彈藥堆放及存儲(chǔ)安全性評(píng)估軟件

陶 鋼，任保祥，聞 鵬，龐春橋，王小峰

(南京理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 南京 210094)

無(wú)論是戰(zhàn)場(chǎng)的彈藥堆放，還是彈藥庫(kù)，包括各類(lèi)環(huán)境，如開(kāi)放區(qū)域、掩土覆蓋的軍火庫(kù)、磚體結(jié)構(gòu)、金屬建筑物、山洞及磚瓦結(jié)構(gòu)、混凝土建筑物、增強(qiáng)飛機(jī)庫(kù)和集裝箱等，都需要進(jìn)行科學(xué)的安全評(píng)估，并用于指導(dǎo)實(shí)踐。有關(guān)這些內(nèi)容的評(píng)估方法，一直是國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的內(nèi)容。目前最科學(xué)和完整的內(nèi)容是美國(guó)的DoD 6055.00-STD等標(biāo)準(zhǔn)，它們提供了科學(xué)的評(píng)估方法[1]。本文以此為依據(jù)，編制了實(shí)用的評(píng)估軟件，可以評(píng)估不同環(huán)境下炸藥爆炸威力和作用效應(yīng)，可用于彈藥堆放及存儲(chǔ)安全性評(píng)估，各種特殊環(huán)境下的毀傷效應(yīng)，并指導(dǎo)各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。程序可根據(jù)實(shí)際彈藥的TNT當(dāng)量折算出各類(lèi)炸藥的毀傷效應(yīng)，開(kāi)發(fā)的軟件界面友好、使用方便、信息全面。

軟件編寫(xiě)的目的是以軍用炸藥和彈藥存儲(chǔ)和使用安全性分析和標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，建立基本邏輯和算法，用于炸藥危險(xiǎn)安全性評(píng)估軟件SAFER。

該方法適用于以危險(xiǎn)為基礎(chǔ)的炸藥安全分析，對(duì)典型武器和彈藥的安全性作出評(píng)估。

定量—距離(QD)標(biāo)準(zhǔn)作為主要方法用于設(shè)備的安全選點(diǎn)。QD標(biāo)準(zhǔn)只考慮炸藥量，危險(xiǎn)區(qū)分(HD)和設(shè)備類(lèi)型，以決定安全分離距離。通過(guò)在安全分析中考慮其他因素，包括活動(dòng)類(lèi)型、人數(shù)、建筑構(gòu)造和環(huán)境來(lái)評(píng)估操作的全部危險(xiǎn)。最早國(guó)防部爆炸物安全委員會(huì)(DDESB)開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)以爆炸物危險(xiǎn)性為基礎(chǔ)的彈藥安全分析方法[2,3]。1997年，DDESB以危險(xiǎn)性為基礎(chǔ)的爆炸物安全標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)隊(duì)(RBESCT)開(kāi)發(fā)這種方法，最終開(kāi)發(fā)出SAFER工具[4]。1999年，DDESB批準(zhǔn)SAFER用于國(guó)防部(DoD)以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的安全分析方法[5]。2000年5月，RBESCT推出SAFER1.0版。該軟件為專(zhuān)業(yè)安全人員評(píng)估以彈藥危險(xiǎn)為基礎(chǔ)的分析。在SAFER 1.0版的開(kāi)發(fā)期間，得到各種試驗(yàn)驗(yàn)證的改進(jìn)，RBESCT不斷開(kāi)發(fā)后續(xù)版本。2002年5月發(fā)行SAFER2.0版，2004年12月給出擴(kuò)展的試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨后以新試驗(yàn)結(jié)果給予補(bǔ)充，直到以危險(xiǎn)為基礎(chǔ)的炸藥地點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充到國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)(DoD 6055.00-STD)時(shí)為止。2007年5月22日推出SAFER 3.0版。

1 軟件系統(tǒng)

