爆炸罐突發(fā)事件“情景-應(yīng)對(duì)”模型構(gòu)建研究

彭緒富,朱小婉，嚴(yán) 慧

(1．湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002； 2．湖北師范大學(xué) 文理學(xué)院，湖北 黃石 435000；3．湖北師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

爆炸罐突發(fā)事件“情景-應(yīng)對(duì)”模型構(gòu)建研究

彭緒富1，2,朱小婉1，3，嚴(yán) 慧1

(1．湖北師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 黃石 435002； 2．湖北師范大學(xué) 文理學(xué)院，湖北 黃石 435000；3．湖北師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石 435002)

面對(duì)突發(fā)事件中如何預(yù)測、預(yù)防、預(yù)警等應(yīng)急問題，針對(duì)突發(fā)事件的環(huán)境復(fù)雜性、信息不確定性、演進(jìn)突變性、影響巨大性等特性，基于“情景—應(yīng)對(duì)”思想，研究構(gòu)建類似爆炸罐突發(fā)事件的物理“情景-應(yīng)對(duì)”模型，通過物理模型分析影響事件演進(jìn)的內(nèi)外控制因子，進(jìn)一步構(gòu)建數(shù)學(xué)邏輯模型。通過數(shù)學(xué)邏輯模型研究分析各控制因子對(duì)事件演進(jìn)的影響度，達(dá)到解決煤氣罐爆炸、地震、臺(tái)風(fēng)、火山爆發(fā)等無能量釋放的突發(fā)事件的預(yù)測、預(yù)防等問題。為突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)防、監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)與支撐。

突發(fā)事件；情景—應(yīng)對(duì)；爆炸罐；物理模型；數(shù)學(xué)模型；構(gòu)建；分析

自有記載以來，地震、臺(tái)風(fēng)、洪澇、雪災(zāi)、高溫、干旱、火災(zāi)、環(huán)境污染、交通事故、戰(zhàn)爭、恐怖襲擊、經(jīng)濟(jì)危機(jī)、流行病、信息安全等各類突發(fā)事件，給自然環(huán)境帶來了巨大破壞，給社會(huì)、生命帶來了巨大威脅，給人類生活、工作造成了巨大損失！相關(guān)專家學(xué)者從不同層面、不同學(xué)科對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域的研究，盡管有不少成果，但對(duì)如何及早發(fā)現(xiàn)、及早預(yù)防、及早規(guī)避事件的發(fā)生等復(fù)雜性應(yīng)急問題缺乏深入的研究，尤其缺乏有針對(duì)性的“情景—應(yīng)對(duì)”模型構(gòu)建及實(shí)用性理論研究。鑒于此，本課題將基于“情景-應(yīng)對(duì)”思想，針對(duì)突發(fā)事件的環(huán)境復(fù)雜性、信息不確定性、演進(jìn)突變性、影響巨大性等特性，研究構(gòu)建類似爆炸罐突發(fā)事件的物理“情景-應(yīng)對(duì)”模型和數(shù)學(xué)邏輯模型，研究分析各控制因子對(duì)事件演進(jìn)的影響度，達(dá)到解決煤氣罐爆炸、管道爆炸、地震、臺(tái)風(fēng)、火山爆發(fā)等突發(fā)事件的預(yù)測、預(yù)防等問題。為突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)防、監(jiān)控、數(shù)據(jù)處理提供依據(jù)與支撐。

1 突發(fā)事件分析

突發(fā)事件是指由于系統(tǒng)的外部環(huán)境和內(nèi)部條件發(fā)生急劇變化，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控性遭到破壞，系統(tǒng)的行為出現(xiàn)異常情況而發(fā)生質(zhì)變的一類無秩序的意外事件，是一種超常規(guī)的、較難預(yù)測的、在某種必然因素支配下出人意料地突然發(fā)生，給社會(huì)造成嚴(yán)重危害、損失或影響且需要立即處理的負(fù)面事件[1]。其體系包括：致災(zāi)體、本體、承災(zāi)體。

1.1突發(fā)事件分類

突發(fā)事件分類方式有多種，主要有：按事件起源、能量聚散、影響范圍、社會(huì)屬性、事件演化趨勢等。

1) 按事件起源可分為：自然災(zāi)害事件和人為因素災(zāi)害事件

自然災(zāi)害事件：不以人的意志為轉(zhuǎn)移的受自然規(guī)律影響而發(fā)生的事件。如：地震、火山爆發(fā)、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、洪澇、泥石流、海嘯、冰雹、雪災(zāi)、高溫、干旱、自然火災(zāi)、環(huán)境污染等。

