三維智能電廠安防平臺的研究與設(shè)計(jì)

邢少妹

摘? 要： 電廠信息系統(tǒng)繁多，但信息資源共享不佳，信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)程度不夠，不能高效地發(fā)揮各專業(yè)系統(tǒng)的價值。因此提出一種有效的設(shè)計(jì)方案，融合虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、智能報警聯(lián)動等先進(jìn)技術(shù)，將獨(dú)立、分散的視頻監(jiān)控、門禁監(jiān)控、消防報警、周界入侵防護(hù)、兩票系統(tǒng)及人員定位等系統(tǒng)在統(tǒng)一的三維可視化安防平臺中進(jìn)行集中管控，實(shí)現(xiàn)跨子系統(tǒng)的報警智能聯(lián)動，由被動的安全管控轉(zhuǎn)向主動的安全防范，全面提升電廠整體預(yù)警聯(lián)防能力。

關(guān)鍵詞： 信息孤島; 虛擬現(xiàn)實(shí); 智能報警聯(lián)動; 三維; 安防平臺; 集中管控

中圖分類號：TP319? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2020）12-17-04

Abstract： There are many information systems in power plant， but the sharing of information resources is not good， the phenomenon of Information Island is serious， and the degree of data association is not enough， so the value of each professional system cannot be brought into full play. In order to effectively solve the problems mentioned above， this paper proposes an effective design scheme， which uses advanced technologies such as virtual reality， Internet of Things， intelligent alarm linkage， and integrates independent and decentralized video monitoring， access control monitoring， fire alarm， perimeter intrusion protection， two ticket system and personnel positioning system in a unified three-dimensional visual security platform for centralized control， so as to realize an intelligent alarm linkage across subsystem. The system's alarm intelligent linkage has changed from passive safety control to active safety prevention， which has comprehensively improved the overall early warning and joint defense capability of the power plant.

Key words： Information Island; virtual reality; intelligent alarm linkage; 3D; security platform; centralized control

0 引言

發(fā)電廠在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，會使用許多可燃性氣體、液體、粉塵和固體物質(zhì)等，同時在發(fā)電的過程中，會涉及大量的高壓和高溫設(shè)備，存在眾多不可避免的安全隱患。要想保障發(fā)電廠的穩(wěn)定運(yùn)行，必須采取有效的安全管理措施，將諸多危險因素消除在萌芽狀態(tài)中。

根據(jù)電力行業(yè)的安全管理規(guī)范要求，發(fā)電廠必須部署相關(guān)的安全防范系統(tǒng)，包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、入侵報警系統(tǒng)、電子巡查系統(tǒng)等。目前，電廠普遍都部署了這些安全防范系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)沒有得到有效的應(yīng)用，主要原因包括：一是這些系統(tǒng)沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，無法在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信息共享;二是各系統(tǒng)風(fēng)格獨(dú)立，業(yè)務(wù)人員需熟悉多種不同風(fēng)格、不同控制邏輯的管理客戶端，容易造成業(yè)務(wù)不精或工作疏漏;三是系統(tǒng)聯(lián)動多數(shù)局限于硬件聯(lián)動，增加實(shí)施與維護(hù)的復(fù)雜度;四是無法配置全局預(yù)案，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一平臺下的業(yè)務(wù)優(yōu)化。

鑒于以上分析，本文研究并設(shè)計(jì)一套基于三維的智能電廠安防平臺，將電廠的各系統(tǒng)資源整合在一個統(tǒng)一的三維平臺上，讓各系統(tǒng)能夠像網(wǎng)絡(luò)中的各種組件一樣聯(lián)動起來，從而提高整體聯(lián)防響應(yīng)效率，讓安全管理由被動的、事后響應(yīng)式的管理向主動的、事先預(yù)警、預(yù)控方向發(fā)展。

1 平臺總體設(shè)計(jì)

