基于一体化运营综合能源企业智能应急救援技术研究*

赵开功，张晓蕾，李 曼，何盛军

(1.国能朔黄铁路发展有限责任公司 肃宁分公司，河北 沧州 062350；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083；3.中国安全生产科学研究院，北京 100012；4.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；5.华方国际科技(北京)有限公司，北京 100055)

0 引言

随着国民经济的高速健康发展，多行业、跨地域和集团化的综合能源企业不断产生。与其它行业相比，综合能源企业具有业务覆盖区域广、安全风险点多、安全管理难度大和保障能源安全和安全生产的社会责任重大的特点。因此，综合能源企业通过技术创新来不断提升企业安全生产和应急管理的整体水平是十分重要的。

现阶段，传统能源企业正在向生产智慧化、管理数字化、物联网络化方向发展。大数据、云计算及5G通信技术的应用，使得智慧矿山、智慧铁路、智慧电厂相继涌现。故借助大数据、云计算及物联网技术，构建集信息采集、安全生产、资源管理、应急决策等多功能一体化的综合信息管控系统[1-4]，对现代能源企业尤为重要。基于此，以国家能源投资集团有限责任公司(以下简称“国家能源集团”)为例，提出基于一体化运营的综合能源企业智能管控系统，分析其系统需求和总体架构，进行方案设计，结合应急救援需求分析其关键技术要素。旨在为提高综合能源企业协同管控效能，确保安全生产和高效应急救援等方面提供技术保障。

1 总体架构设计

1.1 需求分析

国家能源集团拥有煤、电、路、港、航、化等多项产业，其业务具有多行业，跨地域等特性，给公司的综合管控造成很大难度。为了提高企业的信息化管理水平，实现企业内部的综合运营、集约化管理，需要构建“资本管控的产业一体化、协同高效的管理智能化、融合贯通的数据可视化”的工业信息管理系统。系统近期目标是基本满足企业一体化管控，涉及所有产业板块和核心产业链企业。远期目标是实现覆盖所有国家能源集团生产运营调度生产单位，持续优化提升系统功能。该系统需满足以下要求：

1)坚持价值引领，发挥产业协同效应

构建“安全、系统、共享、协同、智能”的运营载体，实现“资本管控的产业一体化、协同高效的管理智能化、融合贯通的数据可视化”。

2)坚持问题导向，提升企业管理水平

以问题为导向，聚焦矿山、发电、运输、化工等典型生产区域，以生产运营一体化为目标，建立高效协同的流程体系，实现煤、电、路、港、航、化等产业的高效发展。

3)坚持内部共享，促进数据管控融合

以企业信息数据为依托，结合管理现状，构建数据管控和内部共享体系，全面推动各产业生产管理节点安全、环保、生产、经营等信息数据应用，建立数据资产，实现价值创造。

4)坚持技术创新，支撑绿色智慧发展

超前性、可扩展性和开放性的系统是支撑企业可持续运营的关键环节，是保障企业绿色发展、智慧发展和高质量发展的重要基础[5]。

5)坚持统筹规划，稳步推进系统实施

按照“一次规划、分步实施”的原则，既要保证原有生产经营的正常运行，又要融合新建系统的信息采集，既要确保完成总体生产经营任务，又要分解产业实体经营指标。

1.2 总体架构

根据企业生产布局特点，一体化管控系统的总体架构采用分层设计方式，即基础层、数据层、服务层和应用层，如图1所示。

图1 总体架构Fig.1 Overall architecture

1)基础层：运用企业现有软件系统、云平台、硬件设施、网络安全设备。

2)数据层：基于数据湖平台搭建，分原始库、标准库、主题库和专题库。

3)服务层：以负载均衡、服务网关、服务发现[6]、服务配置、服务熔断、服务监控等组件为核心的微服务框架，向上形成6个服务中心，支撑上层应用。

4)应用层：包括运营计划、生产调度、统计分析、流程监控、应急救援、可视化等6个功能，可通过用户工作台进行PC端、移动端和可视大屏等3种形式展示。

2 系统设计

2.1 技术方案设计

考虑到信息技术发展和系统运行维护需要，本系统选择“微服务+容器化”技术架构，具体的技术方案设计思路如图2所示。

图2 技术方案设计思路Fig.2 Design ideas of technical scheme

该系统可实现多源数据采集、可配置、组件化等功能，同时支持GIS服务及动态三维展示，可进行视频数据的有效组织、调用和传输。通过构建大屏、桌面、移动终端一体化应用设施，系统可实现集中监控、统一管理、综合分析，可以根据应用场景配置多套界面，满足日常监管、主题监管、应急救援等不同需求[6-7]。