人為因素災(zāi)害事件：局部或全部受人的行為干擾而發(fā)生的事件。如：環(huán)境污染、山火、交通、戰(zhàn)爭、政變、恐怖襲擊、流行病、食物中毒、自殺、經(jīng)濟(jì)危機(jī)、信息安全等突發(fā)事件。

2) 按物理能量聚散特性分為：有能量釋放事件和無能量釋放事件。

有能量釋放事件：致災(zāi)因子向事件本體匯集能量時(shí)，事件本體也在不斷釋放能量。如：流行病、水庫潰堤、洪澇災(zāi)害、環(huán)境污染等。

無能量釋放事件：致災(zāi)因子向事件本體匯集能量時(shí)，事件本體無能量釋放。如：煤氣罐爆炸、高壓管道爆炸、地震、火山爆發(fā)等。

3) 按受災(zāi)范圍分為：固定空間范圍事件和開放空間范圍事件。

固定空間范圍事件：事故災(zāi)難發(fā)生在固定空間范圍內(nèi)。這類突發(fā)事件也稱為限界事件。如：地震災(zāi)難、交通事故等。

開放空間范圍事件：事故災(zāi)難發(fā)生在開放的空間范圍內(nèi)，這類突發(fā)事件也稱為開界事件，如：流行病，龍卷風(fēng)，環(huán)境污染、洪澇災(zāi)害等。

4) 按社會(huì)屬性分為：政治事件、經(jīng)濟(jì)事件、生活生產(chǎn)事件。

5) 按事件演化趨勢分為：起源事件、次生事件、衍生事件。

1.2突發(fā)事件特征

突發(fā)事件往往具有發(fā)生罕見，突然發(fā)生，很難預(yù)測，后果嚴(yán)重，強(qiáng)大的破壞性，高度不確定，信息海量性，時(shí)間緊迫，分析決策時(shí)間有限性，事件構(gòu)成高復(fù)雜性，長期潛在的變化性，高次生、衍生性，生命和生態(tài)系統(tǒng)的高影響度等特性[2，3]。

突發(fā)事件在物理特征上具有空間和領(lǐng)域的跨界性、發(fā)生頻率和破壞程度的罕見性以及資源流量與流向的突變性等特征；在邏輯特征上具有應(yīng)急情景的高約束性和壓力性、呈現(xiàn)狀態(tài)上的多變性與復(fù)雜性、應(yīng)急過程中的非可控性與不確定性以及治理效果上的有限性等特性[4]。

2 突發(fā)事件模型構(gòu)建

突發(fā)事件雖然演化迅速，產(chǎn)生的原因及發(fā)展的結(jié)果具有高度的不確定性，但其發(fā)展演變?nèi)匀槐憩F(xiàn)出一定規(guī)律性，可從事件發(fā)生的自然現(xiàn)象和物理規(guī)律，基于“情景-應(yīng)對(duì)”思想構(gòu)建突發(fā)事件的物理分析模型和數(shù)學(xué)分析模型。以利于突發(fā)事件的演化演進(jìn)分析。

因篇幅所限，在此僅研究無能量釋放爆炸罐突發(fā)事件的模型構(gòu)建。

2.1爆炸罐物理分析模型

爆炸罐物理分析模型由罐體、罐內(nèi)控制因素、罐外控制因素組成。當(dāng)罐內(nèi)控制因素、罐外控制因素相互作用時(shí)，就會(huì)引起罐體發(fā)生爆炸。其情景仿真模型如圖1所示，物理模型如圖2 所示：

