基于一體化運營綜合能源企業(yè)智能應急救援技術研究*

趙開功，張曉蕾，李 曼，何盛軍

(1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司 肅寧分公司，河北 滄州 062350；2.北京科技大學 土木與資源工程學院，北京 100083；3.中國安全生產科學研究院，北京 100012；4.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；5.華方國際科技(北京)有限公司，北京 100055)

0 引言

隨著國民經濟的高速健康發(fā)展，多行業(yè)、跨地域和集團化的綜合能源企業(yè)不斷產生。與其它行業(yè)相比，綜合能源企業(yè)具有業(yè)務覆蓋區(qū)域廣、安全風險點多、安全管理難度大和保障能源安全和安全生產的社會責任重大的特點。因此，綜合能源企業(yè)通過技術創(chuàng)新來不斷提升企業(yè)安全生產和應急管理的整體水平是十分重要的。

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)能源企業(yè)正在向生產智慧化、管理數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)絡化方向發(fā)展。大數(shù)據(jù)、云計算及5G通信技術的應用，使得智慧礦山、智慧鐵路、智慧電廠相繼涌現(xiàn)。故借助大數(shù)據(jù)、云計算及物聯(lián)網(wǎng)技術，構建集信息采集、安全生產、資源管理、應急決策等多功能一體化的綜合信息管控系統(tǒng)[1-4]，對現(xiàn)代能源企業(yè)尤為重要?；诖耍試夷茉赐顿Y集團有限責任公司(以下簡稱“國家能源集團”)為例，提出基于一體化運營的綜合能源企業(yè)智能管控系統(tǒng)，分析其系統(tǒng)需求和總體架構，進行方案設計，結合應急救援需求分析其關鍵技術要素。旨在為提高綜合能源企業(yè)協(xié)同管控效能，確保安全生產和高效應急救援等方面提供技術保障。

1 總體架構設計

1.1 需求分析

國家能源集團擁有煤、電、路、港、航、化等多項產業(yè)，其業(yè)務具有多行業(yè)，跨地域等特性，給公司的綜合管控造成很大難度。為了提高企業(yè)的信息化管理水平，實現(xiàn)企業(yè)內部的綜合運營、集約化管理，需要構建“資本管控的產業(yè)一體化、協(xié)同高效的管理智能化、融合貫通的數(shù)據(jù)可視化”的工業(yè)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)近期目標是基本滿足企業(yè)一體化管控，涉及所有產業(yè)板塊和核心產業(yè)鏈企業(yè)。遠期目標是實現(xiàn)覆蓋所有國家能源集團生產運營調度生產單位，持續(xù)優(yōu)化提升系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)需滿足以下要求：

1)堅持價值引領，發(fā)揮產業(yè)協(xié)同效應

構建“安全、系統(tǒng)、共享、協(xié)同、智能”的運營載體，實現(xiàn)“資本管控的產業(yè)一體化、協(xié)同高效的管理智能化、融合貫通的數(shù)據(jù)可視化”。

2)堅持問題導向，提升企業(yè)管理水平

以問題為導向，聚焦礦山、發(fā)電、運輸、化工等典型生產區(qū)域，以生產運營一體化為目標，建立高效協(xié)同的流程體系，實現(xiàn)煤、電、路、港、航、化等產業(yè)的高效發(fā)展。

3)堅持內部共享，促進數(shù)據(jù)管控融合

以企業(yè)信息數(shù)據(jù)為依托，結合管理現(xiàn)狀，構建數(shù)據(jù)管控和內部共享體系，全面推動各產業(yè)生產管理節(jié)點安全、環(huán)保、生產、經營等信息數(shù)據(jù)應用，建立數(shù)據(jù)資產，實現(xiàn)價值創(chuàng)造。

4)堅持技術創(chuàng)新，支撐綠色智慧發(fā)展

超前性、可擴展性和開放性的系統(tǒng)是支撐企業(yè)可持續(xù)運營的關鍵環(huán)節(jié)，是保障企業(yè)綠色發(fā)展、智慧發(fā)展和高質量發(fā)展的重要基礎[5]。

5)堅持統(tǒng)籌規(guī)劃，穩(wěn)步推進系統(tǒng)實施

按照“一次規(guī)劃、分步實施”的原則，既要保證原有生產經營的正常運行，又要融合新建系統(tǒng)的信息采集，既要確保完成總體生產經營任務，又要分解產業(yè)實體經營指標。

