LNG接收站安全生產(chǎn)可視化管理系統(tǒng)研發(fā)

黃少華 董巖 趙鈺 楊吉強(qiáng) 陳剛

1.中交城鄉(xiāng)能源有限責(zé)任公司 北京 100029

2.中城鄉(xiāng)（煙臺(tái)）液化天然氣有限公司 山東 煙臺(tái) 264000

國務(wù)院國資委在《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》中指出，按照場景驅(qū)動(dòng)、快速示范的原則，加強(qiáng)智能現(xiàn)場建設(shè)，推進(jìn)5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)規(guī)?；蓱?yīng)用，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場全要素、全過程自動(dòng)感知、實(shí)時(shí)分析和自適應(yīng)優(yōu)化決策，提高生產(chǎn)質(zhì)量、效率和資產(chǎn)運(yùn)營水平，賦能企業(yè)提質(zhì)增效。

目前國外使用數(shù)字孿生技術(shù)在LNG作業(yè)區(qū)安全生產(chǎn)方面主要是對作業(yè)區(qū)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器監(jiān)測設(shè)備，將實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)輸入數(shù)字孿生系統(tǒng)，以便更準(zhǔn)確地模擬作業(yè)區(qū)運(yùn)營情況和優(yōu)化作業(yè)區(qū)安全。建立虛擬的訓(xùn)練場景，通過數(shù)字孿生技術(shù)模擬各種突發(fā)事件，對作業(yè)區(qū)人員進(jìn)行培訓(xùn)和演練。采用該技術(shù)的國外作業(yè)區(qū)有：美國的洛杉磯作業(yè)區(qū)、新加坡的樟宜港、荷蘭阿姆斯特丹等國際作業(yè)區(qū)。

當(dāng)前國內(nèi)傳統(tǒng)數(shù)字孿生應(yīng)用，主要是通過數(shù)字化建模，將各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器信息標(biāo)注在模型上，只能通過逐個(gè)點(diǎn)擊方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的展示，既不直觀也無法形成和其他信息的聯(lián)動(dòng)；在視頻方面，需要通過逐個(gè)點(diǎn)擊才能展示視頻畫面。從應(yīng)用效果上看，傳統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)并未達(dá)到預(yù)期的理想效果，尚未解決傳統(tǒng)監(jiān)控視頻位置分散難以管理、視角獨(dú)立不夠直觀、畫面割裂難以看懂等痛點(diǎn)問題[1]。

隨著LNG接收站投產(chǎn)運(yùn)營，各類安全隱患、各類人員安全、各類生產(chǎn)行政車輛安全等安全壓力劇增。為有效避免人為管理上的漏洞和疏忽，擬通過建設(shè)LNG接收站視頻孿生安全生產(chǎn)可視化管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和管理的升級(jí)，提升LNG接收站安全管理水平[2]。

1 LNG 接收站安全生產(chǎn)管理現(xiàn)狀

目前LNG運(yùn)輸船舶在駛?cè)?、?？俊⒀b卸和離開作業(yè)區(qū)的過程中，人員車輛船舶絡(luò)繹不絕，同時(shí)作業(yè)區(qū)周界環(huán)境較為復(fù)雜，陸、海、空等多方都會(huì)造成突發(fā)性事件，危化品安全事故隱患多種多樣，而信息化管理系統(tǒng)建設(shè)不完善，無法對作業(yè)區(qū)的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行全要素展示，缺乏有效的智能化手段來實(shí)時(shí)感知各類風(fēng)險(xiǎn)，難以及時(shí)監(jiān)測預(yù)警，嚴(yán)重影響應(yīng)急處置效率，容易造成安全事故問題[3]。

2 研究目標(biāo)及內(nèi)容

建設(shè)LNG接收站安全生產(chǎn)可視化系統(tǒng)，結(jié)合3DGIS、視頻孿生、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，對接收站進(jìn)行全方位立體化安全監(jiān)管，多維度智能分析輔助決策，通過統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一監(jiān)測、統(tǒng)一管理等方式，提升LNG接收站監(jiān)測預(yù)警及應(yīng)急處置能力，保證LNG接收站運(yùn)行安全。

