GIS在化工園區(qū)事故應(yīng)急救援輔助決策中的應(yīng)用*

周寧 周菁華 馮磊 魏鈺人 劉超 史先召 黃偉金

(1.常州大學(xué)，江蘇省油氣儲運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實驗室 江蘇常州 213016；2.江蘇海企化工倉儲股份有限公司 江蘇泰州 225327)

?

安全管理與咨詢

GIS在化工園區(qū)事故應(yīng)急救援輔助決策中的應(yīng)用*

周寧1周菁華1馮磊1魏鈺人1劉超1史先召2黃偉金2

(1.常州大學(xué)，江蘇省油氣儲運(yùn)技術(shù)重點(diǎn)實驗室 江蘇常州 213016；2.江蘇海企化工倉儲股份有限公司 江蘇泰州 225327)

采用GIS平臺與應(yīng)急決策支持技術(shù)相結(jié)合，以園區(qū)高危工藝和重大危險源作為分析對象，開發(fā)化工園區(qū)安全管理系統(tǒng)中的應(yīng)急救援輔助決策模塊，針對園區(qū)內(nèi)高危工藝或重大危險源事故后果預(yù)測與事故應(yīng)急救援管理的科學(xué)性和有效性，擴(kuò)展為對整個化工園區(qū)的事故風(fēng)險管理與事故應(yīng)急救援輔助決策支持。運(yùn)用該模塊可實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)突發(fā)事故后果預(yù)測、最優(yōu)救援和疏散路徑規(guī)劃、應(yīng)急輔助決策方案生成，有效提高化工園區(qū)事故救援的科學(xué)性和效率，減少人員傷亡和財產(chǎn)損失，提高化工園區(qū)安全管理水平。

GIS 決策支持技術(shù) 事故應(yīng)急輔助決策

0 引言

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，工業(yè)化的發(fā)展水平也持續(xù)提高，但安全事故卻不斷發(fā)生，我國每年因突發(fā)性安全事故造成人員傷亡超過千人，直接和間接經(jīng)濟(jì)損失逾上百億，確保化工園區(qū)安全生產(chǎn)已成為目前的首要問題[1]。20世紀(jì)70年代化工園區(qū)的安全生產(chǎn)僅憑借決策層的經(jīng)驗管理，至今已形成較為完善的安全生產(chǎn)管理體系，并配備根據(jù)園區(qū)特性定制的事故應(yīng)急輔助決策系統(tǒng)，為園區(qū)的安全生產(chǎn)管理提供有效的安全保障[2]。目前GIS在社會公共安全管理中得到了廣泛應(yīng)用，在化工園區(qū)安全風(fēng)險管理系統(tǒng)的應(yīng)用也越來越多[3]。本文所設(shè)計的應(yīng)急輔助決策模塊是化工園區(qū)安全管理系統(tǒng)中的核心模塊，可實現(xiàn)在事故發(fā)生時對事故后果預(yù)測，事故源周邊的應(yīng)急資源、應(yīng)急隊伍、應(yīng)急設(shè)施的自動搜索，最優(yōu)救援和疏散路徑規(guī)劃，并自動生成應(yīng)急輔助決策方案，為事故的應(yīng)急輔助決策提供科學(xué)的依據(jù)。

1 決策支持技術(shù)

1.1 決策支持技術(shù)簡介

決策支持技術(shù)將傳統(tǒng)數(shù)據(jù)、模型、分析方法與檢索技術(shù)相結(jié)合，支持半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的決策[4]。在計算機(jī)硬件和軟件的支持下對數(shù)據(jù)庫、方法庫、模型庫進(jìn)行分析與選擇，高效地為決策者提供科學(xué)的決策支持。通常它為決策者提供各類問題的索引、具體模型的匹配、根據(jù)環(huán)境等要素模擬決策過程并生成決策方案，結(jié)合資源調(diào)配工具和地理信息應(yīng)用，提升決策的準(zhǔn)確性和高效性。

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，決策支持技術(shù)與地理信息系統(tǒng)(GIS)相結(jié)合，生成的決策與具體的地圖圖層信息相結(jié)合，可視化與數(shù)字化效果更佳，有利于提高決策科學(xué)性和可執(zhí)行性。

