基于GIS熱輻射事故多米諾疊加分析與設(shè)計(jì)

李俊華，趙躍華，劉 俊，周 寧

基于GIS熱輻射事故多米諾疊加分析與設(shè)計(jì)

李俊華1，2a，趙躍華1，劉 俊2b，周 寧2a

（1.江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.常州大學(xué)a.石油工程學(xué)院；b.信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

引入多米諾效應(yīng)的定義，給出熱輻射事故多米諾效應(yīng)定量評(píng)價(jià)的具體流程.在觸發(fā)多米諾效應(yīng)發(fā)生條件和發(fā)生模式的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了熱輻射事故多米諾疊加算法分析.利用地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多米諾事故熱輻射疊加分析軟件以及相應(yīng)的設(shè)計(jì)步驟，解決較為復(fù)雜的重大事故多米諾效應(yīng)概率疊加計(jì)算問(wèn)題.根據(jù)多米諾效應(yīng)的發(fā)生概率，研究結(jié)果可以更加形象地動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)事故進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，為救援指揮提供決策，對(duì)相關(guān)園區(qū)的安全管理和救援決策具有指導(dǎo)意義.

多米諾效應(yīng)；熱輻射疊加；地理信息系統(tǒng)；概率

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展過(guò)程中，各地化工企業(yè)不斷增多，各地方政府為了對(duì)化工企業(yè)更好地進(jìn)行管理，通常將大量的化工企業(yè)集中到化工園區(qū).若園區(qū)內(nèi)某重大危險(xiǎn)源發(fā)生火災(zāi)、爆炸，極易造成事故蔓延，影響鄰近裝置甚至?xí)跋噜徠髽I(yè)，引發(fā)災(zāi)難性的多米諾效應(yīng)事故.

多米諾效應(yīng)事故比普通事故造成了更加嚴(yán)重的危害和損失，如：1984年墨西哥城發(fā)生液化石油氣槽車(chē)爆炸碎片引發(fā)連鎖爆炸事故，燒毀建筑面積27公頃，造成544人死亡，1 800多人受傷，120萬(wàn)人疏散［1］；2008年，廣西河池市宜州郊區(qū)最大的有機(jī)化工企業(yè)廣西維尼綸集團(tuán)有限責(zé)任公司，有機(jī)車(chē)間突然發(fā)生爆炸，爆炸引發(fā)的火災(zāi)導(dǎo)致各倉(cāng)庫(kù)內(nèi)裝有甲醇、乙炔、醋酸乙烯、液氯等易燃易爆物品的儲(chǔ)存罐連環(huán)爆炸，造成20人死亡，60人受傷，疏散工廠(chǎng)生活區(qū)的居民及附近15個(gè)自然屯的群眾共計(jì)1.1萬(wàn)多人［2］.

由上述教訓(xùn)可見(jiàn)，對(duì)多米諾效應(yīng)事故的研究十分有必要.目前在國(guó)內(nèi)，關(guān)于重大危險(xiǎn)源的多米諾效應(yīng)方面的研究主要在理論研究方面較多.國(guó)際上，歐盟頒布的塞韋索法令Ⅱ（Directive 96／82／EC）中規(guī)定，為了完善風(fēng)險(xiǎn)控制、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和預(yù)防措施程序，要求有重大危險(xiǎn)源的相關(guān)企業(yè)提交的安全報(bào)告中必須要有廠(chǎng)內(nèi)和廠(chǎng)外多米諾效應(yīng)分析的內(nèi)容，以及可能產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的企業(yè)之間要共享危險(xiǎn)源信息等［3-4］，這一規(guī)定顯示出國(guó)外對(duì)多米諾事故的重視.在國(guó)內(nèi)因?yàn)榛@區(qū)里的企業(yè)在空間地域中分布隨機(jī)性很大，一旦發(fā)生事故，單從理論模型有時(shí)很難為園區(qū)內(nèi)企業(yè)的事故發(fā)生概率進(jìn)行實(shí)時(shí)定量的分析，通過(guò)基于地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）可以將模型與空間地域相結(jié)合，能夠有效地對(duì)多米諾效應(yīng)事故進(jìn)行實(shí)時(shí)定量的分析，在救援決策支持中起到重要的作用.

1 多米諾效應(yīng)概述

1.1 多米諾效應(yīng)原理

由初始事故引起的2次或2次以上的事故從而造成嚴(yán)重后果的現(xiàn)象稱(chēng)為事故多米諾效應(yīng)［5］.