構(gòu)建LNG接收站視頻孿生場景，以視頻實(shí)景監(jiān)控和歷史回放相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對LNG接收站作業(yè)區(qū)運(yùn)行狀況的全面掌控，利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置；同時(shí)對作業(yè)區(qū)的人員及車輛進(jìn)行基于實(shí)景三維視頻實(shí)時(shí)定位跟蹤的安全管理，實(shí)現(xiàn)全要素管理，通過構(gòu)建周界安全預(yù)警，AI識(shí)別等方式，支持工藝和設(shè)備安全數(shù)據(jù)接入，針對各種安全隱患及突發(fā)事件，優(yōu)化決策，及時(shí)處置閉環(huán)，使接收站安全水平提升。

3 目標(biāo)分解

通過LNG接收站安全生產(chǎn)可視化管理系統(tǒng)研究來實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)和管理的升級(jí)，提升LNG接收站安全管理水平。

主要研究目標(biāo)為以下四個(gè)方面：

（1）研究如何利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置；

（2）研究如何開展作業(yè)現(xiàn)場人員安全管理；

（3）研究如何開展生產(chǎn)行政車輛安全管理；

（4）研究如何應(yīng)對周界安全問題。

4 主要挑戰(zhàn)及解決方案

系統(tǒng)將結(jié)合視頻孿生技術(shù)、氣體泄漏檢測技術(shù)、電子圍欄等技術(shù)來建設(shè)安全可視化信息平臺(tái)，建設(shè)內(nèi)容和解決問題如下：

4.1 氣體泄漏處置短板

在傳統(tǒng)模式中各傳感器監(jiān)控設(shè)備，缺乏有效的統(tǒng)一管理，不能快速的有效的反應(yīng)出生產(chǎn)過程中各類風(fēng)險(xiǎn)問題，通過建設(shè)后，利用實(shí)景三維視頻孿生結(jié)合視頻氣體探測攝像機(jī)設(shè)備，快速清晰識(shí)別氣體泄漏及爆炸氣云產(chǎn)生的地點(diǎn)、尺寸和方向，并進(jìn)行泄漏總量的計(jì)算、火災(zāi)情況的探測、氣云累積量的辨識(shí)和計(jì)算，全天候支持對甲烷濃度 250 ppm.m的檢測。通過以上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示，為各種應(yīng)急處置提供有力的支撐[4]。

4.2 人員安全管理短板

傳統(tǒng)模式下，只能采用手工表格和監(jiān)控視頻進(jìn)行人員安全管理，管理效率低下，同時(shí)容易形成安全死角。采用新技術(shù)后，將通過視頻孿生、AI分析和電子圍欄等技術(shù)及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員作業(yè)安全問題，通過有效的預(yù)警及處置，降低人員安全管理風(fēng)險(xiǎn)[5]。

4.3 車輛安全管理短板

傳統(tǒng)模式下，只能采用登記、電子審批形式和監(jiān)控視頻來進(jìn)行車輛安全管理，容易造成管理的疏漏和響應(yīng)不及時(shí)，傳統(tǒng)視頻監(jiān)控不能有效的還原出車輛的行駛軌跡，無法有效對進(jìn)入接收站的車輛進(jìn)行跟蹤管理，容易造成安全漏洞。采用新技術(shù)后，在通過視頻孿生技術(shù)展示車輛在接收站行駛軌跡等信息，并結(jié)合AI識(shí)別來發(fā)現(xiàn)車輛違規(guī)行駛的問題，保障車輛安全管理[6]。

4.4 周界安全管理短板

傳統(tǒng)模式下，只能通過人工查看視頻監(jiān)控來進(jìn)行管理，容易造成管理的疏漏，特別是在面對無人機(jī)時(shí)缺乏有效的手段管理。采用新技術(shù)后，構(gòu)建實(shí)時(shí)實(shí)景周界防護(hù)系統(tǒng)對周界進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)快速處置無人機(jī)、船舶、人員等闖入周界問題，通過視頻融合的方式，實(shí)時(shí)實(shí)景的展示出周界安全的真實(shí)情況[7]。

5 關(guān)鍵技術(shù)分析

國產(chǎn)自主可控的三維地理信息（3D GIS）引擎為基礎(chǔ)核心，建設(shè)可視化AI系統(tǒng)管控平臺(tái)，利用遙感影像、數(shù)字高程、傾斜攝影、BIM模型等地理空間數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生場景，利用三維全景視頻融合、經(jīng)度緯度海拔三維一體空間布局等虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的高新技術(shù)，在傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)視頻與空間位置的融合統(tǒng)一創(chuàng)新應(yīng)用。

