AR實景與應急指揮技術融合在化工園區的應用

王群孝 孫飛 段土亮 朱敏杰

(1.鎮江江南化工有限公司，江蘇 鎮江 212152；2.高新興創聯科技有限公司，浙江 杭州 310013)

0 引言

化工園區的安全生產對化工行業迅速發展具有重要意義，也是我國化學工業集約化發展的基本形式。2012年8月，國務院安委會發布《關于進一步加強化工園區安全管理的指導意見》，要求加強化工園區安全管理，降低園區系統安全風險，增強園區安全應急保障能力，提高園區本質安全水平。2015年9月8日工信部啟動智慧化工園區試點工作，旨在探索形成標準化、可推廣的智慧化工園區發展范式，并于同年發布《關于促進化工園區規范化發展的指導意見》(工信部原〔2015〕 433 號)，文件指出：“鼓勵有條件的園區全面整合園區信息化資源，以提升園區本質安全和環境保護水平為目的建設智慧園區，建立安全、環保、應急救援和公共服務一體化信息管理平臺”。至此全國多地化工園區紛紛對智慧園區建設做出響應。

然而，近年來化工行業安全事故頻發，“3·21響水爆炸事故”更是將化工安全監管力度再度推向輿論熱潮。由此從政府管理[1]角度來看，安全環保管理的高壓態勢已越來越強，管理壓力層層傳導；但從另一個維度來看，國內化工園區的安全環保事故仍然屢禁不止，可見園區安全環保智慧化覆蓋程度遠遠不夠。因此，通過智能化手段和專業化運營團隊提升園區規范化、高效化管理水平，實時把控企業的安全環保態已勢已經刻不容緩。

1 關鍵技術

AR實景應急指揮系統主要通過AR增強現實技術[2]為核心，以視頻地圖引擎為基礎，結合物聯網、云計算及大數據技術，可實現多種場景全局態勢監測、預警信息研判、實景指揮調度。方案在設計時以實際應用為出發點，充分考慮利用化工園區原有數字化資源，以可靠性、兼容性、先進性、擴展性、易管理性、易維護性、安全性為原則。方案根據化工園區實際生產場景、管理要求和信息化現狀，對AR實景應急指揮系統構架做了進一步的定制開發。通過增設高點AR攝像頭，接入視頻監控、門禁管理、周界預警等各類原有監控資源，以及五位一體管理平臺等業務數據。以高點AR攝像機鳥瞰視角掌握生產區域整體情況，調用低點攝像機從不同角度查看各生產單元區域細節，絕大部分的生產重要信息都能在高點監控畫面直觀展示，可實現縱覽全局和掌控細節的立體化、可視化集成管理，系統框架如圖1所示。

圖1 系統平臺框架

采集層是數字化建設時安裝的各種前端傳感器，如攝像機、流量計、壓力變送器、溫度變送器等，是整個系統業務信息主要來源。通過網關引擎，以網關集群的形式存在，接收獲取信息上送至采集層，實現多系統融合。網關引擎支持MySQL、Oracle、SQLServer、DB2、MongoDB 等多種關系型及非關系型數據庫數據接入，支持Ehcache、Memcache、Redis等緩存接入，支 持RabbitMQ、ZeroMQ、ActiveMQ、Kafka、Apache Qpid 等消息總線接入，支持TCP 、UDP等服務接入，支持WebSocket、WebService、HTTP Restful等接口接入，支持NVR、IPC、CVR、移動音視頻儀等網絡安防設備接入，IPC提供SDK及GB28181兩種接入方式。通過上述豐富對接方式可輕松實現多種異構系統信息獲取，獲取后轉換成采集層可識別的標準數據，提供給采集層。

子系統是數字化建設時為各種前端傳感器配套的采集、處理、控制、顯示平臺，如視頻監控平臺、五位一體管理平臺、可燃有毒氣體泄漏監測系統、煙火報警系統等。這些平臺大都只是對數據進行采集、簡單分析處理、顯示。

AR實景應急指揮系統的服務層包含視頻標簽管理服務、數據管理服務、實現數據分析、發布服務，是對各子系統進行整合、優化，為上層應用提供服務支撐。

應用展示層是一個綜合運用多種創新大數據可視化技術的展示層應用程序，基于業務系統的數據環境支撐，將通過結合增強現實技術，可視化、扁平化[3]地將各種動態運行數據疊加到全局監控的視頻畫面上，從而真實還原生產現場重點設備、人、車、事件等大數據信息，實現實景視頻地圖、報警自動推送、智能處置、可視化生產管理指揮等應用。

前端增加的AR攝像機(圖2)整合增強現實AR技術、光學校準及空間定位算法，且具有超強透霧性能，白天最遠可視距離3300m，夜間最遠可視距離1500m，其主要功能有：