1.2 決策支持技術(shù)在化工園區(qū)安全管理中的應(yīng)用

決策支持技術(shù)在化工園區(qū)安全管理中的應(yīng)用，為園區(qū)的安全生產(chǎn)起到了保駕護(hù)航的作用。謝旭陽[5]研究了在重大事故發(fā)生后應(yīng)急疏散決策，并應(yīng)用GIS迅速確定并標(biāo)示建筑物，生成最佳決策方案；胡艷菊等[6]從各方面研究了危險化學(xué)品的特點(diǎn)并通過調(diào)研后開發(fā)了危險品泄漏事故應(yīng)急決策系統(tǒng)；馬良俊等[7]對危險化學(xué)品的安全性做了大量的研究，并結(jié)合GIS研發(fā)了對應(yīng)的危險品事故應(yīng)急輔助決策支持系統(tǒng)；龐海云[8]對突發(fā)性的災(zāi)難事故下應(yīng)急資源的分配開展了研究并優(yōu)化了分配決策的過程。GIS在化工園區(qū)安全管理中的地位日益提升，本文針對決策支持技術(shù)在優(yōu)化決策上的優(yōu)勢，將決策支持技術(shù)應(yīng)用于化工園區(qū)應(yīng)急救援輔助決策模塊中，有效提升救援決策方案的可執(zhí)行性，為園區(qū)安全生產(chǎn)提供支持。

2 基于GIS的化工園區(qū)輔助決策模塊開發(fā)

2.1 GIS應(yīng)用在最優(yōu)路徑的實現(xiàn)

GIS平臺提供的地理圖層信息與最優(yōu)路徑算法相結(jié)合，可以迅速計算出各個救援隊伍到達(dá)救援地點(diǎn)和事故影響范圍內(nèi)人員疏散的最優(yōu)路徑，能極大提高救援和疏散效率，最大程度減少人員傷亡和財產(chǎn)損失。初始化最優(yōu)路徑模塊，首先要遍歷化工園區(qū)圖層要素中的所有信息記錄，將事故源、疏散源、救援點(diǎn)、園區(qū)道路路長作為主要元素來構(gòu)建事發(fā)區(qū)域的鄰接矩陣，并結(jié)合事發(fā)時的實際路況和天氣因素，以實施最優(yōu)路徑算法[9]。

圖1 最優(yōu)路徑模型

如圖1所示，已知R1為起始點(diǎn)I到結(jié)點(diǎn)K1的最短路徑，即R1+S1R1。由R1+S1Rn-R1，得證Rn+L>R1。使用此優(yōu)化算法模型的好處在于在實現(xiàn)最優(yōu)路徑時，有效減小最大搜索范圍，降低了搜索的復(fù)雜度，顯著提高了效率。

在最優(yōu)路徑實現(xiàn)的同時，結(jié)合路況系數(shù)和天氣系數(shù)，使用下式來取值：

Mij=V[i,j]×F(r,t)

(1)

式中，Mij為最優(yōu)路徑距離；V[i，j]為道路節(jié)點(diǎn)i到到節(jié)點(diǎn)j間的距離；r為路況系數(shù)；t為天氣系數(shù)。

在事故發(fā)生后，事故影響的范圍可能比較大，應(yīng)急救援工作應(yīng)在最短時間內(nèi)展開，確定事故救援點(diǎn)之后結(jié)合當(dāng)時的路況以及風(fēng)向計算出最優(yōu)救援和人員疏散路徑，以便救援隊伍在最短的時間內(nèi)趕到事發(fā)區(qū)域救援點(diǎn)開展事故救援工作。

2.2 基于GIS的應(yīng)急輔助決策模塊

園區(qū)突發(fā)事故往往具有多米諾效應(yīng)，其衍生性強(qiáng)，若人為憑經(jīng)驗做出救援決策，可能無法在最短時間提出科學(xué)、有效的救援方案，從而錯失最佳救援時機(jī)。GIS具有強(qiáng)大的決策能力，將其應(yīng)用于應(yīng)急輔助決策模塊能提高救援決策方案的水平。當(dāng)化工園區(qū)發(fā)生事故后，應(yīng)急輔助決策模塊的主要任務(wù)就是結(jié)合事故后果預(yù)測子模塊的事故后果，生成事故應(yīng)急救援輔助決策方案，為事故應(yīng)急指揮人員應(yīng)急決策提供科學(xué)依據(jù)。

