基于GIS的公路危险品事故应急响应系统研究

吕明新　孙婷婷　孙德正

[摘 要] 为了提高在高速公路上危险品事故的应急响应效率，基于GIS来研究和发展高速公路上重大危险品事故的应急响应系统。根据高速公路重大危险品事故的应急响应的特征，系统开发和设计四个子系统和六个基本数据库。利用高斯模型，结合GIS新技术和现代安全管理方法，系统实现四大功能：紧急响应，利用函数快速对危险物质、危险设施进行量化，灾难和事故后果预测和应急决策。

[关键词] 高速公路；危险品事故；紧急响应

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.174

1 危险品事故概述

高速公路上有许多负载易燃、易爆、有毒、有害危险货物的车辆，任何时间都可能发生爆炸、火灾和毒物泄漏等重大事故。例如，2015年12月23日上午11时10分，山东滨博高速滨城收费站3号口以外两公里处因大雾一辆危险品运输车被一辆集装箱半挂车追尾，危险品运输车发生丙烯酸乙酯泄露，共计38吨，对周边民众生命安全产生巨大影响，对土地产生灾难性破坏。[1]目前，高速公路危险品事故主要存在的问题在于危险的紧急响应：紧急响应水平低和应急能力不强，专业人员短缺和应急资源不够或派遣困难。这些问题严重影响应急救援的效率。因此，当务之急是预防和控制高速公路重大事故，保护公共安全，构建一个快速的响应系统，可以科学有效地应对高速公路上危险品事故，形成一个科学、规范的应急机制。

2 主要技术和方法的概述

2.1 GIS技术

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）结合了计算机图形和数据库，用来存储和处理空间信息。[2]除此之外，它集成了地理对象的空间位置和相关属性，可以根据用户实际的要求，满足城市建设、 企业管理、居民生活对空间信息以及各种支持决策的空间分析和可视化表达的要求。

GIS系统采用天际线系列的软件。软件通过卫星图像，地形高程数据和其他两层和三维信息融合成三维可视化场景。可创建自定义虚拟三维可视化场景和通过天际线系列应用程序进行信息交互、扫描、查询和分析。软件可实现源数据实时传输以及在没有数据预处理情况下快速创建实时三维交互式模型。

2.2 主要危险品事故仿真

2.2.1 利用GIS模拟泄漏事故并划分危险区域

挥发性液体和气体泄漏后会在泄漏源附近扩散，然后在泄漏源形成气团，进一步蔓延在空气中，这将影响很广的区域。因此，气团在空气中的扩散成为分析重大事故的主要方向。

（1）当危险品不断泄漏，气体柱气团的浓度分布表现为中等浓度（接近空气密度）的高斯分布。高斯烟羽模型是模拟泄漏到大气中的污染物沿下风向扩散浓度分布最广泛的模型，该模型适用于蒸汽扩散及液体转变为蒸汽扩散。[3]假定烟羽水平风向和垂直方向上的污染物浓度符合高斯分布，有风条件下连续点源扩散的浓度分布为：

由上式可以看出，连续泄漏下风向形成一条烟羽，随着距离泄漏口的距离增加，泄漏物质浓度下降。在任意点处，泄漏物质浓度与源强成正比，但不随时间变化。

（2）瞬时泄漏应该使用高斯气团模型来计算一个点的浓度（x，y，z）的三维空间以源泄漏为零点，以向下风向为x轴，在t时刻的浓度用下面公式计算：

其中，t——泄露的时间，s。

瞬时扩散模型表明，泄漏的气体为一维时间膨大的气团，随着气团增大浓度逐渐降低。

危险区域的划分是根据有毒负荷计算标准界定有毒物质对人的伤害程度。泄漏事故危险地区信息可利用GIS技术实现的二维或三维场景展现出来。直观地得到危险区域的划分：致命区域、严重伤害区域、轻伤区域。

2.2.2 利用GIS模拟火灾事故并划分危险区域

易燃易爆液体和气体很容易在泄露后被点燃。点燃后燃烧方式有四种：池火、喷射火、火球和闪火。火灾事故危险地区信息利用GIS技术实现的二维或三维场景展现。根据火灾周边人员、设备等热辐射入射通量的不同，火灾周边危险区域分为：死亡区域（入射通量> 37.5Kw/ m2），严重伤害区域（入射通量> 25Kw/ m2），轻伤区域（入射通量> 12.5Kw/ m2），感觉区（入射通量> 4.0Kw/ m2）。

2.2.3 利用GIS模拟爆炸事故并划分危险区域

爆炸事故分为以下类型：有限空间内突然燃烧的可燃混合气体蒸汽爆炸；压力容器内因化学反应或不正当操作引起的爆炸；压力容器内不参与化学反应的爆炸；不稳定的固体或液体的爆炸。爆炸事故的影响区域分为：建筑毁灭性打击破坏地区；建筑物可修复的破坏地区；玻璃破碎区和冲击波影响区等。

