LNG接收站安全生產可視化管理系統研發

黃少華 董巖 趙鈺 楊吉強 陳剛

1.中交城鄉能源有限責任公司 北京 100029

2.中城鄉（煙臺）液化天然氣有限公司 山東 煙臺 264000

國務院國資委在《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》中指出，按照場景驅動、快速示范的原則，加強智能現場建設，推進5G、物聯網、大數據、人工智能、數字孿生等技術規模化集成應用，實現作業現場全要素、全過程自動感知、實時分析和自適應優化決策，提高生產質量、效率和資產運營水平，賦能企業提質增效。

目前國外使用數字孿生技術在LNG作業區安全生產方面主要是對作業區結合物聯網技術和傳感器監測設備，將實時感知數據輸入數字孿生系統，以便更準確地模擬作業區運營情況和優化作業區安全。建立虛擬的訓練場景，通過數字孿生技術模擬各種突發事件，對作業區人員進行培訓和演練。采用該技術的國外作業區有：美國的洛杉磯作業區、新加坡的樟宜港、荷蘭阿姆斯特丹等國際作業區。

當前國內傳統數字孿生應用，主要是通過數字化建模，將各類物聯網設備和傳感器信息標注在模型上，只能通過逐個點擊方式進行數據的展示，既不直觀也無法形成和其他信息的聯動；在視頻方面，需要通過逐個點擊才能展示視頻畫面。從應用效果上看，傳統數字孿生技術并未達到預期的理想效果，尚未解決傳統監控視頻位置分散難以管理、視角獨立不夠直觀、畫面割裂難以看懂等痛點問題[1]。

隨著LNG接收站投產運營，各類安全隱患、各類人員安全、各類生產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LNG接收站視頻孿生安全生產可視化管理系統來實現安全生產和管理的升級，提升LNG接收站安全管理水平[2]。

1 LNG 接收站安全生產管理現狀

目前LNG運輸船舶在駛入、停靠、裝卸和離開作業區的過程中，人員車輛船舶絡繹不絕，同時作業區周界環境較為復雜，陸、海、空等多方都會造成突發性事件，危化品安全事故隱患多種多樣，而信息化管理系統建設不完善，無法對作業區的實時情況進行全要素展示，缺乏有效的智能化手段來實時感知各類風險，難以及時監測預警，嚴重影響應急處置效率，容易造成安全事故問題[3]。

2 研究目標及內容

建設LNG接收站安全生產可視化系統，結合3DGIS、視頻孿生、物聯網、人工智能等技術手段，對接收站進行全方位立體化安全監管，多維度智能分析輔助決策，通過統一規劃、統一監測、統一管理等方式，提升LNG接收站監測預警及應急處置能力，保證LNG接收站運行安全。

構建LNG接收站視頻孿生場景，以視頻實景監控和歷史回放相結合的方式，實現對LNG接收站作業區運行狀況的全面掌控，利用視頻孿生技術結合視頻氣體探測設備，實現氣體泄漏、爆炸氣云的實時預警定位及處置；同時對作業區的人員及車輛進行基于實景三維視頻實時定位跟蹤的安全管理，實現全要素管理，通過構建周界安全預警，AI識別等方式，支持工藝和設備安全數據接入，針對各種安全隱患及突發事件，優化決策，及時處置閉環，使接收站安全水平提升。

3 目標分解

通過LNG接收站安全生產可視化管理系統研究來實現安全生產和管理的升級，提升LNG接收站安全管理水平。

主要研究目標為以下四個方面：

（1）研究如何利用視頻孿生技術結合視頻氣體探測設備，實現氣體泄漏、爆炸氣云的實時預警定位及處置；

（2）研究如何開展作業現場人員安全管理；

（3）研究如何開展生產行政車輛安全管理；

（4）研究如何應對周界安全問題。

4 主要挑戰及解決方案

系統將結合視頻孿生技術、氣體泄漏檢測技術、電子圍欄等技術來建設安全可視化信息平臺，建設內容和解決問題如下：

4.1 氣體泄漏處置短板

在傳統模式中各傳感器監控設備，缺乏有效的統一管理，不能快速的有效的反應出生產過程中各類風險問題，通過建設后，利用實景三維視頻孿生結合視頻氣體探測攝像機設備，快速清晰識別氣體泄漏及爆炸氣云產生的地點、尺寸和方向，并進行泄漏總量的計算、火災情況的探測、氣云累積量的辨識和計算，全天候支持對甲烷濃度 250 ppm.m的檢測。通過以上實時動態展示，為各種應急處置提供有力的支撐[4]。

4.2 人員安全管理短板

傳統模式下，只能采用手工表格和監控視頻進行人員安全管理，管理效率低下，同時容易形成安全死角。采用新技術后，將通過視頻孿生、AI分析和電子圍欄等技術及時發現人員作業安全問題，通過有效的預警及處置，降低人員安全管理風險[5]。

