基于三維可視化技術(shù)的典型生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景設(shè)計與實現(xiàn)

畢東月

(安世亞太科技股份有限公司，北京 100025)

0 引言

“十四五”時期是我國全面建成小康社會、實現(xiàn)第一個百年奮斗目標之后，乘勢而上開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化國家新征程、向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年。而在眾多社會發(fā)展目標中，“統(tǒng)籌發(fā)展和安全、建設(shè)更高水平的平安中國”[1]始終是安全與應(yīng)急行業(yè)領(lǐng)域?qū)W者的研究熱點和重點。十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》[1]中明確提出要“提高安全生產(chǎn)水平”“完善國家應(yīng)急管理體系”，為我國下一步安全生產(chǎn)工作指明了方向。近些年，隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、VR、AR、AI、區(qū)塊鏈等為代表的新興技術(shù)快速融入傳統(tǒng)行業(yè)領(lǐng)域，為各行各業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展帶來了更大的契機和能量。安全生產(chǎn)領(lǐng)域同樣也迎來了重大的創(chuàng)新發(fā)展機遇，2020年10月，工業(yè)和信息化部、應(yīng)急管理部印發(fā)了《“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+安全生產(chǎn)”行動計劃(2021-2023年)》[2]，提出“通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在安全生產(chǎn)中的融合應(yīng)用，增強工業(yè)安全生產(chǎn)的感知、監(jiān)測、預(yù)警、處置和評估能力，加速安全生產(chǎn)從靜態(tài)分析向動態(tài)感知、事后應(yīng)急向事前預(yù)防、單點防控向全局聯(lián)防的轉(zhuǎn)變，提升工業(yè)生產(chǎn)本質(zhì)安全水平”。在這些國家層面的規(guī)劃和綱要的指導(dǎo)下，將安全生產(chǎn)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求與先進的信息技術(shù)相融合，是目前業(yè)界的研究重點，而從安全生產(chǎn)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)需求目標來看，生產(chǎn)安全事故的防控與應(yīng)急處置始終是整個業(yè)務(wù)的核心內(nèi)容，因此眾多學(xué)者圍繞礦山、?；?、特種設(shè)備、建筑施工等行業(yè)領(lǐng)域的事故防控與應(yīng)急處置開展了針對性研究，擬通過先進信息技術(shù)的融合與應(yīng)用，進一步提升各行業(yè)的安全生產(chǎn)水平。在安全信息感知方面，肖國強等[3]針對常用的火災(zāi)密閉隔離措施無法對密閉環(huán)境進行實時動態(tài)監(jiān)測及預(yù)報的問題，設(shè)計了礦井火災(zāi)環(huán)境信息動態(tài)感知與應(yīng)急隔離系統(tǒng)；王鵬等[4]提出一種分層分域的配電感知系統(tǒng)信息架構(gòu)設(shè)計，并從主站建設(shè)、終端研制、通信選擇、模型完善等角度設(shè)計了實現(xiàn)目標架構(gòu)的演進路線；熊逸凡[5]圍繞盾構(gòu)隧道建設(shè)安全問題，針對盾構(gòu)隧道前方地層災(zāi)害源的信息感知難題，通過改造盾構(gòu)機體，發(fā)展現(xiàn)有信息感知技術(shù)，建立盾構(gòu)隧道地質(zhì)-氣體信息感知裝備與技術(shù)，分析地質(zhì)條件與賦存氣體匹配關(guān)系，實現(xiàn)前方地層災(zāi)害源感知信息聯(lián)動。