2.2.1 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計與功能實現(xiàn)

應(yīng)急輔助決策模塊劃分為7個部分，如圖2。

圖2 功能模塊圖

事故應(yīng)急輔助決策模塊主要是借助于GIS子模塊與輔助決策子模塊，結(jié)合應(yīng)急預(yù)案庫、應(yīng)急處置知識庫、應(yīng)急資源庫、危險化學(xué)品庫以及救援法律法規(guī)，生成應(yīng)急輔助決策方案，并通過事故現(xiàn)場的實時信息反饋對救援方案進(jìn)行恰當(dāng)調(diào)整，生成高效、科學(xué)的應(yīng)急救援工作方案，并通過事故后果預(yù)測和模擬來檢驗預(yù)案的有效性和科學(xué)性，保證事故現(xiàn)場及時救援和疏散，降低人員傷亡并為預(yù)案的完善提供支持。

當(dāng)事故發(fā)生時，應(yīng)急輔助決策模塊自動獲取事發(fā)區(qū)域的各類信息，并選擇正確的應(yīng)急救援體系，匹配合適的事故應(yīng)急處置方法和類型，自動生成應(yīng)急救援預(yù)案，并將應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案以WORD的形式、應(yīng)急處置預(yù)案以EXCEL的形式發(fā)給應(yīng)急指揮中心，迅速執(zhí)行應(yīng)急輔助決策，實施救援和疏散，如圖3。

圖3 決策流程簡圖

2.2.2 模塊功能實現(xiàn)

應(yīng)急輔助救援決策模塊具體功能實現(xiàn)過程如圖4所示，事故應(yīng)急輔助決策模塊調(diào)用事故趨勢監(jiān)測子模塊模擬監(jiān)測事故發(fā)展趨勢，具體過程為系統(tǒng)根據(jù)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，自動調(diào)用事故模擬數(shù)據(jù)庫、危險源或危險工藝的信息，在后臺進(jìn)行事故模擬、監(jiān)測事故發(fā)展趨勢，將監(jiān)測結(jié)果以圖文的形式顯示在系統(tǒng)界面；根據(jù)事故嚴(yán)重情況和發(fā)展趨勢，調(diào)用應(yīng)急資源信息數(shù)據(jù)庫、GIS信息數(shù)據(jù)庫、最佳救援路徑計算模塊等生成應(yīng)急救援預(yù)案、最佳救援路徑、最佳人員疏散路徑；將應(yīng)急救援預(yù)案、最佳救援路徑、最佳人員疏散路徑等信息在應(yīng)急指揮中心平臺現(xiàn)場和移動GIS平臺顯示，并以短信等方式通知相關(guān)機(jī)構(gòu)和人員。

圖4 功能實現(xiàn)過程圖

3 在化工園區(qū)中的應(yīng)用

3.1 常州新北濱江化工園區(qū)簡介

常州新北化工園區(qū)即春江鎮(zhèn)，位于長江之濱，擁有沿江通海的區(qū)位優(yōu)勢，包含21個萬t級泊位，交通發(fā)達(dá)，占地面積為15km2，包含濱江化學(xué)工業(yè)園、新材料產(chǎn)業(yè)園、智能電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園、國家環(huán)保產(chǎn)業(yè)園以及港區(qū)物流園，主要發(fā)展化工產(chǎn)業(yè)。

