王群孝 孙飞 段土亮 朱敏杰

(1.镇江江南化工有限公司，江苏 镇江 212152；2.高新兴创联科技有限公司，浙江 杭州 310013)

0 引言

化工园区的安全生产对化工行业迅速发展具有重要意义，也是我国化学工业集约化发展的基本形式。2012年8月，国务院安委会发布《关于进一步加强化工园区安全管理的指导意见》，要求加强化工园区安全管理，降低园区系统安全风险，增强园区安全应急保障能力，提高园区本质安全水平。2015年9月8日工信部启动智慧化工园区试点工作，旨在探索形成标准化、可推广的智慧化工园区发展范式，并于同年发布《关于促进化工园区规范化发展的指导意见》(工信部原〔2015〕 433 号)，文件指出：“鼓励有条件的园区全面整合园区信息化资源，以提升园区本质安全和环境保护水平为目的建设智慧园区，建立安全、环保、应急救援和公共服务一体化信息管理平台”。至此全国多地化工园区纷纷对智慧园区建设做出响应。

然而，近年来化工行业安全事故频发，“3·21响水爆炸事故”更是将化工安全监管力度再度推向舆论热潮。由此从政府管理[1]角度来看，安全环保管理的高压态势已越来越强，管理压力层层传导；但从另一个维度来看，国内化工园区的安全环保事故仍然屡禁不止，可见园区安全环保智慧化覆盖程度远远不够。因此，通过智能化手段和专业化运营团队提升园区规范化、高效化管理水平，实时把控企业的安全环保态已势已经刻不容缓。

1 关键技术

AR实景应急指挥系统主要通过AR增强现实技术[2]为核心，以视频地图引擎为基础，结合物联网、云计算及大数据技术，可实现多种场景全局态势监测、预警信息研判、实景指挥调度。方案在设计时以实际应用为出发点，充分考虑利用化工园区原有数字化资源，以可靠性、兼容性、先进性、扩展性、易管理性、易维护性、安全性为原则。方案根据化工园区实际生产场景、管理要求和信息化现状，对AR实景应急指挥系统构架做了进一步的定制开发。通过增设高点AR摄像头，接入视频监控、门禁管理、周界预警等各类原有监控资源，以及五位一体管理平台等业务数据。以高点AR摄像机鸟瞰视角掌握生产区域整体情况，调用低点摄像机从不同角度查看各生产单元区域细节，绝大部分的生产重要信息都能在高点监控画面直观展示，可实现纵览全局和掌控细节的立体化、可视化集成管理，系统框架如图1所示。

图1 系统平台框架

采集层是数字化建设时安装的各种前端传感器，如摄像机、流量计、压力变送器、温度变送器等，是整个系统业务信息主要来源。通过网关引擎，以网关集群的形式存在，接收获取信息上送至采集层，实现多系统融合。网关引擎支持MySQL、Oracle、SQLServer、DB2、MongoDB 等多种关系型及非关系型数据库数据接入，支持Ehcache、Memcache、Redis等缓存接入，支 持RabbitMQ、ZeroMQ、ActiveMQ、Kafka、Apache Qpid 等消息总线接入，支持TCP 、UDP等服务接入，支持WebSocket、WebService、HTTP Restful等接口接入，支持NVR、IPC、CVR、移动音视频仪等网络安防设备接入，IPC提供SDK及GB28181两种接入方式。通过上述丰富对接方式可轻松实现多种异构系统信息获取，获取后转换成采集层可识别的标准数据，提供给采集层。

子系统是数字化建设时为各种前端传感器配套的采集、处理、控制、显示平台，如视频监控平台、五位一体管理平台、可燃有毒气体泄漏监测系统、烟火报警系统等。这些平台大都只是对数据进行采集、简单分析处理、显示。

AR实景应急指挥系统的服务层包含视频标签管理服务、数据管理服务、实现数据分析、发布服务，是对各子系统进行整合、优化，为上层应用提供服务支撑。

应用展示层是一个综合运用多种创新大数据可视化技术的展示层应用程序，基于业务系统的数据环境支撑，将通过结合增强现实技术，可视化、扁平化[3]地将各种动态运行数据叠加到全局监控的视频画面上，从而真实还原生产现场重点设备、人、车、事件等大数据信息，实现实景视频地图、报警自动推送、智能处置、可视化生产管理指挥等应用。

前端增加的AR摄像机(图2)整合增强现实AR技术、光学校准及空间定位算法，且具有超强透雾性能，白天最远可视距离3300m，夜间最远可视距离1500m，其主要功能有：

图2 超清AR摄像机

视频标签：可以实现全视野下多目标的智能标签，全面展现目标的属性、特征，智能标签创新地实现全局搜索、画中画、智能联动等功能。

视频结构化描述：实现视频结构化前置，支持对目标进行长度、高度的测量，可在实战应用中起到重要的作用。

方位感知：在实时监控画面中添加摄像机的经纬度、方位角，标注目标的名称、地址、联系方式等信息，帮助监控人员了解监控画面中的视频信息及时有效地处理视频画面中捕捉到的异常情况、突发事件。