在安全信息監(jiān)測預(yù)警方面，張巨峰等[6]應(yīng)用大數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)，分析瓦斯與煤自燃共生災(zāi)害的大數(shù)據(jù)智能化預(yù)警系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特征、應(yīng)用架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)，搭建大數(shù)據(jù)驅(qū)動的共生災(zāi)害智能化預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)，探討共生災(zāi)害智能化預(yù)警的關(guān)鍵在于大數(shù)據(jù)獲取、集成、分析應(yīng)用和預(yù)警等技術(shù)；劉茂[7]進行了?；沸袠I(yè)企業(yè)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警設(shè)計以及總部集團風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警設(shè)計，形成了危險化學(xué)品安全生產(chǎn)風(fēng)險監(jiān)測預(yù)警整體解決方案。在事故應(yīng)急指揮方面，張猛[8]在對城市綜合應(yīng)急需求的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了面向城市綜合應(yīng)急的智能指揮調(diào)度系統(tǒng)，采用可視化應(yīng)急指揮、融合通信、預(yù)測預(yù)警與智能輔助決策等技術(shù)，設(shè)計完成可視化指揮調(diào)度平臺、融合通信平臺、移動應(yīng)急平臺等，實現(xiàn)了物聯(lián)感知設(shè)備接入、監(jiān)測監(jiān)控報警、應(yīng)急響應(yīng)流程化處置、智能化處置方案、輔助智能研判、扁平化指揮調(diào)度等。縱觀以上信息化技術(shù)與安全應(yīng)急業(yè)務(wù)的融合應(yīng)用可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、可視化、智能化是未來信息化技術(shù)應(yīng)用于安全應(yīng)急領(lǐng)域的重點趨勢和方向。而從各項安全應(yīng)急業(yè)務(wù)工作的實際開展角度來看，安全生產(chǎn)日常管理與事故應(yīng)急處置環(huán)節(jié)的數(shù)字化與可視化將是其他信息技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提，以“事前”的安全監(jiān)測、隱患排查、安全培訓(xùn)與演練為例，安全管理對象或場所的可視化場景是各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)以及培訓(xùn)演練環(huán)境的“底圖”，是各類信息加載和展示的載體；而對于“事中”的應(yīng)急響應(yīng)、資源調(diào)度、應(yīng)急輔助決策來說，事故應(yīng)急過程中的可視化環(huán)境即是相關(guān)應(yīng)急指令和應(yīng)急響應(yīng)行為的直接作用對象與應(yīng)用場景。因此，可以認為“可視化技術(shù)下的事故防控與應(yīng)急處置場景”能夠服務(wù)于日常安全管理、應(yīng)急演練以及事故應(yīng)急指揮等應(yīng)急管理全流程，是將安全生產(chǎn)工作向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級的一項重要基礎(chǔ)工作。因此，本文從生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置的業(yè)務(wù)角度出發(fā)，在充分分析相關(guān)可視化技術(shù)的技術(shù)特點基礎(chǔ)上，提出相關(guān)可視化場景構(gòu)建的技術(shù)路線，并以某?；愤\輸槽罐車運輸途中火災(zāi)爆炸事故場景的構(gòu)建為例進行舉例說明，研究結(jié)果可為生產(chǎn)安全領(lǐng)域其他典型事故場景的三維可視化實現(xiàn)提供技術(shù)參考和借鑒。