4.3 車輛安全管理短板

傳統模式下，只能采用登記、電子審批形式和監控視頻來進行車輛安全管理，容易造成管理的疏漏和響應不及時，傳統視頻監控不能有效的還原出車輛的行駛軌跡，無法有效對進入接收站的車輛進行跟蹤管理，容易造成安全漏洞。采用新技術后，在通過視頻孿生技術展示車輛在接收站行駛軌跡等信息，并結合AI識別來發現車輛違規行駛的問題，保障車輛安全管理[6]。

4.4 周界安全管理短板

傳統模式下，只能通過人工查看視頻監控來進行管理，容易造成管理的疏漏，特別是在面對無人機時缺乏有效的手段管理。采用新技術后，構建實時實景周界防護系統對周界進行監測，及時快速處置無人機、船舶、人員等闖入周界問題，通過視頻融合的方式，實時實景的展示出周界安全的真實情況[7]。

5 關鍵技術分析

國產自主可控的三維地理信息（3D GIS）引擎為基礎核心，建設可視化AI系統管控平臺，利用遙感影像、數字高程、傾斜攝影、BIM模型等地理空間數據構建數字孿生場景，利用三維全景視頻融合、經度緯度海拔三維一體空間布局等虛擬與現實結合的高新技術，在傳統視頻監控的基礎上，實現視頻與空間位置的融合統一創新應用。

系統融合大規模海量分散的監控視頻，利用三維視頻融合技術將監控視頻經矯正、拼接后與三維地理信息場景融合統一，并融入AI分析、物聯感知等業務系統數據，形成整體的動態三維電子沙盤活地圖，視頻融合可視感知應用系統與三維GIS系統合二為一，二三維一體化協同指揮，做到整體態勢與局部細節的多尺度感知，所見即所得，為三維全景立體可視化指揮調度、多部門協同管理提供強有力的支撐，實現全局立體可視化高效指揮和應急處置。

5.1 三維場景建模

通過無人機傾斜攝影、激光點云和人工建模等方式，對LNG接收站范圍進行三維模型構建，對LNG接收站范圍進行實景還原，為可視化應急指揮及決策掌控提供基礎支撐。

按照LNG接收站規劃的PDMS圖紙，構建LNG接收站的基礎三維框架。在完成基礎三維框架搭建后，需要到現場進行勘察工作，包括現場進行實際情況無人機傾斜攝影、激光點云測量等工作。在現在勘察完成后，將三維模型、現場數據和地理信息進行融合，形成一套具體地理位置屬性的三維數字模型，為系統提供模型的支撐[8]。

建模內容包括：

（1）LNG接收站作業區三維模型包括：接收站園區、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據（如衛星影像、傾斜攝影、矢量數據、BIM模型等）整合到一個三維環境中，以更加直觀和真實的方式呈現地球表面的特征和地理信息。用戶可以通過該平臺進行空間分析和可視化，支持多種數據格式和輸出方式。

5.2 三維場景設備標注

三維場景設備標注功能是指在三維場景中對設備進行標注的功能。具體來說，可以通過該功能在三維場景中添加各種設備的標注信息，如設備名稱、型號、位置、狀態等，方便用戶對設備進行管理和監控。此外，該功能還可以支持設備的實時更新和動態展示，保證用戶對設備的監控和管理更加精準和及時[9]。

（1）設備位置標注：在三維場景中標注設備的位置，以便用戶快速找到設備。

（2）設備屬性標注：在設備上標注設備的屬性信息，如設備名稱、型號、生產廠家等，以便用戶了解設備的基本信息。

（3）設備狀態標注：在設備上標注設備的狀態信息，如設備是否正常運行、是否需要維修等，以便用戶了解設備的運行狀態。

（4）設備關聯標注：在設備上標注設備之間的關聯關系，如設備之間的連接方式、數據傳輸方式等，以便用戶了解設備之間的關系。

5.3 實景三維視頻拼接/融合技術

系統接入融合監控資源，利用三維視頻拼接/融合技術，對攝像機監控畫面進行矯正、拼接處理，實現與監控畫面覆蓋區域的三維場景進行融合統一，實現氣模內、前沿、關鍵路口等區域的全景三維視頻融合。

構建LNG接收站實景動態的三維立體空間，滿足管理單位對監控視頻立體融合感知應用的需求，全面提升管理人員對現場態勢的精準感知能力。三維融合視頻支持手動與自動瀏覽播放，利用三維空間場景驅動視頻的查找、定位與瀏覽，顛覆傳統監控視頻應用方式，解決傳統監控視頻位置分布不明確，畫面分散不直觀、視角獨立看不懂等痛點問題。