1.1 平臺整體框架

平臺通過構(gòu)建廠區(qū)范圍的全景概貌、地上工業(yè)及建筑設(shè)施、有關(guān)設(shè)備的三維模型，實(shí)現(xiàn)電廠的三維空間全景顯示，并接入視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、消防報警系統(tǒng)、周界入侵、兩票系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等專業(yè)子系統(tǒng)，將分散的、相互獨(dú)立的各子系統(tǒng)在統(tǒng)一的三維模型環(huán)境中進(jìn)行集中管理及報警監(jiān)控。在發(fā)生警情時能有效、快速實(shí)現(xiàn)跨子系統(tǒng)的智能聯(lián)動，提高電廠整體安全防護(hù)水平，最大限度降低安全風(fēng)險。其中三維引擎是整個平臺中與三維圖形處理相關(guān)的重要部分，提供控制三維景觀的各種API參數(shù)接口，封裝聲音、圖形的實(shí)現(xiàn)平臺，并對復(fù)雜的應(yīng)用提供了內(nèi)部支持，包括場景渲染、聲音播放、行為控制、例子系統(tǒng)及碰撞檢測等。三維引擎負(fù)責(zé)接收控制指令或者輸入輸出功能的管理，實(shí)現(xiàn)豐富、友好的人機(jī)交互模式。平臺的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 電廠三維模型構(gòu)建

基于電廠現(xiàn)場實(shí)際的生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，結(jié)合電廠廠區(qū)平面布置竣工圖、建筑物結(jié)構(gòu)圖、現(xiàn)場拍攝照片及無人機(jī)傾斜攝影測繪數(shù)據(jù)等技術(shù)資料，建立電廠1：1等比例統(tǒng)一坐標(biāo)系的三維模型，并將各子系統(tǒng)的監(jiān)控點(diǎn)位在三維模型中進(jìn)行標(biāo)繪，將各種監(jiān)控信息與地理空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場專業(yè)設(shè)備的集中管理和統(tǒng)一監(jiān)控。建設(shè)的三維信息化模型將完整地還原電廠各職能區(qū)域，直觀、如實(shí)的反映各專業(yè)設(shè)備設(shè)施空間分布關(guān)系及必要狀態(tài)，滿足人員定位管理、視頻監(jiān)控、門禁監(jiān)控等安全生產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用需求[1]。

1.3 子系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)

經(jīng)調(diào)研分析，電廠部署的視頻監(jiān)控、門禁控制、消防報警、周界入侵、人員定位等系統(tǒng)廠商眾多，各廠商系統(tǒng)普遍采用專有的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞，軟件架構(gòu)采用封閉的模型，造成了各子系統(tǒng)信息共享存在很大的障礙。

在分析各子系統(tǒng)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，充分考慮平臺將來的可擴(kuò)展性，本文在平臺上層業(yè)務(wù)應(yīng)用與各專業(yè)子系統(tǒng)中間，設(shè)計(jì)了一個數(shù)據(jù)接入服務(wù)中心，可以在前端針對不同子系統(tǒng)的接入方式提供專門的接口模塊，把接口模塊通過注入服務(wù)方式注入到平臺中[4]。通過接口調(diào)用管理服務(wù)，動態(tài)啟用適配的接口模塊，實(shí)現(xiàn)與子系統(tǒng)的動態(tài)交互，并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換服務(wù)，為上層安全管控和應(yīng)用提供實(shí)時的數(shù)據(jù)服務(wù)。子系統(tǒng)接入設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

1.4 報警聯(lián)動機(jī)制

平臺提供靈活的報警聯(lián)動配置，每個子系統(tǒng)的接入設(shè)備都可作為報警源進(jìn)行配置，配置關(guān)聯(lián)的視頻、門禁、語音及預(yù)案。報警發(fā)生時，平臺在三維場景中快速定位并高亮顯示報警點(diǎn)，自動調(diào)取關(guān)聯(lián)的實(shí)時視頻畫面[2]，播放語音提示，并可查看當(dāng)前人員分布位置。值班人員對報警進(jìn)行核實(shí)后，則門禁系統(tǒng)聯(lián)動自動打開，自動彈出處理預(yù)案。典型的報警聯(lián)動響應(yīng)如下。

