基于数字孪生的安全生产风险管控平台研究

张 波,赵松鹏

(广西右江水利开发有限责任公司,广西 南宁 530029)

为实现新阶段水利高质量发展,要守住安全这条底线。2022年8月,水利部印发了《构建水利安全生产风险管控“六项机制”的实施意见》。实施意见对提升水利安全生产风险管控能力,有效化解各类安全生产风险提出了新要求。

近年来,随着数字化、智能化技术在水利行业应用的快速发展,基于水利工程安全生产的信息管理系统被水管单位广泛应用[1-2]。蔡平等[3]探讨了水利工程设备安全风险管控平台危险源辨识、风险评价、风险管控和安全预测预警等功能模块内容,推动了设备安全风险管控的数字化、信息化进程。蒋迪等[4]阐述了水利工程安全风险管理体系建设的重要性,并对怎样建立安全生产风险防控体系进行了简要概述,对水利工程如何进行安全风险管理具有一定借鉴意义。袁伟[5]基于水利工程施工的特点,结合4M1E模型构建水利工程安全生产管控体系,利用层次分析法识别安全生产关键要素,可为水利工程安全生产提供参考。传统安全生产信息管理系统存在业务功能单一[6],智能分析处理能力缺乏[7],实用性不足[8]等问题,尚未实现危险源辨识动态管控、风险评价自动计算、预测预警自动提醒、处置措施自动生成的目标,与安全生产风险管控精细化、智能化管理还存在明显差距[9-10]。

随着数字孪生的发展,基于数字孪生的安全生产在许多行业都有应用[11]。运用数字孪生技术,将安全风险管控六项机制数字化、网络化、智能化是新阶段进一步提高水利安全风险管控能力,防范化解各类风险的必由之路。谷丰等[12]以矿业为实际案例,从多个管理层面分析了数字孪生在工业安全生产中的应用。王佳奇等[13]将数字孪生技术引入煤矿安全管理中,指出了构建的孪生模型可以实现瓦斯事故的事前预防与快速响应,加快了瓦斯事故孪生模型的落地应用。丁恩杰等[14]阐述了矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术,为智慧矿山的发展奠定基础。黄越等[15]在分析电厂自动化管理现状基础上,应用物联网、数字孪生技术及相关设计思想,提出了一种基于数字孪生技术的自动化远程监测系统建设方案。目前,数字孪生在水利工程安全生产风险管控还少有研究及应用。

以百色水利枢纽工程为例,通过建立各类危险源数据库,梳理安全风险管控场景,构建基于数字孪生的安全生产风险管控平台,将各类危险源安全状况精准映射至数字孪生场景中。平台利用水利工程积累的历史数据、实时监测数据、孪生数据,结合安全生产状况评价模型、水利专业模型、工程安全监测预警模型、智能分析模型,对工程各类危险源风险进行实时计算、仿真推演、预测预警、优化决策,为水利安全生产风险管控6项机制执行提供技术支撑。

1 工程现状

百色水利枢纽工程是西部大开发十大标志性工程,是治理和开发郁江的关键项目。该工程位于郁江上游干流右江,坝址下距百色市22 km,工程主要由主坝、水电站、2座副坝、通航建筑物等组成。工程效益以防洪为主,兼顾发电、灌溉、航运、供水等。百色水利枢纽工程坝址以上流域面积19 600 km2,水库正常蓄水位228 m,水库总库容56.6亿m3,水库防洪库容16.4亿m3,调节(兴利)库容26.2亿m3,属不完全多年调节水库。在安全生产管理信息化建设方面,已建有大坝安全监测、泄洪闸门在线监测、水轮发电机在线监测、视频监控等监测感知系统和安全生产管理信息系统、生产管理信息系统等业务管理系统。

2 平台框架

平台遵循水利部数字孪生技术架构体系,由信息基础设施、数字孪生安全生产管控平台、安全生产智能应用、网络安全体系、保障体系等部分组成。本研究以百色水利枢纽工程安全生产风险管控为例,通过建设基于数字孪生的安全生产风险管控平台,将安全生产风险管控“六项机制”贯穿整个安全生产管理过程,平台架构见图1。

图1 基于数字孪生的安全生产风险管控平台框架

2.1 信息基础设施

按照“集约化、一体化”的建设原则,以数据中心为依托,优化资源配置,完善安全生产信息基础设备,主要包括强化监测感知体系及数据管理。

a)监测感知。通过“空天地内”监测网络体系,实现工程状态的全方位感知。“空”指采用北斗、GNSS、星载SAR等技术对大范围滑坡体以及边坡等进行高频高精度监测;“天”指采用无人机贴近摄影等技术对工程部位进行无接触、全覆盖拍摄与隐患识别;“地”指采用地基雷达、激光雷达等技术对工程重点部分变形进行毫米级实时监测;“内”指采用阵列式位移计等新型传感器以及巡检机器人等新技术对工程内部进行全方位监测。

b)数据管理。对采集到的多源异构数据进行整理分类检验融合,并通过阈值方法、人工智能方法等进行异常值处理,对缺失数据采用线性插值、三次样条等插值方法进行补缺;同时结合地形地貌、BIM模型等基础数据组建工程数字底板,并以此为基础构建工程数字孪生体,囊括工程周边地形地貌、基础结构、建筑物、机电设备、监测仪器等实体工程中的所有元素。

