GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)在工業(yè)事故中的應(yīng)用

趙振宇 余泳杰

0 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，工業(yè)事故時(shí)有發(fā)生、損失后果嚴(yán)重。如2019年3月21日，江蘇鹽城市響水縣江蘇天嘉宜化工有限公司化學(xué)儲(chǔ)罐發(fā)生爆炸事故，造成78人死亡、76人重傷，640人住院治療，直接經(jīng)濟(jì)損失19.86億元。面對(duì)如此慘痛的教訓(xùn)，在應(yīng)對(duì)工業(yè)事故時(shí)如何采取有效措施，提高搶險(xiǎn)救援能力，成為全社會(huì)關(guān)注的問(wèn)題。

當(dāng)工業(yè)事故發(fā)生時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行搶險(xiǎn)救援。但由于工業(yè)事故具有易燃易爆、情況復(fù)雜、快速蔓延等特點(diǎn)，加之救援人員對(duì)工業(yè)事故現(xiàn)場(chǎng)情況并不熟悉，缺乏有效的情況監(jiān)測(cè)以及事故有關(guān)的信息數(shù)據(jù)協(xié)助，導(dǎo)致?lián)岆U(xiǎn)救援工作效率低、風(fēng)險(xiǎn)大，并極大威脅救援人員自身安全和財(cái)產(chǎn)安全[1]。因此，亟待探索如何在工業(yè)搶險(xiǎn)救援中及時(shí)準(zhǔn)確地掌握事故現(xiàn)場(chǎng)情況信息并實(shí)施有效追蹤。

1 工業(yè)事故中GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用概述

1.1 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)是構(gòu)建帶有地理信息系統(tǒng)并具備引導(dǎo)無(wú)人機(jī)巡檢功能的三維模型的技術(shù)基礎(chǔ)。GIS地理信息集成模塊可配合GPS精確定位并指導(dǎo)無(wú)人機(jī)或救援人員選擇救援路徑，既適用于工業(yè)場(chǎng)景日常的管理維護(hù)，也適用于工業(yè)事故搶險(xiǎn)救援。GIS技術(shù)支持構(gòu)建工業(yè)場(chǎng)景外部表面或輪廓的數(shù)據(jù)模型，如通過(guò)傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云等方法，可將工業(yè)場(chǎng)景所處的地理空間的表達(dá)擴(kuò)展至地理信息全空間，呈現(xiàn)出其全景特點(diǎn)[2]。工業(yè)三維數(shù)據(jù)模型采用高精度、拓?fù)溟]合的三角網(wǎng)表示三維實(shí)體對(duì)象，不僅可表達(dá)工業(yè)場(chǎng)景中真實(shí)物體（如范圍內(nèi)的所有建構(gòu)筑物、大型設(shè)備、管道等），也可表達(dá)抽象三維空間（如監(jiān)控范圍等），并定義三維實(shí)體的交、并、差等布爾運(yùn)算和相離、鄰接、包含等空間關(guān)系，對(duì)日常巡檢維護(hù)以及應(yīng)急預(yù)案制定提供重要支持。當(dāng)工業(yè)場(chǎng)景發(fā)生爆炸事故時(shí)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到爆炸影響范圍和受波及的構(gòu)筑物、設(shè)備的受損情況并給出預(yù)警信息。