1.2 總體架構

根據(jù)企業(yè)生產布局特點，一體化管控系統(tǒng)的總體架構采用分層設計方式，即基礎層、數(shù)據(jù)層、服務層和應用層，如圖1所示。

圖1 總體架構Fig.1 Overall architecture

1)基礎層：運用企業(yè)現(xiàn)有軟件系統(tǒng)、云平臺、硬件設施、網(wǎng)絡安全設備。

2)數(shù)據(jù)層：基于數(shù)據(jù)湖平臺搭建，分原始庫、標準庫、主題庫和專題庫。

3)服務層：以負載均衡、服務網(wǎng)關、服務發(fā)現(xiàn)[6]、服務配置、服務熔斷、服務監(jiān)控等組件為核心的微服務框架，向上形成6個服務中心，支撐上層應用。

4)應用層：包括運營計劃、生產調度、統(tǒng)計分析、流程監(jiān)控、應急救援、可視化等6個功能，可通過用戶工作臺進行PC端、移動端和可視大屏等3種形式展示。

2 系統(tǒng)設計

2.1 技術方案設計

考慮到信息技術發(fā)展和系統(tǒng)運行維護需要，本系統(tǒng)選擇“微服務+容器化”技術架構，具體的技術方案設計思路如圖2所示。

圖2 技術方案設計思路Fig.2 Design ideas of technical scheme

該系統(tǒng)可實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集、可配置、組件化等功能，同時支持GIS服務及動態(tài)三維展示，可進行視頻數(shù)據(jù)的有效組織、調用和傳輸。通過構建大屏、桌面、移動終端一體化應用設施，系統(tǒng)可實現(xiàn)集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理、綜合分析，可以根據(jù)應用場景配置多套界面，滿足日常監(jiān)管、主題監(jiān)管、應急救援等不同需求[6-7]。

此外，與已有的一些管控系統(tǒng)相比，國家能源集團綜合管控一體化系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：1)該系統(tǒng)建設了更加全面且分類細致的應急救援基礎數(shù)據(jù)信息庫，為應急救援的科學決策奠定了堅實基礎；2)該系統(tǒng)更加智能，構建了應急救援指揮體系“3級響應”1條聯(lián)動線，形成了應急救援先期處置全域覆蓋1張組織網(wǎng)，搭建了應急響應保障實時共享1張資源圖，模擬了“一體化集中管控-模塊化應急隊伍和專業(yè)化保障隊伍-區(qū)域化協(xié)同響應-鐵路快速投放”快速救援通道，使得應急救援行動更加高效；3)該系統(tǒng)可使應急救援培訓演練更加規(guī)范，避免了演練應付、消除代簽假演現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)功能設計

一體化管控系統(tǒng)由運營計劃、生產調度、統(tǒng)計分析、流程監(jiān)控、應急救援、可視化等6個應用功能組成，是1個在能源領域用于生產運行、調度控制、安全應急的業(yè)務系統(tǒng)，具備實時和信息化系統(tǒng)的雙重特征，要求其長期可靠穩(wěn)定運行、安全性高[8]。該系統(tǒng)實現(xiàn)大屏、桌面和移動終端應用的平滑遷移展示的具體思路如圖3所示。

圖3 平滑遷移展示設計思路Fig.3 Design ideas of smooth migration presentation

1)架構一體系統(tǒng)共用

應用支撐平臺采用自頂向下的統(tǒng)一設計與架構，以保證應用系統(tǒng)的統(tǒng)一運行與管理，主要從統(tǒng)一的應用支撐平臺、統(tǒng)一的用戶管理服務、統(tǒng)一的業(yè)務架構等方面對系統(tǒng)進行約束與控制，使系統(tǒng)具有高度的靈活性和可擴展性，根據(jù)需求可實現(xiàn)應用系統(tǒng)的高效建設和快速變更[9]。因此，建立應用支撐平臺對提高系統(tǒng)靈活性和復用性，有效支持系統(tǒng)業(yè)務開展和擴展具有重要的意義。

