基于三維可視化技術的典型生產安全事故防控與應急處置場景設計與實現

畢東月

(安世亞太科技股份有限公司，北京 100025)

0 引言

“十四五”時期是我國全面建成小康社會、實現第一個百年奮斗目標之后，乘勢而上開啟全面建設社會主義現代化國家新征程、向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年。而在眾多社會發展目標中，“統籌發展和安全、建設更高水平的平安中國”[1]始終是安全與應急行業領域學者的研究熱點和重點。十三屆全國人大四次會議通過的《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》[1]中明確提出要“提高安全生產水平”“完善國家應急管理體系”，為我國下一步安全生產工作指明了方向。近些年，隨著新一代信息技術的快速發展，以物聯網、工業互聯網、大數據、VR、AR、AI、區塊鏈等為代表的新興技術快速融入傳統行業領域，為各行各業的創新發展帶來了更大的契機和能量。安全生產領域同樣也迎來了重大的創新發展機遇，2020年10月，工業和信息化部、應急管理部印發了《“工業互聯網+安全生產”行動計劃(2021-2023年)》[2]，提出“通過工業互聯網在安全生產中的融合應用，增強工業安全生產的感知、監測、預警、處置和評估能力，加速安全生產從靜態分析向動態感知、事后應急向事前預防、單點防控向全局聯防的轉變，提升工業生產本質安全水平”。在這些國家層面的規劃和綱要的指導下，將安全生產領域的業務需求與先進的信息技術相融合，是目前業界的研究重點，而從安全生產領域的業務需求目標來看，生產安全事故的防控與應急處置始終是整個業務的核心內容，因此眾多學者圍繞礦山、危化、特種設備、建筑施工等行業領域的事故防控與應急處置開展了針對性研究，擬通過先進信息技術的融合與應用，進一步提升各行業的安全生產水平。在安全信息感知方面，肖國強等[3]針對常用的火災密閉隔離措施無法對密閉環境進行實時動態監測及預報的問題，設計了礦井火災環境信息動態感知與應急隔離系統；王鵬等[4]提出一種分層分域的配電感知系統信息架構設計，并從主站建設、終端研制、通信選擇、模型完善等角度設計了實現目標架構的演進路線；熊逸凡[5]圍繞盾構隧道建設安全問題，針對盾構隧道前方地層災害源的信息感知難題，通過改造盾構機體，發展現有信息感知技術，建立盾構隧道地質-氣體信息感知裝備與技術，分析地質條件與賦存氣體匹配關系，實現前方地層災害源感知信息聯動。在安全信息監測預警方面，張巨峰等[6]應用大數據驅動技術，分析瓦斯與煤自燃共生災害的大數據智能化預警系統的數據特征、應用架構和關鍵技術，搭建大數據驅動的共生災害智能化預警系統應用架構，探討共生災害智能化預警的關鍵在于大數據獲取、集成、分析應用和預警等技術；劉茂[7]進行了危化品行業企業風險監測預警設計以及總部集團風險監測預警設計，形成了危險化學品安全生產風險監測預警整體解決方案。在事故應急指揮方面，張猛[8]在對城市綜合應急需求的分析基礎上，設計了面向城市綜合應急的智能指揮調度系統，采用可視化應急指揮、融合通信、預測預警與智能輔助決策等技術，設計完成可視化指揮調度平臺、融合通信平臺、移動應急平臺等，實現了物聯感知設備接入、監測監控報警、應急響應流程化處置、智能化處置方案、輔助智能研判、扁平化指揮調度等。縱觀以上信息化技術與安全應急業務的融合應用可以發現，網絡化、數字化、可視化、智能化是未來信息化技術應用于安全應急領域的重點趨勢和方向。而從各項安全應急業務工作的實際開展角度來看，安全生產日常管理與事故應急處置環節的數字化與可視化將是其他信息技術應用的基礎和前提，以“事前”的安全監測、隱患排查、安全培訓與演練為例，安全管理對象或場所的可視化場景是各類監測數據、隱患數據以及培訓演練環境的“底圖”，是各類信息加載和展示的載體；而對于“事中”的應急響應、資源調度、應急輔助決策來說，事故應急過程中的可視化環境即是相關應急指令和應急響應行為的直接作用對象與應用場景。因此，可以認為“可視化技術下的事故防控與應急處置場景”能夠服務于日常安全管理、應急演練以及事故應急指揮等應急管理全流程，是將安全生產工作向數字化、網絡化、智能化轉型升級的一項重要基礎工作。因此，本文從生產安全事故防控與應急處置的業務角度出發，在充分分析相關可視化技術的技術特點基礎上，提出相關可視化場景構建的技術路線，并以某危化品運輸槽罐車運輸途中火災爆炸事故場景的構建為例進行舉例說明，研究結果可為生產安全領域其他典型事故場景的三維可視化實現提供技術參考和借鑒。