BIM 技術(shù)是集合了一個(gè)或者多個(gè)數(shù)字化包含幾何信息和數(shù)據(jù)信息的建筑模擬模型，BIM技術(shù)針對(duì)于單體建筑或工業(yè)內(nèi)部場(chǎng)景具有多維情況表達(dá)真實(shí)的特點(diǎn)。工業(yè)場(chǎng)景內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，專業(yè)涉及廣泛（如包括建筑、鋼結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備、電纜等），這些結(jié)構(gòu)部件相互穿插或在隱蔽工程內(nèi)。通常，在發(fā)生工業(yè)事故時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)需專業(yè)技術(shù)人員配合救援人員查閱圖紙，并將不同專業(yè)的圖紙進(jìn)行比對(duì)才能較為準(zhǔn)確地判定工業(yè)事故發(fā)生的位置和事故涉及的設(shè)備、配套部件。但這一傳統(tǒng)做法需耗費(fèi)較多時(shí)間、且通常在工廠管理人員在向救援人員傳達(dá)信息過(guò)程中會(huì)存在遺漏或表達(dá)不清的問(wèn)題，難以滿足搶險(xiǎn)救援工作精準(zhǔn)救援、分秒必爭(zhēng)的要求，建立三維工業(yè)場(chǎng)景模型能在很大程度上解決這一問(wèn)題，即利用BIM技術(shù)將建筑物、鋼結(jié)構(gòu)、管道、機(jī)電設(shè)備、電纜等工業(yè)構(gòu)件組合形成與真實(shí)工業(yè)場(chǎng)景一致的擬真模型，并賦予模型和真實(shí)構(gòu)件一致的材質(zhì)、涉及介質(zhì)、耐火系數(shù)等信息。

在GIS宏觀地理信息地圖中集成多種BIM微觀模型，使其在表達(dá)工業(yè)場(chǎng)景的內(nèi)外部皆具有三維立體可視化特點(diǎn)，不但可以為管理者提供應(yīng)急管理的模板，更能在發(fā)生工業(yè)事故時(shí)為搶險(xiǎn)救援人員提供直觀的現(xiàn)場(chǎng)信息資料。

1.2 無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)

無(wú)人機(jī)具有出動(dòng)迅速、高空視角、成本低廉等特點(diǎn)，非常適用于輔助搶險(xiǎn)救以及援徑規(guī)劃[3]。其顛覆了以往搶險(xiǎn)救援只能在地面查閱圖紙、地圖的平面局限性。無(wú)人機(jī)的使用方便快捷，事故發(fā)生時(shí)能第一時(shí)間迅速展開(kāi)工作并通過(guò)搭載高清攝像頭，多架次無(wú)人機(jī)從各種的角度采集事故影像不間斷地跟蹤事故變化，并能將數(shù)據(jù)上傳至中央電腦配合GIS技術(shù)形成實(shí)時(shí)更新的三維模型，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞至救援中心和救援人員手中充當(dāng)特殊的“眼睛”。與此同時(shí)無(wú)人機(jī)能夠搭載特定的設(shè)備從空中完成特殊任務(wù)，如搭載擴(kuò)音設(shè)備在事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡航播音，疏散事故周邊群眾；搭載生命探測(cè)儀幫助救援人員搜尋生命跡象，搭載精準(zhǔn)GPS儀配合GIS三維擬真模型為救援人員規(guī)劃指引救援路徑；將救援物資精準(zhǔn)投放送至事故現(xiàn)場(chǎng)等。將無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)搶險(xiǎn)救援中，對(duì)于為工業(yè)搶險(xiǎn)救援提供直觀、可靠的數(shù)據(jù)資料有重要意義。

2 工業(yè)場(chǎng)景建模流程

通過(guò)在GIS宏觀地理信息平臺(tái)中集成多種BIM微觀模型，建立一個(gè)更加符合工業(yè)場(chǎng)景應(yīng)用的三維模型，可為工業(yè)場(chǎng)景下的運(yùn)維以及應(yīng)急救援工作提供幫助，整體建模流程如圖1所示。

圖1 工業(yè)場(chǎng)景三維擬真模型建模流程圖

首先將工業(yè)場(chǎng)景二維圖紙輸入至BIM軟件構(gòu)建單體三維模型，詳細(xì)展示其內(nèi)部設(shè)備、管道、電纜等細(xì)部情況。其次利用GIS技術(shù)對(duì)工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行宏觀場(chǎng)景建模，著重標(biāo)識(shí)GPS信息以及附近構(gòu)筑物、大型設(shè)備等位置關(guān)系。最后將BIM的單體模型插入至宏觀場(chǎng)景模型中形成初期模型平臺(tái)。后期工業(yè)場(chǎng)景進(jìn)行技改或巡檢等活動(dòng)時(shí)，均可通過(guò)無(wú)人機(jī)根據(jù)三維模型的GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行自主精準(zhǔn)巡檢，為三維模型更新提供傾斜攝影等數(shù)據(jù)。遭遇事故時(shí)進(jìn)入緊急狀態(tài)，啟動(dòng)無(wú)人機(jī)進(jìn)行事故場(chǎng)景拍攝將數(shù)據(jù)上傳至三維模型實(shí)時(shí)更新，并可攜帶紅外儀、生命探測(cè)儀等設(shè)備進(jìn)行溫度參數(shù)測(cè)控以及生命信號(hào)探測(cè)等。此時(shí)即便是救援人員在趕赴現(xiàn)場(chǎng)救援途中也能通過(guò)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)觀測(cè)到三維模型的事故動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)事故預(yù)警系統(tǒng)將可能的爆炸危險(xiǎn)因素、周邊涉及建筑群傳輸至救援人員。