此外，与已有的一些管控系统相比，国家能源集团综合管控一体化系统具有以下优势：1)该系统建设了更加全面且分类细致的应急救援基础数据信息库，为应急救援的科学决策奠定了坚实基础；2)该系统更加智能，构建了应急救援指挥体系“3级响应”1条联动线，形成了应急救援先期处置全域覆盖1张组织网，搭建了应急响应保障实时共享1张资源图，模拟了“一体化集中管控-模块化应急队伍和专业化保障队伍-区域化协同响应-铁路快速投放”快速救援通道，使得应急救援行动更加高效；3)该系统可使应急救援培训演练更加规范，避免了演练应付、消除代签假演现象。

2.2 系统功能设计

一体化管控系统由运营计划、生产调度、统计分析、流程监控、应急救援、可视化等6个应用功能组成，是1个在能源领域用于生产运行、调度控制、安全应急的业务系统，具备实时和信息化系统的双重特征，要求其长期可靠稳定运行、安全性高[8]。该系统实现大屏、桌面和移动终端应用的平滑迁移展示的具体思路如图3所示。

图3 平滑迁移展示设计思路Fig.3 Design ideas of smooth migration presentation

1)架构一体系统共用

应用支撑平台采用自顶向下的统一设计与架构，以保证应用系统的统一运行与管理，主要从统一的应用支撑平台、统一的用户管理服务、统一的业务架构等方面对系统进行约束与控制，使系统具有高度的灵活性和可扩展性，根据需求可实现应用系统的高效建设和快速变更[9]。因此，建立应用支撑平台对提高系统灵活性和复用性，有效支持系统业务开展和扩展具有重要的意义。

2)数据入湖实时获取

应急管理工作是1个需要综合联动的体系，国家能源集团应急救援总指挥部作为集团安全生产应急救援的最高指挥机构，需要全面地获取安全生产应急救援信息，动态地掌握安全生产应急救援情况，及时地协调相关资源进行指挥救援。“数据湖”对企业运营数据进行统一汇集、管理及分析，可充分挖掘数据价值，为各级数据应用和开发人员提供数据服务支持。在数据存储方面，“数据湖”所存储数据皆为原始数据，保证了数据的真实性、可靠性和实效性；在数据分析方面，“数据湖”具有超强的运算能力，在分析数据的同时可进行数据转换，可进行高效、多元化的数据分析；在数据治理方面，“数据湖”借助统一的目录管理、权限控制、编排调度、追踪溯源等功能，有效识别数据并进行管控、处理，极大地提升了企业数据质量[10]。“数据湖”与一体化管控系统的高效衔接，实现了大量数据的采集入湖和实时获取，在企业3级联动响应、区域协同救援、控制事态发展、现场快速处置、尽快恢复生产方面起到了积极作用。

3)GIS数据动态调用

由于应急救援业务的特殊性，应急资源、监测预警、应急演练、气象数据、应急通信等信息都与空间地理信息密不可分。一体化管控系统借助于GIS支持将空间与应急信息相关联，实现应急信息与GIS地图的实时、动态叠加，并进行动态展示和综合分析、研判。基于GIS对各种信息进行综合展现能够极大提高信息的可视性和直观性，增强应急决策的及时性和科学性。系统综合应急物资、医疗资源、救援队伍、事故信息、现场视频、处置进展、任务跟踪等众多信息，支持通过应急资源名称、地址等关键信息，自动将应急资源所在地理位置快速定位显示到GIS中，同时能够关联显示应急资源的相关信息。

鉴于企业生产数据的安全性，需要在使用地图在线实时服务的基础上，采用地图引擎技术进行企业数据的本地化管理，从而在保障数据安全的同时，满足应急救援数据的可视化需求。建立基于GIS服务的应急信息空间关联模型，挖掘危险源、应急物资、救援队伍、事故信息的分布规律和空间关系，通过空间维度整合模型分析，可为应急救援提供快捷、高效的决策信息，并可快速生成应急处置方案。

3 关键技术研究

3.1 多灾事故耦合的协同处置技术

灾害事故的发生往往不是单一的过程，而是多种灾害事故同时发生，在此情形下，应急处置将变的十分复杂。这为综合灾害事故的应急处置一体化管控系统建设提出了新的要求，需要掌握多种灾害事故的致灾机理，分析监测预警、应急准备、应急响应、灾后恢复等不同阶段的应急规律，研发满足多种灾害事故耦合下的协同处置技术[11]。