多米諾事故發(fā)生的必要條件：

（1）事故所形成破壞效應(yīng)的范圍之內(nèi)存在敏感裝置；

（2）破壞效應(yīng)強(qiáng)度足夠大以致裝置失效；

（3）破壞的發(fā)生存在極大的可能性［6］.

多米諾效應(yīng)模式：初始單元發(fā)生火災(zāi)或爆炸，所釋放的能量作用于二級(jí)或三級(jí)單元，在滿(mǎn)足上述條件的情況下導(dǎo)致2次事故，以此類(lèi)推導(dǎo)致3次事故的發(fā)生，這種現(xiàn)象將繼續(xù)傳播直到下一個(gè)區(qū)域內(nèi)沒(méi)有危險(xiǎn)源為止［7］.多米諾效應(yīng)模式見(jiàn)圖1所示.

圖1 多米諾效應(yīng)模式圖Fig.1 Mode diagram of domino accidents

能夠觸發(fā)多米諾效應(yīng)發(fā)生的事故類(lèi)型主要有火災(zāi)、爆炸、毒物泄漏；以上3種情況同時(shí)或交叉發(fā)生［8］.

1.2 定量評(píng)價(jià)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)的流程

COZZANI等［9］在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的思想提出了定量評(píng)價(jià)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)的流程，如圖2所示.

從圖2可看出，定量評(píng)價(jià)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵技術(shù)為臨界值標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展概率的確定及可能二次事故組合的發(fā)生概率和后果計(jì)算［10］.

1.3 多米諾效應(yīng)臨界值的確定

目前在多米諾效應(yīng)研究中主要考慮了熱輻射、超壓和拋射破片這3種擴(kuò)展向量對(duì)二次目標(biāo)設(shè)備的損壞.但是本文主要針對(duì)熱輻射進(jìn)行基于GIS的定量分析，其余兩種基于GIS的定量分析將在后續(xù)的研究中討論分析.

從圖2可知，多米諾效應(yīng)一般利用臨界值標(biāo)準(zhǔn)來(lái)辨識(shí)初始事故是否可能引起周?chē)O(shè)備的損壞.如果初始事故在給定位置處的物理量值大于設(shè)定的臨界值，則初始事故就有可能對(duì)該處的設(shè)備造成一定程度的損壞，有必要進(jìn)一步對(duì)其產(chǎn)生的多米諾效應(yīng)進(jìn)行深入分析，否則認(rèn)為初始事故不會(huì)對(duì)該處的設(shè)備造成影響，沒(méi)有必要再分析，因此，臨界值標(biāo)準(zhǔn)在多米諾效應(yīng)的定量評(píng)價(jià)中占據(jù)著非常重要的地位.表1總結(jié)了火災(zāi)事故的多米諾效應(yīng)的參考臨界值［10］.

圖2 定量評(píng)價(jià)多米諾事故風(fēng)險(xiǎn)流程圖Fig.2 Flow chart of the quantitative evaluation about risks of domino accidents

表1 火災(zāi)事故的多米諾效應(yīng)的臨界值表Table 1 List of critical values about the domino effect of fire accidents

1.4 多米諾效應(yīng)熱輻射概率分析

當(dāng)二級(jí)單元吸收源于一級(jí)單元事故釋放出的熱輻射能量后，會(huì)引起單元內(nèi)設(shè)備溫度升高、壓力增大和設(shè)備材質(zhì)的許用應(yīng)力等物理特性的變化［11］.一旦設(shè)備壓力超過(guò)它的許用壓力或者器壁所受應(yīng)力超過(guò)其許用應(yīng)力就有發(fā)生爆炸或破裂的可能性.

COZZANI等［12］對(duì)歷史數(shù)據(jù)運(yùn)用最小二乘法分析得出不同設(shè)備的事故擴(kuò)展概率模型如式（1）和（2）所示.

常壓圓柱形立式容器：

高壓圓柱形水平容器：

式中：t為設(shè)備失效時(shí)間，s；I為作用于目標(biāo)設(shè)備的熱輻射強(qiáng)度，k W／m2；V為設(shè)備體積或容積，m3.

由上可知，熱輻射多米諾效應(yīng)的概率計(jì)算是以熱輻射強(qiáng)度和設(shè)備體積為基礎(chǔ)的.