2)數(shù)據(jù)入湖實時獲取

應急管理工作是1個需要綜合聯(lián)動的體系，國家能源集團應急救援總指揮部作為集團安全生產應急救援的最高指揮機構，需要全面地獲取安全生產應急救援信息，動態(tài)地掌握安全生產應急救援情況，及時地協(xié)調相關資源進行指揮救援?！皵?shù)據(jù)湖”對企業(yè)運營數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一匯集、管理及分析，可充分挖掘數(shù)據(jù)價值，為各級數(shù)據(jù)應用和開發(fā)人員提供數(shù)據(jù)服務支持。在數(shù)據(jù)存儲方面，“數(shù)據(jù)湖”所存儲數(shù)據(jù)皆為原始數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的真實性、可靠性和實效性；在數(shù)據(jù)分析方面，“數(shù)據(jù)湖”具有超強的運算能力，在分析數(shù)據(jù)的同時可進行數(shù)據(jù)轉換，可進行高效、多元化的數(shù)據(jù)分析；在數(shù)據(jù)治理方面，“數(shù)據(jù)湖”借助統(tǒng)一的目錄管理、權限控制、編排調度、追蹤溯源等功能，有效識別數(shù)據(jù)并進行管控、處理，極大地提升了企業(yè)數(shù)據(jù)質量[10]?！皵?shù)據(jù)湖”與一體化管控系統(tǒng)的高效銜接，實現(xiàn)了大量數(shù)據(jù)的采集入湖和實時獲取，在企業(yè)3級聯(lián)動響應、區(qū)域協(xié)同救援、控制事態(tài)發(fā)展、現(xiàn)場快速處置、盡快恢復生產方面起到了積極作用。

3)GIS數(shù)據(jù)動態(tài)調用

由于應急救援業(yè)務的特殊性，應急資源、監(jiān)測預警、應急演練、氣象數(shù)據(jù)、應急通信等信息都與空間地理信息密不可分。一體化管控系統(tǒng)借助于GIS支持將空間與應急信息相關聯(lián)，實現(xiàn)應急信息與GIS地圖的實時、動態(tài)疊加，并進行動態(tài)展示和綜合分析、研判。基于GIS對各種信息進行綜合展現(xiàn)能夠極大提高信息的可視性和直觀性，增強應急決策的及時性和科學性。系統(tǒng)綜合應急物資、醫(yī)療資源、救援隊伍、事故信息、現(xiàn)場視頻、處置進展、任務跟蹤等眾多信息，支持通過應急資源名稱、地址等關鍵信息，自動將應急資源所在地理位置快速定位顯示到GIS中，同時能夠關聯(lián)顯示應急資源的相關信息。

鑒于企業(yè)生產數(shù)據(jù)的安全性，需要在使用地圖在線實時服務的基礎上，采用地圖引擎技術進行企業(yè)數(shù)據(jù)的本地化管理，從而在保障數(shù)據(jù)安全的同時，滿足應急救援數(shù)據(jù)的可視化需求。建立基于GIS服務的應急信息空間關聯(lián)模型，挖掘危險源、應急物資、救援隊伍、事故信息的分布規(guī)律和空間關系，通過空間維度整合模型分析，可為應急救援提供快捷、高效的決策信息，并可快速生成應急處置方案。

3 關鍵技術研究

3.1 多災事故耦合的協(xié)同處置技術

災害事故的發(fā)生往往不是單一的過程，而是多種災害事故同時發(fā)生，在此情形下，應急處置將變的十分復雜。這為綜合災害事故的應急處置一體化管控系統(tǒng)建設提出了新的要求，需要掌握多種災害事故的致災機理，分析監(jiān)測預警、應急準備、應急響應、災后恢復等不同階段的應急規(guī)律，研發(fā)滿足多種災害事故耦合下的協(xié)同處置技術[11]。

國家能源集團綜合管控一體化系統(tǒng)通過構建事故案例庫、應急知識庫、應急預案庫、應急物資庫、應急專家?guī)旌突A數(shù)據(jù)庫等一系列智能關聯(lián)數(shù)據(jù)庫，在災害事故發(fā)生時，可迅速響應且精確分析出當前事故可能引發(fā)的衍生事故，并根據(jù)事故類型、影響范圍、人員傷亡等情況，迅速關聯(lián)或匹配不同事故類型所需應急物資的種類，科學預測各種類應急物資的需求量和調配物資所需的人手，并結合GIS地圖及時掌握應急物資調配情況，建立滿足綜合災害處置的物資調配體系。此外，該系統(tǒng)根據(jù)不同事故的預案數(shù)字化結果，結合實際應急處置的聯(lián)動模式，智能推薦最合適的應急預案，預案內容包括綜合處置方案、現(xiàn)場工作組方案、專家組方案、綜合研判報告和事故指導救援意見等，可實現(xiàn)多個應急救援部門同時啟動及不同預案任務的關聯(lián)下發(fā)，以便更快、更好地處理綜合災害。該系統(tǒng)融合通信技術平行建立多個應急會商室，在處理災害過程中出現(xiàn)問題需要協(xié)商解決時，可在GIS地圖的協(xié)同標繪基礎上進行視頻會議，并能夠在所有支持sip協(xié)議的手機、調度電話、工業(yè)視頻和移動終端等通信工具上進行多方協(xié)同會商，滿足綜合災害事故耦合下的應急協(xié)同處置需要，最終確定應對本次綜合災害的最佳處理方案。

