黄少华 董岩 赵钰 杨吉强 陈刚
1.中交城乡能源有限责任公司 北京 100029
2.中城乡（烟台）液化天然气有限公司 山东 烟台 264000
国务院国资委在《关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知》中指出，按照场景驱动、快速示范的原则，加强智能现场建设，推进5G、物联网、大数据、人工智能、数字孪生等技术规模化集成应用，实现作业现场全要素、全过程自动感知、实时分析和自适应优化决策，提高生产质量、效率和资产运营水平，赋能企业提质增效。
目前国外使用数字孪生技术在LNG作业区安全生产方面主要是对作业区结合物联网技术和传感器监测设备，将实时感知数据输入数字孪生系统，以便更准确地模拟作业区运营情况和优化作业区安全。建立虚拟的训练场景，通过数字孪生技术模拟各种突发事件，对作业区人员进行培训和演练。采用该技术的国外作业区有：美国的洛杉矶作业区、新加坡的樟宜港、荷兰阿姆斯特丹等国际作业区。
当前国内传统数字孪生应用，主要是通过数字化建模，将各类物联网设备和传感器信息标注在模型上，只能通过逐个点击方式进行数据的展示，既不直观也无法形成和其他信息的联动；
在视频方面，需要通过逐个点击才能展示视频画面。从应用效果上看，传统数字孪生技术并未达到预期的理想效果，尚未解决传统监控视频位置分散难以管理、视角独立不够直观、画面割裂难以看懂等痛点问题[1]。
随着LNG接收站投产运营，各类安全隐患、各类人员安全、各类生产行政车辆安全等安全压力剧增。为有效避免人为管理上的漏洞和疏忽，拟通过建设LNG接收站视频孪生安全生产可视化管理系统来实现安全生产和管理的升级，提升LNG接收站安全管理水平[2]。
目前LNG运输船舶在驶入、停靠、装卸和离开作业区的过程中，人员车辆船舶络绎不绝，同时作业区周界环境较为复杂，陆、海、空等多方都会造成突发性事件，危化品安全事故隐患多种多样，而信息化管理系统建设不完善，无法对作业区的实时情况进行全要素展示，缺乏有效的智能化手段来实时感知各类风险，难以及时监测预警，严重影响应急处置效率，容易造成安全事故问题[3]。
建设LNG接收站安全生产可视化系统，结合3DGIS、视频孪生、物联网、人工智能等技术手段，对接收站进行全方位立体化安全监管，多维度智能分析辅助决策，通过统一规划、统一监测、统一管理等方式，提升LNG接收站监测预警及应急处置能力，保证LNG接收站运行安全。
构建LNG接收站视频孪生场景，以视频实景监控和历史回放相结合的方式，实现对LNG接收站作业区运行状况的全面掌控，利用视频孪生技术结合视频气体探测设备，实现气体泄漏、爆炸气云的实时预警定位及处置；
同时对作业区的人员及车辆进行基于实景三维视频实时定位跟踪的安全管理，实现全要素管理，通过构建周界安全预警，AI识别等方式，支持工艺和设备安全数据接入，针对各种安全隐患及突发事件，优化决策，及时处置闭环，使接收站安全水平提升。
通过LNG接收站安全生产可视化管理系统研究来实现安全生产和管理的升级，提升LNG接收站安全管理水平。
主要研究目标为以下四个方面：
（1）研究如何利用视频孪生技术结合视频气体探测设备，实现气体泄漏、爆炸气云的实时预警定位及处置；
（2）研究如何开展作业现场人员安全管理；
（3）研究如何开展生产行政车辆安全管理；
（4）研究如何应对周界安全问题。
系统将结合视频孪生技术、气体泄漏检测技术、电子围栏等技术来建设安全可视化信息平台，建设内容和解决问题如下：
4.1 气体泄漏处置短板
在传统模式中各传感器监控设备，缺乏有效的统一管理，不能快速的有效的反应出生产过程中各类风险问题，通过建设后，利用实景三维视频孪生结合视频气体探测摄像机设备，快速清晰识别气体泄漏及爆炸气云产生的地点、尺寸和方向，并进行泄漏总量的计算、火灾情况的探测、气云累积量的辨识和计算，全天候支持对甲烷浓度 250 ppm.m的检测。通过以上实时动态展示，为各种应急处置提供有力的支撑[4]。
4.2 人员安全管理短板
传统模式下，只能采用手工表格和监控视频进行人员安全管理，管理效率低下，同时容易形成安全死角。采用新技术后，将通过视频孪生、AI分析和电子围栏等技术及时发现人员作业安全问题，通过有效的预警及处置，降低人员安全管理风险[5]。
4.3 车辆安全管理短板