国家能源集团综合管控一体化系统通过构建事故案例库、应急知识库、应急预案库、应急物资库、应急专家库和基础数据库等一系列智能关联数据库，在灾害事故发生时，可迅速响应且精确分析出当前事故可能引发的衍生事故，并根据事故类型、影响范围、人员伤亡等情况，迅速关联或匹配不同事故类型所需应急物资的种类，科学预测各种类应急物资的需求量和调配物资所需的人手，并结合GIS地图及时掌握应急物资调配情况，建立满足综合灾害处置的物资调配体系。此外，该系统根据不同事故的预案数字化结果，结合实际应急处置的联动模式，智能推荐最合适的应急预案，预案内容包括综合处置方案、现场工作组方案、专家组方案、综合研判报告和事故指导救援意见等，可实现多个应急救援部门同时启动及不同预案任务的关联下发，以便更快、更好地处理综合灾害。该系统融合通信技术平行建立多个应急会商室，在处理灾害过程中出现问题需要协商解决时，可在GIS地图的协同标绘基础上进行视频会议，并能够在所有支持sip协议的手机、调度电话、工业视频和移动终端等通信工具上进行多方协同会商，满足综合灾害事故耦合下的应急协同处置需要，最终确定应对本次综合灾害的最佳处理方案。

3.2 数字结构预案的辅助决策技术

预案是应急处置的普适性方案。为了解决预案在具体事故处置中针对性不足的问题，智能辅助方案结合了具体事故概况、事故现场的反馈信息、班组级或中心级应急的先期处置信息、应急工作组的实时进展情况、周边的资源分布数据、预案的数字化成果、模型分析结果、应急处置要点、会商结果、任务执行情况、领导批示、专家意见等动态关键要素，按照一定的机理分析后智能提取，根据既定规则组合自动生成初步处置方案。应急人员通过对初步处置方案的综合研判、分析并进行动态调整后，系统自动进行对比分析和方案推演，最终按照应急业务需求输出相应智能辅助方案。智能辅助方案不仅具有辅助决策意义，同时具有足够的操作执行功用，可充分结合现场应急救援动态，合理安排救援处置工作[12-14]。

事件链、预案链和智能方案主要数据流关系如图4所示。智能辅助方案在分析事发成因和事件链的发展规律基础上，对应关联事件预案链的数字化结果，最终生成全面覆盖的综合应急方案。国家能源集团综合管控一体化系统可根据突发事件的不同性质，启用相应类型、等级的应急预案，再结合事件的致灾机理及内在发展规律，调阅事件发展可能导致的次生衍生预案，以提前进行相关事故的预警、准备及响应工作。应急组织机构、处置任务、预警信息、应急准备、应急响应、关联物资等信息，都已融合于事件链的智能辅助方案中，最终形成科学、全面的综合应急处置方案。事件链的应用要根据不同的地理条件、气候条件、周边危险源分布情况、应急环境等特定信息，进行灵活的修订。

图4 事件链、预案链、智能方案主要数据流关系Fig.4 Relationship of main data flow of event chain.plan chain and intelligent scheme

3.3 处置情景构建的救援演练技术

为了更有效地检验应急技术的有效性和救援人员的协同性，这就要求研发演练在时间不确定、地点不确定的情况下，以事件为基点，以预案为基础，通过系统快速组合生成数字化演练方案的救援演练技术[15-16]。

为此，国家能源集团综合管控一体化系统的应急演练模块针对不同行业领域的典型事故类型，通过图5所示流程完成模拟演练。

图5 应急演练流程Fig.5 Process of emergency drill

演练系统支持无脚本桌面推演，以增强应急救援人员及执行人员的应急水平，检验多个应急队伍的协同应急实战能力。演练结束后，应急专家通过对整个应急处置过程的回放，查找问题，总结经验，对此次演练进行科学评价。

4 结论

1)本文运用了一体系统构架共用、数据入湖实时获取、GIS数据动态调用的方法和多灾事故耦合协同处置、数字结构预案辅助决策和处置情景构建救援演练等技术，发现了基于“集团总部-产业实体-生产单位-作业单元”的应急响应1条联动线、应急处置1个机构网和应急资源1张保障图。

2)利用国家能源集团“一体化集中管控-模块化应急队伍和专业化保障队伍-区域化协同响应-自有铁路快速投放”应急响应“线网图”中搭建快速救援通道，可为集团系统内部重大工业事故救援提供保障。同时，在国家级应急响应中，有助于集结国家能源集团应急救援队伍力量，连通国家铁路网络，迅速投放到灾害处置现场，成为中央企业履行社会责任的重要力量。

3)文中阐述的协同处置、辅助决策和救援演练等技术，在国家能源集团清水营煤矿“8·19”顶板事故救援和包头化工泄漏事故演练中得到有效应用，缩短响应时间，提高救援效率，减少因灾损失。因此，该系统可推广应用至其他中央企业集团，作为生产安全事故应急救援方法，也可作为地方政府开展区域力量协同救援和城市公共安全综合救援的参考做法。