基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的化工園區(qū)智慧管理平臺建設(shè)

周葉芬

工業(yè)云制造(四川)創(chuàng)新中心有限公司,四川 成都 610000

0 引言

隨著全球化工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,化工園區(qū)的數(shù)量和規(guī)模不斷擴大,安全管理問題日益凸顯。傳統(tǒng)的安全管理方式往往存在響應(yīng)不及時、處理不準確等問題。因此,園區(qū)迫切需要一種基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的智慧管理平臺,以實現(xiàn)實時、立體、主動分析的安全管理。《化工園區(qū)安全風(fēng)險智能化管控平臺建設(shè)指南(試行)》《應(yīng)急管理部辦公廳關(guān)于印發(fā)〈“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+?；踩a(chǎn)”試點建設(shè)方案〉的通知》等相關(guān)文件也提出推進化工園區(qū)安全生產(chǎn)信息化智能化平臺建設(shè)[1]。

本文旨在研究基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的化工園區(qū)智慧管理平臺的建設(shè),通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)在化工園區(qū)管理方面進行深入研究,探索物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)在實際應(yīng)用的效果,為園區(qū)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級提供方案,推動物聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)在化工園區(qū)智慧管理方面的應(yīng)用和發(fā)展,優(yōu)化管理流程和資源配置,降低成本,提高應(yīng)急響應(yīng)和處置效率。

1 化工園區(qū)智慧管理平臺總體設(shè)計

化工園區(qū)智慧管理平臺按照《化工園區(qū)安全風(fēng)險智能化管控平臺建設(shè)指南(試行)》的建設(shè)要求[2],采用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)打造集安全生產(chǎn)風(fēng)險感知與監(jiān)測、應(yīng)急指揮調(diào)度、?；畔⒈O(jiān)管共享、行業(yè)數(shù)據(jù)處理、產(chǎn)業(yè)服務(wù)等為一體的能力體系,具備快速感知、實時監(jiān)測、超前預(yù)警、動態(tài)優(yōu)化、智能決策、聯(lián)動處置、系統(tǒng)評估、全局協(xié)同能力[3]。通過應(yīng)用該平臺,力爭實現(xiàn)安全生產(chǎn)全過程、全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈的連接和監(jiān)管,從而推動現(xiàn)場檢查向線上線下相結(jié)合檢查轉(zhuǎn)變、一次性檢查向持續(xù)監(jiān)測轉(zhuǎn)變[1]。這將大大提高行政管理效率,并提升?；ば袠I(yè)的安全水平。該平臺具有以下的技術(shù)關(guān)鍵點。

1.1 風(fēng)險感知與監(jiān)測

在園區(qū)重大危險源、風(fēng)險點現(xiàn)場部署水土氣各類傳感器、高空瞭望設(shè)備、無人機等感知設(shè)備,通過閾值管理及超閾值預(yù)警、風(fēng)險管控和隱患排查治理閉環(huán)監(jiān)管、視頻異常分析和報警等多維度進行安全生產(chǎn)過程監(jiān)管和監(jiān)測。同時,對園區(qū)主要區(qū)域和重點企業(yè)通過四色圖進行區(qū)分和標注,用紅黃藍綠由高到低代表該區(qū)域的風(fēng)險程度,幫助相關(guān)部門及領(lǐng)導(dǎo)更精準、更直觀地了解園區(qū)風(fēng)險態(tài)勢,實時了解園區(qū)所有風(fēng)險監(jiān)測點、危險源、?；?、風(fēng)險隱患及報警次數(shù)和所在位置等具體情況。當園區(qū)發(fā)生安全生產(chǎn)風(fēng)險時,可直接調(diào)用無人機、高空瞭望和現(xiàn)場攝像頭接入就近視頻監(jiān)控內(nèi)容,方便實時了解風(fēng)險事件發(fā)生時的現(xiàn)場情況,預(yù)防和降低安全事故的發(fā)生,提升工業(yè)安全生產(chǎn)的感知、監(jiān)測、預(yù)警、處置和評估能力。