3 GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)的協(xié)同應(yīng)用

3.1 制定應(yīng)急預(yù)案

在制定應(yīng)急預(yù)案的過(guò)程中，通過(guò)GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)構(gòu)建的三維擬真模型，可以幫助管理者直觀地了解工廠的危險(xiǎn)點(diǎn)所在，從而有針對(duì)性地制定應(yīng)急預(yù)案。

如某化工廠擁有每年1000萬(wàn)噸原油加工能力，50萬(wàn)噸芳烴、10萬(wàn)噸聚丙烯生產(chǎn)能力以及超過(guò)200萬(wàn)立方米的儲(chǔ)存能力，工藝流程復(fù)雜、占地面積大、流程多、原材料和產(chǎn)品具有易燃易爆和毒性。利用GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)對(duì)其建模形成三維擬真模型后，可在制定應(yīng)急預(yù)案時(shí)利用擬真模型對(duì)化工廠可能發(fā)生的隱患映射出事故發(fā)生的情形。首先，在擬真模型上選取某臺(tái)裝置設(shè)備或某個(gè)加工區(qū)域作為事故模擬的地點(diǎn)；其次，設(shè)定好事故發(fā)生時(shí)的氣象條件以及裝置設(shè)備的參數(shù)信息，模擬油氣管道泄漏、有毒有害氣體擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸等事故。最后根據(jù)無(wú)人機(jī)快速定位事故發(fā)生的位置，通過(guò)外部宏觀模型分析計(jì)算事故的影響范圍以及損失的程度，配合無(wú)人機(jī)分析最佳的疏散路線以及救援路線，通過(guò)內(nèi)部模型預(yù)警事故危險(xiǎn)介質(zhì)和可能發(fā)生的爆炸、倒塌等后續(xù)災(zāi)害，為制定應(yīng)急預(yù)案和管理提供充足的模擬信息數(shù)據(jù)。

3.2 事故搶險(xiǎn)救援

高效率、數(shù)據(jù)多維性、精確性的GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)在事故搶險(xiǎn)救援中可以為管理者和搶險(xiǎn)救援人員提供及時(shí)直觀的信息數(shù)據(jù)支持。

當(dāng)該化工廠調(diào)壓站發(fā)生天然氣管線泄漏爆炸事故時(shí)，安全系統(tǒng)聯(lián)鎖的站內(nèi)煙霧、火焰探測(cè)器和管道壓力傳感器監(jiān)測(cè)到異常情況后觸發(fā)報(bào)警信號(hào)并傳輸至中控室，此刻進(jìn)入緊急狀態(tài)。GIS宏觀地圖立刻顯示事故區(qū)域，工廠管理者立即安排無(wú)人機(jī)出動(dòng)，根據(jù)事故地點(diǎn)的GPS定位盤(pán)旋巡航采集事故現(xiàn)場(chǎng)影像數(shù)據(jù)并反饋至擬真模型。同時(shí)，擬真模型通過(guò)單體建筑的攝像頭以及設(shè)備上的傳感器，在單體微觀模型實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)事故變化情況，如圖2所示。