1 三維可視化技術的分析與比較

可視化(Visualization)是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，再進行交互處理的理論、方法和技術。而三維可視化則是強調場景的三維逼真效果，從三維數據的獲取到最終場景的渲染展示，可涉及傾斜攝影、BIM、三維激光掃描(激光點云)、GIS、VR、WebGL、3D打印等技術，為了更好地分析這些可視化技術應用于生產安全事故防控與應急處置場景構建的技術可行性，本文分別從技術原理與適用業務2個維度分別討論。

1.1 傾斜攝影

傾斜攝影是獲取三維場景數據的技術手段之一，從可視化場景的粒度來看，大多集中在宏觀和中觀場景數據。傾斜攝影自動化建模技術是測繪領域近些年發展起來的一項高新技術，通過同一飛行器的多臺傳感設備同時從垂直、傾斜個角度采集影像，通過全自動批量建模生成傾斜攝影模型，其具有高精度、高效率、高真實感和低成本的優勢，是目前較大范圍三維場景構建的主要技術手段之一，如數字城市。

從傾斜攝影技術特點來看，在安全生產可視化場景構建中，主要可用于較大區域范圍內的地表建構筑物、交通道路、設備設施、水文地理環境等的三維建模，如工業園區、油氣貯存庫區/罐區、尾礦庫等。

1.2 BIM

BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)以建筑工程項目的各項相關信息數據作為模型基礎，詳細、準確記錄建筑物構建的幾何、屬性信息，并以三維模型方式展示。較為常用的BIM軟件包括Revit、Bentley、Tekla、SketchUp、3D Max等。從可視化場景的粒度來看，大多集中在中觀和微觀場景數據層面。

從BIM技術特點來看，在安全生產領域的可視化場景構建中，主要可用于具體施工、生產、加工、儲存等作業裝置以及庫房廠房、儲罐、槽車等的三維建模。

1.3 三維激光掃描

三維激光掃描測量是目前快速獲取三維空間數據的主要技術手段之一，其通過激光傳感器，可每秒獲取幾十萬至幾百萬的空間海量點云，通過高清相機采集的照片與點云進行空間匹配，即可得到真彩色的三維點云，能夠更好地還原現場的真實場景[9]。從實際三維場景構建來看，目前三維激光掃描往往與傾斜攝影相配合，取長補短，以較大范圍的建構筑物的三維場景構建為例，三維激光掃描能夠獲取高精度的三維點云，其對建構筑物近地部分的數據精度能夠彌補傾斜攝影這方面的不足。從可視化場景的粒度來看，大多集中在中觀和微觀場景數據層面。

從三維激光掃描的技術特點來看，在安全生產可視化場景構建中，可以針對工礦企業中的各類重大危險源進行高精度三維建模，如氯堿廠中與氯氣相關的生產和儲存裝置、LNG儲罐等。

1.4 VR與GIS

虛擬現實(VR)與地理信息系統(GIS)是當前2類具有代表性的可視化技術。從技術特點來看，VR加強調更加逼真的仿真場景和真切的用戶體驗，即臨場感，強調用戶對虛擬世界中的真實感。GIS則是立足于真實的地理空間數據，提供相應的空間數據獲取、存儲、管理與業務應用的信息技術與系統，隨著近些年信息技術的快速發展，已經從最初的傳統二維空間數據服務，發展到當前的三維GIS，在可視化層面上也就有了與VR進行比較的可能，但從目前三維GIS的發展趨勢來看，更多的是GIS與VR技術的融合應用，既保持和擴展GIS在空間分析方面的技術特點，同時也吸取VR在浸入式場景構建與用戶體驗方面的優點。VR相關的技術平臺包括unit3D、threejs、thingjs等；GIS的主流平臺包括Supermap、ArcGIS等。