1.2 應(yīng)急指揮及調(diào)度

平臺搭建應(yīng)急演練情景庫、應(yīng)急處置預(yù)案庫、應(yīng)急處置專家?guī)?、?yīng)急救援隊伍庫和應(yīng)急救援物資庫等功能模塊[1],依托GIS地圖、預(yù)警信息、調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急資源管理系統(tǒng)和預(yù)案數(shù)字化管理系統(tǒng)。當發(fā)生緊急事件時,可通過系統(tǒng)立即聯(lián)系應(yīng)急救援專家、應(yīng)急救援隊伍,緊急推送應(yīng)急事件相關(guān)信息至應(yīng)急相關(guān)部門及領(lǐng)導(dǎo),并可查詢應(yīng)急預(yù)案,召集相關(guān)部門及領(lǐng)導(dǎo)啟動應(yīng)急會商,調(diào)動應(yīng)急救援物資。同時,也可為日常應(yīng)急演練提供支撐、對安全事件發(fā)生時提供精準的決策支撐能力,便于快速響應(yīng)、快速處置,將安全風(fēng)險快速控制并將損失降至最低,有力推動應(yīng)急處置從被動響應(yīng)向主動預(yù)防轉(zhuǎn)變,提升應(yīng)急處置的精準性、科學(xué)性和快速響應(yīng)能力,以更好地應(yīng)對化工園區(qū)的各種突發(fā)事件。

1.3 信息共享與監(jiān)管

依托數(shù)據(jù)中臺,建立危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存、使用、經(jīng)營、運輸和廢棄處置企業(yè)大數(shù)據(jù)庫,形成政府建設(shè)管理、企業(yè)申報信息、數(shù)據(jù)共建共享、部門分工監(jiān)管的綜合信息平臺。綜合利用電子標簽、大數(shù)據(jù)、人工智能等高新技術(shù),對生產(chǎn)、貯存、運輸、使用、經(jīng)營、廢棄處置等各環(huán)節(jié)進行全過程信息化管理和監(jiān)控,實現(xiàn)危險化學(xué)品來源可循、去向可溯、狀態(tài)可控,做到企業(yè)、監(jiān)管部門、執(zhí)法部門及應(yīng)急救援部門之間互聯(lián)互通,提升跨部門、跨層級的安全生產(chǎn)聯(lián)動聯(lián)控能力[4]。

1.4 智能數(shù)據(jù)處理

構(gòu)建統(tǒng)一的園區(qū)數(shù)據(jù)平臺,同時對接危險化學(xué)品行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全生產(chǎn)監(jiān)管平臺等,建立安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)目錄,通過標準化數(shù)據(jù)交換接口、分析建模以及可視化等工具,開展數(shù)據(jù)支撐服務(wù),利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)加速安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)資源匯聚、資源流轉(zhuǎn)和價值挖掘,使該平臺具備業(yè)務(wù)全數(shù)字化、系統(tǒng)全連接、數(shù)據(jù)全融合的數(shù)據(jù)處理能力[1]。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)助力全域數(shù)據(jù)采集

化工園區(qū)的數(shù)據(jù)采集是智慧管理平臺建設(shè)的基礎(chǔ)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),可以實時采集園區(qū)內(nèi)的各種數(shù)據(jù),包括壓力、環(huán)境溫濕度、有毒有害氣體濃度、現(xiàn)場視頻、設(shè)備運行情況等[5]。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集

采用傳感器技術(shù)和4G/5G通信技術(shù)。通過部署各種傳感器,實時監(jiān)測園區(qū)內(nèi)的環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運行狀態(tài),并將數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。

工藝報警數(shù)據(jù)的采集范圍為屬于重點監(jiān)管危險化工工藝的生產(chǎn)過程、構(gòu)成重大危險源的儲存設(shè)備和構(gòu)成重大危險源的由單個或多個庫房構(gòu)成的庫區(qū)。采集溫度、壓力、液位、流量和有毒可燃氣體濃度的報警數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型分為過程報警(即超限報警)和系統(tǒng)報警(即自身故障報警)兩類。溫度、壓力、液位、流量的傳感器及氣體檢測的點位數(shù)設(shè)置應(yīng)不少于項目《安全設(shè)計專篇》《工藝指導(dǎo)書》《工藝卡》中的規(guī)定。

企業(yè)前端物聯(lián)網(wǎng)主機將采集到的實時數(shù)據(jù)與報警閾值比對,當實時數(shù)據(jù)超出設(shè)定的閾值時,企業(yè)前端物聯(lián)網(wǎng)主機將此作為報警數(shù)據(jù)傳送至政府(園區(qū))平臺。當檢測設(shè)施自身發(fā)生故障時,該類報警采集至企業(yè)前端物聯(lián)網(wǎng)主機,并傳送至政府(園區(qū))平臺。當安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的聯(lián)鎖回路為摘除狀態(tài),企業(yè)前端物聯(lián)網(wǎng)主機將此作為系統(tǒng)報警數(shù)據(jù)傳送至政府(園區(qū))平臺。

