基于三维可视化技术的危化企业监管平台

金浩

摘要：危化企业监管是政府应急管理中重要的一环，数字孪生和人工智能等信息技术的快速发展给危化企业监管提供了新的手段。危化企业三维可视化监管平台基于三维引擎和智能物联，以安防监控、消防监控、生产监控为重点，通过AI视频分析、多种物联传感设备来满足“多维度、高精准、实时性”的信息感知要求，基于三维GIS平台整合人、事、物等相关资源，构建空间管理、安全生产、智能安防、应急救援等丰富的业务场景，实现危化企业的数字化监管模式，为管理者提供了一个智能可视化的监管平台。

关键词：数字孪生；三维可视化；智能物联；危化企业监管

一、危化企业监管的智能化趋势

危化企业的安全生产涉及人民财产的安全，为切实加强危险化学品安全生产监管工作，防范遏制各类事故的发生，保持危险化学品安全生产良好运行态势，需要进一步提升危化企业监管的可视化、数字化、集成化和智能化水平，建设以数字孪生和人工智能为核心的智能可视化监管平台。平台与三维可视化相结合，以信息集成、实时监控、预防性告警检测、应急辅助决策等为建设核心，建立覆盖应急指挥平台、大屏端和移动端的企业综合监管平台。平台将数字孪生、物联网等新一代信息技术与应急管理业务深度融合，全面加强危化企业安全监管，从而实现应急管理信息化跨越式发展，为应急管理信息化建设提供指导[1]。

二、监管目标

（1）支持“企业一张表”的方式查看危化企业所有信息，包括区域分布、危险品物质、人员情况等；（2）基于三维GIS地图将所有整合的资源进行分类组合和集中呈现，实现所见即所得，支持三维展示；（3）使用“一张图”数字孪生展示防护目标、危险源、应急所需人员位置、监测监控点位、物资位置、医疗资源等核心资源；（4）使用“一张图”直观展示人、车、物等应急资源的轨迹，并可以直接进行调度管理；实现对事件发展动态、应急指挥调度、监测预警数据、救援进展、现场音视频等信息的跟踪和展示；（5）基于三维GIS地图，实现专业研判、协同标绘、辅助决策等应用一键启动，提高事故救援响应效率。

三、系统体系结构设计

危化企业三维可视化监管平台充分应用物联感知、数据中台以及三维可视化技术，根据危化企业的管理需要创建多个可视化应用场景。物联感知设备包括安防监控设备、消防监控设备和生产监控设备。智能物联平台包括各类物联设备数据的采集、转换、通信、共享、维护，数据主要由视频监控数据、门禁道闸数据、消防设施状态、有毒气体监测等组成；三维可视化主要用于危化企业业务场景展示，包括企业三维可视化模型展示、AI视频、设备告警、环境监测、消防设施、企业档案、安防运营指标等数据。

四、智能物联平台

危化企业建设涉及设备种类众多，以及多系统数据融合互联互通，因此需要通过智能物联平台来高效率、低成本、低门槛解决设备子系统接入难题，向下统一设备接入，向上提供标准接口和应用。智能物联平台包含了对物联设备进行数据采集、数据传输和数据处理的全部功能。采用智能物联平台，可以更好的满足未来系统的扩充，对危化企业更丰富的业务场景建设预留了基础能力。

平台可通过多种方式进行数据采集，如Modbus、PLC、SCADA等，并支持第三方私有协议开发，对不同厂商、不同设备进行统一接入以及统一管理。

根据设备类型、数据传输量、数据传输频率、数据保密要求等需要采用不同数据传输方式，目前常用的方式有：GPRS/4G/5G、NB-IoT、RS232/485、Lora、Wifi和局域网。

物联平台为设备安全可靠的通信能力提供保障，向下支持多协议适配，连接海量设备，提供设备管理、远程调试和状态监控。向上提供可视化规则引擎，支持数据流转，并通过动态API方式为可视化平台提供接口支持。

五、三维可视化平台

（一）三维引擎

目前常用的三维引擎有U3D、UE4、Three.js、Cesium.js等，Cesium作为开源的三维 GIS 地图引擎，可以满足跨浏览器、跨平台的要求，对于轻量级应用场景的项目来说具有成本低、效率高的优势[2]。Cesium.js是一个开源的前端js库，可以用来构建世界级的三维地理空间应用程序，开发三维地图页面或渲染3D城市建模。Cesium.js能用于编程，构建三维web或移动端的前端渲染展示，能展示矢量要素模型，也能3D摄影测量模型，也能展示由3Dmax等软件构建的3D建筑物模型等。当然只是一个前端js库，展示的数据要通过其他方式来生产和发布。

