三维智能电厂安防平台的研究与设计

邢少妹

摘  要： 电厂信息系统繁多，但信息资源共享不佳，信息孤岛现象严重，数据关联程度不够，不能高效地发挥各专业系统的价值。因此提出一种有效的设计方案，融合虚拟现实、物联网、智能报警联动等先进技术，将独立、分散的视频监控、门禁监控、消防报警、周界入侵防护、两票系统及人员定位等系统在统一的三维可视化安防平台中进行集中管控，实现跨子系统的报警智能联动，由被动的安全管控转向主动的安全防范，全面提升电厂整体预警联防能力。

关键词： 信息孤岛; 虚拟现实; 智能报警联动; 三维; 安防平台; 集中管控

中图分类号：TP319          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）12-17-04

Abstract： There are many information systems in power plant， but the sharing of information resources is not good， the phenomenon of Information Island is serious， and the degree of data association is not enough， so the value of each professional system cannot be brought into full play. In order to effectively solve the problems mentioned above， this paper proposes an effective design scheme， which uses advanced technologies such as virtual reality， Internet of Things， intelligent alarm linkage， and integrates independent and decentralized video monitoring， access control monitoring， fire alarm， perimeter intrusion protection， two ticket system and personnel positioning system in a unified three-dimensional visual security platform for centralized control， so as to realize an intelligent alarm linkage across subsystem. The system's alarm intelligent linkage has changed from passive safety control to active safety prevention， which has comprehensively improved the overall early warning and joint defense capability of the power plant.

Key words： Information Island; virtual reality; intelligent alarm linkage; 3D; security platform; centralized control

0 引言

发电厂在生产运行过程中，会使用许多可燃性气体、液体、粉尘和固体物质等，同时在发电的过程中，会涉及大量的高压和高温设备，存在众多不可避免的安全隐患。要想保障发电厂的稳定运行，必须采取有效的安全管理措施，将诸多危险因素消除在萌芽状态中。

根据电力行业的安全管理规范要求，发电厂必须部署相关的安全防范系统，包括视频监控系统、出入口控制系统、入侵报警系统、电子巡查系统等。目前，电厂普遍都部署了这些安全防范系统，但这些系统没有得到有效的应用，主要原因包括：一是这些系统没有统一的数据库，无法在内部实现信息共享;二是各系统风格独立，业务人员需熟悉多种不同风格、不同控制逻辑的管理客户端，容易造成业务不精或工作疏漏;三是系统联动多数局限于硬件联动，增加实施与维护的复杂度;四是无法配置全局预案，实现统一平台下的业务优化。

鉴于以上分析，本文研究并设计一套基于三维的智能电厂安防平台，将电厂的各系统资源整合在一个统一的三维平台上，让各系统能够像网络中的各种组件一样联动起来，从而提高整体联防响应效率，让安全管理由被动的、事后响应式的管理向主动的、事先预警、预控方向发展。

1 平台总体设计

1.1 平台整体框架

平台通过构建厂区范围的全景概貌、地上工业及建筑设施、有关设备的三维模型，实现电厂的三维空间全景显示，并接入视频监控系统、门禁系统、消防报警系统、周界入侵、两票系统、人员定位系统等专业子系统，将分散的、相互独立的各子系统在统一的三维模型环境中进行集中管理及报警监控。在发生警情时能有效、快速实现跨子系统的智能联动，提高电厂整体安全防护水平，最大限度降低安全风险。其中三维引擎是整个平台中与三维图形处理相关的重要部分，提供控制三维景观的各种API参数接口，封装声音、图形的實现平台，并对复杂的应用提供了内部支持，包括场景渲染、声音播放、行为控制、例子系统及碰撞检测等。三维引擎负责接收控制指令或者输入输出功能的管理，实现丰富、友好的人机交互模式。平台的框架结构如图1所示。

1.2 电厂三维模型构建

基于电厂现场实际的生产作业环境，结合电厂厂区平面布置竣工图、建筑物结构图、现场拍摄照片及无人机倾斜摄影测绘数据等技术资料，建立电厂1：1等比例统一坐标系的三维模型，并将各子系统的监控点位在三维模型中进行标绘，将各种监控信息与地理空间位置进行关联，实现对现场专业设备的集中管理和统一监控。建设的三维信息化模型将完整地还原电厂各职能区域，直观、如实的反映各专业设备设施空间分布关系及必要状态，满足人员定位管理、视频监控、门禁监控等安全生产监控应用需求[1]。

1.3 子系统接入设计

经调研分析，电厂部署的视频监控、门禁控制、消防报警、周界入侵、人员定位等系统厂商众多，各厂商系统普遍采用专有的通讯协议实现内部的数据传递，软件架构采用封闭的模型，造成了各子系统信息共享存在很大的障碍。

