高斯煙羽模型支持下的城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

彭安琪，儲征偉，張書亮

(1. 南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023； 3. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

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高斯煙羽模型支持下的城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

彭安琪1,2，儲征偉3，張書亮1,2

(1. 南京師范大學虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023； 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210023； 3. 南京市測繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

由于燃氣自身易爆炸、易擴散等特性，以及燃氣設施設備的損壞老化問題，導致燃氣泄漏事故時有發(fā)生。本文以高斯煙羽擴散模型為理論基礎，研究與設計了城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)，實現(xiàn)了燃氣設施設備管理、燃氣泄漏應急、輔助救援決策等功能，為突發(fā)燃氣泄漏事件的應急指揮、泄漏影響范圍分析提供了數(shù)據(jù)基礎。

高斯煙羽模型；GIS；燃氣泄漏應急

伴隨城市的快速發(fā)展，燃氣管網(wǎng)已經(jīng)遍布城市的各個角落。燃氣設施設備老化破損、安全防護裝置失效、供氣企業(yè)管理漏洞、作業(yè)人員違規(guī)操作、第三方施工干擾均可導致燃氣事故。燃氣自身的易燃燒性、易爆炸性、易擴散性、壓力供應性及連續(xù)供應性也增加了燃氣管道事故的發(fā)生概率。城市地區(qū)人口密集，商業(yè)活動集中，經(jīng)濟水平發(fā)達，一旦發(fā)生燃氣事故，將會造成嚴重的人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染等后果。根據(jù)統(tǒng)計，城市燃氣安全事故已成為我國繼交通事故、工傷事故之后的第三大殺手[1]。

城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)的建設基于高斯煙羽模型，能夠有效模擬燃氣泄漏后氣體的污染范圍與氣體濃度，并結(jié)合應急指揮單位、救援單位、醫(yī)療機構(gòu)等信息提出切實可行的應急救援方案，結(jié)合燃氣管網(wǎng)信息提供需立刻關(guān)閉的閥門信息及其關(guān)閉閥門后會受影響的其他燃氣管段信息，以輔助救援指揮工作，從而減少燃氣事故造成的人員傷亡與財產(chǎn)損失，保護公民的人身財產(chǎn)安全，維護社會和諧穩(wěn)定。

一、燃氣泄漏擴散模型

氣體泄露擴散模型主要有：高斯煙羽/煙團模型、BM模型、Sutton模型、FEM3模型、Monte-Carlo、CFD模型[2]。在地形因素對大氣中物質(zhì)擴散影響微小的地區(qū)(如平原地區(qū))，大氣的擴散受盛行風的影響最大，物質(zhì)移動的概率符合高斯正態(tài)分布，且高斯擴散模型參數(shù)較少，公式形式相對簡單，計算量小，能很好地滿足快速預測的需求[3-4]。本文依據(jù)高斯煙羽擴散模型建立燃氣泄漏擴散模型。

常規(guī)高斯點源煙羽擴散模型可表述為以下形式

(1)

式中，Q為源強，單位為kg/s；u為平均風速，單位為m/s；σy與σz分別為水平擴散參數(shù)與垂直擴散參數(shù)，在大氣穩(wěn)定度等級不變的條件下為常數(shù)；H為泄漏源有效高度，單位為m；C(x,y,z)為下風方向x米、橫向y米、地面上方z米處的擴散氣體濃度，單位為kg/m3。

將式(1)中的z賦值為0，即可得到地表擴散氣體濃度公式

(2)

將式(1)中的y與z賦值為0，可得到地面軸線的擴散氣體計算公式

(3)

由式(1)可得高斯煙羽模型的等濃度曲線公式為

(4)

二、系統(tǒng)設計

1. 系統(tǒng)架構(gòu)