圖1 爆炸罐情景仿真模型

圖2 爆炸罐物理模型

2.1.1 模型因素分析

1)致災(zāi)體：溫度、撞擊、擠壓、內(nèi)裝物超量、罐體質(zhì)量等。

2)致災(zāi)因子：內(nèi)壓力、外壓力、罐體承受力。

3)承災(zāi)體：生命體、周圍環(huán)境物品。

4)本體能量聚散特性：無能量釋放。

5)事故范圍：有限范圍，屬于限界事件。

6)災(zāi)害行為：爆炸、沖擊波、燃燒、氣體中毒。

7)次生事件：建筑物倒塌、火災(zāi)等。根據(jù)不同的起源事件及演化方向，其次生事件也不一樣。

8)衍生事件：人群擁擠踐踏、交通堵塞等。根據(jù)事件的演化方向不同，其衍生事件也不一樣。

9)災(zāi)害結(jié)果：生命體傷忘、物品損耗。

10)事故屬類：煤氣罐爆炸、各類高壓管道爆炸、地震、山體滑坡、火山爆發(fā)、火災(zāi)等。

11)預(yù)防屬性：可有限預(yù)防、可有限預(yù)測，可有限控制。

12)減災(zāi)方式：減輕致災(zāi)因子對(duì)本體影響。如：本體遠(yuǎn)離高溫，降低環(huán)境溫度、遠(yuǎn)離易燃易爆物品、防止撞擊罐體、減少內(nèi)裝物、定時(shí)檢查檢測罐體質(zhì)量。

2.1.2 能量轉(zhuǎn)換與受力分析

致災(zāi)原理：罐本體承受壓力強(qiáng)度是有極限值的，當(dāng)罐體周圍環(huán)境溫度升高，引起內(nèi)部能量增加，以致內(nèi)部壓強(qiáng)增加，當(dāng)內(nèi)部壓強(qiáng)增加到大于承受力極限值時(shí)；或當(dāng)罐體受外力撞擊、擠壓，外部壓強(qiáng)大于承受力極限值時(shí)；或罐體質(zhì)量受損，使罐體本身承受力小于內(nèi)、外部壓強(qiáng)時(shí)，罐體將發(fā)生爆裂或罐體爆炸、罐內(nèi)氣體泄漏、擴(kuò)散、燃燒、爆炸等系列事件，對(duì)周圍的人和物造成損害。

下面進(jìn)行受力分析：

設(shè)內(nèi)部壓強(qiáng)為：f(t)，外部壓強(qiáng)為：h(t)，罐體承受力強(qiáng)度為：g(t)，它們都是時(shí)間t的函數(shù)。則發(fā)生爆炸的條件為：|f(t) -h(t)| ≥g(t)；

當(dāng)f(t)單獨(dú)作用時(shí)，條件為：f(t) ≥g(t)；當(dāng)h(t)單獨(dú)作用時(shí)，條件為：h(t) ≥g(t)；

其中內(nèi)部壓強(qiáng)f(t) 函數(shù)是單一因子控制函數(shù)，其監(jiān)測取值較易。外部壓強(qiáng)h(t) 函數(shù)為多因子控制的疊加函數(shù)，即：h(t)=h1(t)+h2(t)+…+hn(t)，是一復(fù)雜受力函數(shù)，其監(jiān)測取值有一定的難度。罐體承受力強(qiáng)度g(t) 函數(shù)取值主要由罐體質(zhì)量和環(huán)境因素對(duì)罐體的影響，也是多因子控制函數(shù)，其監(jiān)測取值也有一定的難度。h(t)，g(t) 函數(shù)需要在實(shí)踐中，通過儀器設(shè)備檢測或通過實(shí)驗(yàn)獲取經(jīng)驗(yàn)值。

2.2爆炸罐數(shù)學(xué)模型

突發(fā)事件是一復(fù)雜突變系統(tǒng)，其突變性主要表現(xiàn)在系統(tǒng)由局部極值跳躍到全局極值，在系統(tǒng)中其位勢的數(shù)值存在不連續(xù)的變化。突發(fā)事件的預(yù)測問題的關(guān)鍵是在預(yù)測模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上研究突變系統(tǒng)的突變性。對(duì)于一個(gè)預(yù)測分析模型，處理復(fù)雜突變系統(tǒng)的輸入與輸出并體現(xiàn)其內(nèi)在突變的規(guī)律，需要通過構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)邏輯模型來實(shí)現(xiàn)，針對(duì)復(fù)雜突變系統(tǒng)預(yù)測模型中數(shù)據(jù)的隨機(jī)性、復(fù)雜性、突變性，研究使用函數(shù)來描述其輸入與輸出，該函數(shù)稱為突變函數(shù)[5，6]。突發(fā)事件的數(shù)學(xué)邏輯模型主要由這類突變函數(shù)構(gòu)成。由爆炸罐物理模型受力分析可知，爆炸罐主要有三個(gè)受力函數(shù)(突變函數(shù))：h(t),f(t),g(t)控制，根據(jù)其相互作用構(gòu)建爆炸罐數(shù)學(xué)邏輯模型如圖3所示。

