傾斜攝影技術(shù)在化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故調(diào)查中的應(yīng)用研究

盧均臣，張廣文，付效朋

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故具有影響范圍大、事故后果嚴(yán)重、社會(huì)影響大等特點(diǎn)。如：2013年黃島東黃輸油管道“11·22”特大泄漏爆炸事故共造成62人死亡、136人受傷。2015年8月12日，天津港特大火災(zāi)爆炸事故，大量硝酸銨參與爆炸，造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。隨著社會(huì)的進(jìn)步和自媒體的發(fā)展，公眾對(duì)化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故的容忍度進(jìn)一步下降，一旦發(fā)生化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故極易引發(fā)公眾恐慌，以致談“化”色變。因此，事故發(fā)生后必須快速查明事故原因并及時(shí)向社會(huì)公布，以消除恐慌。而傳統(tǒng)事故調(diào)查手段很難快速完成事故現(xiàn)場(chǎng)勘查，以致嚴(yán)重影響事故調(diào)查效率。

1 傳統(tǒng)事故調(diào)查手段存在的問題

傳統(tǒng)事故調(diào)查手段在進(jìn)行化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)勘查時(shí)存在明顯短板，嚴(yán)重降低了石化火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)勘查效率，甚至造成部分關(guān)鍵證據(jù)發(fā)生變化，影響事故調(diào)查結(jié)論，主要存在以下問題。

a) 難以獲取事故現(xiàn)場(chǎng)全貌。隨著人們對(duì)化工產(chǎn)品需求的日益增加，化工行業(yè)正向規(guī)?；⑦B續(xù)化、集中化方向發(fā)展，這就導(dǎo)致一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，極易引發(fā)多米諾效應(yīng)。例如：罐區(qū)中某儲(chǔ)罐一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，極易引發(fā)相鄰罐殉爆，造成事故影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，部分事故的影響范圍甚至超過10 km。因此，依靠傳統(tǒng)攝影攝像方法無法完成事故現(xiàn)場(chǎng)的全景拍照，無法對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體分析。

b) 難以第一時(shí)間獲取事故現(xiàn)場(chǎng)證據(jù)。化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故通常涉及易燃易爆、有毒有害等物質(zhì)，在事故中可能并未完全燃燒或泄漏，事故現(xiàn)場(chǎng)仍存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致事故調(diào)查人員不能第一時(shí)間進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)勘查取證。例如：江蘇某化工公司“3·21”特大爆炸事故中，事故后現(xiàn)場(chǎng)仍有大量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、易燃易爆等化學(xué)品。事故調(diào)查人員無法第一時(shí)間對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘查取證，從而造成某些脆弱性證據(jù)隨著時(shí)間消逝，影響事故原因分析。

c) 過火面積、爆炸當(dāng)量計(jì)算困難?；瘜W(xué)品火災(zāi)爆炸事故影響范圍大，尤其是對(duì)于巨災(zāi)事故場(chǎng)景，依靠傳統(tǒng)測(cè)量工具不能準(zhǔn)確測(cè)量事故影響范圍，故不能準(zhǔn)確計(jì)算事故過火面積和爆炸當(dāng)量。

2 基于傾斜攝影技術(shù)的事故勘查無人機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 傾斜攝影技術(shù)概況

傾斜攝影技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新測(cè)量技術(shù)，在建筑行業(yè)、測(cè)繪行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影是利用多臺(tái)傳感器同時(shí)從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜(左視、右視、前視、后視)視角獲取地面物體高清晰影像數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件自動(dòng)生成具有可測(cè)量性、實(shí)物高度匹配的三維模型，客觀再現(xiàn)地物的外觀、結(jié)構(gòu)、體積以及高度等屬性。與傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于可以實(shí)現(xiàn)2～5個(gè)維度的信息采集，所以獲取的實(shí)物影像和數(shù)據(jù)信息更加精準(zhǔn)，效率也更高；②無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用可以減少人工作業(yè)量，提升自動(dòng)化水平，避免人為失誤，有效提升測(cè)繪精準(zhǔn)度；③無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的投資成本低。

2.2 傾斜攝影事故勘查無人機(jī)設(shè)計(jì)

傾斜攝影事故勘查無人機(jī)應(yīng)具備全面獲取事故現(xiàn)場(chǎng)信息的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)事故殘骸位置、距離快速標(biāo)定以及過火面積、爆炸當(dāng)量計(jì)算等功能。這就要求傾斜攝影無人機(jī)具備導(dǎo)航定位精度高、續(xù)航能力強(qiáng)、分辨率高等特性。為此，對(duì)傾斜攝影無人機(jī)進(jìn)行了定制設(shè)計(jì)。