传统模式下，只能采用登记、电子审批形式和监控视频来进行车辆安全管理，容易造成管理的疏漏和响应不及时，传统视频监控不能有效的还原出车辆的行驶轨迹，无法有效对进入接收站的车辆进行跟踪管理，容易造成安全漏洞。采用新技术后，在通过视频孪生技术展示车辆在接收站行驶轨迹等信息，并结合AI识别来发现车辆违规行驶的问题，保障车辆安全管理[6]。
4.4 周界安全管理短板
传统模式下，只能通过人工查看视频监控来进行管理，容易造成管理的疏漏，特别是在面对无人机时缺乏有效的手段管理。采用新技术后，构建实时实景周界防护系统对周界进行监测，及时快速处置无人机、船舶、人员等闯入周界问题，通过视频融合的方式，实时实景的展示出周界安全的真实情况[7]。
国产自主可控的三维地理信息（3D GIS）引擎为基础核心，建设可视化AI系统管控平台，利用遥感影像、数字高程、倾斜摄影、BIM模型等地理空间数据构建数字孪生场景，利用三维全景视频融合、经度纬度海拔三维一体空间布局等虚拟与现实结合的高新技术，在传统视频监控的基础上，实现视频与空间位置的融合统一创新应用。
系统融合大规模海量分散的监控视频，利用三维视频融合技术将监控视频经矫正、拼接后与三维地理信息场景融合统一，并融入AI分析、物联感知等业务系统数据，形成整体的动态三维电子沙盘活地图，视频融合可视感知应用系统与三维GIS系统合二为一，二三维一体化协同指挥，做到整体态势与局部细节的多尺度感知，所见即所得，为三维全景立体可视化指挥调度、多部门协同管理提供强有力的支撑，实现全局立体可视化高效指挥和应急处置。
5.1 三维场景建模
通过无人机倾斜摄影、激光点云和人工建模等方式，对LNG接收站范围进行三维模型构建，对LNG接收站范围进行实景还原，为可视化应急指挥及决策掌控提供基础支撑。
按照LNG接收站规划的PDMS图纸，构建LNG接收站的基础三维框架。在完成基础三维框架搭建后，需要到现场进行勘察工作，包括现场进行实际情况无人机倾斜摄影、激光点云测量等工作。在现在勘察完成后，将三维模型、现场数据和地理信息进行融合，形成一套具体地理位置属性的三维数字模型，为系统提供模型的支撑[8]。
建模内容包括：
（1）LNG接收站作业区三维模型包括：接收站园区、路面、罐体和管道等；
（2）LNG接收站的人员、车辆和船舶等。
将多种类型的地理信息数据（如卫星影像、倾斜摄影、矢量数据、BIM模型等）整合到一个三维环境中，以更加直观和真实的方式呈现地球表面的特征和地理信息。用户可以通过该平台进行空间分析和可视化，支持多种数据格式和输出方式。
5.2 三维场景设备标注
三维场景设备标注功能是指在三维场景中对设备进行标注的功能。具体来说，可以通过该功能在三维场景中添加各种设备的标注信息，如设备名称、型号、位置、状态等，方便用户对设备进行管理和监控。此外，该功能还可以支持设备的实时更新和动态展示，保证用户对设备的监控和管理更加精准和及时[9]。
（1）设备位置标注：在三维场景中标注设备的位置，以便用户快速找到设备。
（2）设备属性标注：在设备上标注设备的属性信息，如设备名称、型号、生产厂家等，以便用户了解设备的基本信息。
（3）设备状态标注：在设备上标注设备的状态信息，如设备是否正常运行、是否需要维修等，以便用户了解设备的运行状态。
（4）设备关联标注：在设备上标注设备之间的关联关系，如设备之间的连接方式、数据传输方式等，以便用户了解设备之间的关系。
5.3 实景三维视频拼接/融合技术
系统接入融合监控资源，利用三维视频拼接/融合技术，对摄像机监控画面进行矫正、拼接处理，实现与监控画面覆盖区域的三维场景进行融合统一，实现气模内、前沿、关键路口等区域的全景三维视频融合。
构建LNG接收站实景动态的三维立体空间，满足管理单位对监控视频立体融合感知应用的需求，全面提升管理人员对现场态势的精准感知能力。三维融合视频支持手动与自动浏览播放，利用三维空间场景驱动视频的查找、定位与浏览，颠覆传统监控视频应用方式，解决传统监控视频位置分布不明确，画面分散不直观、视角独立看不懂等痛点问题。
5.4 多源异构数据汇聚
建设时空大数据库，实现LNG各业务系统的数据汇聚与集成共享，提供多协议适配的设备接入服务，设备管控下发服务，并对上层提供数据共享，包括状态数据、检测数据等。通过主题库方式建立数据存储服务，对数据进行多维度分析，提供分析结果。同时聚合LNG接收站三维模型数据，为LNG接收站数字孪生场景的构建提供地理空间数据支撑。