北斗/GPS定位及校时：与卫星时间同步，防止设备时间被篡改。

2 建设成果

整个项目建设了一套AR实景应急指挥平台、10台防爆高点AR摄像机，以及进行了智慧园区数据接入，实现了全厂视频监控的整合优化和应急指挥资源的联动，优化以下功能：

(1)如图3所示系统接入了原有视频监控，可实现多摄像头标签，四分屏监控及一键视频上墙，在视频画面上实现紧急预案的实景展现，提供在线指挥功能，指挥人员通过摄像头联动实时指挥现场情况，同时提供预案参考如撤退路线、相关人员联系方式等功能。

图3 视频管理图

(2)系统可轻松实现在高点视频画面上对应急资源快速定位(图4)，支持查看应急资源分布、物资状态、联系人、联系方式等，保证应急事件发生时应急物资的高效调用。

图4 资源查询

(3)系统支持应急指挥模式(图5)。应急接警功能，对于现场事故进行事中重点信息录入和细节事后补录，实现大小事故与隐患的全局统计，并支持进行事故隐患数据分析，定位事故频发的点，提供研判依据；应急数据调用功能，实现指挥过程中的资源快速调用目的。

图5 应急指挥

(4)系统支持接入GPS车辆系统、对讲机、带GPS巡检设备等，实时呈现车辆、人员分布，行走轨迹，可对视频画面内的物体进行标识，无论视频画面如何转动，标签始终跟随物体。标签可分层分类展示，标签可被搜索、定位；当系统搜索到某个目标位置时，系统画面能够自动聚焦到目标位置，并在监控中心以最大画面展示。整体形成一个视频实景地图，能给监控人员带来非常直观的临场感。

(5)系统支持接入视频门禁、周界防范系统等，可对非法入侵的人体、车辆进行报警展示，在系统平台自动抓拍，提供自动展示、预警。

(6)扩大了监控覆盖范围，以AR摄像头为圆心，白天半径2～3km内实现重点区域全覆盖，监控人员在值班室就可随时查看装置、危险源的实时情况，发现有泄露、明火等异常情况可及时抓拍图片并迅速进入警戒状态。

(7)实现了多系统集成、联动，应急安保人员不再需在多个系统间切换，提高了工作效率。

3 价值

3.1 直接价值

3.1.1 更高效的信息搜索

AR实景应急指挥平台对化工业务流程的效率有着显著的影响，主要体现在节省了大量的时间。视频信息、工艺参数、设备维修、实景指挥等管理方案的制定和决策的下达可以通过统一门户进行管理。该系统集合了大量装置工艺数据和现场动态资源数据以及各种相关的建设、运维、安全数据，并通过集成各种生产运行相关的信息系统，使动静态数据得以进入一套系统中并建立数据间的网状关联关系，通过信息间的互校验和索引信息，保证了信息的单点查询、正确无误和高效检索，极大地减少了信息的检索时间。

实际使用效果：用户用于搜索信息的时间从占用用户时间的40%降到20%，相当于每个用户平均信息搜索效率提升100%，搜索效率提升使用户平均可以提高20%的管理效率。

定量测试数据：以搜索装置数据为例，利用常规搜索逻辑搜索查找目标信息需要经过多次条件筛选，5次弹窗，耗时约12s；利用该系统后，可直接在实景地理图层上通过复合条件筛选迅速实现目标数据定位、查看调阅，1次弹窗即可，耗时约6s，单用户平均信息搜索效率约提升100%，间接带来的管理效率约提升20%。

3.1.2 具象化实景指挥处置提升效果

通过AR实景应急指挥平台可以实现各类应急演练场景具象化，在桌面演练执行上，突破传统利用GIS地图、沙盘、流程图等方式。在VGIS实景地图上依据应急预案对事先假定的演练情景可以进行交互式讨论和推演应急决策及现场处置的过程，有效促进相关人员掌握应急预案中所规定的职责和程序，提高指挥决策和协同配合能力，单场景下的桌面式指挥处置时间预期同比减少62.3%，指挥处置效率预期提升60%。

桌面指挥处置预期效率值通过比对利用电子沙盘演练和该系统下模拟指挥处置进行统计分析，模拟一次设备故障专项演练电子沙盘全流程做下来需要4h，该系统在计算机技术模拟设备故障演练全流程做下来耗时1.51h，单场景下的桌面式指挥处置时间预期同比减少62.3%。结合其他维度分析得出预期处置效率提升60%。