圖2 某化工廠發(fā)生事故時(shí)信息傳遞圖

消防救援人員在接到救援電話后迅速出動(dòng)，在途中通過(guò)手持終端接收工廠管理者傳送的三維立體事故情況包括調(diào)壓站所在位置、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、管道布置、設(shè)備以及附近構(gòu)筑物受損等情況，省去了獲得并查閱傳統(tǒng)圖紙的工作和耗時(shí)；同時(shí)，通過(guò)三維擬真模型可了解到需要撲滅的火災(zāi)類型以及將要面對(duì)的有毒有害物質(zhì)進(jìn)而制定有效的救援方案，節(jié)約了寶貴的救援時(shí)間。救援人員就位后，通過(guò)無(wú)人機(jī)的空中視角全方位了解現(xiàn)場(chǎng)情況以及事故變化，做好充分準(zhǔn)備，并通過(guò)三維擬真模型提供的疏散路徑疏散遇困人員，合理安排救援人員和救援裝備。在三維擬真模型的指引下及時(shí)關(guān)閉鄰近設(shè)備的相關(guān)閥門(mén)，防止事故進(jìn)一步蔓延，并攜帶針對(duì)性型號(hào)滅火器在路徑指引下以最短的時(shí)間進(jìn)入事故發(fā)生站房?jī)?nèi)進(jìn)行滅火行動(dòng)，由于通過(guò)微觀內(nèi)部模型已經(jīng)事先確定了泄漏爆炸的管道及閥門(mén)位置，短時(shí)間內(nèi)就將火災(zāi)撲滅，避免了以往在復(fù)雜的工業(yè)內(nèi)部環(huán)境錯(cuò)誤選擇路徑以及無(wú)法尋找到關(guān)鍵事故位置的不利和損失。從事故初期無(wú)人機(jī)代替工作人員進(jìn)行無(wú)間斷事故觀察，到事故救援時(shí)的GIS對(duì)事故信息的更新建模和及時(shí)傳遞，發(fā)揮了GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)在事故搶險(xiǎn)救援中的重要作用。

3.3 事故總結(jié)

GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)構(gòu)建的三維擬真模型具有可追溯性以及仿真性，可協(xié)助管理者更好按照事故原因未查清不放過(guò)、責(zé)任人員未處理不放過(guò)、整改措施未落實(shí)不放過(guò)、有關(guān)人員未受到教育不放過(guò)的“四不放過(guò)”原則進(jìn)行事故處理總結(jié)工作。

通過(guò)模型系統(tǒng)大容量存儲(chǔ)硬件或者云存儲(chǔ)可存放多種類型的數(shù)據(jù)，包括事故中的外部影像數(shù)據(jù)以及設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可在事故處理中作為調(diào)查依據(jù)供調(diào)查小組全面深入了解事故發(fā)生原因，切實(shí)進(jìn)行事故原因評(píng)判。同時(shí)，依靠其智能模擬功能在記錄的事故數(shù)據(jù)上重建事故原型、模擬事故發(fā)生過(guò)程，追溯事故發(fā)生責(zé)任，為管理者從根源分析事故追溯事故責(zé)任人提供實(shí)際依據(jù)。在模擬過(guò)程中也可以改變其模擬參數(shù)或者擬真不同救援方式，通過(guò)對(duì)比法，不斷探尋事故處理以及救援的最優(yōu)解，為管理者和救援人員改進(jìn)救援方式提供理論支撐。GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)構(gòu)建的三維擬真模型同樣可將事故還原成完整過(guò)程動(dòng)畫(huà)，為事故安全教育提供多樣化警示素材，使得工廠操作人員安全學(xué)習(xí)具體、真實(shí)、生動(dòng)。

4 結(jié)論

面對(duì)工業(yè)事故搶險(xiǎn)救援的高要求，GIS與無(wú)人機(jī)輔助技術(shù)構(gòu)建的三維擬真模型，可利用其高效率、精確性、智能化特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在事故發(fā)生時(shí)進(jìn)行快速事故報(bào)警監(jiān)測(cè)，迅速定位事故地點(diǎn)，對(duì)工業(yè)場(chǎng)景內(nèi)、外部的具體情況進(jìn)行三維直觀展示，為救援工作贏得寶貴時(shí)間，提高救援成功率，更好保障人身安全和財(cái)產(chǎn)安全，為工業(yè)事故等應(yīng)急救援提供新的輔助途徑。