建设各类物联感知设备数据的汇聚接口，支持无线传感器、温度传感器、压力传感器等物联网传感器数据接入，融合物联网智能识别技术应用，实现设备、环境等多要素态势的全面采集。对接监LNG现有业务系统，将不同平台系统数据综合汇集于系统之上以进行可视化管控，支持高性能实时数据接入、转换、萃取、同步分析显示，为用户决策研判提供全面、客观的数据支持和依据。
时空大数据库可以实现监控、AI、安防等各业务系统的数据汇聚与集成共享。这些业务系统的数据不再孤立存在，而是汇聚到同一个平台中，通过共享来增加数据的价值。这不仅有利于提高效率和优化决策，也有利于预测未来趋势和规划未来发展方向。同时，通过数据挖掘、分析和处理，可以更好地理解数据背后的真相和规律，为业务决策提供更加准确、科学的依据[10]。
6.1 气体泄漏识别管理
利用实景三维视频孪生结合视频气体探测摄像机设备，能够在短时间内快速并准确地感知和呈现气体产生的精确地点、大小和方向，并通过智能的辨识能力和精确的计算功能，有效地识别并累计计算气云的总量。通过以上仿真模拟和预警，结合融合通信技术，能够对气体泄漏的全过程进行有效的管理和控制，以确保作业环境的安全和稳定[11]。
6.2 人员安全管理
根据LNG接收站人员作业票管理业务模型，完善人员管理功能。该功能在三维空间中构建人员活动范围图层、设备标注、人员活动模拟和报警设置等相应功能。针对人员活动图层设置人员出入权限；
对视频、出入口闸机等设备进行标注和建模工作；
进行人员行动模拟、作业状态模拟和违规状态模拟等；
报警设置包含视频AI识别报警、作业过程视频监控和违规进入报警等。
6.3 车辆安全管理
车辆管理功能，构建各类车辆模型、车辆可行驶图层、相应设备建模、车辆行进模拟和车辆报警设置等相应功能。车辆模型将根据接收站的工作要求来进行建模；
车辆可行驶图层包括接收站路网、可行驶范围权限管理等；
相应设备建模包含出入车辆道闸等；
同时进行视频监控标注；
报警设置包含视频AI识别报警、车辆行驶视频监控和违规进入报警等。
6.4 周界安全管理
结合无人机识别、人员周界识别和船只碰撞识别实现接收站全面周界安全管理。其中低空防御模拟功能包含无人机监控设备模拟、无人机飞行展示、低空防御报警设置等功能。人员周界模拟，实现人员入侵行为及周界入侵报警的展示。船只碰撞识别将模拟船只碰撞的行为并报警展示。
本系统在安全应用场景涉及人员安全管理、车辆安全管理及周界安全管理等通用安全场景，具备广泛的适用性，除项目涉及的LNG接收站之外，港口码头等场景均可应用，有广泛的应用前景和社会经济效益。
7.1 应用前景
1）接收站企业安全管理
接收站企业需要处理大量的货物运输等安全生产，同时也承担着重大的安全风险。接收站综合态势一张图可以为接收站企业提供全方位的安全监控，包括疏浚、接收站装卸、船舶靠泊等环节。通过实时监控和数据分析，接收站企业可以快速识别并解决安全隐患，减少事故发生，提高作业效率。利用视频孪生技术结合视频气体探测设备，实现气体泄漏、爆炸气云的实时预警定位及处置[12]。
2）政府监管支撑
政府部门可以利用接收站综合态势一张图来实现接收站区域的全面监管。政府可以在系统中设置监管指标，如安全生产指数、风险指数等，对各个接收站企业进行评估监管。此外，监管部门还可以通过系统对接实时掌握接收站作业情况，及时采取应对措施，支撑接收站安全监管工作。
3）应急管理支撑
在紧急情况下，如火灾、事故威胁等，接收站综合态势一张图可以及时提供相关信息，帮助应急部门快速做出反应，最大限度地减少损失和伤亡。此外，系统还可以为救援人员提供详细的作业场景信息，使得救援行动更加精确和高效[13]。
7.2 社会经济效益
7.2.1 提高接收站安全性
接收站综合态势一张图可以帮助接收站企业和政府部门全面了解接收站作业情况，减少事故发生的可能性，从而提高接收站安全性，为经济发展提供有力保障。利用视频孪生技术结合视频气体探测设备，实现气体泄漏、爆炸气云的实时预警定位及处置[14]。
7.2.2 促进数字化智能化升级
项目利用云计算、大数据分析和机器学习等先进技术，推动接收站管理的数字化、智能化升级。这不仅为接收站企业提供新的管理手段，也为数字化智能化升级提供了范例和引领。
7.2.3 提高接收站作业效率
通过安全管理方面各项内容的建设可以有效帮助接收站精确把握作业情况，及时发现和解决问题，提高接收站的作业效率。
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