2 多米諾事故熱輻射疊加算法分析

2.1 熱輻射強(qiáng)度的疊加

如圖3所示，假設(shè)在A(yíng)處發(fā)生一級(jí)池火事故（以池火為例不失一般性，其他火災(zāi)或爆炸事故計(jì)算式不再一一列舉）.

圖3 A處事故熱射輻等級(jí)區(qū)域Fig.3 Rating district of thermal radiation about the accidents in Place A

設(shè)液池為一半徑為r的圓形池，當(dāng)液池中燃物的沸點(diǎn)高于周?chē)h(huán)境溫度時(shí)，液池表面上單位面積燃燒速度為

當(dāng)液池中液體的沸點(diǎn)低于環(huán)境溫度時(shí)，如加壓液化氣或冷凍液化氣，液池表面上單位面積的燃燒速度為

液池燃燒時(shí)放出的總熱輻射通量Q為

式中：r為液池半徑，m；h為火焰高度，m；η為效率因子，可取0.13～0.35.

假設(shè)全部輻射熱都是從液池中心點(diǎn)的一個(gè)微小球面發(fā)出的，則在距液池中心某一距離的入射熱輻射強(qiáng)度I為

式中：Q為總熱輻射通量，W；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；x為對(duì)象點(diǎn)到液池中心距離，m.

由式（5）和（6）可以算出池火事故熱輻射強(qiáng)度，并根據(jù)危險(xiǎn)程度劃分若干個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)區(qū)域，如圖3所示的A1區(qū)、A2區(qū)、A3區(qū)，各區(qū)的熱輻射強(qiáng)度均值分別為IA1，IA2，IA3.若B點(diǎn)有一個(gè)危險(xiǎn)源在A(yíng)3區(qū)的影響范圍之內(nèi)，可以由式（1）或（2）算出該點(diǎn)的多米諾效應(yīng)的概率，其他各點(diǎn)概率也可以一一算出.

若B點(diǎn)因熱輻射影響而發(fā)生多米諾效應(yīng)產(chǎn)生二級(jí)事故，通過(guò)同上原理，可以為B點(diǎn)再劃分若干個(gè)等級(jí)的危險(xiǎn)區(qū)域，如圖4所示的B1區(qū)、B2區(qū)、B3區(qū)，各區(qū)的熱輻射強(qiáng)度均值分別為IB1，IB2，IB3.這樣必然會(huì)產(chǎn)生A點(diǎn)和B點(diǎn)熱輻射強(qiáng)度的疊加區(qū)域，即1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)，疊加效果如圖4所示，疊加區(qū)域的輻射強(qiáng)度分別為

疊加1區(qū)：I1＝IA2＋I(xiàn)B3

疊加2區(qū)：I2＝IA3＋I(xiàn)B3

疊加3區(qū)：I3＝IA3＋I(xiàn)B2

疊加4區(qū)：I3＝IA3＋I(xiàn)B1

圖4 熱輻射疊加圖Fig.4 Accumulation diagram of thermal radiation

如若C處有危險(xiǎn)源，C處位于疊加2區(qū)范圍內(nèi)，分別受到A3區(qū)和B3區(qū)的輻射強(qiáng)度的疊加為I2，由式（1）或（2）算出C點(diǎn)的多米諾效應(yīng)的概率.其他處危險(xiǎn)源概率類(lèi)似.

2.2 熱輻射區(qū)域圖元的疊加算法

以圖4為例分析，B處事故為A處事故發(fā)生多米諾效應(yīng)的下級(jí)事故，需判斷新發(fā)生B處事故各等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域與當(dāng)前已發(fā)生的A事故各等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)域疊加，將每一個(gè)疊加區(qū)域看作一個(gè)圖元，采用圖元逐步切割法可以完成所有各等級(jí)熱輻射疊加區(qū)域圖元的分割.熱輻射疊加區(qū)域的圖元算法如圖5所示.

圖5 圖元疊加算法Fig.5 Flow chart about feature accumulation

圖5中，F(xiàn)eature（i）為多米諾效應(yīng)中最近發(fā)生事故熱輻射的某個(gè)等級(jí)的區(qū)域；Feature（j）為已發(fā)生事故的熱輻射的某個(gè)區(qū)域或疊加區(qū)域；FeatureTemp為臨時(shí)圖元；FeatureTemp∩Feature（j）為兩個(gè)圖元交集.