為提升測(cè)量精度，傾斜攝影事故勘查無人機(jī)采用機(jī)載定位定向系統(tǒng)POS(Positioning and Orientation System)，該系統(tǒng)是GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)的組合系統(tǒng)，具有GPS長(zhǎng)期、低動(dòng)態(tài)高精度的特性和INS短期、高動(dòng)態(tài)高精度的性能，能夠獲取瞬時(shí)攝影相片的空間位置和三軸姿態(tài)。

設(shè)計(jì)的基于傾斜攝影的事故勘查無人機(jī)主要由無人機(jī)主體機(jī)架及動(dòng)力電池、搭載云臺(tái)及傾斜攝影相機(jī)、地面控制站系統(tǒng)組成。

無人機(jī)主體機(jī)架(圖1)采用復(fù)合碳纖維作為主體材料，重量輕、強(qiáng)度高、抗熱沖擊性高、抗腐蝕性優(yōu)異。主體機(jī)架采用六旋翼飛行模式，在其中1只旋翼失效的情況下，其余5只仍能平穩(wěn)機(jī)身，抗風(fēng)能力≥6級(jí)；動(dòng)力電池為22 000 mAh高性能LiPo聚合物鋰電池，標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)載重續(xù)航時(shí)間不低于50 min，空載續(xù)航不低于60 min，單組電池重量≤2 350 g，在無人機(jī)飛行時(shí)有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。螺旋槳、電池組、機(jī)臂、起落架、云臺(tái)組件采用快速拆解結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速分解和安裝。

圖1 傾斜攝影無人機(jī)主體機(jī)架

搭載云臺(tái)精度不大于±0.01°，重量不大于1.5 kg。相機(jī)分辨率為全畫幅CMOS組件，全畫幅不小于4 000萬像素，地面分辨率不大于2 cm，總像素大于等于2.5億。

地面控制站系統(tǒng)能夠顯示飛行器的經(jīng)緯度、水平速度、垂直速度、機(jī)頭朝向、相對(duì)高度、俯仰角度、剩余電量、衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)列、GPS狀態(tài)等飛行參數(shù)。

2.3 傾斜攝影事故勘查無人機(jī)作業(yè)流程

無人機(jī)傾斜攝影作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 真實(shí)景三維模型構(gòu)建流程

一般來說，無人機(jī)傾斜攝影在事故勘查分析時(shí)可以分解為5個(gè)作業(yè)步驟：①利用無人機(jī)航拍，初步確定傾斜攝影范圍；②設(shè)置航線規(guī)劃與參數(shù)，進(jìn)行外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集；③內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理，真實(shí)景三維建模；④事故現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、事故影響范圍、事故爆坑測(cè)量等；⑤根據(jù)傾斜攝影得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行爆炸當(dāng)量計(jì)算。

2.4 傾斜攝影事故現(xiàn)場(chǎng)建模關(guān)鍵技術(shù)

化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)的管線、儲(chǔ)罐、裝置等破壞較為嚴(yán)重，在進(jìn)行傾斜攝影事故現(xiàn)場(chǎng)模型重構(gòu)時(shí)易出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，影響事故勘查。通過研究對(duì)比發(fā)現(xiàn)，飛行路線、建模方法是影響最終建模質(zhì)量和效率的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

飛行路線及飛行重合度顯著影響建模質(zhì)量。在進(jìn)行建筑物的傾斜攝影飛行時(shí)，一般采用平行路線進(jìn)行飛行。但在火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)建模時(shí)，采用此種飛行路線容易導(dǎo)致模型畸變，建模質(zhì)量較差。通過理論分析和實(shí)際建模對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在平行飛行(圖3)基礎(chǔ)上，增加交叉飛行(圖4)航線，可以顯著減少模型畸變，提升模型質(zhì)量。嚴(yán)格控制飛行間距，增加飛行重合度，可使模型展現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，實(shí)際驗(yàn)證表明，飛行重合度控制在75%時(shí)已可獲得較高的模型質(zhì)量。

圖3 平行航線飛行

圖4 平行交叉航線飛行

建模方法影響建模效率。構(gòu)建三維模型首先要建立數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM)，該模型是對(duì)地形表面在地形采樣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的表面重構(gòu)。數(shù)字高程模型基本建模方法主要有不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)建模(圖5)和規(guī)則格網(wǎng)(GRID)建模兩種方式。規(guī)則格網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)排列、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它占用巨大的存儲(chǔ)空間，效率較低。不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)建模是利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合原則，把這些離散點(diǎn)連接成相互連續(xù)的三角面網(wǎng)絡(luò)，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布測(cè)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)的位置和密度。該建模方式對(duì)原始數(shù)據(jù)要求較低，具有精度高、速度快、效率高和顧及地性線等特點(diǎn)，非常適用于火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)。