⑴ 視頻監(jiān)控報警聯(lián)動

當(dāng)發(fā)生實(shí)時視頻丟失、禁入?yún)^(qū)域闖入報警、廠區(qū)逗留（滯留）檢測報警、可疑物品遺留檢測報警等情況發(fā)生時，立即在三維場景中自動定位、高亮顯示視頻報警區(qū)域，自動彈出關(guān)聯(lián)攝像頭并進(jìn)行抓拍、錄像;如遇危險情況，則門禁系統(tǒng)聯(lián)動自動打開，自動彈出處理預(yù)案。

⑵ 門禁監(jiān)控報警聯(lián)動

當(dāng)門禁系統(tǒng)發(fā)生長時間不關(guān)門、人員非法闖入、無效卡刷門、對門禁系統(tǒng)的破壞（剪線、短接）等情況發(fā)生時，立即在三維場景中自動定位、高亮顯示門禁報警點(diǎn)，自動彈出關(guān)聯(lián)攝像頭并進(jìn)行抓拍、錄像。

⑶ 消防監(jiān)控報警聯(lián)動

當(dāng)平臺監(jiān)測到消防報警系統(tǒng)溫感探測異常、煙感探測異常、可燃?xì)怏w探測異常等情況發(fā)生時，在三維場景中自動定位并高亮顯示火災(zāi)報警點(diǎn)，自動調(diào)取關(guān)聯(lián)的實(shí)時視頻畫面，值班人員對報警進(jìn)行核實(shí)后，則門禁系統(tǒng)聯(lián)動自動打開，自動彈出處理預(yù)案。

⑷ 周界入侵報警聯(lián)動

當(dāng)平臺監(jiān)測到廠區(qū)周圍或進(jìn)入?yún)^(qū)域有非法侵入，立即在三維場景中定位并高亮顯示周界區(qū)域，自動彈出關(guān)聯(lián)攝像頭并進(jìn)行抓拍、錄像。

⑸ 兩票作業(yè)報警聯(lián)動

平臺把整個廠區(qū)劃分為N個作業(yè)區(qū)域，根據(jù)作業(yè)區(qū)域安全風(fēng)險的高低做出相應(yīng)的等級劃分，便于重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測到作業(yè)人員闖入未授權(quán)區(qū)域，或在作業(yè)時間范圍內(nèi)不在指定的區(qū)域范圍，立即觸發(fā)報警，調(diào)取關(guān)聯(lián)攝像頭取證抓拍或視頻錄像。

⑹ 人員定位報警聯(lián)動

利用三維平臺與人員定位系統(tǒng)，基于時間和空間要素，對相應(yīng)的工作人員進(jìn)行授權(quán)，同時對非授權(quán)人員的闖入進(jìn)行報警和監(jiān)控。一旦無票作業(yè)人員進(jìn)入不允許進(jìn)入的區(qū)域立即觸發(fā)對應(yīng)的報警響應(yīng)級別，或者接收到現(xiàn)場人員的SOS求救信號，立即在三維場景中定位并高亮顯示，同時調(diào)取周圍的視頻遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測。

2 平臺功能設(shè)計(jì)

平臺主要功能設(shè)計(jì)如下：

⑴ 實(shí)時監(jiān)控報警

基于三維場景和實(shí)時定位信息，對全廠高風(fēng)險作業(yè)、電子圍欄非法闖入、靠近危險區(qū)、超時停留、SOS報警求救等安全相關(guān)事項(xiàng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常實(shí)時反饋并通知相關(guān)負(fù)責(zé)人，提高安全管理的及時性，將安全風(fēng)險降到最低[3]。同時實(shí)時監(jiān)控重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控到異常情況立即觸發(fā)調(diào)取周邊圖像，并進(jìn)入隱患處理流程。

⑵ 人員位置監(jiān)控

對作業(yè)人員精確定位，顯示人員工作軌跡。人員攜帶定位標(biāo)簽通過不同區(qū)域邊界時，系統(tǒng)自動感知相關(guān)信息，一旦發(fā)現(xiàn)未授權(quán)人員攜帶定位標(biāo)簽進(jìn)入危險區(qū)域，就觸發(fā)相應(yīng)級別報警。