在分析各子系统现状基础上，充分考虑平台将来的可扩展性，本文在平台上层业务应用与各专业子系统中间，设计了一个数据接入服务中心，可以在前端针对不同子系统的接入方式提供专门的接口模块，把接口模块通过注入服务方式注入到平台中[4]。通过接口调用管理服务，动态启用适配的接口模块，实现与子系统的动态交互，并按照统一的数据交换服务，为上层安全管控和应用提供实时的数据服务。子系统接入设计方案如图2所示。

1.4 报警联动机制

平台提供灵活的报警联动配置，每个子系统的接入设备都可作为报警源进行配置，配置关联的视频、门禁、语音及预案。报警发生时，平台在三维场景中快速定位并高亮显示报警点，自动调取关联的实时视频画面[2]，播放语音提示，并可查看当前人员分布位置。值班人员对报警进行核实后，则门禁系统联动自动打开，自动弹出处理预案。典型的报警联动响应如下。

⑴ 视频监控报警联动

当发生实时视频丢失、禁入区域闯入报警、厂区逗留（滞留）检测报警、可疑物品遗留检测报警等情况发生时，立即在三维场景中自动定位、高亮显示视频报警区域，自动弹出关联摄像头并进行抓拍、录像;如遇危险情况，则门禁系统联动自动打开，自动弹出处理预案。

⑵ 门禁监控报警联动

当门禁系统发生长时间不关门、人员非法闯入、无效卡刷门、对门禁系统的破坏（剪线、短接）等情况发生时，立即在三维场景中自动定位、高亮显示门禁报警点，自动弹出关联摄像头并进行抓拍、录像。

⑶ 消防监控报警联动

当平台监测到消防报警系统温感探测异常、烟感探测异常、可燃气体探测异常等情况发生时，在三维场景中自动定位并高亮显示火灾报警点，自动调取关联的实时视频画面，值班人员对报警进行核实后，则门禁系统联动自动打开，自动弹出处理预案。

⑷ 周界入侵报警联动

当平台监测到厂区周围或进入区域有非法侵入，立即在三维场景中定位并高亮显示周界区域，自动弹出关联摄像头并进行抓拍、录像。

⑸ 两票作业报警联动

平台把整个厂区划分为N个作业区域，根据作业区域安全风险的高低做出相应的等级划分，便于重点区域重点监控。当监测到作业人员闯入未授权区域，或在作业时间范围内不在指定的区域范围，立即触发报警，调取关联摄像头取证抓拍或视频录像。

⑹ 人员定位报警联动

利用三维平台与人员定位系统，基于时间和空间要素，对相应的工作人员进行授权，同时对非授权人员的闯入进行报警和监控。一旦无票作业人员进入不允许进入的区域立即触发对应的报警响应级别，或者接收到现场人員的SOS求救信号，立即在三维场景中定位并高亮显示，同时调取周围的视频远程实时监测。

2 平台功能设计

平台主要功能设计如下：

⑴ 实时监控报警

基于三维场景和实时定位信息，对全厂高风险作业、电子围栏非法闯入、靠近危险区、超时停留、SOS报警求救等安全相关事项进行实时监控，一旦发现异常实时反馈并通知相关负责人，提高安全管理的及时性，将安全风险降到最低[3]。同时实时监控重要设备的运行状态，监控到异常情况立即触发调取周边图像，并进入隐患处理流程。

⑵ 人员位置监控

对作业人员精确定位，显示人员工作轨迹。人员携带定位标签通过不同区域边界时，系统自动感知相关信息，一旦发现未授权人员携带定位标签进入危险区域，就触发相应级别报警。

⑶ 视频监控联动

在三维地图中显示视频监控的位置分布，通过关键字搜索及位置可快速查找视频监控并调取查看。支持根据人员位置自动切换对应的视频监控画面，支持基于历史轨迹的历史视频调取联动播放。

⑷ 智能门禁联防

在三维地图上显示各门禁的分布点位，实时显示各个门禁的开关状态，具有通道进出实时监控、出入记录查询、消防报警监控联动、紧急逃生等功能。当监测到门禁系统发生无效卡刷门、对门禁系统的破坏（剪线、短接）等非法情况时，在三维场景中自动定位并高亮显示门禁报警点，自动调取关联的实时视频画面，值班人员对报警进行核实后自动完成后续的联动处理。

⑸ 消防报警监控

当监控系统接收到火灾报警信息后，立即弹出多路实时现场视频，多角度、全方位展现当前报警点的火情，指挥中心通过转预置位、调焦、变换镜头角度，对火场细节进行进行进一步查看。通过预先设置，可对着火前的现场进行提前录像或即时录像，方便查找原因;同时，针对重点视频，可手动录像，另做保存。消防报警信息经确认后，系统自动打开火灾区域门禁，确保逃生路线正常，保证人生安全。