2.3 危险品泄漏最初始时期的隔离和防护距离

提出最初的隔离和防护之间的距离（下表）有助于防止危险货物泄漏产生有毒蒸汽对人的危险。拟定的距离是泄漏后最初的30分钟内该地区可能受影响的距离，形象距离可能随着时间的推移扩大。保护区域是一个位于事故点的下风向的地区，这个地区的人可能因为 无法采取防护措施造成严 重或不可恢复的身体伤害（如图1所示）。

3 系统设计

3.1 子系统设计

①应急决策子系统。事故发生后，系统模拟判断事故影响的范围、影响方式和事故的危害程度。收集灾难相关的资源数据、地理信息和历史处理计划，做出应急决策和行动。通过信息的综合集成、分析处理和调用专家知识库，拟定相关技术方案和措施，并提出技术问题的解决方案，确保响应过程中应急救援的科学性和准确性。②应急计划管理子系统。事故发生的情况下，智能检索和分析应对事故所提供的措施和应急反应计划。③应急资源子系统。基于对通信、信息、指挥与调度、资产数据库等应急资源的应用，形成动态管理的专业团队，对事故做好储备材料、反应设备、通信和医疗与其他应急资源的支持。当突发重大事件发生时，应急指挥人员可以迅速召集可响应资源进行有效的救援。④应急培训和实践子系统。主要用于事故仿真和训练。

3.2 数据库设计

①紧急信息数据库存储事故信息、预测和预警信息、监测和控制以及应急指挥过程信息和其他内容。②应急响应计划数据库存储不同类型的应急计划。③应急资源数据库存储应急资源信息（包括人员、设施、设备、材料信息，专家和其他组织、应急小组的指挥信息），危险设施信息，人口、自然资源信息和其他内容。④地理信息数据库存储数字地图、遥感图像、道路网络、应对资源分布图和其他内容。⑤决策支持模型库存储事故类型预测模型和分析模型。⑥知识管理数据库存储专业知识，相关法律、法规和技术规范和应对各种安全生产事故的专业知识和其他内容。

3.3 空间地理信息数据

（1）数据源。数据源包括：基础地理数据、专题地理数据、危险品存储及运输的三维模型数据。数据源也包含公路服务区域和危险设施基础地理数据，如整个公路的卫星、航空图像、地面海拔数据、DEM数据等。

（2） 数据集成。空间坐标过渡系统：当进入三维场景环境时，各种数据必须转换为WGS-84坐标系的纬度和经度坐标。二维和三维场景数据：二维和三维图像数据要涵盖整个路网，主要由图像数据、 DEM数据和部分GIS矢量数据组成。建筑的三维建筑模型数据：可利用相关的二维GIS数据更精确快速的构建三维建筑模型。利用二维GIS数据调查、分析有关联属性的三维建筑实体与空间统计。

4 系统功能和实现

4.1 危险材料和危险设施的快速检查功能

该功能可以立即查询危险品的物理化学性质，危险特性，对人体危害，解决方案；高速公路上危险品事故；帮助应急小组快速得到危险物质和危险设施的基本知识。

4.2 事故后果预测功能

该功能可以快速模拟预估灾害和事故的发展和结果，如确认火灾、爆炸、危险品泄漏事故的影响区域和范围以及预测可能的伤亡和财产损失等。[5]帮助应急小组确认需要紧急封闭的区域、单位和各路网、服务区需要疏散人员，以及选择应急指挥所的位置和应急医疗站等。以青岛市黄岛区为例，氯气泄漏风险的计算结果影响评估——在60分钟的泄漏面积，如图2所示。

4.3 应急决策辅助功能

该功能可以帮助应急小组每个部门的领导者和管理者理解他们的职责，通过对交通和交通路口的控制，受灾居民最好的路线撤离逃生途径。[6]调查和调度应急设备、材料和应急生活用品，调查和分派的医疗力量、消防力量和应急住所等。

5 结 论

主要研究基于GIS的公路危险品事故应急响应系统。该系统通过理论和方法的研究提高了公路危险品事故应急响应的效率。系统运行稳定、可靠，适合在全国推广运用。

参考文献：

[1]闻睿.危险品运输：一个依然沉重的话题[J].专用汽车，2007（6）.

[2]张少刚.i-实验：社区教育模式创新[J].现代远程教育研究，2012（3）.

[3]水冰峰.基于的公路危险品运输重大事故应急疏散决策支持系统设计[D].南京：南京理工大学，2009.

[4]狄建华.液氯泄漏事故危害区域预测评价[J].中北大学学报：自然科学版，2007（2）.

[5]EJ Dodd，H.A.Donegan.Prioritization Methodologies in Fire Safety Evaluation[J].Fire Technology，1994，30（2）.

[6]Jay Weinroth.A Model for the Management of Building Evacuation[J].Simulation，1989（9）.

[7]Gunnar G.Lovas.On Performance Measures for Evacuation Systems[J].European Journal of Operational Research，1995（85）.