系統(tǒng)融合大規(guī)模海量分散的監(jiān)控視頻，利用三維視頻融合技術(shù)將監(jiān)控視頻經(jīng)矯正、拼接后與三維地理信息場景融合統(tǒng)一，并融入AI分析、物聯(lián)感知等業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，形成整體的動(dòng)態(tài)三維電子沙盤活地圖，視頻融合可視感知應(yīng)用系統(tǒng)與三維GIS系統(tǒng)合二為一，二三維一體化協(xié)同指揮，做到整體態(tài)勢與局部細(xì)節(jié)的多尺度感知，所見即所得，為三維全景立體可視化指揮調(diào)度、多部門協(xié)同管理提供強(qiáng)有力的支撐，實(shí)現(xiàn)全局立體可視化高效指揮和應(yīng)急處置。

5.1 三維場景建模

通過無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云和人工建模等方式，對LNG接收站范圍進(jìn)行三維模型構(gòu)建，對LNG接收站范圍進(jìn)行實(shí)景還原，為可視化應(yīng)急指揮及決策掌控提供基礎(chǔ)支撐。

按照LNG接收站規(guī)劃的PDMS圖紙，構(gòu)建LNG接收站的基礎(chǔ)三維框架。在完成基礎(chǔ)三維框架搭建后，需要到現(xiàn)場進(jìn)行勘察工作，包括現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)際情況無人機(jī)傾斜攝影、激光點(diǎn)云測量等工作。在現(xiàn)在勘察完成后，將三維模型、現(xiàn)場數(shù)據(jù)和地理信息進(jìn)行融合，形成一套具體地理位置屬性的三維數(shù)字模型，為系統(tǒng)提供模型的支撐[8]。

建模內(nèi)容包括：

（1）LNG接收站作業(yè)區(qū)三維模型包括：接收站園區(qū)、路面、罐體和管道等；

（2）LNG接收站的人員、車輛和船舶等。

將多種類型的地理信息數(shù)據(jù)（如衛(wèi)星影像、傾斜攝影、矢量數(shù)據(jù)、BIM模型等）整合到一個(gè)三維環(huán)境中，以更加直觀和真實(shí)的方式呈現(xiàn)地球表面的特征和地理信息。用戶可以通過該平臺(tái)進(jìn)行空間分析和可視化，支持多種數(shù)據(jù)格式和輸出方式。

5.2 三維場景設(shè)備標(biāo)注

三維場景設(shè)備標(biāo)注功能是指在三維場景中對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注的功能。具體來說，可以通過該功能在三維場景中添加各種設(shè)備的標(biāo)注信息，如設(shè)備名稱、型號(hào)、位置、狀態(tài)等，方便用戶對設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控。此外，該功能還可以支持設(shè)備的實(shí)時(shí)更新和動(dòng)態(tài)展示，保證用戶對設(shè)備的監(jiān)控和管理更加精準(zhǔn)和及時(shí)[9]。

（1）設(shè)備位置標(biāo)注：在三維場景中標(biāo)注設(shè)備的位置，以便用戶快速找到設(shè)備。

（2）設(shè)備屬性標(biāo)注：在設(shè)備上標(biāo)注設(shè)備的屬性信息，如設(shè)備名稱、型號(hào)、生產(chǎn)廠家等，以便用戶了解設(shè)備的基本信息。

（3）設(shè)備狀態(tài)標(biāo)注：在設(shè)備上標(biāo)注設(shè)備的狀態(tài)信息，如設(shè)備是否正常運(yùn)行、是否需要維修等，以便用戶了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

（4）設(shè)備關(guān)聯(lián)標(biāo)注：在設(shè)備上標(biāo)注設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，如設(shè)備之間的連接方式、數(shù)據(jù)傳輸方式等，以便用戶了解設(shè)備之間的關(guān)系。

5.3 實(shí)景三維視頻拼接/融合技術(shù)

