GIS与无人机辅助技术在工业事故中的应用

赵振宇 余泳杰

0 引言

随着近年来我国经济快速发展、工业生产规模持续扩大，工业事故时有发生、损失后果严重。如2019年3月21日，江苏盐城市响水县江苏天嘉宜化工有限公司化学储罐发生爆炸事故，造成78人死亡、76人重伤，640人住院治疗，直接经济损失19.86亿元。面对如此惨痛的教训，在应对工业事故时如何采取有效措施，提高抢险救援能力，成为全社会关注的问题。

当工业事故发生时，需要及时进行抢险救援。但由于工业事故具有易燃易爆、情况复杂、快速蔓延等特点，加之救援人员对工业事故现场情况并不熟悉，缺乏有效的情况监测以及事故有关的信息数据协助，导致抢险救援工作效率低、风险大，并极大威胁救援人员自身安全和财产安全[1]。因此，亟待探索如何在工业抢险救援中及时准确地掌握事故现场情况信息并实施有效追踪。

1 工业事故中GIS与无人机辅助技术应用概述

1.1 GIS技术

GIS技术是构建带有地理信息系统并具备引导无人机巡检功能的三维模型的技术基础。GIS地理信息集成模块可配合GPS精确定位并指导无人机或救援人员选择救援路径，既适用于工业场景日常的管理维护，也适用于工业事故抢险救援。GIS技术支持构建工业场景外部表面或轮廓的数据模型，如通过倾斜摄影模型、激光点云等方法，可将工业场景所处的地理空间的表达扩展至地理信息全空间，呈现出其全景特点[2]。工业三维数据模型采用高精度、拓扑闭合的三角网表示三维实体对象，不仅可表达工业场景中真实物体（如范围内的所有建构筑物、大型设备、管道等），也可表达抽象三维空间（如监控范围等），并定义三维实体的交、并、差等布尔运算和相离、邻接、包含等空间关系，对日常巡检维护以及应急预案制定提供重要支持。当工业场景发生爆炸事故时，可实时监测到爆炸影响范围和受波及的构筑物、设备的受损情况并给出预警信息。

BIM 技术是集合了一个或者多个数字化包含几何信息和数据信息的建筑模拟模型，BIM技术针对于单体建筑或工业内部场景具有多维情况表达真实的特点。工业场景内部结构复杂，专业涉及广泛（如包括建筑、钢结构、管道、设备、电缆等），这些结构部件相互穿插或在隐蔽工程内。通常，在发生工业事故时，现场需专业技术人员配合救援人员查阅图纸，并将不同专业的图纸进行比对才能较为准确地判定工业事故发生的位置和事故涉及的设备、配套部件。但这一传统做法需耗费较多时间、且通常在工厂管理人员在向救援人员传达信息过程中会存在遗漏或表达不清的问题，难以满足抢险救援工作精准救援、分秒必争的要求，建立三维工业场景模型能在很大程度上解决这一问题，即利用BIM技术将建筑物、钢结构、管道、机电设备、电缆等工业构件组合形成与真实工业场景一致的拟真模型，并赋予模型和真实构件一致的材质、涉及介质、耐火系数等信息。

在GIS宏观地理信息地图中集成多种BIM微观模型，使其在表达工业场景的内外部皆具有三维立体可视化特点，不但可以为管理者提供应急管理的模板，更能在发生工业事故时为抢险救援人员提供直观的现场信息资料。

1.2 无人机辅助技术

无人机具有出动迅速、高空视角、成本低廉等特点，非常适用于辅助抢险救以及援径规划[3]。其颠覆了以往抢险救援只能在地面查阅图纸、地图的平面局限性。无人机的使用方便快捷，事故发生时能第一时间迅速展开工作并通过搭载高清摄像头，多架次无人机从各种的角度采集事故影像不间断地跟踪事故变化，并能将数据上传至中央电脑配合GIS技术形成实时更新的三维模型，利用无线网络传递至救援中心和救援人员手中充当特殊的“眼睛”。与此同时无人机能够搭载特定的设备从空中完成特殊任务，如搭载扩音设备在事故现场进行巡航播音，疏散事故周边群众；搭载生命探测仪帮助救援人员搜寻生命迹象，搭载精准GPS仪配合GIS三维拟真模型为救援人员规划指引救援路径；将救援物资精准投放送至事故现场等。将无人机辅助技术应用于工业抢险救援中，对于为工业抢险救援提供直观、可靠的数据资料有重要意义。

2 工业场景建模流程

通过在GIS宏观地理信息平台中集成多种BIM微观模型，建立一个更加符合工业场景应用的三维模型，可为工业场景下的运维以及应急救援工作提供帮助，整体建模流程如图1所示。

图1 工业场景三维拟真模型建模流程图

首先将工业场景二维图纸输入至BIM软件构建单体三维模型，详细展示其内部设备、管道、电缆等细部情况。其次利用GIS技术对工业场景进行宏观场景建模，着重标识GPS信息以及附近构筑物、大型设备等位置关系。最后将BIM的单体模型插入至宏观场景模型中形成初期模型平台。后期工业场景进行技改或巡检等活动时，均可通过无人机根据三维模型的GPS数据进行自主精准巡检，为三维模型更新提供倾斜摄影等数据。遭遇事故时进入紧急状态，启动无人机进行事故场景拍摄将数据上传至三维模型实时更新，并可携带红外仪、生命探测仪等设备进行温度参数测控以及生命信号探测等。此时即便是救援人员在赶赴现场救援途中也能通过移动终端实时观测到三维模型的事故动态变化，通过事故预警系统将可能的爆炸危险因素、周边涉及建筑群传输至救援人员。