圖2 超清AR攝像機

視頻標簽：可以實現全視野下多目標的智能標簽，全面展現目標的屬性、特征，智能標簽創新地實現全局搜索、畫中畫、智能聯動等功能。

視頻結構化描述：實現視頻結構化前置，支持對目標進行長度、高度的測量，可在實戰應用中起到重要的作用。

方位感知：在實時監控畫面中添加攝像機的經緯度、方位角，標注目標的名稱、地址、聯系方式等信息，幫助監控人員了解監控畫面中的視頻信息及時有效地處理視頻畫面中捕捉到的異常情況、突發事件。

北斗/GPS定位及校時：與衛星時間同步，防止設備時間被篡改。

2 建設成果

整個項目建設了一套AR實景應急指揮平臺、10臺防爆高點AR攝像機，以及進行了智慧園區數據接入，實現了全廠視頻監控的整合優化和應急指揮資源的聯動，優化以下功能：

(1)如圖3所示系統接入了原有視頻監控，可實現多攝像頭標簽，四分屏監控及一鍵視頻上墻，在視頻畫面上實現緊急預案的實景展現，提供在線指揮功能，指揮人員通過攝像頭聯動實時指揮現場情況，同時提供預案參考如撤退路線、相關人員聯系方式等功能。

圖3 視頻管理圖

(2)系統可輕松實現在高點視頻畫面上對應急資源快速定位(圖4)，支持查看應急資源分布、物資狀態、聯系人、聯系方式等，保證應急事件發生時應急物資的高效調用。

圖4 資源查詢

(3)系統支持應急指揮模式(圖5)。應急接警功能，對于現場事故進行事中重點信息錄入和細節事后補錄，實現大小事故與隱患的全局統計，并支持進行事故隱患數據分析，定位事故頻發的點，提供研判依據；應急數據調用功能，實現指揮過程中的資源快速調用目的。

圖5 應急指揮

(4)系統支持接入GPS車輛系統、對講機、帶GPS巡檢設備等，實時呈現車輛、人員分布，行走軌跡，可對視頻畫面內的物體進行標識，無論視頻畫面如何轉動，標簽始終跟隨物體。標簽可分層分類展示，標簽可被搜索、定位；當系統搜索到某個目標位置時，系統畫面能夠自動聚焦到目標位置，并在監控中心以最大畫面展示。整體形成一個視頻實景地圖，能給監控人員帶來非常直觀的臨場感。

(5)系統支持接入視頻門禁、周界防范系統等，可對非法入侵的人體、車輛進行報警展示，在系統平臺自動抓拍，提供自動展示、預警。

(6)擴大了監控覆蓋范圍，以AR攝像頭為圓心，白天半徑2～3km內實現重點區域全覆蓋，監控人員在值班室就可隨時查看裝置、危險源的實時情況，發現有泄露、明火等異常情況可及時抓拍圖片并迅速進入警戒狀態。

(7)實現了多系統集成、聯動，應急安保人員不再需在多個系統間切換，提高了工作效率。

3 價值

3.1 直接價值

3.1.1 更高效的信息搜索

AR實景應急指揮平臺對化工業務流程的效率有著顯著的影響，主要體現在節省了大量的時間。視頻信息、工藝參數、設備維修、實景指揮等管理方案的制定和決策的下達可以通過統一門戶進行管理。該系統集合了大量裝置工藝數據和現場動態資源數據以及各種相關的建設、運維、安全數據，并通過集成各種生產運行相關的信息系統，使動靜態數據得以進入一套系統中并建立數據間的網狀關聯關系，通過信息間的互校驗和索引信息，保證了信息的單點查詢、正確無誤和高效檢索，極大地減少了信息的檢索時間。

實際使用效果：用戶用于搜索信息的時間從占用用戶時間的40%降到20%，相當于每個用戶平均信息搜索效率提升100%，搜索效率提升使用戶平均可以提高20%的管理效率。

定量測試數據：以搜索裝置數據為例，利用常規搜索邏輯搜索查找目標信息需要經過多次條件篩選，5次彈窗，耗時約12s；利用該系統后，可直接在實景地理圖層上通過復合條件篩選迅速實現目標數據定位、查看調閱，1次彈窗即可，耗時約6s，單用戶平均信息搜索效率約提升100%，間接帶來的管理效率約提升20%。

3.1.2 具象化實景指揮處置提升效果

通過AR實景應急指揮平臺可以實現各類應急演練場景具象化，在桌面演練執行上，突破傳統利用GIS地圖、沙盤、流程圖等方式。在VGIS實景地圖上依據應急預案對事先假定的演練情景可以進行交互式討論和推演應急決策及現場處置的過程，有效促進相關人員掌握應急預案中所規定的職責和程序，提高指揮決策和協同配合能力，單場景下的桌面式指揮處置時間預期同比減少62.3%，指揮處置效率預期提升60%。

桌面指揮處置預期效率值通過比對利用電子沙盤演練和該系統下模擬指揮處置進行統計分析，模擬一次設備故障專項演練電子沙盤全流程做下來需要4h，該系統在計算機技術模擬設備故障演練全流程做下來耗時1.51h，單場景下的桌面式指揮處置時間預期同比減少62.3%。結合其他維度分析得出預期處置效率提升60%。