圖5 不規(guī)則三角網(wǎng)模型

3 案例應(yīng)用

傾斜攝影無人機(jī)已在某氣化廠空分裝置“7·19”重大爆炸事故、某化工公司“3·21”特大爆炸事故等重特大事故調(diào)查中進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。以該案例為例，詳細(xì)說明傾斜攝影無人機(jī)在事故勘查分析中的應(yīng)用。

事故案例基本情況：2019年3月21日14時(shí)28分左右，某化工公司硝化廢物倉(cāng)庫(kù)發(fā)生劇烈爆炸事故，該起事故的影響范圍特別大、事故現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境異常復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)存在大量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、易燃易爆等化學(xué)品。

本次利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要解決現(xiàn)場(chǎng)勘查、爆炸影響范圍、爆炸當(dāng)量計(jì)算3個(gè)方面的問題。

3.1 利用無人機(jī)航拍，初步確定傾斜攝影范圍

在無法進(jìn)入事故核心區(qū)域的情況下，技術(shù)人員在爆炸區(qū)域外側(cè)尋找合適的起飛點(diǎn)，利用無人機(jī)進(jìn)行航拍，初步了解事故核心工廠的位置，估算爆炸核心區(qū)域的面積及主要影響范圍，確定傾斜攝影范圍。

3.2 設(shè)置航線規(guī)劃與參數(shù)，進(jìn)行外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集

在初步確定傾斜攝影范圍后，確認(rèn)當(dāng)天的天氣狀況(晴朗、風(fēng)力較小)、周邊無強(qiáng)信號(hào)干擾源(變電站、高壓架塔、大量的鋼架結(jié)構(gòu)等)適合飛行，然后組裝無人機(jī)傾斜攝影裝置，確認(rèn)設(shè)備情況(電池電量、無人機(jī)本體、地面站等)。

通過地面站上顯示的地圖，作業(yè)人員將區(qū)域劃為4塊，設(shè)置4個(gè)架次，分別進(jìn)行飛行拍攝，飛行參數(shù)如表1所示。將飛行參數(shù)輸入后，地面站飛行控制軟件自動(dòng)規(guī)劃航線，進(jìn)行外業(yè)影像拍攝。

表1 傾斜攝影無人機(jī)飛行參數(shù)

3.3 內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理，實(shí)景三維建模

首先對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行批量編號(hào)等預(yù)處理工作，使之與定位定向系統(tǒng)(pos)文件中的經(jīng)緯度坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)。在完成內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理后，利用三維建模軟件Context Capture軟件構(gòu)建真實(shí)景三維模型。

圖6為某化工公司“3·21”特大爆炸事故三維模型與傾斜攝影照片對(duì)比，可以看出，三維模型完成了真實(shí)場(chǎng)景的完整構(gòu)建，分辨精度可達(dá)到2 cm，完全滿足事故調(diào)查工作的需要。通過對(duì)模型仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)LNG罐車并未發(fā)生爆炸，排除了該起事故是由LNG罐車引起的可能性。

圖6 三維模型與傾斜攝影照片對(duì)比

3.4 事故現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、影響范圍、爆坑測(cè)量等

a) 利用傾斜攝影得到的模型，可以標(biāo)定出爆炸中心以及周邊工廠的位置，以及建筑物的損壞情況。

b) 事故現(xiàn)場(chǎng)按建筑物受損程度，分為事故核心區(qū)、爆炸沖擊波嚴(yán)重波及區(qū)、爆炸沖擊波中等波及區(qū)。事故核心區(qū)為此次事故中受損最嚴(yán)重區(qū)域，建筑物承重結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌。爆炸沖擊波嚴(yán)重波及區(qū)是指建筑結(jié)構(gòu)、外墻、吊頂受損的區(qū)域，受損建筑部分主體承重構(gòu)件(柱、梁、樓板)的鋼筋外露，磚墻裂縫明顯甚至失去承重能力，不再滿足安全使用條件，門扇、窗扇大量脫落。爆炸沖擊波中等波及區(qū)是指建筑幕墻及門、窗受損嚴(yán)重的區(qū)域，受損建筑局部幕墻及部分門、窗變形、破裂、脫落。本次事故各區(qū)域范圍如下：①通過對(duì)傾斜攝影構(gòu)建的真實(shí)景三維事故場(chǎng)景分析，事故核心區(qū)為爆心周圍半徑約300 m范圍內(nèi)，面積約為28×10m，此范圍內(nèi)的建筑損毀嚴(yán)重；②爆心周圍半徑300～1 000 m范圍為爆炸沖擊波嚴(yán)重波及區(qū)，該范圍內(nèi)建筑物磚墻裂縫為小于5 cm的裂縫至輕微裂縫，門扇和窗扇大量脫落，玻璃基本全部粉碎，屋面瓦大量破損，彩鋼板屋面部分掉落；③爆心周圍半徑1 000～2 000 m為爆炸沖擊波中等波及區(qū)，該范圍內(nèi)建筑物門扇和窗扇部分變形甚至脫落，玻璃完全破碎，部分磚木結(jié)構(gòu)屋面發(fā)生局部垮塌；④爆炸沖擊波波及區(qū)以外的部分建筑，由于爆炸產(chǎn)生地面震動(dòng)以及沖擊波的作用，造成建筑物門、窗玻璃受損，東側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)6.2 km，西側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)12 km，南側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)20 km，北側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)10 km。

