基于一體化運營綜合能源企業(yè)智能應急救援技術(shù)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)的社會責任重大的特點。因此，綜合能源企業(yè)通過技術(shù)創(chuàng)新來不斷提升企業(yè)安全生產(chǎn)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(chǎn)智慧化、管理數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。大數(shù)據(jù)、云計算及5G通信技術(shù)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(shù)，構(gòu)建集信息采集、安全生產(chǎn)、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。基于此，以國家能源投資集團有限責任公司(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(gòu)，進行方案設(shè)計，結(jié)合應急救援需求分析其關(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)和高效應急救援等方面提供技術(shù)保障。

1 總體架構(gòu)設(shè)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(chǎn)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(nèi)部的綜合運營、集約化管理，需要構(gòu)建“資本管控的產(chǎn)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(chǎn)業(yè)板塊和核心產(chǎn)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(chǎn)運營調(diào)度生產(chǎn)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(lǐng)，發(fā)揮產(chǎn)業(yè)協(xié)同效應

構(gòu)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(chǎn)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(chǎn)區(qū)域，以生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)的高效發(fā)展。

3)堅持內(nèi)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(jié)合管理現(xiàn)狀，構(gòu)建數(shù)據(jù)管控和內(nèi)部共享體系，全面推動各產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)管理節(jié)點安全、環(huán)保、生產(chǎn)、經(jīng)營等信息數(shù)據(jù)應用，建立數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實現(xiàn)價值創(chuàng)造。

4)堅持技術(shù)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保障企業(yè)綠色發(fā)展、智慧發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的重要基礎(chǔ)[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(chǎn)經(jīng)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(chǎn)經(jīng)營任務，又要分解產(chǎn)業(yè)實體經(jīng)營指標。

1.2 總體架構(gòu)

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

圖1 總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture

1)基礎(chǔ)層：運用企業(yè)現(xiàn)有軟件系統(tǒng)、云平臺、硬件設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)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(guān)、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(chǎn)調(diào)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(shè)計

2.1 技術(shù)方案設(shè)計

考慮到信息技術(shù)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(shù)架構(gòu)，具體的技術(shù)方案設(shè)計思路如圖2所示。

圖2 技術(shù)方案設(shè)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(diào)用和傳輸。通過構(gòu)建大屏、桌面、移動終端一體化應用設(shè)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(shè)了更加全面且分類細致的應急救援基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫，為應急救援的科學決策奠定了堅實基礎(chǔ)；2)該系統(tǒng)更加智能，構(gòu)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(shè)計

一體化管控系統(tǒng)由運營計劃、生產(chǎn)調(diào)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(lǐng)域用于生產(chǎn)運行、調(diào)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(shè)計思路Fig.3 Design ideas of smooth migration presentation

1)架構(gòu)一體系統(tǒng)共用

應用支撐平臺采用自頂向下的統(tǒng)一設(shè)計與架構(gòu)，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(gòu)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(shè)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(chǎn)應急救援的最高指揮機構(gòu)，需要全面地獲取安全生產(chǎn)應急救援信息，動態(tài)地掌握安全生產(chǎn)應急救援情況，及時地協(xié)調(diào)相關(guān)資源進行指揮救援。“數(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(zhuǎn)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(quán)限控制、編排調(diào)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(zhì)量[10]。“數(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(chǎn)方面起到了積極作用。

3)GIS數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)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(guān)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(guān)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(guān)聯(lián)顯示應急資源的相關(guān)信息。

鑒于企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全性，需要在使用地圖在線實時服務的基礎(chǔ)上，采用地圖引擎技術(shù)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(guān)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(guān)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(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 多災事故耦合的協(xié)同處置技術(shù)

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(shè)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(shù)[11]。

國家能源集團綜合管控一體化系統(tǒng)通過構(gòu)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(chǔ)數(shù)據(jù)庫等一系列智能關(guān)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(guān)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(diào)配物資所需的人手，并結(jié)合GIS地圖及時掌握應急物資調(diào)配情況，建立滿足綜合災害處置的物資調(diào)配體系。此外，該系統(tǒng)根據(jù)不同事故的預案數(shù)字化結(jié)果，結(jié)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(nèi)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(guān)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(shù)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(chǔ)上進行視頻會議，并能夠在所有支持sip協(xié)議的手機、調(diào)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(jié)構(gòu)預案的輔助決策技術(shù)

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(jié)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(jié)果、應急處置要點、會商結(jié)果、任務執(zhí)行情況、領(lǐng)導批示、專家意見等動態(tài)關(guān)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(diào)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(jié)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(guān)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(chǔ)上，對應關(guān)聯(lián)事件預案鏈的數(shù)字化結(jié)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(zhì)，啟用相應類型、等級的應急預案，再結(jié)合事件的致災機理及內(nèi)在發(fā)展規(guī)律，調(diào)閱事件發(fā)展可能導致的次生衍生預案，以提前進行相關(guān)事故的預警、準備及響應工作。應急組織機構(gòu)、處置任務、預警信息、應急準備、應急響應、關(guān)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(guān)系Fig.4 Relationship of main data flow of event chain.plan chain and intelligent scheme

3.3 處置情景構(gòu)建的救援演練技術(shù)

為了更有效地檢驗應急技術(shù)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(chǔ)，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(shù)[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(lǐng)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(jié)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(jié)經(jīng)驗，對此次演練進行科學評價。

4 結(jié)論

1)本文運用了一體系統(tǒng)構(gòu)架共用、數(shù)據(jù)入湖實時獲取、GIS數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)用的方法和多災事故耦合協(xié)同處置、數(shù)字結(jié)構(gòu)預案輔助決策和處置情景構(gòu)建救援演練等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了基于“集團總部-產(chǎn)業(yè)實體-生產(chǎn)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(gòu)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(nèi)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(jié)國家能源集團應急救援隊伍力量，連通國家鐵路網(wǎng)絡(luò)，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(shù)，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(chǎn)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。