城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、服務層與應用層搭建而成，如圖1所示。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐，包含基礎地理信息數(shù)據(jù)、應急處理數(shù)據(jù)、應急知識數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)；服務層提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務與功能服務，包括地圖數(shù)據(jù)服務、網(wǎng)絡分析服務、燃氣擴散分析服務、救援指揮服務、撤離疏散服務等；應用層位于系統(tǒng)的最上層，具體實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)

2. 數(shù)據(jù)庫設計

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計遵循可靠性、可擴展性、可維護性等原則[5]，分為基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、應急數(shù)據(jù)庫、應急知識庫及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫4個部分，組成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)體系。

基礎地理信息數(shù)據(jù)庫主要包含遙感影像數(shù)據(jù)及用于路網(wǎng)分析的城市各級別道路數(shù)據(jù)；應急數(shù)據(jù)庫由燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)、救援指揮數(shù)據(jù)、醫(yī)療單位數(shù)據(jù)、公共場所數(shù)據(jù)、疏散地點數(shù)據(jù)組成；應急知識庫包括擴散模型參數(shù)確定標準、擴散氣體理化性質(zhì)、燃氣事故救援辦法與處置流程；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括用戶信息與日志信息。

以上所有空間數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)庫中間件存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，通過地圖數(shù)據(jù)服務、網(wǎng)絡分析服務等方式得以訪問；文檔數(shù)據(jù)直接以文件形式存儲在服務器中；其他屬性數(shù)據(jù)以表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。

3. 系統(tǒng)功能設計

系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、地圖操作、管網(wǎng)查詢統(tǒng)計、管網(wǎng)分析、管網(wǎng)應急5大功能模塊組成。其中管網(wǎng)應急是系統(tǒng)的核心模塊，包括事故接警、模擬分析、指揮所分析、救援分析、疏散撤離、爆管關(guān)閥分析與報告輸出7個功能。如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)功能

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

1. 等值線生成

(1) 建立高斯坐標系

以燃氣泄漏事故點為原點,按右手法則建立高斯坐標系，X軸代表下風方向，Y軸為橫向[6]。高斯坐標系與平面坐標系之間可通過公式進行轉(zhuǎn)換。

(2) 計算特定時刻X軸方向的濃度界線

根據(jù)高斯煙羽擴散模型，計算特定時刻下風方向氣體濃度為給定邊界濃度的點Xm。

(3) 計算等濃度曲線

在以原點為起點、以Xm為終點的線段上取若干點,以這些點為橫向擴展中心，逐一根據(jù)式(4)計算橫向污染范圍的邊界點，其中，污染物濃度為系統(tǒng)給定濃度，這些點的連線組成等濃度曲線。

(4) 進行坐標轉(zhuǎn)換

高斯煙羽擴散模型所得出的污染物擴散范圍基于事故點為中心的高斯坐標系，通過坐標轉(zhuǎn)換的方法，給出在GIS平面投影坐標系下統(tǒng)一的多源釋放模型[7]。

將高斯坐標系轉(zhuǎn)換成平面地理坐標系，高斯坐標系X軸與地理坐標系的E軸夾角為θ，事故點坐標為(X0,Y0)，轉(zhuǎn)換公式為

(5)

2. 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)包含系統(tǒng)管理、地圖操作、管網(wǎng)查詢統(tǒng)計、管網(wǎng)分析、管網(wǎng)應急5大功能模塊。

系統(tǒng)管理包括用戶管理與日志管理；地圖操作提供地圖放大縮小、地圖平移、地圖量測等基本地圖工具；管網(wǎng)查詢統(tǒng)計實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)的空間查詢、屬性查詢、空間統(tǒng)計、屬性統(tǒng)計等功能；管網(wǎng)分析提供針對管網(wǎng)的斷面分析、連通分析與空間碰撞分析等功能。

管網(wǎng)應急是整個系統(tǒng)的核心功能模塊，包括以下功能：

1) 事故接警。事故接警是管線應急處置的第一步。事故發(fā)生，值班人員接到事故報警后立即響應，填寫事故基本信息，并進行事故具體位置的定位，為后續(xù)指揮、分析、疏散功能提供參考。