1 三維可視化技術(shù)的分析與比較

可視化(Visualization)是利用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，再進行交互處理的理論、方法和技術(shù)。而三維可視化則是強調(diào)場景的三維逼真效果，從三維數(shù)據(jù)的獲取到最終場景的渲染展示，可涉及傾斜攝影、BIM、三維激光掃描(激光點云)、GIS、VR、WebGL、3D打印等技術(shù)，為了更好地分析這些可視化技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景構(gòu)建的技術(shù)可行性，本文分別從技術(shù)原理與適用業(yè)務(wù)2個維度分別討論。

1.1 傾斜攝影

傾斜攝影是獲取三維場景數(shù)據(jù)的技術(shù)手段之一，從可視化場景的粒度來看，大多集中在宏觀和中觀場景數(shù)據(jù)。傾斜攝影自動化建模技術(shù)是測繪領(lǐng)域近些年發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，通過同一飛行器的多臺傳感設(shè)備同時從垂直、傾斜個角度采集影像，通過全自動批量建模生成傾斜攝影模型，其具有高精度、高效率、高真實感和低成本的優(yōu)勢，是目前較大范圍三維場景構(gòu)建的主要技術(shù)手段之一，如數(shù)字城市。

從傾斜攝影技術(shù)特點來看，在安全生產(chǎn)可視化場景構(gòu)建中，主要可用于較大區(qū)域范圍內(nèi)的地表建構(gòu)筑物、交通道路、設(shè)備設(shè)施、水文地理環(huán)境等的三維建模，如工業(yè)園區(qū)、油氣貯存庫區(qū)/罐區(qū)、尾礦庫等。

1.2 BIM

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型基礎(chǔ)，詳細、準確記錄建筑物構(gòu)建的幾何、屬性信息，并以三維模型方式展示。較為常用的BIM軟件包括Revit、Bentley、Tekla、SketchUp、3D Max等。從可視化場景的粒度來看，大多集中在中觀和微觀場景數(shù)據(jù)層面。

從BIM技術(shù)特點來看，在安全生產(chǎn)領(lǐng)域的可視化場景構(gòu)建中，主要可用于具體施工、生產(chǎn)、加工、儲存等作業(yè)裝置以及庫房廠房、儲罐、槽車等的三維建模。

1.3 三維激光掃描

三維激光掃描測量是目前快速獲取三維空間數(shù)據(jù)的主要技術(shù)手段之一，其通過激光傳感器，可每秒獲取幾十萬至幾百萬的空間海量點云，通過高清相機采集的照片與點云進行空間匹配，即可得到真彩色的三維點云，能夠更好地還原現(xiàn)場的真實場景[9]。從實際三維場景構(gòu)建來看，目前三維激光掃描往往與傾斜攝影相配合，取長補短，以較大范圍的建構(gòu)筑物的三維場景構(gòu)建為例，三維激光掃描能夠獲取高精度的三維點云，其對建構(gòu)筑物近地部分的數(shù)據(jù)精度能夠彌補傾斜攝影這方面的不足。從可視化場景的粒度來看，大多集中在中觀和微觀場景數(shù)據(jù)層面。

從三維激光掃描的技術(shù)特點來看，在安全生產(chǎn)可視化場景構(gòu)建中，可以針對工礦企業(yè)中的各類重大危險源進行高精度三維建模，如氯堿廠中與氯氣相關(guān)的生產(chǎn)和儲存裝置、LNG儲罐等。

1.4 VR與GIS

虛擬現(xiàn)實(VR)與地理信息系統(tǒng)(GIS)是當前2類具有代表性的可視化技術(shù)。從技術(shù)特點來看，VR加強調(diào)更加逼真的仿真場景和真切的用戶體驗，即臨場感，強調(diào)用戶對虛擬世界中的真實感。GIS則是立足于真實的地理空間數(shù)據(jù)，提供相應(yīng)的空間數(shù)據(jù)獲取、存儲、管理與業(yè)務(wù)應(yīng)用的信息技術(shù)與系統(tǒng)，隨著近些年信息技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)從最初的傳統(tǒng)二維空間數(shù)據(jù)服務(wù)，發(fā)展到當前的三維GIS，在可視化層面上也就有了與VR進行比較的可能，但從目前三維GIS的發(fā)展趨勢來看，更多的是GIS與VR技術(shù)的融合應(yīng)用，既保持和擴展GIS在空間分析方面的技術(shù)特點，同時也吸取VR在浸入式場景構(gòu)建與用戶體驗方面的優(yōu)點。VR相關(guān)的技術(shù)平臺包括unit3D、threejs、thingjs等；GIS的主流平臺包括Supermap、ArcGIS等。

從安全生產(chǎn)的業(yè)務(wù)角度來看，單純的VR技術(shù)可能更多的可以應(yīng)用到培訓(xùn)演練、事故案例還原等方面，而GIS則更多的可以應(yīng)用到應(yīng)急資源規(guī)劃分析、日常安全管理、危險源監(jiān)測、事故應(yīng)急指揮等方面。從近些年三維GIS快速發(fā)展的角度來看，融入了更多VR技術(shù)的GIS應(yīng)用具有更寬廣的適用范圍，是生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景設(shè)計與實現(xiàn)的首選技術(shù)方案。