3.2 應(yīng)急輔助決策案例

某日，農(nóng)用激素公司生產(chǎn)車間三正常生產(chǎn)，其生產(chǎn)車間內(nèi)有二氯乙烷、濃硫酸、鄰甲基苯甲酸以及丙烷。操作工觀察到1 000L的反應(yīng)釜釜內(nèi)溫度急劇上升，隨后立即關(guān)閉滴加閥門，但釜內(nèi)溫度仍在急劇上升，且伴有濃煙冒出。突然，該反應(yīng)釜發(fā)生沖料，導(dǎo)致爆燃，并將現(xiàn)場的丙烷引燃，火勢立即增大，2名工人立即按響車間的火災(zāi)報警器，逃離現(xiàn)場，公司主要負(fù)責(zé)人立即撥打119和安監(jiān)局電話；安監(jiān)局向分管政府領(lǐng)導(dǎo)進(jìn)行匯報，政府決定立即啟動常州市新北區(qū)火災(zāi)應(yīng)急救援預(yù)案。

3.2.1 事故類型

此事故為火災(zāi)事故。

3.2.2 事故單位

事故單位為江蘇省農(nóng)用激素工程技術(shù)研究中心有限公司。

3.2.3 事故影響范圍

燃燒物質(zhì)：丙烷為易燃?xì)怏w，最佳滅火方式為切斷氣源。若不能及時隔絕事故氣源，則不能夠撲滅事故泄漏源的火焰。

事故影響范圍如圖5所示，中心區(qū)域，火源區(qū)半徑為10.0m；死亡區(qū)(第一外圈，輻射熱強(qiáng)度I>37.5kW/m2)，半徑為15.7m；重傷區(qū)(第二外圈，輻射熱強(qiáng)度I>25kW/m2)，半徑為17.0m；輕傷區(qū)(第三外圈，輻射熱強(qiáng)度I>12.5kW/m2)，半徑為19.9m；感覺區(qū)(第四外圈，輻射熱強(qiáng)度I>4kW/m2)，半徑為27.5m。

圖5 事故影響范圍

3.2.4 疏散路線

人員疏散路線見圖6所示。

圖6 人員疏散路線

3.2.5 應(yīng)急救援路線

各應(yīng)急救援隊伍的應(yīng)急救援路線如圖7所示。

圖7 各應(yīng)急救援隊伍的應(yīng)急救援路線

3.2.6 應(yīng)急資源

500m周邊應(yīng)急資源見表1所示。

表1 500 m周邊應(yīng)急資源統(tǒng)計表

3.2.7 應(yīng)急處置方案

(1)危險特性：易燃?xì)怏w，丙烷與空氣形成易爆炸的混合氣，遇明火有爆炸的危險；與氧化劑接觸猛烈反應(yīng)；丙烷密度大于空氣，擴(kuò)散時處于空氣下方，且擴(kuò)散能力較強(qiáng)，遇明火易再次燃燒或爆炸。

(2)有害燃燒產(chǎn)物:一氧化碳、二氧化碳。

(3)滅火方法:①切斷氣源，在最短時間內(nèi)切斷泄漏氣源，否則不允許啟動滅火；②噴水冷卻容器，利用水吸收容器的熱量，從而降低容器溫度，避免容器再度起火；③使用泡沫滅火劑、霧狀水滅火劑、二氧化碳滅火劑、干粉滅火劑。

(4)應(yīng)急處理：迅速撤離泄漏源附近工作人員至危險源的上風(fēng)處，并對受傷人員進(jìn)行救治，同時救援隊伍進(jìn)行搜救工作，嚴(yán)格控制人員再次進(jìn)入并切斷火源，應(yīng)急處理隊伍穿戴專業(yè)防護(hù)設(shè)備進(jìn)入泄漏區(qū)域切斷泄漏源。嚴(yán)格控制泄漏源區(qū)域以及周邊的下水道等設(shè)施，避免泄漏氣體擴(kuò)散后產(chǎn)生隱患。合理通風(fēng)，加速擴(kuò)散，噴霧稀釋、溶解有毒有害氣體。同時對事故產(chǎn)生的廢水進(jìn)行收集并集中處理。

當(dāng)化工園區(qū)突發(fā)一、二級火災(zāi)時，應(yīng)急預(yù)案由園區(qū)所在區(qū)域的當(dāng)?shù)卣块T啟動，并同時向省級政府部門上報并由其指定應(yīng)急響應(yīng)的組織。應(yīng)急預(yù)案應(yīng)根據(jù)事故的影響范圍迅速指出救援和疏散路徑，并搜索災(zāi)區(qū)周邊的消防水池、應(yīng)急資源和避難場所等。同時，根據(jù)泄漏氣源的危險特性、有害危險產(chǎn)物和滅火方法迅速制定確切的應(yīng)急處置方案，及時將火災(zāi)險情控制。