2.2 数字孪生安全管控平台

参照数字孪生工程总体框架,安全生产风险管控平台包含安全生产数据底板、风险管控专业模型库、安全知识库、孪生引擎等内容。

a)安全生产数据底板。安全生产数据底板是安全生产风险管控平台的“算据”。在共享水利部本级L1级、流域管理机构及省级水行政主管部门L2级数据底板基础上,建设百色水利枢纽工程L2级和L3级数据底板,汇聚工程安全生产全要素、全过程基础数据、监测数据、业务管理数据以及外部共享数据。主要建设内容包括多维多时空尺度数据底板、BIM+GIS基础平台和数据资源池。

b)风险管控专业模型库。风险管控专业模型是安全生产风险管控平台的“算法”,以安全生产数据底板为基础,以安全生产知识库的相关标准规范作为运算规则,结合百色水利枢纽工程安全生产的管理需求,构建各类风险管控专业模型。核心的模型是安全生产状况评价模型,实时计算各类危险源、隐患和事故风险的风险值,并在整体上和各领域、专业设置风险阈值,超过阈值时实时预警,之后根据预警情况,精准采取防范、处置措施,甚至问责。其它专业模型有作业风险管控模型、设施设备风险管控模型、智能分析模型、有限元分析模型等。

c)安全生产知识库。安全生产知识库是一个将安全隐患、征兆与事故相关联的知识集合,包括知识图谱库、业务规则库、历史场景库和专家经验库等。知识图谱库包括水利电力行业典型危险源库、隐患库、事故案例库和作业风险库等;业务规则库包括安全生产相关法律法规、标准规范、规章制度和操作规程以及应急处置相关的综合预案、专项预案和现场处置方案等;历史场景库包括生产安全事故应急处置场景、事故场景、作业场景等;专家经验库包括水利、电力行业相关安全生产专家的经验汇总。

d)孪生引擎。孪生引擎是实体系统数据接入、软件系统接入和应用系统的接口,满足数据加载、模型计算、实时渲染等大容量、低时延、高性能等要求,包括数据引擎、知识引擎、模拟仿真引擎等内容。其中,数据引擎提供多维多时空尺度数据汇聚、清洗、转换、共享、展示、计算、更新等服务能力;知识引擎提供知识语义提取、知识推理、知识更新、集成应用等服务能力;模拟仿真引擎提供模型版本管理、参数配置、组合装配、加载调用、计算跟踪、训练优化、模型迭代等服务能力。

3 安全生产风险管控场景

对百色水利枢纽工程存在实体和作业操作2个安全生产风险管控场景流程进行梳理,将安全生产风险管控“六项机制”融合在百色水利枢纽工程安全生产风险管控管理中。

3.1 存在实体的危险源风险管控

以百色水利枢纽工程泄洪闸门为例,流程见图2,首先参照泄洪闸门设计、制造、安装等方面的技术图纸资料构建泄洪闸门、启闭机等设备的BIM模型。其次从闸门工控系统、闸门在线监测系统、视频监控系统、智能巡检系统等提取泄洪闸门相关的监测数据,从生产管理信息系统、物资管理信息系统、安全管理信息系统提取泄洪闸门巡检、操作、维护、检修、缺陷处理等生产管理数据和隐患排查整改、风险管控等安全管理数据。之后从安全知识库抽取泄洪闸门运行操作、维护保养、检修试验、安全鉴定等方面的规则标准。最后以闸门BIM模型为基础,根据泄洪闸门风险管控的需求,以泄洪闸门的管控措施、隐患和健康状况等为基础实时计算风险值,超出设定阈值时实时预警,并根据预警情况针对性采取防范、处置措施,实现对泄洪闸门的风险全过程、全要素管控。最终形成工程安全“四预”应用。

图2 泄洪闸门风险管控流程

工程安全“四预”应用即工程安全领域预报、预警、预演、预案4个方面的业务应用,通过系统各功能模块间配合,可完成工程安全“四预”业务应用,各业务从上到下层层递进,为应对洪水、地震等突发事故提供决策支持与处置措施建议。