爆炸事故發(fā)生后，在無法進(jìn)入事故現(xiàn)場(chǎng)的情況下，利用真實(shí)景三維模型完成了上述數(shù)值的測(cè)量。據(jù)模型測(cè)量，爆炸形成了一個(gè)直徑大約120 m的積水坑，深1.9 m，見圖7。經(jīng)排水后，測(cè)得爆坑內(nèi)環(huán)直徑為75 m，見圖8。

圖7 傾斜攝影真實(shí)景三維模型爆坑測(cè)量

圖8 排水后的爆坑

3.5 根據(jù)傾斜攝影測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行爆炸當(dāng)量計(jì)算

爆坑的形成是由于爆炸物在地面上爆炸時(shí)，其爆炸產(chǎn)物及沖擊波對(duì)地面施加直接的沖擊作用，形成強(qiáng)烈的對(duì)地沖擊波，它壓縮地面介質(zhì)，爆心附近的地面介質(zhì)很快就獲得向上的速度，而被拋擲到地表上來，隨著對(duì)地沖擊波向外傳播，其強(qiáng)度不斷減弱，使地面介質(zhì)產(chǎn)生由破碎、屈服至塑性變形，形成由爆心至邊緣由深到淺的漏斗形爆坑。

炸藥起爆后形成的爆坑均為錐形漏斗坑，不同方向上的可見爆坑直徑近似相同，隨著爆炸藥量的增多，爆坑的拋擲區(qū)范圍相比初始?jí)嚎s區(qū)范圍也逐漸增大，10 t裝藥TNT爆后就能夠明顯看到爆炸形成的初始?jí)嚎s波與反射稀疏波以及勒夫波相互疊加作用于土體表面形成的雙環(huán)形爆坑。爆坑大小與爆炸藥量、炸藥密度和地面介質(zhì)硬度有關(guān)，這四者的關(guān)系可用下列公式表示：

W

=(π/6)×(

D

/

K

)×

ρ

=0.5233 (

D

/

K

)×

ρ

(1)

式中：

W

——爆炸的炸藥量，kg(換算成TNT當(dāng)量時(shí)需乘TNT當(dāng)量系數(shù))；

D

——爆炸坑直徑，m；

K

——地面介質(zhì)硬度系數(shù)，一般巖石地面取7～8，水泥地面取8～9，土質(zhì)地面取9～10；

ρ

——炸藥密度，kg/m。

通過傾斜攝影測(cè)得爆坑內(nèi)環(huán)直徑為75 m，積水坑直徑為120 m；事故爆炸點(diǎn)為土質(zhì)地面，地面介質(zhì)硬度系數(shù)取9；散裝TNT密度為850 kg/m。將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)，得到爆炸當(dāng)量為257.41 t TNT。

4 結(jié)論

定制研發(fā)的傾斜攝影事故勘查無人機(jī)已在多起化學(xué)品火災(zāi)爆炸重特大事故現(xiàn)場(chǎng)勘查中的進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明：定制研發(fā)的基于傾斜攝影技術(shù)的事故勘查無人機(jī)測(cè)量精度高、續(xù)航能力強(qiáng)，通過優(yōu)化飛行路線和建模方法，能夠高精度快速重構(gòu)事故現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)景三維模型，有效解決了化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)勘查、影響范圍測(cè)量和爆炸當(dāng)量計(jì)算等難題，減少了事故調(diào)查人員在事故現(xiàn)場(chǎng)的工作量以及面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升了事故調(diào)查效率。近年來，傾斜攝影技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已在危險(xiǎn)化學(xué)品監(jiān)測(cè)預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害救援等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。