重大毒气泄漏事故区域疏散分析系统设计与应用*

邓云峰，盖文妹

(1.国家行政学院，北京 100089；2.中国地质大学 工程技术学院，北京 100083)

0　引言

针对重大毒气泄漏事故，开展区域疏散分析系统设计是研究公众保护策略的一个关键内容[1]。有毒化学物质在生产、运输、存储和使用的各个环节，时刻都存在着发生泄漏的危险。一旦发生毒物泄漏事故，除了可能造成巨大的人员伤亡和财产损失外，还牵涉到大批人员的紧急疏散，严重影响了人们的正常工作和生活，造成极其恶劣的社会影响[2-3]。例如：1999年 12月26日，大连三木精细化工厂发生硫化氢泄漏事故；2001年2月24日，武进某化工厂发生氰化物泄漏事故；2003年，中石油川东北气矿的“12·23”井喷失控事故。以上毒气泄漏事故都造成大量人员伤亡，所以对有害物质的泄漏扩散开展深入研究十分必要[4-5]。针对有毒气体泄漏危害的公众疏散，属于典型的区域疏散问题，疏散范围有时会涉及周边几公里、甚至几十公里的大量居民，整个疏散过程易受致害物、泄漏强度、事故发生时间和持续时间、气象条件与自然地理环境等因素影响，故疏散的组织准备和策划过程稍有延迟或不慎，可能导致人员重大伤亡。所以，有必要针对此类事故，开展相应区域疏散分析方法的研究[6-10]。本文针对危险化学品泄漏、高含硫气田井喷等事故诱发的大规模人员疏散问题进行研究，基于地理信息系统(GIS)技术设计、实现区域疏散分析系统，并在此系统支撑下，进行毒气扩散模拟、事故信息获取与影响区域分析、区域疏散效果分析，相关方法和结论可为应急疏散方案的制定提供参考。

1　重大毒气泄漏事故区域疏散分析系统设计

1.1　系统总体结构

区域疏散分析系统是针对有毒气体泄漏事故所导致的区域性人员疏散需求，结合实际路网情况及其他相关疏散影响因素，基于GIS开展疏散规模与疏散时间优化分析的应用系统。根据区域疏散分析系统的总体目标和功能需求，系统总体结构主要由基础信息管理、地图操作、数学计算、模拟显示和区域疏散决策分析5大模块组成，如图1所示。

图1　系统总体结构Fig.1　System structure

1) 基础信息管理模块及数据访问接口

基础信息管理模块负责对人员区域疏散分析所涉及的大量非空间信息的读写、检索、导入和导出，具体功能包括：新建信息、修改信息、查询信息、打印信息、批量导入信息和批量导出信息。针对基础信息的不同类型，系统采用相应的数据访问接口进行操作，属性信息数据库中的信息，采用标准SQL语言进行操作；针对有毒气体泄漏事故特征，系统需考虑与监测监控系统中数据的访问问题，对于风速风向仪所采集的气象信息，可采用串口访问接口进行数据的读取；对于传感器节点采集的毒物浓度信息，可采用标准的UDP协议进行实时数据接收；对于视频监控探头采集的视频信息，可采用IP矩阵控制接口和VGA矩阵控制接口进行视频控制。

2)地图操作模块及数据访问接口

地图操作模块负责对区域疏散分析系统涉及到的大量空间信息的显示、查询、修改、导入和导出，具体功能包括：地图显示、地图关闭、地图放大、地图缩小、地图平移、图层显示控制、图层风格控制、地图数据导入和地图数据导出。针对不同的地图数据格式，需要采用相应的数据访问接口，如选择SuperMap作为GIS平台，则应包括空间数据库存储和空间数据库访问接口2部分。

3)数学计算模块及数据访问接口

针对有毒气体泄漏事故开展区域疏散分析，主要包括：气体扩散过程计算、基于离散时间动态网络流计算和GIS空间分析所涉及的路径分析计算、几何对象叠加分析和缓冲分析计算等。气体扩散过程和离散时间动态网络流计算，分别采用SLAB模型、RELAX 4算法进行模拟计算。数学计算模块涉及到的数据类型比较复杂，采用的数据访问接口类型较多，如属性数据库访问接口、地理信息数据库访问接口和串口访问接口等。

