的工作要求來進(jìn)行建模;車輛可行駛圖層包括接收站路網(wǎng)、可行駛范圍權(quán)限管理等;相應(yīng)設(shè)備建模包含出入車輛道閘等;同時(shí)進(jìn)行視頻監(jiān)控標(biāo)注;報(bào)警設(shè)置包含視頻AI識(shí)別報(bào)警、車輛行駛視頻監(jiān)控和違規(guī)進(jìn)入報(bào)警等。
結(jié)合無人機(jī)識(shí)別、人員周界識(shí)別和船只碰撞識(shí)別實(shí)現(xiàn)接收站全面周界安全管理。其中低空防御模擬功能包含無人機(jī)監(jiān)控設(shè)備模擬、無人機(jī)飛行展示、低空防御報(bào)警設(shè)置等功能。人員周界模擬,實(shí)現(xiàn)人員入侵行為及周界入侵報(bào)警的展示。船只碰撞識(shí)別將模擬船只碰撞的行為并報(bào)警展示。
本系統(tǒng)在安全應(yīng)用場(chǎng)景涉及人員安全管理、車輛安全管理及周界安全管理等通用安全場(chǎng)景,具備廣泛的適用性,除項(xiàng)目涉及的LNG接收站之外,港口碼頭等場(chǎng)景均可應(yīng)用,有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。
1)接收站企業(yè)安全管理
接收站企業(yè)需要處理大量的貨物運(yùn)輸?shù)劝踩a(chǎn),同時(shí)也承擔(dān)著重大的安全風(fēng)險(xiǎn)。接收站綜合態(tài)勢(shì)一張圖可以為接收站企業(yè)提供全方位的安全監(jiān)控,包括疏浚、接收站裝卸、船舶靠泊等環(huán)節(jié)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析,接收站企業(yè)可以快速識(shí)別并解決安全隱患,減少事故發(fā)生,提高作業(yè)效率。利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置[12]。
2)政府監(jiān)管支撐
政府部門可以利用接收站綜合態(tài)勢(shì)一張圖來實(shí)現(xiàn)接收站區(qū)域的全面監(jiān)管。政府可以在系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)管指標(biāo),如安全生產(chǎn)指數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等,對(duì)各個(gè)接收站企業(yè)進(jìn)行評(píng)估監(jiān)管。此外,監(jiān)管部門還可以通過系統(tǒng)對(duì)接實(shí)時(shí)掌握接收站作業(yè)情況,及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施,支撐接收站安全監(jiān)管工作。
3)應(yīng)急管理支撐
在緊急情況下,如火災(zāi)、事故威脅等,接收站綜合態(tài)勢(shì)一張圖可以及時(shí)提供相關(guān)信息,幫助應(yīng)急部門快速做出反應(yīng),最大限度地減少損失和傷亡。此外,系統(tǒng)還可以為救援人員提供詳細(xì)的作業(yè)場(chǎng)景信息,使得救援行動(dòng)更加精確和高效[13]。
7.2.1 提高接收站安全性
接收站綜合態(tài)勢(shì)一張圖可以幫助接收站企業(yè)和政府部門全面了解接收站作業(yè)情況,減少事故發(fā)生的可能性,從而提高接收站安全性,為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力保障。利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測(cè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置[14]。
7.2.2 促進(jìn)數(shù)字化智能化升級(jí)
項(xiàng)目利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù),推動(dòng)接收站管理的數(shù)字化、智能化升級(jí)。這不僅為接收站企業(yè)提供新的管理手段,也為數(shù)字化智能化升級(jí)提供了范例和引領(lǐng)。
7.2.3 提高接收站作業(yè)效率
通過安全管理方面各項(xiàng)內(nèi)容的建設(shè)可以有效幫助接收站精確把握作業(yè)情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題,提高接收站的作業(yè)效率。