系統(tǒng)接入融合監(jiān)控資源，利用三維視頻拼接/融合技術(shù)，對攝像機(jī)監(jiān)控畫面進(jìn)行矯正、拼接處理，實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控畫面覆蓋區(qū)域的三維場景進(jìn)行融合統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)氣模內(nèi)、前沿、關(guān)鍵路口等區(qū)域的全景三維視頻融合。

構(gòu)建LNG接收站實(shí)景動(dòng)態(tài)的三維立體空間，滿足管理單位對監(jiān)控視頻立體融合感知應(yīng)用的需求，全面提升管理人員對現(xiàn)場態(tài)勢的精準(zhǔn)感知能力。三維融合視頻支持手動(dòng)與自動(dòng)瀏覽播放，利用三維空間場景驅(qū)動(dòng)視頻的查找、定位與瀏覽，顛覆傳統(tǒng)監(jiān)控視頻應(yīng)用方式，解決傳統(tǒng)監(jiān)控視頻位置分布不明確，畫面分散不直觀、視角獨(dú)立看不懂等痛點(diǎn)問題。

5.4 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚

建設(shè)時(shí)空大數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)LNG各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚與集成共享，提供多協(xié)議適配的設(shè)備接入服務(wù)，設(shè)備管控下發(fā)服務(wù)，并對上層提供數(shù)據(jù)共享，包括狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等。通過主題庫方式建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析，提供分析結(jié)果。同時(shí)聚合LNG接收站三維模型數(shù)據(jù)，為LNG接收站數(shù)字孿生場景的構(gòu)建提供地理空間數(shù)據(jù)支撐。

建設(shè)各類物聯(lián)感知設(shè)備數(shù)據(jù)的匯聚接口，支持無線傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)接入，融合物聯(lián)網(wǎng)智能識(shí)別技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、環(huán)境等多要素態(tài)勢的全面采集。對接監(jiān)LNG現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將不同平臺(tái)系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合匯集于系統(tǒng)之上以進(jìn)行可視化管控，支持高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、轉(zhuǎn)換、萃取、同步分析顯示，為用戶決策研判提供全面、客觀的數(shù)據(jù)支持和依據(jù)。

時(shí)空大數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、AI、安防等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚與集成共享。這些業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不再孤立存在，而是匯聚到同一個(gè)平臺(tái)中，通過共享來增加數(shù)據(jù)的價(jià)值。這不僅有利于提高效率和優(yōu)化決策，也有利于預(yù)測未來趨勢和規(guī)劃未來發(fā)展方向。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)挖掘、分析和處理，可以更好地理解數(shù)據(jù)背后的真相和規(guī)律，為業(yè)務(wù)決策提供更加準(zhǔn)確、科學(xué)的依據(jù)[10]。

6 主要應(yīng)用場景

6.1 氣體泄漏識(shí)別管理

利用實(shí)景三維視頻孿生結(jié)合視頻氣體探測攝像機(jī)設(shè)備，能夠在短時(shí)間內(nèi)快速并準(zhǔn)確地感知和呈現(xiàn)氣體產(chǎn)生的精確地點(diǎn)、大小和方向，并通過智能的辨識(shí)能力和精確的計(jì)算功能，有效地識(shí)別并累計(jì)計(jì)算氣云的總量。通過以上仿真模擬和預(yù)警，結(jié)合融合通信技術(shù)，能夠?qū)怏w泄漏的全過程進(jìn)行有效的管理和控制，以確保作業(yè)環(huán)境的安全和穩(wěn)定[11]。

6.2 人員安全管理

根據(jù)LNG接收站人員作業(yè)票管理業(yè)務(wù)模型，完善人員管理功能。該功能在三維空間中構(gòu)建人員活動(dòng)范圍圖層、設(shè)備標(biāo)注、人員活動(dòng)模擬和報(bào)警設(shè)置等相應(yīng)功能。針對人員活動(dòng)圖層設(shè)置人員出入權(quán)限；對視頻、出入口閘機(jī)等設(shè)備進(jìn)行標(biāo)注和建模工作；進(jìn)行人員行動(dòng)模擬、作業(yè)狀態(tài)模擬和違規(guī)狀態(tài)模擬等；報(bào)警設(shè)置包含視頻AI識(shí)別報(bào)警、作業(yè)過程視頻監(jiān)控和違規(guī)進(jìn)入報(bào)警等。