從安全生產的業務角度來看，單純的VR技術可能更多的可以應用到培訓演練、事故案例還原等方面，而GIS則更多的可以應用到應急資源規劃分析、日常安全管理、危險源監測、事故應急指揮等方面。從近些年三維GIS快速發展的角度來看，融入了更多VR技術的GIS應用具有更寬廣的適用范圍，是生產安全事故防控與應急處置場景設計與實現的首選技術方案。

2 生產安全事故防控與應急處置場景的構建需求分析

生產安全事故防控與應急處置場景是一個貫穿“事前”和“事中”的安全生產場景主線，從生產安全事故防控的角度來說，生產安全事故及其可能引起的次生、衍生事故涉及到的區域均在相應的場景構建范圍內，既可以用生產、儲存、使用、經營、運輸等業務環節去劃分得到具體的場景，也可以從“人(人員)、機(機器)、料(物料)、法(法則)、環(環境)”的角度去梳理。此外，由于不同行業領域自身生產特點各異，其相應的生產安全事故類型也差異較大，這也是在進行生產安全事故防控與應急處置場景構建過程中需要重點考慮的問題。因此，為了從業務層面進行場景構建的需求分析，本文提出一個通用的生產安全事故防控與應急處置場景的需求分析框架，如圖1所示。

圖1 生產安全事故防控與應急處置場景的需求分析框架Fig.1 Requirements analysis framework for prevention and control and emergency disposal scenes of work safety accidents

在構建特定生產安全事故防控與應急處置場景時，可以采用圖1所示的需求分析框架從業務層面進行針對性分析，此外，近些年，隨著安全應急管理理論與技術的發展，“情景構建”理論發展較快，很多政府和企業層面已經或正在開展相關的“情景構建”工作，其所采用的“情景-任務-能力”的邏輯主線也可作為場景業務需求分析的參考[10]，如圖2所示。

圖2 情景構建整體內容框架Fig.2 Framework for overall contents of scenario construction

3 生產安全事故防控與應急處置場景構建的技術路線

在生產安全事故防控與應急處置場景構建的需求分析框架指導下，能夠比較清晰地得到相關場景的業務視圖，而在此基礎上，就需要結合不同可視化技術或平臺的技術特點，選擇最佳的技術路線進行設計與實現，本文從技術選型與場景二次開發2個方面進行討論。

3.1 技術選型

考慮到生產安全事故防控與應急處置場景是一個靜態與動態相結合、三維可視化與專業計算分析相融合的專業場景，本文提出GIS+VR的整體技術選型思路，力求將GIS中空間數據管理以及專業的空間分析模型與VR的“浸入式體驗”相結合，打造具有安全生產行業領域特點的可視化場景，最終用于“事前”的事故防控以及“事后”的應急處置。

3.1.1 GIS選型

從目前國內外GIS平臺來看，既有ArcGIS和Supermap這些較早進入地理信息行業領域的專業軟件平臺，也有近些年應用非常廣泛的百度地圖、高德地圖等平臺，綜合考慮技術平臺的線上、線下使用特點，以及相應在二三維一體化方面的功能布局，可選擇Supermap的系列三維GIS產品，包括：服務器SuperMap iSever；門戶SuperMap iPortal；邊緣計算SuperMap iEdge；組件SuperMap iObjects C++/Java；桌面SuperMap iDesktop / iDesktopX；移動SuperMap iMobile/iTablet；SuperMap iClient3D for WebGL和 SuperMap iEarth。此外，Supermap三維GIS平臺可以融合傾斜攝影、BIM、激光點云等三維數據，支持不同粒度(宏觀、中觀、微觀)的三維可視化場景的制作和展示。Supermap iDesktop下的三維場景效果(球面場景)如圖3所示。