⑶ 視頻監(jiān)控聯(lián)動

在三維地圖中顯示視頻監(jiān)控的位置分布，通過關(guān)鍵字搜索及位置可快速查找視頻監(jiān)控并調(diào)取查看。支持根據(jù)人員位置自動切換對應(yīng)的視頻監(jiān)控畫面，支持基于歷史軌跡的歷史視頻調(diào)取聯(lián)動播放。

⑷ 智能門禁聯(lián)防

在三維地圖上顯示各門禁的分布點(diǎn)位，實(shí)時顯示各個門禁的開關(guān)狀態(tài)，具有通道進(jìn)出實(shí)時監(jiān)控、出入記錄查詢、消防報警監(jiān)控聯(lián)動、緊急逃生等功能。當(dāng)監(jiān)測到門禁系統(tǒng)發(fā)生無效卡刷門、對門禁系統(tǒng)的破壞（剪線、短接）等非法情況時，在三維場景中自動定位并高亮顯示門禁報警點(diǎn)，自動調(diào)取關(guān)聯(lián)的實(shí)時視頻畫面，值班人員對報警進(jìn)行核實(shí)后自動完成后續(xù)的聯(lián)動處理。

⑸ 消防報警監(jiān)控

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)接收到火災(zāi)報警信息后，立即彈出多路實(shí)時現(xiàn)場視頻，多角度、全方位展現(xiàn)當(dāng)前報警點(diǎn)的火情，指揮中心通過轉(zhuǎn)預(yù)置位、調(diào)焦、變換鏡頭角度，對火場細(xì)節(jié)進(jìn)行進(jìn)行進(jìn)一步查看。通過預(yù)先設(shè)置，可對著火前的現(xiàn)場進(jìn)行提前錄像或即時錄像，方便查找原因;同時，針對重點(diǎn)視頻，可手動錄像，另做保存。消防報警信息經(jīng)確認(rèn)后，系統(tǒng)自動打開火災(zāi)區(qū)域門禁，確保逃生路線正常，保證人生安全。

⑹ 兩票操作監(jiān)控

實(shí)時調(diào)用工作區(qū)域附近攝像頭，監(jiān)控兩票工作、操作過程，并通過移動應(yīng)用與現(xiàn)場人員進(jìn)行互動;根據(jù)工作區(qū)域地點(diǎn)，自動規(guī)劃行進(jìn)路線，授予路線上相關(guān)門禁權(quán)限，工作結(jié)束后自動收回權(quán)限。

⑺ 區(qū)域作業(yè)管理

把整個廠區(qū)劃分為N個作業(yè)區(qū)域，根據(jù)作業(yè)區(qū)域安全風(fēng)險的高低做出相應(yīng)的等級劃分，根據(jù)工作內(nèi)容對不同人員可進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行授權(quán)。

⑻ 設(shè)備管理

平臺支持對攝像機(jī)、消防設(shè)施、門禁設(shè)備、定位基站等設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理和設(shè)置，對各種設(shè)備在授權(quán)的前提下能夠進(jìn)行分組管理和維護(hù)，自由添加、刪除、重啟、重命名等操作。支持將視頻點(diǎn)、消防報警點(diǎn)、門禁點(diǎn)等各子系統(tǒng)的監(jiān)控點(diǎn)位在電廠廠區(qū)三維可視化模型中進(jìn)行標(biāo)繪。

⑼ 報警聯(lián)動配置

平臺具備聯(lián)動配置功能。支持通過平臺定制各子系統(tǒng)之間聯(lián)動的相關(guān)性，當(dāng)聯(lián)動邏輯需要改變時，系統(tǒng)提供方便的聯(lián)動邏輯定制工具，快速修改聯(lián)動邏輯;可以查看在何時執(zhí)行了哪個聯(lián)動場景;當(dāng)觸發(fā)某一個聯(lián)動場景時，平臺會執(zhí)行該聯(lián)動場景下的所有聯(lián)動策略。

⑽ 用戶及權(quán)限管理

平臺具有完善的用戶及權(quán)限管理功能，能夠設(shè)置不同權(quán)限的用戶組，可對不同的組設(shè)置不同的管理權(quán)限，組內(nèi)的用戶自動繼承組的權(quán)限，未對無權(quán)限查看和管理的相關(guān)內(nèi)容能夠進(jìn)行自動隱藏。