4)模拟显示模块及数据访问接口

有毒气体泄漏扩散事故信息以及通过数学计算模块获得的计算结果，需进行图形化显示，这部分功能主要由模拟显示模块完成。具体功能包括：事故地点显示、有毒气体扩散范围动态显示、应疏散区域和亚区域显示、疏散警戒点显示、疏散路径显示、待疏散人数与已疏散人数显示等。模拟显示模块主要访问地理信息数据库。

5)区域疏散决策分析模块及数据访问接口

区域疏散决策分析模块负责区域疏散分析流程中事故信息获取、疏散通知、有毒气体扩散模拟、区域疏散分析计算等4个环节的控制。通过对各个模块的调用和消息的传递，将系统中各高内聚、低耦合的模块整合为1个统一的区域疏散决策分析流程。数据访问接口根据流程涉及到的模块不同而有所不同，主要包括：属性数据库访问接口、地理信息数据库访问接口和串口访问接口。

1.2　系统数据结构

区域疏散分析系统数据分为属性信息数据和地理信息数2大类，如图2所示。

图2　系统数据结构组成说明Fig.2　System data structure

1)属性数据结构

区域疏散分析系统属性数据主要包括：危险源数据、应急资源数据、硬件设备数据和居民建筑数据，存储单元为数据库和数据库表。

①危险源数据库：危险源数据库中存储的数据可以作为事故后果模拟的输入数据来源，按照危险源的种类建立数据库表，主要包括：生产场所数据库表、生产场所危险物质数据库表、贮罐区数据库表、贮罐数据库表、库区数据库表、库房数据库表、库房存储危险物质数据库表、锅炉数据库表、压力容器数据库表和压力管道数据库表。

②应急资源数据库：应急资源数据库中存储的应急资源相关数据是人员区域疏散模拟与人员调度的数据基础，按照应急资源类型建立数据库表，主要包括：避难场所数据库表、消防队伍数据库表和医疗机构数据库表等。

③硬件设备数据库：硬件设备数据库中存储的硬件数据由区域疏散分析系统前端设备采集获得，按照硬件设备的类型建立数据库表，主要包括：监测传感器数据库表、风速风向仪数据库表和视频探头数据库表。

④居民建筑数据库：居民建筑数据库中存储的居民建筑物数据是区域疏散分析系统中疏散规模估算、疏散起始节点分析的数据基础，按照居民建筑物类型建立数据库表，主要包括：居民建筑物数据库表和避难场所建筑物数据库表。

2)地理数据结构

地理数据是区域疏散分析系统中电子地图的数据基础，主要包括：危险源的地理数据、居民建筑物的地理数据、居住区的地理数据、道路的地理数据和避难场所的地理数据等。其中，居民建筑物、居住区和道路的地理数据是区域疏散分析系统的主要数据分析和处理对象，针对不同类型的地理数据，系统分别建立相应的图层进行管理和存储。

1.3　区域疏散分析的业务流程和数据流程

业务流程是从系统用户的实际业务需求角度，对系统运行的各个环节和顺序进行描述；而数据流程则是在业务流程分析的基础上，进一步对系统每个业务功能涉及的数据调用情况进行描述。

1) 业务流程分析

根据毒气泄漏事故情景下的区域疏散需求，可以将完整的区域疏散分析过程划分为：事故基本信息获取、有毒气体影响范围分析与预测、区域疏散优化分析3个阶段，由不同模块实现相应功能，相关流程如图3所示。

图3　区域疏散分析系统业务流程Fig.3　Operation flow chart of analysis system for regional evacuation

阶段一：事故信息获取，是开展区域疏散分析的基础。针对有毒气体泄漏事故进行疏散分析之前，应当了解事故发生的具体地点、时间、地形、社会环境与人口状况、泄漏物质名称及其物理化学特性、毒性气体挥发或释放强度、泄漏的起始时间、预计持续时间和发生地当时的气象条件等基本信息。事故信息获取由系统提供的事故接警、信息确认功能完成，系统同时提供传感器报警、电话报警等多种信息接入方式，获取信息并确认后，作为区域疏散分析的起始条件。