6.3 車輛安全管理

車輛管理功能，構(gòu)建各類車輛模型、車輛可行駛圖層、相應(yīng)設(shè)備建模、車輛行進(jìn)模擬和車輛報(bào)警設(shè)置等相應(yīng)功能。車輛模型將根據(jù)接收站的工作要求來進(jìn)行建模；車輛可行駛圖層包括接收站路網(wǎng)、可行駛范圍權(quán)限管理等；相應(yīng)設(shè)備建模包含出入車輛道閘等；同時(shí)進(jìn)行視頻監(jiān)控標(biāo)注；報(bào)警設(shè)置包含視頻AI識(shí)別報(bào)警、車輛行駛視頻監(jiān)控和違規(guī)進(jìn)入報(bào)警等。

6.4 周界安全管理

結(jié)合無人機(jī)識(shí)別、人員周界識(shí)別和船只碰撞識(shí)別實(shí)現(xiàn)接收站全面周界安全管理。其中低空防御模擬功能包含無人機(jī)監(jiān)控設(shè)備模擬、無人機(jī)飛行展示、低空防御報(bào)警設(shè)置等功能。人員周界模擬，實(shí)現(xiàn)人員入侵行為及周界入侵報(bào)警的展示。船只碰撞識(shí)別將模擬船只碰撞的行為并報(bào)警展示。

7 結(jié)束語

本系統(tǒng)在安全應(yīng)用場景涉及人員安全管理、車輛安全管理及周界安全管理等通用安全場景，具備廣泛的適用性，除項(xiàng)目涉及的LNG接收站之外，港口碼頭等場景均可應(yīng)用，有廣泛的應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

7.1 應(yīng)用前景

1）接收站企業(yè)安全管理

接收站企業(yè)需要處理大量的貨物運(yùn)輸?shù)劝踩a(chǎn)，同時(shí)也承擔(dān)著重大的安全風(fēng)險(xiǎn)。接收站綜合態(tài)勢一張圖可以為接收站企業(yè)提供全方位的安全監(jiān)控，包括疏浚、接收站裝卸、船舶靠泊等環(huán)節(jié)。通過實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，接收站企業(yè)可以快速識(shí)別并解決安全隱患，減少事故發(fā)生，提高作業(yè)效率。利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置[12]。

2）政府監(jiān)管支撐

政府部門可以利用接收站綜合態(tài)勢一張圖來實(shí)現(xiàn)接收站區(qū)域的全面監(jiān)管。政府可以在系統(tǒng)中設(shè)置監(jiān)管指標(biāo)，如安全生產(chǎn)指數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)等，對各個(gè)接收站企業(yè)進(jìn)行評估監(jiān)管。此外，監(jiān)管部門還可以通過系統(tǒng)對接實(shí)時(shí)掌握接收站作業(yè)情況，及時(shí)采取應(yīng)對措施，支撐接收站安全監(jiān)管工作。

3）應(yīng)急管理支撐

在緊急情況下，如火災(zāi)、事故威脅等，接收站綜合態(tài)勢一張圖可以及時(shí)提供相關(guān)信息，幫助應(yīng)急部門快速做出反應(yīng)，最大限度地減少損失和傷亡。此外，系統(tǒng)還可以為救援人員提供詳細(xì)的作業(yè)場景信息，使得救援行動(dòng)更加精確和高效[13]。

7.2 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

7.2.1 提高接收站安全性

接收站綜合態(tài)勢一張圖可以幫助接收站企業(yè)和政府部門全面了解接收站作業(yè)情況，減少事故發(fā)生的可能性，從而提高接收站安全性，為經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力保障。利用視頻孿生技術(shù)結(jié)合視頻氣體探測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)氣體泄漏、爆炸氣云的實(shí)時(shí)預(yù)警定位及處置[14]。

7.2.2 促進(jìn)數(shù)字化智能化升級(jí)

項(xiàng)目利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)接收站管理的數(shù)字化、智能化升級(jí)。這不僅為接收站企業(yè)提供新的管理手段，也為數(shù)字化智能化升級(jí)提供了范例和引領(lǐng)。

7.2.3 提高接收站作業(yè)效率

通過安全管理方面各項(xiàng)內(nèi)容的建設(shè)可以有效幫助接收站精確把握作業(yè)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，提高接收站的作業(yè)效率。