根據(jù)圖5所示算法完成對(duì)圖4的圖元切割，步驟如下：

（1）判斷B3環(huán)形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

（2）判斷B3環(huán)形圖元是否與A2環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為1號(hào)圖元；

（3）執(zhí)行B3環(huán)形圖元減去1號(hào)交集圖元操作，剩余部分圖元判斷是否與A3環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為2號(hào)圖元；

（4）判斷B2環(huán)形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

（5）判斷B2環(huán)形圖元是否與A2環(huán)形圖元相交，不相交；

（6）判斷B2環(huán)形圖元是否與A3環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為3號(hào)圖元；

（7）判斷B1圓形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

（8）判斷B1圓形圖元是否與A2環(huán)形圖元相交，不相交；

（9）判斷B1圓形圖元是否與A3環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為4號(hào)圖元；

（10）結(jié)束.

3 實(shí)例研究

3.1 基于GIS多米諾事故熱輻射分析軟件設(shè)計(jì)流程

由于重大事故多米諾效應(yīng)的分析計(jì)算較為復(fù)雜，涉及眾多的影響因素和相關(guān)理論，為便于問(wèn)題的解決，實(shí)際研究應(yīng)在理論分析的基礎(chǔ)上加以合理簡(jiǎn)化.利用Delphi7.0＋ Mapinfo開(kāi)發(fā)了熱輻射事故多米諾效應(yīng)分析軟件，主要程序流程如圖6所示.

3.2 圖層算法設(shè)計(jì)

3.2.1 地圖圖層設(shè)計(jì)

在Mapinfo地圖的圖層中增加一個(gè)temp圖層（臨時(shí)圖層），將整個(gè)熱輻射區(qū)疊加算法中所用到的圖元置于其中.在該圖層中建立ID，ColorCol，RValues 3個(gè)字段表結(jié)構(gòu)，其中，ID為圖元的編號(hào)，ColorCol為圖元顏色的編號(hào)，RValues為該圖元熱輻射值.

3.2.2 疊加圖元分割設(shè)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)

圖6 主要程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

本程序中最核心的內(nèi)容為疊加圖元的分割算法，利用Delphi7.0＋Mapinfo算法實(shí)現(xiàn)如下：

4 結(jié) 語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)外最新研究的基礎(chǔ)上，本文對(duì)基于GIS的多米諾效應(yīng)事故熱輻射疊加進(jìn)行了分析與研究，并對(duì)多米諾事故熱輻射疊加算法進(jìn)行了模擬分析，開(kāi)發(fā)了多米諾事故熱輻射疊加風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估軟件.

由于我國(guó)在重大危險(xiǎn)源的監(jiān)管中對(duì)多米諾效應(yīng)還沒(méi)有有效的應(yīng)對(duì)方法，又鑒于多米諾效應(yīng)難以動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和控制，基于GIS的多米諾事故熱輻射疊加分析軟件可以更加直觀(guān)形象地反映事故的狀態(tài)，并根據(jù)發(fā)生概率動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)事故進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，為救援指揮提供決策.研究結(jié)果可為相關(guān)安全評(píng)價(jià)提供一定的參考，對(duì)相關(guān)園區(qū)的安全管理和救援決策具有現(xiàn)實(shí)意義.

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Domino Accumulation Analysis and Design of Thermal Radiation Accident Based on GIS

LIJun-hua1，2a，ZHAOYue-hua1，LIUJun2b，ZHOUNing2a

（1.School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；a.School of Petroleum Engineering Information；b.School of Information Science and Engineering，2.Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China）

The definition of domino ef fect is introduced and the specific processes of thermal radiation incident domino effect quantitative evaluation are given.Based on the inducing conditions and modes of domino effect，the thermal radiation incident domino stack algorithm analysis is studied.Software for analyzing thermal radiation accumulation in domino accidents and its corresponding design steps has been designed by geographic information system.It has been employed to calculate the probability accumulation in some complex domino accidents.According to the probability of the happening about the domino effect，the results can be more vividly dynamic forecasting the accident further development trend that is instructionally meaningful for rescue to make decisions and for safety management and rescue plan making.

domino effect；thermal radiation accumulation；geographic information system；probability

TP 311.11

A

2012-05-17

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2011BAK03B00）

李俊華（1978—），女，安徽東至人，講師，碩士，研究方向?yàn)镚IS在石油化工安全的應(yīng)用.E-mail：ljjpu＠163.com

1671-0444（2012）06-0727-06