5.4 多源異構數據匯聚

建設時空大數據庫，實現LNG各業務系統的數據匯聚與集成共享，提供多協議適配的設備接入服務，設備管控下發服務，并對上層提供數據共享，包括狀態數據、檢測數據等。通過主題庫方式建立數據存儲服務，對數據進行多維度分析，提供分析結果。同時聚合LNG接收站三維模型數據，為LNG接收站數字孿生場景的構建提供地理空間數據支撐。

建設各類物聯感知設備數據的匯聚接口，支持無線傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等物聯網傳感器數據接入，融合物聯網智能識別技術應用，實現設備、環境等多要素態勢的全面采集。對接監LNG現有業務系統，將不同平臺系統數據綜合匯集于系統之上以進行可視化管控，支持高性能實時數據接入、轉換、萃取、同步分析顯示，為用戶決策研判提供全面、客觀的數據支持和依據。

時空大數據庫可以實現監控、AI、安防等各業務系統的數據匯聚與集成共享。這些業務系統的數據不再孤立存在，而是匯聚到同一個平臺中，通過共享來增加數據的價值。這不僅有利于提高效率和優化決策，也有利于預測未來趨勢和規劃未來發展方向。同時，通過數據挖掘、分析和處理，可以更好地理解數據背后的真相和規律，為業務決策提供更加準確、科學的依據[10]。

6 主要應用場景

6.1 氣體泄漏識別管理

利用實景三維視頻孿生結合視頻氣體探測攝像機設備，能夠在短時間內快速并準確地感知和呈現氣體產生的精確地點、大小和方向，并通過智能的辨識能力和精確的計算功能，有效地識別并累計計算氣云的總量。通過以上仿真模擬和預警，結合融合通信技術，能夠對氣體泄漏的全過程進行有效的管理和控制，以確保作業環境的安全和穩定[11]。

6.2 人員安全管理

根據LNG接收站人員作業票管理業務模型，完善人員管理功能。該功能在三維空間中構建人員活動范圍圖層、設備標注、人員活動模擬和報警設置等相應功能。針對人員活動圖層設置人員出入權限；對視頻、出入口閘機等設備進行標注和建模工作；進行人員行動模擬、作業狀態模擬和違規狀態模擬等；報警設置包含視頻AI識別報警、作業過程視頻監控和違規進入報警等。

6.3 車輛安全管理

車輛管理功能，構建各類車輛模型、車輛可行駛圖層、相應設備建模、車輛行進模擬和車輛報警設置等相應功能。車輛模型將根據接收站的工作要求來進行建模；車輛可行駛圖層包括接收站路網、可行駛范圍權限管理等；相應設備建模包含出入車輛道閘等；同時進行視頻監控標注；報警設置包含視頻AI識別報警、車輛行駛視頻監控和違規進入報警等。

6.4 周界安全管理

結合無人機識別、人員周界識別和船只碰撞識別實現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監控設備模擬、無人機飛行展示、低空防御報警設置等功能。人員周界模擬，實現人員入侵行為及周界入侵報警的展示。船只碰撞識別將模擬船只碰撞的行為并報警展示。

7 結束語

本系統在安全應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，除項目涉及的LNG接收站之外，港口碼頭等場景均可應用，有廣泛的應用前景和社會經濟效益。

7.1 應用前景

1）接收站企業安全管理

接收站企業需要處理大量的貨物運輸等安全生產，同時也承擔著重大的安全風險。接收站綜合態勢一張圖可以為接收站企業提供全方位的安全監控，包括疏浚、接收站裝卸、船舶靠泊等環節。通過實時監控和數據分析，接收站企業可以快速識別并解決安全隱患，減少事故發生，提高作業效率。利用視頻孿生技術結合視頻氣體探測設備，實現氣體泄漏、爆炸氣云的實時預警定位及處置[12]。

2）政府監管支撐

政府部門可以利用接收站綜合態勢一張圖來實現接收站區域的全面監管。政府可以在系統中設置監管指標，如安全生產指數、風險指數等，對各個接收站企業進行評估監管。此外，監管部門還可以通過系統對接實時掌握接收站作業情況，及時采取應對措施，支撐接收站安全監管工作。

3）應急管理支撐

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

7.2 社會經濟效益

7.2.1 提高接收站安全性

接收站綜合態勢一張圖可以幫助接收站企業和政府部門全面了解接收站作業情況，減少事故發生的可能性，從而提高接收站安全性，為經濟發展提供有力保障。利用視頻孿生技術結合視頻氣體探測設備，實現氣體泄漏、爆炸氣云的實時預警定位及處置[14]。

7.2.2 促進數字化智能化升級

項目利用云計算、大數據分析和機器學習等先進技術，推動接收站管理的數字化、智能化升級。這不僅為接收站企業提供新的管理手段，也為數字化智能化升級提供了范例和引領。

7.2.3 提高接收站作業效率

通過安全管理方面各項內容的建設可以有效幫助接收站精確把握作業情況，及時發現和解決問題，提高接收站的作業效率。