3 平臺關(guān)鍵技術(shù)

⑴ 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建電廠等比例的虛擬生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境，創(chuàng)建一個能讓安全管理人員具有強(qiáng)烈的身臨其境感，并具有完善交互能力的三維可視化工作平臺。同時，將安防系統(tǒng)的信息點(diǎn)位（監(jiān)控點(diǎn)、報警點(diǎn)、門禁點(diǎn)等）在三維實(shí)景圖對應(yīng)的位置進(jìn)行標(biāo)繪，用戶點(diǎn)擊圖標(biāo)，即可直接調(diào)取對應(yīng)監(jiān)控圖像，遠(yuǎn)程打開門禁通道，獲取點(diǎn)位詳細(xì)信息等，真正實(shí)現(xiàn)“身臨其境”、“所見即所得”的操控體驗(yàn)。電廠安全管理人員通過虛擬場景在遠(yuǎn)程就能掌握全局安防單元和重要設(shè)備分布情況及運(yùn)行情況，能對復(fù)雜工作現(xiàn)場、重要設(shè)備、物資、現(xiàn)場人員實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，能快速識別人員規(guī)章操作，降低現(xiàn)場安全隱患風(fēng)險。

⑵ 智能報警聯(lián)動響應(yīng)

電廠的視頻、門禁、消防報警、人員定位、兩票等系統(tǒng)大多采用專有的通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞，相互之間比較獨(dú)立，通過對接各子系統(tǒng)，把安防、生產(chǎn)、定位統(tǒng)一在共同的三維空間環(huán)境中。利用靈活的聯(lián)動配置模式和自動監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)域的報警聯(lián)動，無需人工干預(yù)，當(dāng)視頻、門禁、設(shè)備及人員發(fā)生異常狀況時間，能自動定位到人員所在位置，并推送現(xiàn)場視頻圖像，根據(jù)需要打開相應(yīng)的門禁，實(shí)現(xiàn)跨子系統(tǒng)的智能聯(lián)動。

⑶ 系統(tǒng)接口動態(tài)注入

針對不同廠商的專業(yè)子系統(tǒng)，提供前端數(shù)據(jù)交互接口模塊。采用插拔式的接口管理方式，將不同子系統(tǒng)的接口模塊注入到平臺數(shù)據(jù)交換服務(wù)中心，動態(tài)地管理接口，并按照統(tǒng)一的服務(wù)總線接口標(biāo)準(zhǔn)，為上層安防管理業(yè)務(wù)應(yīng)用提供實(shí)時數(shù)據(jù)服務(wù)。

4 平臺應(yīng)用效果

本文設(shè)計(jì)的安防平臺已在國華北京燃?xì)怆姀S、壽光電廠實(shí)施應(yīng)用，為電廠建立統(tǒng)一的安防管控平臺，將電廠現(xiàn)有監(jiān)控設(shè)備及監(jiān)管系統(tǒng)接入平臺。該平臺以三維模型為空間基礎(chǔ)，把整個廠區(qū)劃分為N個作業(yè)區(qū)域，對作業(yè)全程跟蹤、智能報警、多級聯(lián)動，為安全管理人員提供圖文并茂、高度可視化的三維場景監(jiān)控畫面，提升安全保障能力和應(yīng)急響應(yīng)能力。

5 結(jié)束語

電廠現(xiàn)有眾多安防系統(tǒng)，且各系統(tǒng)之間不能實(shí)現(xiàn)有效一體化聯(lián)動，本文從實(shí)際情況出發(fā)，提出了基于三維的智能電廠安防平臺的設(shè)計(jì)方案。該平臺融合了虛擬現(xiàn)實(shí)、定位、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，通過構(gòu)建電廠1：1等比例三維建模，接入電廠各類安防設(shè)備，采取可以靈活配置的報警聯(lián)動響應(yīng)機(jī)制，并通過高精度定位實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的監(jiān)控和報警跟蹤，給電廠安全管理人員提供一個高度可視化的安全管控工作平臺，實(shí)現(xiàn)主動的安全管控，有效提升電廠的安全管理效率和應(yīng)急響應(yīng)能力。

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