3 GIS与无人机辅助技术的协同应用

3.1 制定应急预案

在制定应急预案的过程中，通过GIS与无人机辅助技术构建的三维拟真模型，可以帮助管理者直观地了解工厂的危险点所在，从而有针对性地制定应急预案。

如某化工厂拥有每年1000万吨原油加工能力，50万吨芳烃、10万吨聚丙烯生产能力以及超过200万立方米的储存能力，工艺流程复杂、占地面积大、流程多、原材料和产品具有易燃易爆和毒性。利用GIS与无人机辅助技术对其建模形成三维拟真模型后，可在制定应急预案时利用拟真模型对化工厂可能发生的隐患映射出事故发生的情形。首先，在拟真模型上选取某台装置设备或某个加工区域作为事故模拟的地点；其次，设定好事故发生时的气象条件以及装置设备的参数信息，模拟油气管道泄漏、有毒有害气体扩散、火灾爆炸等事故。最后根据无人机快速定位事故发生的位置，通过外部宏观模型分析计算事故的影响范围以及损失的程度，配合无人机分析最佳的疏散路线以及救援路线，通过内部模型预警事故危险介质和可能发生的爆炸、倒塌等后续灾害，为制定应急预案和管理提供充足的模拟信息数据。

3.2 事故抢险救援

高效率、数据多维性、精确性的GIS与无人机辅助技术在事故抢险救援中可以为管理者和抢险救援人员提供及时直观的信息数据支持。

当该化工厂调压站发生天然气管线泄漏爆炸事故时，安全系统联锁的站内烟雾、火焰探测器和管道压力传感器监测到异常情况后触发报警信号并传输至中控室，此刻进入紧急状态。GIS宏观地图立刻显示事故区域，工厂管理者立即安排无人机出动，根据事故地点的GPS定位盘旋巡航采集事故现场影像数据并反馈至拟真模型。同时，拟真模型通过单体建筑的摄像头以及设备上的传感器，在单体微观模型实时监测事故变化情况，如图2所示。

图2 某化工厂发生事故时信息传递图

消防救援人员在接到救援电话后迅速出动，在途中通过手持终端接收工厂管理者传送的三维立体事故情况包括调压站所在位置、内部结构、管道布置、设备以及附近构筑物受损等情况，省去了获得并查阅传统图纸的工作和耗时；同时，通过三维拟真模型可了解到需要扑灭的火灾类型以及将要面对的有毒有害物质进而制定有效的救援方案，节约了宝贵的救援时间。救援人员就位后，通过无人机的空中视角全方位了解现场情况以及事故变化，做好充分准备，并通过三维拟真模型提供的疏散路径疏散遇困人员，合理安排救援人员和救援装备。在三维拟真模型的指引下及时关闭邻近设备的相关阀门，防止事故进一步蔓延，并携带针对性型号灭火器在路径指引下以最短的时间进入事故发生站房内进行灭火行动，由于通过微观内部模型已经事先确定了泄漏爆炸的管道及阀门位置，短时间内就将火灾扑灭，避免了以往在复杂的工业内部环境错误选择路径以及无法寻找到关键事故位置的不利和损失。从事故初期无人机代替工作人员进行无间断事故观察，到事故救援时的GIS对事故信息的更新建模和及时传递，发挥了GIS与无人机辅助技术在事故抢险救援中的重要作用。

3.3 事故总结

GIS与无人机辅助技术构建的三维拟真模型具有可追溯性以及仿真性，可协助管理者更好按照事故原因未查清不放过、责任人员未处理不放过、整改措施未落实不放过、有关人员未受到教育不放过的“四不放过”原则进行事故处理总结工作。

通过模型系统大容量存储硬件或者云存储可存放多种类型的数据，包括事故中的外部影像数据以及设备的运行监测数据，可在事故处理中作为调查依据供调查小组全面深入了解事故发生原因，切实进行事故原因评判。同时，依靠其智能模拟功能在记录的事故数据上重建事故原型、模拟事故发生过程，追溯事故发生责任，为管理者从根源分析事故追溯事故责任人提供实际依据。在模拟过程中也可以改变其模拟参数或者拟真不同救援方式，通过对比法，不断探寻事故处理以及救援的最优解，为管理者和救援人员改进救援方式提供理论支撑。GIS与无人机辅助技术构建的三维拟真模型同样可将事故还原成完整过程动画，为事故安全教育提供多样化警示素材，使得工厂操作人员安全学习具体、真实、生动。

4 结论

面对工业事故抢险救援的高要求，GIS与无人机辅助技术构建的三维拟真模型，可利用其高效率、精确性、智能化特点，实现在事故发生时进行快速事故报警监测，迅速定位事故地点，对工业场景内、外部的具体情况进行三维直观展示，为救援工作赢得宝贵时间，提高救援成功率，更好保障人身安全和财产安全，为工业事故等应急救援提供新的辅助途径。