2 生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景的構(gòu)建需求分析

生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景是一個貫穿“事前”和“事中”的安全生產(chǎn)場景主線，從生產(chǎn)安全事故防控的角度來說，生產(chǎn)安全事故及其可能引起的次生、衍生事故涉及到的區(qū)域均在相應(yīng)的場景構(gòu)建范圍內(nèi)，既可以用生產(chǎn)、儲存、使用、經(jīng)營、運輸?shù)葮I(yè)務(wù)環(huán)節(jié)去劃分得到具體的場景，也可以從“人(人員)、機(機器)、料(物料)、法(法則)、環(huán)(環(huán)境)”的角度去梳理。此外，由于不同行業(yè)領(lǐng)域自身生產(chǎn)特點各異，其相應(yīng)的生產(chǎn)安全事故類型也差異較大，這也是在進行生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景構(gòu)建過程中需要重點考慮的問題。因此，為了從業(yè)務(wù)層面進行場景構(gòu)建的需求分析，本文提出一個通用的生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景的需求分析框架，如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景的需求分析框架Fig.1 Requirements analysis framework for prevention and control and emergency disposal scenes of work safety accidents

在構(gòu)建特定生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景時，可以采用圖1所示的需求分析框架從業(yè)務(wù)層面進行針對性分析，此外，近些年，隨著安全應(yīng)急管理理論與技術(shù)的發(fā)展，“情景構(gòu)建”理論發(fā)展較快，很多政府和企業(yè)層面已經(jīng)或正在開展相關(guān)的“情景構(gòu)建”工作，其所采用的“情景-任務(wù)-能力”的邏輯主線也可作為場景業(yè)務(wù)需求分析的參考[10]，如圖2所示。

圖2 情景構(gòu)建整體內(nèi)容框架Fig.2 Framework for overall contents of scenario construction

3 生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景構(gòu)建的技術(shù)路線

在生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景構(gòu)建的需求分析框架指導(dǎo)下，能夠比較清晰地得到相關(guān)場景的業(yè)務(wù)視圖，而在此基礎(chǔ)上，就需要結(jié)合不同可視化技術(shù)或平臺的技術(shù)特點，選擇最佳的技術(shù)路線進行設(shè)計與實現(xiàn)，本文從技術(shù)選型與場景二次開發(fā)2個方面進行討論。

3.1 技術(shù)選型

考慮到生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景是一個靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合、三維可視化與專業(yè)計算分析相融合的專業(yè)場景，本文提出GIS+VR的整體技術(shù)選型思路，力求將GIS中空間數(shù)據(jù)管理以及專業(yè)的空間分析模型與VR的“浸入式體驗”相結(jié)合，打造具有安全生產(chǎn)行業(yè)領(lǐng)域特點的可視化場景，最終用于“事前”的事故防控以及“事后”的應(yīng)急處置。

3.1.1 GIS選型

從目前國內(nèi)外GIS平臺來看，既有ArcGIS和Supermap這些較早進入地理信息行業(yè)領(lǐng)域的專業(yè)軟件平臺，也有近些年應(yīng)用非常廣泛的百度地圖、高德地圖等平臺，綜合考慮技術(shù)平臺的線上、線下使用特點，以及相應(yīng)在二三維一體化方面的功能布局，可選擇Supermap的系列三維GIS產(chǎn)品，包括：服務(wù)器SuperMap iSever；門戶SuperMap iPortal；邊緣計算SuperMap iEdge；組件SuperMap iObjects C++/Java；桌面SuperMap iDesktop / iDesktopX；移動SuperMap iMobile/iTablet；SuperMap iClient3D for WebGL和 SuperMap iEarth。此外，Supermap三維GIS平臺可以融合傾斜攝影、BIM、激光點云等三維數(shù)據(jù)，支持不同粒度(宏觀、中觀、微觀)的三維可視化場景的制作和展示。Supermap iDesktop下的三維場景效果(球面場景)如圖3所示。

圖3 Supermap下的三維場景效果Fig.3 Three-dimensional scene effect in Supermap

3.1.2 BIM選型

對于BIM來說，其在三維可視化建模方面主要集中在單體精細化模型的構(gòu)建上(如：某個存儲危險化學(xué)品的庫房或儲罐)，可以與較大范圍的區(qū)域三維空間場景一并構(gòu)成生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置的三維可視化環(huán)境，因此本文有關(guān)BIM的選型，除了BIM平臺本身的功能以外，還會重點考慮與上文GIS的可融合性，對于Supermap來說，其可以融合Revit、Bentley、Tekla、SketchUp、3D Max等BIM數(shù)據(jù)，考慮到模型構(gòu)建的精細程度以及隨之帶來的時間成本，可以分別選擇Revit或Sketchup，建模效果如圖4所示。