（二）三维建模

三维建模为企业的信息集成提供了物理基础，可分为企业整体环境建模和建筑物精细建模。企业整体场景可采用航拍建模方式获取，利用飞机或无人机搭载多台传感器，对危化企业进行拍摄采集，快速高效获取真实反映厂区情况的数据信息。通过纠正、平差、多视影像匹配等一系列的处理操作，最终获得倾斜摄影的三维模型。航拍建模的成果数据具有地理坐标系信息，可以准确地和 GIS 匹配。

建筑物精细建模：建筑外观可根据实景照片拍摄来确定合适的贴图，企业建筑内部的3D建模可采用BIM建模或根据CAD图纸进行手工建模。如果没有图纸可采用三维激光扫描仪进行建模，楼层可以纵向展开查看，展示建筑内部不同结构的空间布局等信息。对企业主要生产设备也可通过三维激光扫描仪进行建模。

六、可视化业务场景

（一）空间管理

1.网格管理

可在城市基础图层上增加网格化图层和部件图层，便于查看各辖区范围内危化企业以及应急资源的位置分布情况、数量、类型等。

2.逐级可视

三维可视化可实现从城市到街镇、园区、企业、厂房、楼层、设备的逐级可视化，创建全厂环境，还原全厂车间布局、生产设备模型等，并显示各种设备的空间位置，以清晰、完整地显示整个危化企业的环境。

3.四色图

根据国家要求，安全风险等级从高到低划分为重大风险、较大风险、一般风险和低风险，危化企业应当将全部作业单元网格化，将各网格风险等级在厂区平面布置图中用红、橙、黄、蓝四种颜色标示，形成安全风险四色分布图[3]。通过三维可视化平台，可以对企业空间进行立体化的四色图标注。

（二）安全生产

1.设备监控

监管部门并不对危化企业的生成过程进行全流程监控，只是对产生有毒有害气体和易燃易爆的重点设备进行监管。通过通信控制协议的开放接口，对危化企业的重点设备进行数据采集和集成，统一监控设备的各种运行、报警和故障数据；并与三维可视化技术结合，在企业楼层地图上和建筑模型上标出各类设备的位置和运行数据，通过颜色或动态效果来表示设备的运行状态。

气体泄漏监测：物联传感器可以24小时实时监测危险气体浓度变化，能对危化品仓库进行各种可燃有毒有害气体泄漏监测。

储罐的安全监测：能对储罐、压力容器进行压力、液位、温度、容积等进行监测。

2.环境监控

危化企业的环境监测：通过红外摄像头、温湿度传感器、烟感等对厂区环境进行全天候，连续自动地监测；空气质量监测系统能够监测环境空气态污染物和环境空气颗粒物的实时变化情况，迅速、准确的收集、处理监测数据。监控数据可在三维平台上进行实时显示，如果超过预设的阈值则弹出报警提示，监控数据形成的统计报表可为环保部门的环境管理提供详实的数据资料和决策参考。

3.能耗监测

在节能减排大背景下，能耗管理对企业来说尤为重要，结合三维可视化平台，可对企业供暖、供排水、供气、供电等各个子系统生产运行态势进行实时监控；通过构建能耗设备的三维模型，可直观展示能耗设备的位置，运行状态，报警信息等。还可进行能耗趋势分析、能耗指标综合考评，对能源调度、设备运行、环境态势等要素数据进行多维可视分析，引导绿色低碳用能模式。

（三）智能安防

基于视频监控、门禁道闸、电子巡更、入侵报警等安防管理系统数据，提供企业安全态势综合检测，支持对企业重点部位、人员、车辆、告警事件等要素进行实时监测，支持事件快速定位、显示，实时调取视频监控视频，辅助管理者有效提升企业安全管控效率。

1.AI视频

危化企业智能AI视频监控是应用最为广泛的管理手段，是管理者感知的外延。平台整合原有视频资源，全部集成到可视化平台，采用AI前端分析、热感成像等技术、通过深度学习算法支持，可以实现传统监控无法实现的诸多功能。系统可通过集成AI视频网关对视频码流进行各类画面场景分析，视频监控既可用于对人员的管理，也可对装置设施进行监控。

（1）作业监控：监控部分作业区域，监视作业规范情况，防止车辆违停、物料违规堆放、人员违规进入和长时间滞留，留取视频资料。

（2）装置监控：监控装置运行画面，热感相机侦测装置温度，防患未然。

（3）视频巡逻：可以根据设定好的巡逻路线依次播放视频监控画面，通过视频融合技术可实现实景巡逻，给人身临其境的感觉，视频巡逻实现了巡逻自动化，从而大大增加巡逻频率，减少人工巡逻次数。