阶段二：事故影响范围分析与预测，主要针对有毒气体泄漏扩散过程进行模拟计算，模拟有毒气体危险浓度边界随时间的变化情况，识别并确定可能致害的影响范围并预测到达确定区域或地点的时间。事故影响范围分析与预测由系统提供的事故后果模拟功能完成，所需输入参数由信息获取阶段确认并提供，有毒气体扩散范围在电子地图上动态显示。

阶段三：区域疏散优化分析，是在有毒气体影响范围、到达时间的分析基础上，结合事故发生地点周边的人口、道路情况等，确定疏散范围或疏散亚区域，估算疏散的人口规模，结合可选的疏散通知方式及疏散人员的群体疏散行为特征，为区域疏散网络模拟提供输入，通过区域疏散网络模拟，获得有关疏散效率、疏散时间的最优结果，以及达到该结果时关键疏散路径和各路段的疏散人流变化情况。通过不断调整输入条件，决策者可方便比较不同疏散方案的可行性。

2)数据流程分析

基于区域疏散分析的业务流程，结合现代网络通信、GIS、事故后果模拟和区域疏散模拟技术，从系统实现角度可以进一步划分业务功能模块，并对功能模块之间的数据调用进行定义和描述。各功能模块之间的数据流程如图4所示。

图4　区域疏散分析系统数据流程Fig.4　Data flow chart of analysis system for regional evacuation

从图4可知，接到毒气泄漏事故报警后，系统通过事故现场地图定位、现场视频查看和危险源信息搜索等功能，访问相关数据库表，实现相关信息的确认，为气体扩散模拟和其他后续流程提供输入。

2　系统实际应用

2.1　事故案例背景介绍

以某化工企业(图5中2个圆圈位置)为例，该企业生产过程所涉及的危险化学品存在泄漏并释放有毒气体的可能性。选择该企业聚氨酯股份公司MDI光气生产设备作为潜在有毒气体释放源，该企业聚氨酯股份公司MDI生产系统位于图5中较大圆圈圆心位置，主要由光气合成塔、光气缓冲罐、冷热光气化反应器和反应液处理装置及工艺管道组成，主要危险因素为光气，主要存在于生产设备、光气储罐和与之相连的输送管道及后续生产设备中。MDI生产系统厂区北面邻海，南面靠山，地形南高北低，呈丘陵地形，厂区内部地面平坦，海拔高度4～5 m。当地属中纬度温带季风区海洋气候，空气湿润，气候温和，年平均气温12.6℃，历年极端最高气温38℃，极端最低气温-13.1℃。常年主导风向为南南西风，年出现频率为11%，夏季盛行南南西风，冬季盛行西南西风和北北西风。常年平均风速为3.9 m/s，以1、11和12月份最大，为4.5 m/s。

图5　某化工企业航拍Fig.5　Aerial photography of a chemical company

图5中，灰白色区块均为居民地，可以看出，厂区北部、东北部均为居民密集居住区。据统计，MDI生产系统1 km范围内，有幸福十三村、幸福十四村和幸福十六村等，潜在最大疏散人口估计超过8 0573人；1～2 km范围内，有幸福十一村、幸福十二村、幸福十五村、幸福小区、珠玑小区等大量的居民区及商业区、学校、工厂等，潜在最大疏散人口估计超过10 5300人。显然，一旦MDI生产系统中光气泄漏并扩散，将会危及厂区内、周边企业单位员工和普通群众的生命安全与健康。

2.2　事故信息获取与影响区域分析

2.2.1事故信息获取

事故信息获取主要通过接警功能模块完成，接收来自传感器、电话等报警信息，实时获取事故基本情况记录和气象信息，接警人员可以通过现场视频浏览、事故地点地图定位、危险源查询等，确认有关事故及致害物的信息。系统接警界面如图6所示，从图中可以看出，接警界面除包括事故发生地点和发生时间等基本信息外，同时包括：泄漏源尺寸、种类、预计堵漏时间等信息，以及事发地点在事发时的风速、风向及大气稳定度等气象参数。