圖4 典型BIM軟件下的三維精密模型效果Fig.4 Three-dimensional precision model effect in typical BIM softwares

3.1.3 三維激光掃描選型

目前市面上的三維激光掃描設(shè)備類型(肩背式的、車載式的、飛機掛載等)較多，可根據(jù)實際使用環(huán)境進行選擇，此外，設(shè)備采集后的點云數(shù)據(jù)可以有多種處理方法，本文考慮到與GIS和BIM平臺的融合應(yīng)用，故提出以las格式文件為激光點云數(shù)據(jù)文件格式。Supermap可以將las點云文件生成OSGB緩存后進行加載，如圖5所示。

圖5 Supermap下的las點云文件加載Fig.5 Las point cloud file loading in Supermap

3.2 場景二次開發(fā)

場景的二次開發(fā)是進一步將三維可視化場景進行深度應(yīng)用的必要環(huán)節(jié)，從技術(shù)層面來看，圍繞三維場景的二次開發(fā)可以依托不同的技術(shù)平臺，如目前比較主流的unit3D、threejs、thingjs等，此外，近些年隨著GIS在三維可視化方面的技術(shù)發(fā)展，基于GIS平臺也可進行相應(yīng)三維場景的二次定制和應(yīng)用開發(fā)，本文所提出的即是基于Supermap二三維一體化平臺進行場景的二次開發(fā)，Supermap二三維一體化平臺的技術(shù)體系架構(gòu)如圖6所示。

圖6 Supermap二三維一體化平臺技術(shù)體系架構(gòu)Fig.6 Technical system framework of two-dimensional and three-dimensional integrated platform in Supermap

在明確了場景二次開發(fā)的技術(shù)平臺和架構(gòu)后，需要考慮與生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置業(yè)務(wù)進行融合，如表1所示。

4 某生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景實例說明

在上文的業(yè)務(wù)分析框架和技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，下面以某?；愤\輸槽罐車運輸途中火災(zāi)爆炸事故場景的構(gòu)建為例進行舉例說明，本實例采用GIS(Supermap)+BIM(SketchUp)組合技術(shù)來實現(xiàn)，根據(jù)場景構(gòu)建的不同視角和顯示效果分別展示，如圖7～9所示。

表1 生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置對三維可視化技術(shù)的應(yīng)用需求分析Table 1 Application requirements analysis on prevention and control and emergency disposal of work safety accidents for three-dimensional visualization technology

圖7 構(gòu)建的某城市商業(yè)密集區(qū)域二三維一體化場景效果Fig.7 Constructed two-dimensional and three-dimensional integrated scene effect of an urban commercial dense area

圖8 液化氣槽罐車的SU模型效果Fig.8 SU model effect of liquefied gas tanker

圖9 液化氣槽罐車火災(zāi)爆炸三維粒子效果Fig.9 Three-dimensional particles effect of fire and explosion of liquefied gas tanker

5 結(jié)論

1)在充分分析當前主流的三維可視化技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置的業(yè)務(wù)特點，提出一個通用的生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景的需求分析框架。

2)在生產(chǎn)安全事故防控與應(yīng)急處置場景構(gòu)建的需求分析框架指導(dǎo)下，結(jié)合不同可視化技術(shù)或平臺的技術(shù)特點，提出GIS+VR的場景構(gòu)建技術(shù)路線，并從技術(shù)選型與場景二次開發(fā)2個方面進行分析討論。

3)以某?；愤\輸車輛運輸途中火災(zāi)爆炸事故場景的構(gòu)建為例進行舉例說明，將Supermap作為GIS平臺，并集成SketchUp構(gòu)建的三維槽罐車模型，研究結(jié)果可為生產(chǎn)安全領(lǐng)域其他典型事故場景的三維可視化實現(xiàn)提供技術(shù)參考和借鑒。