程序設(shè)計(jì)是采用面向?qū)ο蟮腣isual C#2008語(yǔ)言編制，可以生成可視化精彩的，多媒體內(nèi)容豐富的界面，可以從Web程序中操縱數(shù)據(jù)庫(kù)，并將其顯示在Web頁(yè)面上；采用了微軟的新框架，集成了GUI，圖形及多媒體功能，程序易于創(chuàng)建，便于使用。作者從過(guò)程系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，對(duì)復(fù)雜的爆炸生物創(chuàng)傷評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行了模塊化分解，對(duì)各類(lèi)爆炸生物創(chuàng)傷評(píng)估，建立了相互獨(dú)立、物理意義明確的模塊，既能夠化繁為簡(jiǎn)，又便于不同系統(tǒng)之間的調(diào)用，并且可根據(jù)需要擴(kuò)展新的模塊，以適應(yīng)不斷發(fā)展的爆炸生物創(chuàng)傷評(píng)估需要。

1.1 軟件結(jié)構(gòu)

評(píng)估軟件主要由計(jì)算程序與用戶界面組成。評(píng)估計(jì)算程序主要包含了26個(gè)子程序，分為6個(gè)功能組：場(chǎng)景定義、壓力和沖量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、碎片、熱和聚合求和危險(xiǎn)評(píng)估。其中情景定義是各功能組的評(píng)估基礎(chǔ)，通過(guò)結(jié)構(gòu)定義、暴露和炸藥質(zhì)量等基本參數(shù)得到后續(xù)評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；超壓值、沖量等參數(shù)。其他功能組均以情景定義得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)條件，并根據(jù)具體的需要進(jìn)行修正，計(jì)算得到不同類(lèi)別的產(chǎn)生危險(xiǎn)的結(jié)果。最后通過(guò)聚合求和功能組對(duì)各個(gè)功能組產(chǎn)生的危險(xiǎn)進(jìn)行聚合計(jì)算，評(píng)估整體的不確定性。軟件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)對(duì)計(jì)算流程的控制，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)或爆炸生物創(chuàng)傷概率的評(píng)估計(jì)算。

圖1 軟件組成結(jié)構(gòu)

計(jì)算程序中的各個(gè)模塊是相互獨(dú)立的，這就使得軟件具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以根據(jù)在以后的開(kāi)發(fā)中的需要，繼續(xù)添加爆炸對(duì)其他生物組織的創(chuàng)傷評(píng)估模塊，例如肝臟、脾及腸胃道等創(chuàng)傷評(píng)估模塊。在以后的工作中，對(duì)各類(lèi)炸藥進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式集合起來(lái)，方便用戶訪問(wèn)與操縱數(shù)據(jù)，從而使得程序在爆炸生物創(chuàng)傷評(píng)估的范圍得到拓展，具有很好的開(kāi)放性。軟件的界面是基于視窗演示基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，集成了圖形用戶界面、圖形以及多媒體功能，使程序得到了直觀的外觀，使得用戶更快地適應(yīng)軟件操作，因此用戶界面非常友好。本軟件針對(duì)爆炸的危險(xiǎn)程度進(jìn)行分析評(píng)估，可應(yīng)用于軍事行動(dòng)、工業(yè)事故及恐怖襲擊事件中爆炸的創(chuàng)傷評(píng)估。

1.2 模塊結(jié)構(gòu)與功能

爆炸事件的危險(xiǎn)性通過(guò)可能性、后果和暴露的乘積來(lái)表達(dá)，SAFER通過(guò)計(jì)算三者的乘積來(lái)估算每年的死亡概率Pf，表示如下：

Risk=Pf=Pe*Pf|e*Ep

(1)

軟件通過(guò)26個(gè)步驟估算每年的死亡概率。軟件的架構(gòu)安排見(jiàn)圖1。下面對(duì)軟件的部分功能進(jìn)行介紹。

1.2.1第1組:場(chǎng)景定義，事件和暴露分析

圖1中的步驟1～4為軟件初始條件功能組：情景定義，事件和暴露分析，包括用戶輸入，描述現(xiàn)場(chǎng)(PES和ES)并計(jì)算Pe，暴露和炸藥量。這些步驟的功能為使用者輸入描述重要情景的數(shù)據(jù)，有關(guān)PES(潛在爆炸位置)和ES(暴露位置)的細(xì)節(jié)。此外，這些步驟可以進(jìn)行潛在爆炸地場(chǎng)(PES)發(fā)生概率分析Pe(事件概率)和一個(gè)人每年度暴露到一個(gè)特定PES的時(shí)間，即危險(xiǎn)方程式(1)的第一和第三項(xiàng)。最后，第4步計(jì)算將用于后續(xù)步驟的爆炸量。第1功能組界面如圖2所示。