⑹ 两票操作监控

实时调用工作区域附近摄像头，监控两票工作、操作过程，并通过移动应用与现场人员进行互动;根据工作区域地点，自动规划行进路线，授予路线上相关门禁权限，工作结束后自动收回权限。

⑺ 区域作业管理

把整个厂区划分为N个作业区域，根据作业区域安全风险的高低做出相应的等级划分，根据工作内容对不同人员可进入的区域进行授权。

⑻ 设备管理

平台支持对摄像机、消防设施、门禁设备、定位基站等设备进行统一管理和设置，对各种设备在授权的前提下能够进行分组管理和维护，自由添加、删除、重启、重命名等操作。支持将视频点、消防报警点、门禁点等各子系统的监控点位在电厂厂区三维可视化模型中进行标绘。

⑼ 报警联动配置

平台具备联动配置功能。支持通过平台定制各子系统之间联动的相关性，当联动逻辑需要改变时，系统提供方便的联动逻辑定制工具，快速修改联动逻辑;可以查看在何时执行了哪个联动场景;当触发某一个联动场景时，平台会执行该联动场景下的所有联动策略。

⑽ 用户及权限管理

平台具有完善的用户及权限管理功能，能够设置不同权限的用户组，可对不同的组设置不同的管理权限，组内的用户自动继承组的权限，未对无权限查看和管理的相关内容能够进行自动隐藏。

3 平台关键技术

⑴ 虚拟现实技术

通过虚拟现实技术，构建电厂等比例的虚拟生产作业环境，创建一个能让安全管理人员具有强烈的身临其境感，并具有完善交互能力的三维可视化工作平台。同时，将安防系统的信息点位（监控点、报警点、门禁点等）在三维实景图对应的位置进行标绘，用户点击图标，即可直接调取对应监控图像，远程打开门禁通道，获取点位详细信息等，真正实现“身临其境”、“所见即所得”的操控体验。电厂安全管理人员通过虚拟场景在远程就能掌握全局安防单元和重要设备分布情况及运行情况，能对复杂工作现场、重要设备、物资、现场人员实现精准定位，能快速识别人员规章操作，降低现场安全隐患风险。

⑵ 智能报警联动响应

电厂的视频、门禁、消防报警、人员定位、两票等系统大多采用专有的通讯协议实现内部的数据传递，相互之间比较独立，通过对接各子系统，把安防、生产、定位统一在共同的三维空间环境中。利用灵活的联动配置模式和自动监控技术，实现作业区域的报警联动，无需人工干预，当视频、门禁、设备及人员发生异常状况时间，能自动定位到人员所在位置，并推送现场视频图像，根据需要打开相应的门禁，实现跨子系统的智能联动。

⑶ 系统接口动态注入

针对不同厂商的专业子系统，提供前端数据交互接口模塊。采用插拔式的接口管理方式，将不同子系统的接口模块注入到平台数据交换服务中心，动态地管理接口，并按照统一的服务总线接口标准，为上层安防管理业务应用提供实时数据服务。

4 平台应用效果

本文设计的安防平台已在国华北京燃气电厂、寿光电厂实施应用，为电厂建立统一的安防管控平台，将电厂现有监控设备及监管系统接入平台。该平台以三维模型为空间基础，把整个厂区划分为N个作业区域，对作业全程跟踪、智能报警、多级联动，为安全管理人员提供图文并茂、高度可视化的三维场景监控画面，提升安全保障能力和应急响应能力。

5 结束语

电厂现有众多安防系统，且各系统之间不能实现有效一体化联动，本文从实际情况出发，提出了基于三维的智能电厂安防平台的设计方案。该平台融合了虚拟现实、定位、人工智能等先进技术，通过构建电厂1：1等比例三维建模，接入电厂各类安防设备，采取可以灵活配置的报警联动响应机制，并通过高精度定位实现精准的监控和报警跟踪，给电厂安全管理人员提供一个高度可视化的安全管控工作平台，实现主动的安全管控，有效提升电厂的安全管理效率和应急响应能力。

参考文献（References）：

[1] 李绍卓，焦党育.发电厂三维智能安防平台的设计与实现[J].微型机与应用，2015.34（8）：91-93

[2] 付葶，王增武.基于GIS技术的安防平台建设[J].成都信息工程学院学报，2007.22（z1）：28-33

[3] 刘鹏，王要武.基于GIS的智能小区安防管理系统[J].南京理工大学学报，2004.28（3）：243-247

[4] 冯丽伟.“智慧医院”安防平台设计[J].中国公共安全（综合版），2015.23：93-95