2.2.2影响区域分析

基于获取到的事故发生地点、发生时间、致害物、气象条件、泄漏持续时间和预计堵漏时间等信息，采用SLAB模型实现影响范围的分析与预测。假定泄漏源为MDI生产系统的光气泵，预计堵漏时间为10 min，泄漏孔径为100 mm，风向为西南风，大气风速1.5 m/s，则泄漏扩散后果如图7所示。

图7　光气泄漏影响区域Fig.7　Affected area of photogas

2.3　区域疏散效果分析

系统获得原始疏散网络数据后，通过对网络数据转换、时间扩张、疏散初始化等过程，可求解疏散人流的最优解并进行疏散效果分析，包括疏散效率、疏散时间和疏散路网人流、拥堵状况等信息，并在地图或其他图表上予以直观显式。

2.3.1疏散效率

假定事故发生在深夜12点，在泄漏源、泄漏特征、气象条件等参数与前述示例相同的情况下，仅通过改变疏散通知方式、加载方式，模拟总疏散效率随不同疏散参数的变化情况。如图8所示，分别选择2种通知方式和2种加载方式，进行4种工况下疏散效率的对比。从图8可以看出，采取警报器与电话的混合通知方式，假定接通知的人员15 min内全部采取疏散行动的效率最高，疏散通知开始30 min后，总体疏散效率可达26.7%左右；60 min后，可达60.6%左右； 80%以上人员撤离到疏散范围之外的必需疏散时间约83 min。

图8　不同通知方式和加载方式的总疏散效率对比Fig.8　Comparison of total evacuation efficiency of different notification and loading methods

2.3.2路段人流动态变化

通过基于离散时间网络流分析，可以获得区域疏散网络中，任意路段中疏散人流的动态变化情况。图9为3种不同疏散条件下某路段人流的动态变化情况，获得路段人流的动态变化，有助于分析各路段利用和可能的拥堵情况。

图9　某路段疏散人数动态变化情况Fig.9　Dynamic change of the evacuees in a section

2.3.3疏散路网利用

利用获得的各路段疏散人流的动态变化情况，通过GIS网络分析技术，系统可以动态显示路网中各路径的利用情况，分析不同疏散条件下，周边群众可能利用的主要路径和该路径疏散人流情况。本文调整设定如下2种疏散策略：

1)泄漏事故与疏散通知同步发生。假定光气发生泄漏，相应警报系统立即发出疏散警报，即光气泄漏基本与疏散通知同步发生。

2)光气泄漏事故发生前30 min发出疏散通知。假定现场应急决策人员在出现光气泄漏征兆时，即发出疏散通知，比光气泄漏事故发生时间提前30 min，为预防性疏散。

通过本系统模拟光气扩散过程和人员疏散过程。图10为第1种情况下，光气泄漏扩散与周边人员疏散在泄漏事故发生后30 min和40 min的动态变化情况。从图10中可以看出，部分人员在疏散时可能暴露在光气扩散形成的伤亡区域。

图10　第1种情况下的泄漏扩散及疏散人流动态变化情况Fig.10　Dynamic changes of evacuation in the first case

图11为第2种情况下，光气泄漏扩散与周边人员疏散在泄漏事故发生后30 min和40 min时的动态变化情况。从图11中可以看出，第2种疏散策略下，光气扩散到周边居民区时，大量居民已远离光气伤亡区域。

显然，通过以上的对比可以说明，针对毒气泄漏事故，应尽早通知周边居民疏散。

图11　第2种情况下的泄漏扩散及疏散人流动态变化情况Fig.11　Dynamic changes of evacuation in the second case

3　结论

1)在综合区域疏散分析网络模型及各功能模块基础上，完成基于GIS的区域疏散分析系统的原型设计，包括：区域疏散分析业务流程和数据流程分析、系统总体结构和数据结构设计。

2)结合某化工企业的MDI生产系统及周边环境，对区域疏散分析系统进行应用研究，基于实际场景，针对不同事故情景、疏散条件及策略进行了模拟和对比分析，研究表明：混合通知方式下的疏散效率最高、毒气泄漏事故发生后应尽早通知周边居民疏散。

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