圖3 爆炸罐數(shù)學(xué)模型

圖4 爆炸條件曲線圖

根據(jù)物理模型可知，爆炸罐爆炸條件為：

|f(t) -h(t)|≥g(t)

(1)

設(shè)G(t) =|f(t) -h(t)| -g(t)，則有：

當(dāng)G(t) < 0 時(shí)，爆炸罐處于安全狀態(tài)；

當(dāng)G(t) = 0 時(shí)，爆炸罐處于爆炸臨界狀態(tài)；

當(dāng)G(t) > 0 時(shí)，爆炸罐處于爆炸狀態(tài)。

該系統(tǒng)的復(fù)雜性主要來自三個(gè)函數(shù)f(t)、h(t) 、g(t)的變化，在具體的突發(fā)事件中，要獲取這三個(gè)函數(shù)的瞬間值是有一定的技術(shù)要求和難度的。

下面依據(jù)具體煤氣罐爆炸實(shí)例事件，討論環(huán)境條件變化引起函數(shù)的變化趨勢。

1) 當(dāng)外部溫度增加時(shí)，因熱傳遞，罐內(nèi)溫度也隨之增加，罐內(nèi)壓強(qiáng)隨著溫度的升高而升高，同時(shí)罐體本身承受壓強(qiáng)隨著溫度的升高而降低。此時(shí)假設(shè)外部壓強(qiáng)h(t)不變。則方程(1)將快速達(dá)到爆炸臨界值，如圖4所示。

2) 當(dāng)罐體受到外界猛烈撞擊、擠壓時(shí)，外部壓強(qiáng)h(t) 急劇上升，罐體承受壓強(qiáng)g(t) 急速下降，在碰撞瞬間即達(dá)到臨界值而發(fā)生爆炸。

該模型中三個(gè)突變函數(shù)：f(t)，h(t)，g(t)的監(jiān)測，尤其是h(t)，g(t) 的監(jiān)測，要求在具體事件中即時(shí)監(jiān)測。

《爆炸罐突發(fā)事件“情景—應(yīng)對(duì)”模型構(gòu)建研究》通過構(gòu)建物理分析模型和數(shù)學(xué)邏輯模型，從物理受力和能量轉(zhuǎn)換分析致災(zāi)因子對(duì)突發(fā)事件的影響與作用，利用數(shù)學(xué)模型分析突發(fā)事件的演進(jìn)動(dòng)態(tài)變化方程，研究各突變函數(shù)對(duì)突發(fā)事件的影響度。解決了無能量釋放爆炸罐這一類突發(fā)事件推演演進(jìn)的模型分析方法，為煤氣罐爆炸、各類高壓管道爆炸、地震、山體滑坡、火山爆發(fā)、火災(zāi)等復(fù)雜突發(fā)事件的預(yù)測、預(yù)警、預(yù)防等突發(fā)事件提供理論上的支持。

[1]王旭坪,楊相英,樊雙蛟,等.非常規(guī)突發(fā)事件情景構(gòu)建與推演方法體系研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,15(1):22～27.

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Abstract: Build a model similar to explosive tank incidents of physical "scene-response" model based on the theory of "scene-response" to face the emergency problems of prediction, prevention and early-warning focused on the characteristics, such as complexity of emergency environment, uncertainty of information, sudden change of evolution, majority of impact and so on. Analyze both internal and external control factors that effects the evolution of events through the physical model, then build the mathematical model. Research and analyze influence degree of each controlling factors of the events evolution through the math logic model to solve no energy release emergency prediction, prevention, and other issues such as gas cylinder explosion, earthquakes, typhoons and volcanic eruptions. Provide basis and support for emergency prevention, monitoring and data processing.

Keywords: emergency; scene-response; the explosive tank; physical model; math logic model; construction; analysis

Theresearchofscene-responsemodelconstructionofexplosivetankemergency

PENG Xu-fu1, 2, ZHU Xiao-Wan1,3, YAN Hui1

(1.College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China；2.College of Arts and Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China；3.College of Educational Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China)

O231，TP13

A

2096-3149(2017)03- 0006-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.03.002

2017—06—12

該課題受湖北省高等學(xué)校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(T201430)；湖北省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃項(xiàng)目(2013B112)

彭緒富(1964— )，男，碩士，教授，研究方向?yàn)槎嗝襟w技術(shù)、信息安全、智能算法.