2.2 數(shù)據(jù)接入

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)規(guī)范、接口規(guī)范;實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入。支持MQTT、HTTP、Web Service等常用協(xié)議的數(shù)據(jù)接入,實現(xiàn)企業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)、各平臺數(shù)據(jù)便捷接入。

重大危險源監(jiān)測數(shù)據(jù)接入：按照化工危險化學(xué)品名錄,對企業(yè)所涉及的?；穾靺^(qū)、罐區(qū)和生產(chǎn)裝置的物料溫度、壓力、液位、有毒可燃氣體的監(jiān)測報警數(shù)據(jù)進行接入。

監(jiān)控視頻接入：支持接入企業(yè)罐區(qū)、庫區(qū)涉及重大危險化學(xué)品的監(jiān)控視頻,以及接入本平臺自建的園區(qū)全景畫面。

安全生產(chǎn)承諾公示內(nèi)容接入：對企業(yè)每天的生產(chǎn)情況和安全承諾公示內(nèi)容進行接入。

其他數(shù)據(jù)接口：開放API接口,確保系統(tǒng)的可擴展型。

3 人工智能助力數(shù)據(jù)處理和分析

智慧管理平臺接收到數(shù)據(jù)后,需要進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理主要包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)挖掘等工作,以提取出有價值的信息。

3.1 數(shù)據(jù)處理

離線方式：大數(shù)據(jù)離線處理一般使用 HDFS存儲數(shù)據(jù),使用MapReduce、Spark做批量計算,計算完成的數(shù)據(jù)如需在數(shù)據(jù)倉庫存儲,直接存入 Hive,然后從Hive 進行展現(xiàn)。

實時方式：指計算機對現(xiàn)場數(shù)據(jù)在其發(fā)生的實際時間內(nèi)進行收集和處理的過程。多使用Storm、Spark Streaming、Flink等技術(shù)。

所有指標性參數(shù)在分析之前需要先進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。可對危險源的安全閥值進行編輯、修改;對超限數(shù)據(jù)進行分析報警。

3.2 數(shù)據(jù)融合

整合相關(guān)數(shù)據(jù)資源,建立必要的關(guān)聯(lián),為后續(xù)分析服務(wù)。數(shù)據(jù)融合階段可以進行一些初步的分析顯示,包括使用即時數(shù)據(jù)元繪制曲線、圖表、最簡單的求和運算等[5]。

3.3 動態(tài)分析

動態(tài)分析強調(diào)使用模型進行高級計算分析。數(shù)據(jù)分析算法是智慧管理平臺的核心。通過人工智能技術(shù),可以對采集到的數(shù)據(jù)進行深度分析,識別出異常數(shù)據(jù),預(yù)測可能的風(fēng)險。常用的數(shù)據(jù)分析算法包括機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等,分2個方向：一是針對危險源信息的分析,二是針對監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)的分析。

根據(jù)在線監(jiān)控信息管理子系統(tǒng)中設(shè)定的分級預(yù)警方案和分級預(yù)警指標設(shè)計各種動態(tài)分析模型,使模型與每一個危險源監(jiān)控點關(guān)聯(lián)。調(diào)用之前處理好的數(shù)據(jù)元,套用模型進行計算,判斷危險源狀態(tài)、判斷是否需要報警及報警級別。此過程定時循環(huán)進行,在危險源報警后也要循環(huán)反復(fù)計算危險源狀態(tài),判斷是否狀態(tài)升級[6]。

通過一體化AI算法算力平臺,支持人員行為、環(huán)境風(fēng)險等實時監(jiān)測和識別報警,對液體泄漏、危化車輛、安全帽、工服、吸煙、打電話等場景數(shù)據(jù)進行視覺分析,助力化工園區(qū)實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理智能化。高空瞭望系統(tǒng)24 h自動巡檢、煙火自動報警、自動標注報警企業(yè)等功能,可在事故發(fā)生后,準確地發(fā)現(xiàn)事故,自動提醒運維人員,及時通知對應(yīng)應(yīng)急響應(yīng)部門,在最低損失狀態(tài)下快速地處理解決事故。