在事故抢险处置演练中，系统可实景化模拟不同类型、规模、内容、程序的事故场景，模拟事故点周边视频信息、重大危险源、应急资源的联动调用，对事故发生、现场应急处置和救援过程进行全流程监管，演练完成后通过系统记录的各流程信息实时评估演练效果和应急预案修订，以保证预案脚本的针对性和实用性，同时对应急演练的定义、目的、内容、程序、组织、实施、监控与评估等方面进行标准规范制定，单场景下的现场应急演练时间预期同比减少57.1%，应急演练处置效率预期提升40%。通过各类规范标准的制定，对现场应急演练资源调度、人员配合、演练考评等方面进行规范监管，可有效避免各类传统应急救援执行过程的物资浪费，将带来应急演练能效的极大提升。

3.1.3 前端设备利旧接入

AR实景应急指挥平台设计需遵循GB/T 28181—2011《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》，可以将化工园区内800多路各类视频图像采集终端进行利旧接入，无需重复二次建设。充分进行监控资源整合，实现联网共享及统一管理。系统所有视频图像需采用标准H.264/H.265格式，控制协议需采用 GB/T 28181—2011《安全防范视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》标准协议，当与第三方视频监控系统实现视频共享时，可以通过标准H.264/H.265格式图像与GB/T 28181—2011协议实现共享与控制。

3.1.4 减少支持性应用程序成本

大量的信息化应用可以直接在AR实景应急指挥平台上实现，系统支持以网页/图片/视频/程序客户端直接查看调用，省去客户端购买大量应用和浏览软件工具的费用及软件的维护、支持费用。

3.2 间接效益

在可预期的时间内，AR实景应急指挥平台将提供了更大的应用拓展空间。

3.2.1 集成和拓展新的应用

系统平台需采用面向服务的SOA架构，基于园区生产管理系统层次多、面广的特点，在企业应用集成平台的基础上，可充分利用SOA架构应用内低耦合、可插拔的特点实现应用内集成和应用间集成的全方位整合。

AR实景应急指挥平台是一个综合的集成应用平台，可利用系统良好的兼容性、拓展性特点，通过有限的二次开发可以实现更多的应用功能，这将使未来需要新建的信息系统大为减少，可有效降低未来信息化建设成本投入。

说明：(1)AR系统在应用间集成上，以企业服务总线(ESB)和面向服务体系架构(SOA)为核心，通过界面集成、数据集成、应用集成等手段，可实现本项目各业务应用系统之间以及本项目各业务应用系统与企业已建系统的无缝集成；(2)平台采用J2EE标准框架的技术实现路线，从底层架构设计上保障应用软件的科学性和先进性，提供标准化对外接口，确保平台良好的扩展性和兼容性，基于VGIS地图引擎可开展二次开发增加其他业务功能应用，未来考虑建设的信息化系统功能可迁移或在AR实景系统上得以实现。

3.2.2 更多移动资源接入

系统支持各类型的移动资源接入并在实景画面上进行调度，通过GPS坐标映射实时定位各类型移动资源在实景画面中的具体位置。现阶段可接入手持移动终端、防爆手机等设备采集现场音视信息，后期可接入无人机、应急救援车辆等移动资源。平时可通过移动音视频终端实现现场作业实时动态监管，战时指挥中心人员可根据现场实际情况，调整人员分布；当发生突发情况或安全生产事故时，可快速通过视频画面直观了解视频信息及位置信息，及时通知就近人员进行确认核实并进行相关处置，指挥员可点击标签获取安保人员相关信息，进行调配和视频联动，可有效加强指挥中心和现场的联动，提高应急事故处置能力，减少人员伤亡和经济财产损失。

4 大数据分析技术的应用

前期的探索，只是对视频监控和部分园区智慧数据进行了整合优化，实现了应急过程中的各类系统联动，但还没有对前端数据和应急事件数据进行深度处理。下一步主要工作是利用大数据分析技术，通过对资源对象数据关系建立多维算法模型，将海量数据进行筛选、提炼，为实际使用者提供需要的数据内容，深化实际数据的价值，以实现故障预测、故障分析、事故预警、事故定位、决策支持等智能化运用，总体数据分析处理框架如图6所示，故障预测模型如图7所示，预案自动识别流程如图8所示。

图6 数据处理框图

图7 故障预测框图

图8 预案自动识别框图

5 结语

通过物联网、大数据、云计算、深度学习、视觉技术、移动运用等技术，可集成、优化现有系统功能和应用，实现信息化与生产经营深度融合，重塑能源化工生产管理流程[4]。集成生产中涉及到生产对象、工况等智能设备、仪表、生产系统的实时状态信息，建立资源对象关系多维模型，通过对事件、故障的机器学习，自动识别事件等级，自动生成风险评估模型事件/故障评估模型和推荐预案。就可以达到故障自动预测、故障自动分析、事故自动预警、事故自动定位、处理预案自动匹配、应急指挥等智能化运行管理[5]。