a)预报。以工程实时监测数据与运行方案为输入,调用系统模型库中工程安全分析模型或在线结构计算模型,对工程重点部位变形、渗流、应力应变等安全监测效应量进行预报。

b)预警。根据监测效应量预测结果,进行工程安全分析评价,并结合预警指标与阈值体系进行预警触发判断,对触发预警指标的情景进行预警发布。

c)预演。在工程数据孪生体上对预测与预警结果进行模拟仿真,对工程安全分析评价结构进行风险评价与定级,将评价结果反馈以调整运行方案。

d)预案。确定运行方案后,结合预测、预警、预案结果调用工程预案库自动优选应急预案,并向上级发起申请,审核通过后进行预案执行。

3.2 作业操作危险源风险管控

以百色水利枢纽工程动火作业为例,首先从业务规则库抽取动火作业应遵循的安全规则、风险和防范措施。其次结合百色水利枢纽工程实际动火工作场所和级别,建立对应的作业数字化场景。之后从生产管理信息系统、安全管理信息系统、视频监控系统等相关系统提取动火作业人员及资质、场所、时间、防范措施、作业设施设备、防护用品等数据。最后根据动火作业风险管控的需求,实时查找动火作业过程中的风险隐患,研判、计算动火作业的风险值,并在基础上进一步实现风险预警、防范、处置等功能,从而实现对动火作业的全要素、全过程进行风险管控,流程见图3。

图3 动火作业风险管控流程

本文所述的基于数字孪生的动火作业施工高危风险作业分析主要包括建立施工现场三维模型、标注安全风险点、建立最佳作业条件库、施工人员行为分析这4个环节。

a)建立施工现场三维模型。首先通过对施工现场实物的运行信息提取获取施工现场的数据模型,并以数字化检测获取施工现场的量测信息。然后,将数据模型和量测信息进行融合,并对施工现场进行仿真。最后,生成施工现场的三维模型。

b)标注安全风险点。通过层次细节模型(Level of Detail,LOD)对动火施工风险的关键点进行标注。

c)建立最佳作业条件库。依据历史的施工现场的施工步骤、施工安全措施、施工环境影响因素等信息,建立最佳作业条件和预警范围。

d)施工人员行为分析。通过施工现场摄像头和施工人员安全帽提取施工人员的行为特征,并将施工人员的行为特征与最佳作业条件库的阈值进行比较,在出现风险时作高危风险告警。

4 具体应用

系统采用时下流行的B/S系统架构模式进行前后端分离式开发,前端主要采用VUE 框架以及Element UI、Echarts等开源组件库以及自主研发适用于各类监测业务的定制化组件,后端主要使用Spring Boot、Spring Cloud框架搭建服务平台,服务配置与管理采用 Nacos,数据库主要使用MySQL、PostgreSQL。

平台集成风险管控专业模型库已建的安全生产相关模型,通过在信息空间里建立与物理世界互为映射的数字孪生体,实现危险源辨识动态管控、风险实时计算、预测预警自动提醒、处置措施自动生成的目标。平台主界面以一张图的方式直观呈现百色水利枢纽工程现有的危险源、隐患排查整改情况、风险状况、风险总值等信息。根据百色水利枢纽工程安全生产需要,平台集成存在实体和作业操作2个安全生产风险管控场景。

在三维可视化场景中展示百色水利枢纽工程安全生产状况实时评价情况、危险源分布及风险实时监测状况、隐患排查整改实时跟踪情况、风险预警等安全生产信息。当危险源风险发生变化时,危险源所在空间位置的标注点闪烁,同步向各级管控人员发送预警信息,实现危险源风险动态更新、预警信息动态更新及自动发布的目标。功能界面见图4。

图4 安全生产一张图

安全生产风险管控平台集成的泄洪闸门安全风险管控场景,能够实时查看泄洪闸门的风险值、可靠性等指标,并将风险管控专业模型计算结果渲染在BIM模型上,当闸门运行过程中风险值发生变化时,平台可自动生产预警信息、防范和处置措施,并及时向相关责任人发送预警信息。同时,可在该界面中查看泄洪闸门相关的基础数据(如技术图纸、运行规程等)、监测数据(工作闸门的振动、应力和启闭机械的油压、油位,启闭速度等);管理数据(历史隐患情况、检修记录、巡检记录、备品备件情况等)。图5所示为工程安全“四预”应用中预报场景。

图5 泄洪闸门安全状态界面

安全生产风险管控平台集成动火作业风险管控场景,能够对动火作业前准备和作业时操作2个阶段的安全风险进行管控。其中,作业前准备则根据作业地点、人员、内容、工器具等信息,自动生产本次作业的操作规程、管控措施、作业流程等信息,指导工作人员开展作业;作业时操作则对作业过程进行全程实时跟踪,发现的违规行为实时预警,并通过语音广播和信息推送的方式提醒作业人员和安全管理人员。功能界面见图6、7。

图7 动火作业中界面

5 结语

通过构建基于数字孪生的安全生产风险管控平台框架,提出了基于数字孪生的水利工程存在实体和作业操作2个安全生产风险管控场景,并以百色水利枢纽工程为例证明了框架及场景的可行性。基于数字孪生的安全生产风险管控平台实现百色水利枢纽工程现存危险源统一管理,结合工程安全“四预”应用对危险源的状态进行实时研判、预警,提升了工程安全生产风险管控能力。目前,平台仅集成存在实体类和作业操作类2个风险管控的场景,下一步将根据不同预警状态自动生成科学合理的防范和处置措施,进一步完善该平台功能,实现安全生产风险管控“六项机制”贯穿百色水利枢纽工程各类危险源风险管控场景的目标。