3.4 分級預(yù)警

平臺對危險源細分不同的預(yù)警級別,對前端采集的數(shù)據(jù)進行存儲,利用大數(shù)據(jù)分析與預(yù)警技術(shù)對獲得的檢測數(shù)據(jù)進行分析,對超出閥值的數(shù)據(jù)進行預(yù)警,包含?；穬α恳何活A(yù)警、超庫齡風(fēng)險預(yù)警、存儲溫度和壓力預(yù)警,可燃和有毒氣體的溢散濃度預(yù)警等,結(jié)合GIS地圖進行位置標注,結(jié)合預(yù)警數(shù)據(jù)生成高危區(qū)域熱力圖。預(yù)警狀況的反饋除了系統(tǒng)本身的聲光報警之外,系統(tǒng)還可以通過自動調(diào)用手機短信平臺、即時通訊工具等發(fā)出報警[6]。

3.5 監(jiān)督危險源預(yù)警處置

對預(yù)警警情,將異常情況派送至企業(yè)端,要求企業(yè)進行處置,并通過指揮中心、手機等多終端查看處理進度,起到指導(dǎo)、督促的作用。

3.6 安全狀態(tài)走勢分析

通過預(yù)設(shè)模型計算安全狀態(tài)走勢。動態(tài)分析是以很短時間為周期循環(huán)不停地做數(shù)據(jù)分析工作。安全狀態(tài)走勢分析則是以周、月、季等較長周期為時間軸,所做的總結(jié)性走勢分析。

根據(jù)學(xué)習(xí)和固化的預(yù)警態(tài)勢,進行事件分析和預(yù)警,包含對人員越界、未佩戴安全帽、煙氣異常、火情異常等進行自動分析、主動預(yù)警,并對預(yù)警區(qū)域地圖畫面進行著重顯示,對人員聚集量較大區(qū)域生成熱力圖(在可視范圍內(nèi),人員超過20人),同時將異常情況通過app或短信推送至監(jiān)管負責(zé)人和企業(yè)負責(zé)人。

視頻分析模型：針對濃煙、火苗、人員聚集等安全因素建立分析模型,實現(xiàn)對現(xiàn)場拍攝的實時畫面進行對比分析。

煙氣異常報警：對于除煙囪等常發(fā)位置外的任何溢散煙氣進行監(jiān)測,視頻檢測到煙氣后啟動報警,并結(jié)合GIS地圖定位煙氣發(fā)生的位置。

火情異常報警：對于可視范圍內(nèi)的所有火苗、火焰、煙火進行實時監(jiān)測,視頻檢測到火情后啟動報警,并結(jié)合GIS地圖定位火情發(fā)生的位置。

視頻畫面追蹤：針對重點罐區(qū)視頻和危險工藝生產(chǎn)裝置內(nèi)視頻接入,結(jié)合分析模型對視頻內(nèi)容進行實時對比分析;對于其他異常報警,可快速進行視頻畫面切入追蹤。

無人機事故位置定位：對于異常預(yù)警,可啟動無人機現(xiàn)場查勘,結(jié)合GIS地圖自動規(guī)劃最近航線,快速定位并到達預(yù)警發(fā)生的現(xiàn)場進行查勘。

人員聚集報警：對于園區(qū)所有可視范圍內(nèi)人員行為進行監(jiān)測,初步實現(xiàn)對人員聚集情況進行報警。

報警信息推送至相關(guān)人員：結(jié)合報警信息和位置,將具體報警內(nèi)容定向推送給相關(guān)負責(zé)人,主要渠道為app和短信。

4 化工園區(qū)智慧管理平臺的應(yīng)用

該平臺將多種通信系統(tǒng)進行融合,實現(xiàn)多網(wǎng)合一、統(tǒng)一管理與統(tǒng)一調(diào)度的目的。應(yīng)急調(diào)度示意圖見圖1。通過多媒體調(diào)度通信系統(tǒng)的建設(shè),可將應(yīng)急工作與日常檢查相結(jié)合,達到預(yù)防為主、防治結(jié)合的目的;通過安全監(jiān)控中心對園區(qū)影響安全生產(chǎn)信息采集,專家信息庫的完善,編制豐富的內(nèi)容庫,構(gòu)建有效可行的應(yīng)急預(yù)案庫,實現(xiàn)“早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防、早處置、早杜絕”的應(yīng)急管理目標。同時,平臺提供及時、高效、便捷的日常安全檢查工具,減輕安全檢查和防范的工作負擔,提高工作效率,降低安全生產(chǎn)隱患的風(fēng)險。通過這些功能,智慧管理平臺能夠真正實現(xiàn)化工園區(qū)的智能化安全管理,提高應(yīng)急處置的科學(xué)性、精準性和快速響應(yīng)能力。