3.2 數(shù)字結構預案的輔助決策技術

預案是應急處置的普適性方案。為了解決預案在具體事故處置中針對性不足的問題，智能輔助方案結合了具體事故概況、事故現(xiàn)場的反饋信息、班組級或中心級應急的先期處置信息、應急工作組的實時進展情況、周邊的資源分布數(shù)據(jù)、預案的數(shù)字化成果、模型分析結果、應急處置要點、會商結果、任務執(zhí)行情況、領導批示、專家意見等動態(tài)關鍵要素，按照一定的機理分析后智能提取，根據(jù)既定規(guī)則組合自動生成初步處置方案。應急人員通過對初步處置方案的綜合研判、分析并進行動態(tài)調整后，系統(tǒng)自動進行對比分析和方案推演，最終按照應急業(yè)務需求輸出相應智能輔助方案。智能輔助方案不僅具有輔助決策意義，同時具有足夠的操作執(zhí)行功用，可充分結合現(xiàn)場應急救援動態(tài)，合理安排救援處置工作[12-14]。

事件鏈、預案鏈和智能方案主要數(shù)據(jù)流關系如圖4所示。智能輔助方案在分析事發(fā)成因和事件鏈的發(fā)展規(guī)律基礎上，對應關聯(lián)事件預案鏈的數(shù)字化結果，最終生成全面覆蓋的綜合應急方案。國家能源集團綜合管控一體化系統(tǒng)可根據(jù)突發(fā)事件的不同性質，啟用相應類型、等級的應急預案，再結合事件的致災機理及內在發(fā)展規(guī)律，調閱事件發(fā)展可能導致的次生衍生預案，以提前進行相關事故的預警、準備及響應工作。應急組織機構、處置任務、預警信息、應急準備、應急響應、關聯(lián)物資等信息，都已融合于事件鏈的智能輔助方案中，最終形成科學、全面的綜合應急處置方案。事件鏈的應用要根據(jù)不同的地理條件、氣候條件、周邊危險源分布情況、應急環(huán)境等特定信息，進行靈活的修訂。

圖4 事件鏈、預案鏈、智能方案主要數(shù)據(jù)流關系Fig.4 Relationship of main data flow of event chain.plan chain and intelligent scheme

3.3 處置情景構建的救援演練技術

為了更有效地檢驗應急技術的有效性和救援人員的協(xié)同性，這就要求研發(fā)演練在時間不確定、地點不確定的情況下，以事件為基點，以預案為基礎，通過系統(tǒng)快速組合生成數(shù)字化演練方案的救援演練技術[15-16]。

為此，國家能源集團綜合管控一體化系統(tǒng)的應急演練模塊針對不同行業(yè)領域的典型事故類型，通過圖5所示流程完成模擬演練。

圖5 應急演練流程Fig.5 Process of emergency drill

演練系統(tǒng)支持無腳本桌面推演，以增強應急救援人員及執(zhí)行人員的應急水平，檢驗多個應急隊伍的協(xié)同應急實戰(zhàn)能力。演練結束后，應急專家通過對整個應急處置過程的回放，查找問題，總結經驗，對此次演練進行科學評價。

4 結論

1)本文運用了一體系統(tǒng)構架共用、數(shù)據(jù)入湖實時獲取、GIS數(shù)據(jù)動態(tài)調用的方法和多災事故耦合協(xié)同處置、數(shù)字結構預案輔助決策和處置情景構建救援演練等技術，發(fā)現(xiàn)了基于“集團總部-產業(yè)實體-生產單位-作業(yè)單元”的應急響應1條聯(lián)動線、應急處置1個機構網(wǎng)和應急資源1張保障圖。

2)利用國家能源集團“一體化集中管控-模塊化應急隊伍和專業(yè)化保障隊伍-區(qū)域化協(xié)同響應-自有鐵路快速投放”應急響應“線網(wǎng)圖”中搭建快速救援通道，可為集團系統(tǒng)內部重大工業(yè)事故救援提供保障。同時，在國家級應急響應中，有助于集結國家能源集團應急救援隊伍力量，連通國家鐵路網(wǎng)絡，迅速投放到災害處置現(xiàn)場，成為中央企業(yè)履行社會責任的重要力量。

3)文中闡述的協(xié)同處置、輔助決策和救援演練等技術，在國家能源集團清水營煤礦“8·19”頂板事故救援和包頭化工泄漏事故演練中得到有效應用，縮短響應時間，提高救援效率，減少因災損失。因此，該系統(tǒng)可推廣應用至其他中央企業(yè)集團，作為生產安全事故應急救援方法，也可作為地方政府開展區(qū)域力量協(xié)同救援和城市公共安全綜合救援的參考做法。