在事故搶險處置演練中，系統可實景化模擬不同類型、規模、內容、程序的事故場景，模擬事故點周邊視頻信息、重大危險源、應急資源的聯動調用，對事故發生、現場應急處置和救援過程進行全流程監管，演練完成后通過系統記錄的各流程信息實時評估演練效果和應急預案修訂，以保證預案腳本的針對性和實用性，同時對應急演練的定義、目的、內容、程序、組織、實施、監控與評估等方面進行標準規范制定，單場景下的現場應急演練時間預期同比減少57.1%，應急演練處置效率預期提升40%。通過各類規范標準的制定，對現場應急演練資源調度、人員配合、演練考評等方面進行規范監管，可有效避免各類傳統應急救援執行過程的物資浪費，將帶來應急演練能效的極大提升。

3.1.3 前端設備利舊接入

AR實景應急指揮平臺設計需遵循GB/T 28181—2011《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》，可以將化工園區內800多路各類視頻圖像采集終端進行利舊接入，無需重復二次建設。充分進行監控資源整合，實現聯網共享及統一管理。系統所有視頻圖像需采用標準H.264/H.265格式，控制協議需采用 GB/T 28181—2011《安全防范視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》標準協議，當與第三方視頻監控系統實現視頻共享時，可以通過標準H.264/H.265格式圖像與GB/T 28181—2011協議實現共享與控制。

3.1.4 減少支持性應用程序成本

大量的信息化應用可以直接在AR實景應急指揮平臺上實現，系統支持以網頁/圖片/視頻/程序客戶端直接查看調用，省去客戶端購買大量應用和瀏覽軟件工具的費用及軟件的維護、支持費用。

3.2 間接效益

在可預期的時間內，AR實景應急指揮平臺將提供了更大的應用拓展空間。

3.2.1 集成和拓展新的應用

系統平臺需采用面向服務的SOA架構，基于園區生產管理系統層次多、面廣的特點，在企業應用集成平臺的基礎上，可充分利用SOA架構應用內低耦合、可插拔的特點實現應用內集成和應用間集成的全方位整合。

AR實景應急指揮平臺是一個綜合的集成應用平臺，可利用系統良好的兼容性、拓展性特點，通過有限的二次開發可以實現更多的應用功能，這將使未來需要新建的信息系統大為減少，可有效降低未來信息化建設成本投入。

說明：(1)AR系統在應用間集成上，以企業服務總線(ESB)和面向服務體系架構(SOA)為核心，通過界面集成、數據集成、應用集成等手段，可實現本項目各業務應用系統之間以及本項目各業務應用系統與企業已建系統的無縫集成；(2)平臺采用J2EE標準框架的技術實現路線，從底層架構設計上保障應用軟件的科學性和先進性，提供標準化對外接口，確保平臺良好的擴展性和兼容性，基于VGIS地圖引擎可開展二次開發增加其他業務功能應用，未來考慮建設的信息化系統功能可遷移或在AR實景系統上得以實現。

3.2.2 更多移動資源接入

系統支持各類型的移動資源接入并在實景畫面上進行調度，通過GPS坐標映射實時定位各類型移動資源在實景畫面中的具體位置。現階段可接入手持移動終端、防爆手機等設備采集現場音視信息，后期可接入無人機、應急救援車輛等移動資源。平時可通過移動音視頻終端實現現場作業實時動態監管，戰時指揮中心人員可根據現場實際情況，調整人員分布；當發生突發情況或安全生產事故時，可快速通過視頻畫面直觀了解視頻信息及位置信息，及時通知就近人員進行確認核實并進行相關處置，指揮員可點擊標簽獲取安保人員相關信息，進行調配和視頻聯動，可有效加強指揮中心和現場的聯動，提高應急事故處置能力，減少人員傷亡和經濟財產損失。

4 大數據分析技術的應用

前期的探索，只是對視頻監控和部分園區智慧數據進行了整合優化，實現了應急過程中的各類系統聯動，但還沒有對前端數據和應急事件數據進行深度處理。下一步主要工作是利用大數據分析技術，通過對資源對象數據關系建立多維算法模型，將海量數據進行篩選、提煉，為實際使用者提供需要的數據內容，深化實際數據的價值，以實現故障預測、故障分析、事故預警、事故定位、決策支持等智能化運用，總體數據分析處理框架如圖6所示，故障預測模型如圖7所示，預案自動識別流程如圖8所示。

圖6 數據處理框圖

圖7 故障預測框圖

圖8 預案自動識別框圖

5 結語

通過物聯網、大數據、云計算、深度學習、視覺技術、移動運用等技術，可集成、優化現有系統功能和應用，實現信息化與生產經營深度融合，重塑能源化工生產管理流程[4]。集成生產中涉及到生產對象、工況等智能設備、儀表、生產系統的實時狀態信息，建立資源對象關系多維模型，通過對事件、故障的機器學習，自動識別事件等級，自動生成風險評估模型事件/故障評估模型和推薦預案。就可以達到故障自動預測、故障自動分析、事故自動預警、事故自動定位、處理預案自動匹配、應急指揮等智能化運行管理[5]。