2) 模擬分析。系統(tǒng)利用高斯煙羽模型分析燃氣擴散范圍，用戶在系統(tǒng)輔助下確定模型的詳細參數(shù)，填寫參數(shù)完成后開始分析即可獲得事故影響人口及影響管線的相關(guān)信息。

3) 指揮所分析。系統(tǒng)根據(jù)爆破點的位置信息與道路條件等信息自動尋找處于爆破點上風方向的醫(yī)療、派出所等相關(guān)單位，并形成列表供用戶自行選擇指揮所；同時，用戶也可以自己定義查詢范圍和查詢類型等條件，自行搜索指揮所位置。

4) 救援分析。救援分析是燃氣事故應急處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系人員生命安全與財產(chǎn)安全。救援分析提供醫(yī)院、派出所等救援單位供用戶選擇，并自動生成救援單位與事發(fā)地點的道路路徑供救援工作參考。

5) 疏散撤離。結(jié)合事發(fā)地點，尋找可供人員疏散的安全地域，并計算事發(fā)地點至疏散地點的路徑信息供疏散工作參考。

6) 爆管分析。系統(tǒng)通過爆管分析算法自動遍歷事故影響的管線、尋找解決泄漏事故所需要關(guān)閉的閥門，并分析計算關(guān)閉閥門后會受到影響的其他管段。

7) 報告輸出。報告輸出步驟中可以將整個應急流程中所生成的信息，即事故接警信息、模擬分析參數(shù)信息、指揮所信息、救援單位信息、疏散撤離信息、爆管關(guān)閥信息統(tǒng)一生成一張PDF格式的報表，并輸出報表，用以存檔。

系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)界面

四、結(jié)束語

城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)以高斯煙羽擴散模型為理論基礎，采用SOA架構(gòu)，綜合了地理信息數(shù)據(jù)、燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)、應急數(shù)據(jù)、應急知識等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了燃氣管網(wǎng)氣體泄漏擴散模擬及輔助救援指揮工作等功能，為加強燃氣管網(wǎng)應急管理、提升科學救援水平、輔助應急救援指揮提供了決策輔助與技術(shù)支持。

[1]王起全.基于馬爾科夫理論的燃氣泄漏事故原因演變分析[J].消防科學與技術(shù),2015(6):807-811.

[2]文仁強,黃全義,黃東海. 危化品泄漏擴散預測模型與GIS集成及其在應急決策中的應用研究[J].測繪通報, 2008(4): 52-54.

[3]郭遵強.大氣污染擴散模型的研究及在環(huán)境應急系統(tǒng)中的實現(xiàn)[D].青島:中國海洋大學,2008.

[4]徐效波,吳華玲,劉波,等. GIS支持下的突發(fā)性大氣污染擴散模擬 [J].金屬礦山, 2011 (5): 146-148.

[5]陳志泊,王春玲.數(shù)據(jù)庫原理及其應用教程[M].2版.北京:人民郵電出版社,2008.

[6]鄔毅敏.基于GIS的大氣點源污染高斯煙羽擴散模擬研究[D].上海：華東師范大學,2010.

[7]ARYSTANBEKOVA N K.Application of Gaussian Plume Models for Air Pollution Simulation at Instantaneous Emissions[J]. Mathematics and Computers in Simulation，2004,67(4-5):451-458.

Design and Implementation of a City Gas Pipeline Emergency-aid System Based on Gaussian Plume Model

PENG Anqi，CHU Zhengwei，ZHANG Shuliang

彭安琪，儲征偉，張書亮.高斯煙羽模型支持下的城市燃氣管網(wǎng)應急系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].測繪通報，2016(10)：110-112.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0342.

2015-12-15

國家自然科學基金(41171301)

彭安琪(1992—)，女，碩士生，主要研究方向為城市地下管線數(shù)據(jù)共享。E-mail：angelapaq@163.com

張書亮

P208

B

0494-0911(2016)10-0110-03