圖1 應(yīng)急調(diào)度示意圖

應(yīng)急調(diào)度多通信系統(tǒng)融合方面,通過局域網(wǎng)/廣域網(wǎng)將調(diào)度臺、移動通信、值班室電話、現(xiàn)場廣播等設(shè)備聯(lián)通,從生產(chǎn)網(wǎng)到互聯(lián)網(wǎng)的跨域通信,實現(xiàn)問題發(fā)生后,快速將推送信息給相關(guān)負責(zé)人進行聯(lián)動、統(tǒng)一調(diào)動和管理。

4.1 緊急推送

按照企業(yè)和關(guān)鍵崗位分類,建立一套應(yīng)急處置人員電子通訊錄名單,根據(jù)系統(tǒng)預(yù)警信息,可在PC端自動推送信息,同時通過運營商網(wǎng)絡(luò)給手機發(fā)送報警短信或報警電話;對于大范圍應(yīng)急處置,可借助短信平臺進行信息群發(fā)和微信群發(fā)。

4.2 系統(tǒng)聯(lián)動

對事故區(qū)域確認后,無人機根據(jù)GIS位置自動飛行到現(xiàn)場上空,對現(xiàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)回傳,提供現(xiàn)場畫面的支撐,提高調(diào)度指揮的實時性和科學(xué)性。

4.3 應(yīng)急路線

監(jiān)測到實時的安全監(jiān)控系統(tǒng)告警,出現(xiàn)緊急情況時,可以根據(jù)事先設(shè)定的行動路線,自動調(diào)取顯示相關(guān)應(yīng)急預(yù)案,指揮現(xiàn)場人員撤離。

4.4 應(yīng)急預(yù)案

根據(jù)園區(qū)企業(yè)、危化品和危險生產(chǎn)工藝內(nèi)容,單獨建立一套對應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案信息庫,給應(yīng)急指揮提供決策支持。建立以下應(yīng)急預(yù)案信息庫：企業(yè)應(yīng)急預(yù)案信息庫、品類應(yīng)急預(yù)案信息庫、場景應(yīng)急預(yù)案信息庫。

根據(jù)區(qū)域或品類關(guān)聯(lián)預(yù)案,實現(xiàn)自動調(diào)用或快速檢索功能。

4.5 信息推送

通過app、短信、微信等平臺進行應(yīng)急或預(yù)警信息推送。

4.6 應(yīng)急通信

建立一套應(yīng)急通信系統(tǒng),滿足園區(qū)所有企業(yè)視頻會議溝通、緊急呼叫、應(yīng)急調(diào)度通信等需求,確保調(diào)度信息的無損傳遞。

5 應(yīng)用效果

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集和傳輸上,打破以往數(shù)據(jù)采集不全面、無法早發(fā)現(xiàn)風(fēng)險的局面,各種數(shù)據(jù)多維度、多方面進行展示,并且通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進行建模分析,通過人工智能技術(shù)及時預(yù)測。通過化工園區(qū)智慧管理平臺建設(shè)應(yīng)用,AI技術(shù)實現(xiàn)園區(qū)人員異常行為識別率達90%,火災(zāi)煙霧識別率95%以上,預(yù)警準確率98%以上。同時,加強了化工行業(yè)安全生產(chǎn)從感知、監(jiān)測到預(yù)警處置全過程能力,管理效率提升50%以上,突發(fā)事件響應(yīng)速度提升60%以上,為化工園區(qū)科學(xué)管理提供切實可行的手段。

6 結(jié)束語

本文總結(jié)了基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的化工園區(qū)智慧管理平臺的建設(shè)情況。該平臺利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù),構(gòu)建了全新的能力體系,包括安全生產(chǎn)風(fēng)險感知與監(jiān)測、智能數(shù)據(jù)處理和應(yīng)急指揮調(diào)度等功能。通過應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù),使得化工行業(yè)生產(chǎn)過程中火災(zāi)、氣體泄漏等問題可以被提前發(fā)現(xiàn)和即時處理。然而,在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下,化工園區(qū)所面臨的挑戰(zhàn)更加多樣化,需要不斷升級和加強技術(shù)手段,并結(jié)合不同化工園區(qū)的生產(chǎn)和管理特性,對智慧管理平臺進行調(diào)整,確保物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)和其他技術(shù)能夠靈活地應(yīng)用于化工行業(yè)的智慧管理領(lǐng)域。