圖3 Supermap下的三維場景效果Fig.3 Three-dimensional scene effect in Supermap

3.1.2 BIM選型

對于BIM來說，其在三維可視化建模方面主要集中在單體精細化模型的構建上(如：某個存儲危險化學品的庫房或儲罐)，可以與較大范圍的區域三維空間場景一并構成生產安全事故防控與應急處置的三維可視化環境，因此本文有關BIM的選型，除了BIM平臺本身的功能以外，還會重點考慮與上文GIS的可融合性，對于Supermap來說，其可以融合Revit、Bentley、Tekla、SketchUp、3D Max等BIM數據，考慮到模型構建的精細程度以及隨之帶來的時間成本，可以分別選擇Revit或Sketchup，建模效果如圖4所示。

圖4 典型BIM軟件下的三維精密模型效果Fig.4 Three-dimensional precision model effect in typical BIM softwares

3.1.3 三維激光掃描選型

目前市面上的三維激光掃描設備類型(肩背式的、車載式的、飛機掛載等)較多，可根據實際使用環境進行選擇，此外，設備采集后的點云數據可以有多種處理方法，本文考慮到與GIS和BIM平臺的融合應用，故提出以las格式文件為激光點云數據文件格式。Supermap可以將las點云文件生成OSGB緩存后進行加載，如圖5所示。

圖5 Supermap下的las點云文件加載Fig.5 Las point cloud file loading in Supermap

3.2 場景二次開發

場景的二次開發是進一步將三維可視化場景進行深度應用的必要環節，從技術層面來看，圍繞三維場景的二次開發可以依托不同的技術平臺，如目前比較主流的unit3D、threejs、thingjs等，此外，近些年隨著GIS在三維可視化方面的技術發展，基于GIS平臺也可進行相應三維場景的二次定制和應用開發，本文所提出的即是基于Supermap二三維一體化平臺進行場景的二次開發，Supermap二三維一體化平臺的技術體系架構如圖6所示。

圖6 Supermap二三維一體化平臺技術體系架構Fig.6 Technical system framework of two-dimensional and three-dimensional integrated platform in Supermap

在明確了場景二次開發的技術平臺和架構后，需要考慮與生產安全事故防控與應急處置業務進行融合，如表1所示。

4 某生產安全事故防控與應急處置場景實例說明

在上文的業務分析框架和技術路線的基礎上，下面以某危化品運輸槽罐車運輸途中火災爆炸事故場景的構建為例進行舉例說明，本實例采用GIS(Supermap)+BIM(SketchUp)組合技術來實現，根據場景構建的不同視角和顯示效果分別展示，如圖7～9所示。

表1 生產安全事故防控與應急處置對三維可視化技術的應用需求分析Table 1 Application requirements analysis on prevention and control and emergency disposal of work safety accidents for three-dimensional visualization technology

圖7 構建的某城市商業密集區域二三維一體化場景效果Fig.7 Constructed two-dimensional and three-dimensional integrated scene effect of an urban commercial dense area

圖8 液化氣槽罐車的SU模型效果Fig.8 SU model effect of liquefied gas tanker

圖9 液化氣槽罐車火災爆炸三維粒子效果Fig.9 Three-dimensional particles effect of fire and explosion of liquefied gas tanker

5 結論

1)在充分分析當前主流的三維可視化技術基礎上，結合生產安全事故防控與應急處置的業務特點，提出一個通用的生產安全事故防控與應急處置場景的需求分析框架。

2)在生產安全事故防控與應急處置場景構建的需求分析框架指導下，結合不同可視化技術或平臺的技術特點，提出GIS+VR的場景構建技術路線，并從技術選型與場景二次開發2個方面進行分析討論。

3)以某危化品運輸車輛運輸途中火災爆炸事故場景的構建為例進行舉例說明，將Supermap作為GIS平臺，并集成SketchUp構建的三維槽罐車模型，研究結果可為生產安全領域其他典型事故場景的三維可視化實現提供技術參考和借鑒。