4 結(jié)論

(1)利用決策支持技術(shù)在優(yōu)化決策上的優(yōu)勢，將決策支持技術(shù)應(yīng)用于化工園區(qū)應(yīng)急救援輔助決策模塊中，有效提升救援決策方案的可執(zhí)行性，為園區(qū)安全生產(chǎn)提供支持。

(2)GIS平臺提供的地理圖層信息與最優(yōu)路徑算法相結(jié)合，并考慮了道路的擁堵、天氣等因素對最優(yōu)路徑規(guī)劃的影響，實現(xiàn)了各救援隊伍救援最優(yōu)路徑與人員疏散最優(yōu)路徑的規(guī)劃。

(3)針對重大事故發(fā)生時，決定應(yīng)急救援工作成效的是應(yīng)急救援方案的科學(xué)性和及時性，本模塊根據(jù)系統(tǒng)事故后果預(yù)測結(jié)果自動生成包括事故類型、事故影響范圍、事故救援和疏散最優(yōu)路徑、事故應(yīng)急資源信息、事故應(yīng)急處置方案以及事故撲救應(yīng)急占位等內(nèi)容的應(yīng)急輔助決策方案，實現(xiàn)了事故應(yīng)急決策的智能化。

[1]王文甫，陳玉明，岳虎．GIS在重大危險源控制方面的應(yīng)用[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2007，33(10):59-62．

[2]景國勛，楊靜．基于GIS的道路交通安全應(yīng)用研究[J]．工業(yè)安全與環(huán)保，2008，34(10):13-15．

[3]梁勇，殷耀國．GIS應(yīng)用及其展望[J]．西部探礦工程，2008，20(8):242-245．

[4]董純堅.基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持技術(shù)的應(yīng)用研究與實現(xiàn)[D]．長沙：中南大學(xué)，2007．

[5]謝旭陽．基于GIS的重大事故應(yīng)急疏散決策研究[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007，3(2):32-35．

[6]胡艷菊，胡艷，張偉．危險化學(xué)品突發(fā)泄漏事故應(yīng)急決策系統(tǒng)研究[J]．吉林化工學(xué)院學(xué)報，2010，27(1):69-72．

[7]馬良俊，魏利軍，易高翔，等．?；肥鹿蕬?yīng)急輔助決策支持系統(tǒng)的研究[J]．中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(5):23-26．

[8]龐海云．突發(fā)性災(zāi)難事件下應(yīng)急物資分配決策優(yōu)化過程研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2013．

[9]陳珊．WebGIS中最短路徑算法及其應(yīng)用的研究[D]．上海：華東師范大學(xué)，2005．

Application of GIS in Decision Making of Chemical Industry Park Accident Emergency Rescue Aid

ZHOU Ning1ZHOU Jinghua1FENG Lei1WEI Yuren1Liu Chao1SHI Xianzhao2HUANG Weijin2

(1.JiangsuKeyLaboratoryofOil&GasStorageandTransportationTechnology,ChangzhouUniversityChangzhou,Jiangsu213016)

This paper combines GIS platform with emergency decision support technology and regards the high risk process and major hazard sources as the analyzing object to develop the aid decision making module of emergency rescue in the safety management system of chemical industrial park. Aimed at the scientificity and effectiveness of the high risk process and major hazard sources and the accident emergency rescue management, it can be extended to the accident risk management and aid decision making of accident emergency rescue in the whole chemical industrial park. The module can be used to forecast the park accident consequences, plan the optimal rescue and evacuation path, make emergency aid decision, effectively raise the scientificity and effectiveness of accident rescue in the chemical industrial park, reduce casualties and property losses and improve the safety management level of chemical industrial park.

GIS emergency decision support technology aid decision making

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(51204026)，江蘇省高?！啊嗨{(lán)工程’資助”(SCZ1409700002)。

周寧，男，1977年生，副教授，主要研究方向為儲運(yùn)安全。

2015-06-30)