2.人员管理

利用视频监控、安防门禁、巡更系统和人员定位设备，能够有效识别、跟踪作业人员的位置和行为，配合三维建模数字孪生技术，实现厂区全方位可视化人员管理。

（1）人流监控：重要设施装置出入口，监控人员进出口数量、配合门禁系统可清点人数，获取风险分级区域的人数信息，根据工厂事故预防要求，进行车间超员报警。

（2）区域监控：设施装置周边区域智能监控，防止人员违规闯入、离开。越界检测算法基于计算机识别技术，配合现场摄像头，自动识别“危险界限”， 如人员越界可立即报警，确保员工的人身安全

（3）人员定位：通过在重点部位部署基于蓝牙定位、WiFi定位等技术的室内定位设备实现定位、信号互联和警情发送。每个工作人员配置报警定位手环或胸牌，在突发事件发生时，三维可视化平台可实时显示报警位置，企业内安保人员接收报警信息后，及时赶赴救援。

（4）巡更管理：三维可视化监管平台可对安保人员的巡更行为进行监控，当发生巡更超时、巡更点未打卡等行为，在平台进行实时展示，并记录相应的人员、时间及地点信息，供后续事件追溯。平台可监控各个时段的巡更任务信息，对异常行为进行上墙告警，同时可在可视化平台展示模拟巡更路线。

3.车辆管理

危化品运输车辆的管理也是应急管理的重要部分，需要建立运输档案，结合企业的卡口道闸和车载GPS及视频监控进行跟踪管理，对于进出企业内部的车辆进行装卸管理和停车管理。

（1）车辆定位跟踪：通过可视化平台对危险品车辆运输过程进行实时监控，在3D地图中可以查看危化车辆的实时视频、实时定位和轨迹回放。（2）装卸管理：对于危化物品的装卸需要接入视频监控进行全程监管。（3）停车管理：通过对接卡口道闸数据，在三维可视化平台可直观看到车位使用情况、车辆信息等。可引导危化车辆停放到安全的位置，出现乱停放现象时系统会给出告警信息。

（四）应急救援

企业风险因素众多，应急处置尤为重要。应用三维可视化技术可以加强和规范危险源监管，从事前预防、事中处理、事发响应等各方面全方位提高企业消防安全管理的应急处置能力。

1.消防设施管理

目前消防物联感知设备有可燃气体、烟感、水压、水位、电气火灾检测、智能消防栓等。可通过现场物联设备实现数据获取和上传，需厂商提供接口协议并配合调试。也可通过与火灾自动报警主机进行数据对接，消防子系统把数据汇聚到消防监控室报警主机，通过串口服务器跟报警主机对接，通过Modbus协议获取相关子系统数据。系统可对企业楼宇建筑的内部消防设施情况进行三维立体展示。

2.应急预案

可结合三维模型制作应急预案，通过对接各类已建系统，整合全方位数据，通过三维平台可以综合展示灭火救援的装备，动态展现逃生路线，增强作战效能，加强辅助指挥决策能力[4]。

支持在数字孪生平台上模拟应急疏散，编制危化企业的三维可视化应急预案。平台允许自由创建各种类型安保的3D仿真场景，并在场景中设计和配置安保范围内的建筑和应急设备，高度还原真实世界，让相关人员全面了解周边安保设施、交通路线，熟悉现场环境、建筑结构。根据完整的可视化预案，实时部署安保力量，保证指挥及力量部署的精准化[5]。

七、结语

与传统的企业监管系统相比，数字孪生平台具有不可比拟的场景优势。基于三维可视化的危化企业监管平台利用新一代信息技术的态势感知、优化处理、智能交互和智慧决策能力，促进危化企业实现精细化管控，推动企业数字转型、增强企业风险防控能力、提升政府监管水平。三维可视化技术助力城市管理进行数字化创新，加快构建城市“元宇宙”。H

参考文献

[1]宋元涛，王大伟，杨春立，等.以信息化加速推进应急管理现代化[J].中国应急管理，2021（06）：14-25.

[2]彭祥.基于Cesium的智慧园区三维可视化系统设计与实现[J].电子设计工程，2021，29（08）：81-84+89.

[3]曹家勇.企业从根本上消除事故隐患的方法探究[J].四川建筑，2021，41（05）：261-262+264.

[4]杨帆，胡博，王满，等.三维可视化技术在医院消防应急管理中的应用[J].消防科学与技术，2021，40（12）：1826-1828.

[5].关于全面推进“智慧消防”建设的指导意见[J].中国消防，2017（21）：61-64.