圖2 第1功能組界面

第1步：輸入炸藥數(shù)據(jù)

第1步詢問(wèn)使用者，開(kāi)始定義被分析的情形所需要的數(shù)據(jù)。

軟件讓使用者做下列輸入：

?位于凈炸藥重量QD(NEWQD)(磅)： (QD—量-距離，NEWQD—凈炸藥重量對(duì)于定量距離)；

?預(yù)期NEWQD(磅)；

?炸藥的危險(xiǎn)區(qū)分(HD-Hazard Division)；

?武器類(lèi)型或描述。

表1為武器描述，給出SAFER考慮的武器類(lèi)型。表現(xiàn)了危險(xiǎn)區(qū)分(HD)的武器，并提供了武器的簡(jiǎn)短描述。

第2步：輸入PES數(shù)據(jù)，Pe數(shù)據(jù)和計(jì)算Pe

第2步包括2個(gè)步驟：① 使用者輸入用于定義情景所需要的PES數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)包括建筑物種類(lèi)和建筑物類(lèi)型。② 軟件得到事件的概率Pe。

PES建筑物種類(lèi)作為后續(xù)步驟的輸入使用。軟件考慮的建筑物種類(lèi)由RBESCT選擇，代表了大多數(shù)在DoD中包含炸藥的設(shè)施?？紤]的建筑物種類(lèi)包括:

?開(kāi)放的；

?操作建筑物(混凝土)；

?土地復(fù)蓋的軍火庫(kù)(ECM)；

?堅(jiān)硬的飛機(jī)庫(kù)(HAS)；

?地上磚塊結(jié)構(gòu)(AGBS)；

?船；

?預(yù)先設(shè)計(jì)的金屬建筑物(PEMB)；

?國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)集裝箱；

?山洞泥土磚瓦。

PES建筑物類(lèi)型用來(lái)為特定的建筑物種類(lèi)區(qū)別大小和工程類(lèi)型。軟件考慮的建筑物類(lèi)型見(jiàn)表2。

表1 武器描述

表2 PES建筑物種類(lèi)和類(lèi)型

基于活動(dòng)類(lèi)型、兼容群和環(huán)境因素，軟件確定了圖3顯示的Pe數(shù)據(jù)表。根據(jù)對(duì)情形中的每個(gè)PES確定Pe。

為了使用在圖3顯示的Pe數(shù)據(jù)表，活動(dòng)類(lèi)型和儲(chǔ)藏CG用來(lái)確定未依比例的Pe。未依比例決定的Pe然后被可適用環(huán)境因素調(diào)整，得到最后的Pe。注意：在不依比例決定的Pe和環(huán)境因素中，潛在的變化在不確定模型中提出。

圖3 Pe數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)表用于估算每個(gè)PES年炸藥事件的概率。

第3步：輸入ES數(shù)據(jù)，暴露數(shù)據(jù)和計(jì)算暴露

使用者進(jìn)一步定義情形需要的數(shù)據(jù)，定義情景需要的ES數(shù)據(jù)包括：建筑物類(lèi)型、屋頂類(lèi)型、玻璃類(lèi)型、在ES上的玻璃百分比、ES的地板面積以及PES到ES的方位。

軟件考慮的ES玻璃類(lèi)型包括：退火、雙重雜色拼做的和回火的。在ES的所有外部墻壁上識(shí)別的玻璃百分比(總玻璃面積/總墻壁面積)GP可接受值的范圍是0%～99%。如果ES是一輛車(chē)輛，軟件假設(shè)沒(méi)有飛濺的玻璃危險(xiǎn)，而且設(shè)定玻璃百分比為0%。使用者還需要輸入使用的ES的地面面積(m2)。如果PES建筑物種類(lèi)是土復(fù)蓋的軍火庫(kù)(ECM)或堅(jiān)硬的飛機(jī)庫(kù)(HAS)，軟件使用者需要描述PES相對(duì)ES的方位。軟件考慮的有效方位選擇包括:正面、側(cè)面以及后面。

1.2.2第2組:壓力和沖量分量

圖1中的步驟5～8為軟件的第2功能組，該部分決定了壓力和沖量傷亡機(jī)制的效果。壓力和沖量的值以簡(jiǎn)化Kingery-Bulmash半球形的TNT方程為基礎(chǔ)。在有PES的結(jié)構(gòu)下，軟件會(huì)對(duì)PES外面的壓力P′和沖量I′進(jìn)行修正。為了完成必需的計(jì)算，軟件使用相同的對(duì)數(shù)作為爆炸效應(yīng)計(jì)算，確定一項(xiàng)有效重量。如果沒(méi)有PES結(jié)構(gòu)(也就是開(kāi)放的)，或者如果選擇的PES是預(yù)先設(shè)計(jì)的金屬建筑物或洞形泥土磚瓦建筑物，則不需要調(diào)整。同理，軟件對(duì)有ES的情況也會(huì)進(jìn)行最后壓力P″和最后沖量I″的修正。軟件由壓力和沖量的效應(yīng)考慮了人的易損性，它是肺破裂、整個(gè)身體位移或頭蓋骨破碎的函數(shù)(或3個(gè)的組合)。這些函數(shù)確定了傷亡概率為入射壓力和沖量、周?chē)髿鈮毫图僭O(shè)的人體質(zhì)量的函數(shù)。根據(jù)得到的壓力和沖量分量，通過(guò)確定傷亡概率Pf(o)，最大創(chuàng)傷概率Pmaji(o)和最小創(chuàng)傷概率Pmini(o)，軟件得到3個(gè)結(jié)果：肺破裂、整個(gè)的身體位移和頭蓋骨破碎。軟件界面如圖4所示。

圖4 壓力、沖量與損傷界面

軟件的其他部分可以對(duì)爆炸中存在的建筑物倒塌、破損，飛濺碎片的多種類(lèi)型的致亡機(jī)制，過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)的傷亡機(jī)制進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，最后聚合總量級(jí)和所有致亡機(jī)制的危險(xiǎn)，計(jì)算所需的危險(xiǎn)程度，并評(píng)估整體的不確定性。

2 軟件的使用

本軟件具有友好的用戶界面，用戶界面以登錄系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、結(jié)果顯示與查詢系統(tǒng)為主控模塊，實(shí)現(xiàn)便利的人機(jī)對(duì)話，軟件的用戶登錄界面如圖5所示。在Windows系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行此程序后，進(jìn)入登入系統(tǒng)，用戶輸入正確的用戶名與密碼，程序?qū)?huì)自動(dòng)跳到主體界面，可以根據(jù)菜單查看軟件的幫助說(shuō)明，能夠迅速地熟悉軟件的功能及計(jì)算流程?？筛鶕?jù)菜單或使用快捷鍵選擇爆炸環(huán)境，進(jìn)入評(píng)估界面，輸入炸藥重量、武器類(lèi)別，選擇PES結(jié)構(gòu)類(lèi)型和ES數(shù)據(jù)等基本參數(shù)后，即可得到評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)壓力P和沖量I。根據(jù)不同模塊的功能評(píng)估結(jié)構(gòu)響應(yīng)、碎片和熱分支造成的創(chuàng)傷程度，進(jìn)而進(jìn)行聚合計(jì)算得到整體的危險(xiǎn)評(píng)估。

圖5 用戶登錄界面

3 結(jié)論

軟件具有以下特點(diǎn)：

1) 本軟件是基于Windows環(huán)境并采用是面向?qū)ο蟮腣isual C#語(yǔ)言編制，使得程序具有友好的界面和使用靈活性；

2) 軟件進(jìn)行模塊化分析，建立的模塊通用性強(qiáng)，系統(tǒng)可重復(fù)使用相同模塊，而且在原有模塊的基礎(chǔ)上可創(chuàng)建新的模塊，具有好的可擴(kuò)展性，適應(yīng)于不斷發(fā)展的、越來(lái)越復(fù)雜的爆炸威力、目標(biāo)結(jié)構(gòu)和爆炸生物創(chuàng)傷評(píng)估的需要，為其進(jìn)一步開(kāi)發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)；

3) 在本軟件的基礎(chǔ)上，有利于評(píng)估各類(lèi)爆炸事件中分類(lèi)選擇，爆炸物存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并為研究爆炸防護(hù)結(jié)構(gòu)提供參考。