爆炸罐突发事件“情景-应对”模型构建研究

彭绪富,朱小婉，严 慧

(1．湖北师范大学 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002； 2．湖北师范大学 文理学院，湖北 黄石 435000；3．湖北师范大学 教育科学学院，湖北 黄石 435002)

爆炸罐突发事件“情景-应对”模型构建研究

彭绪富1，2,朱小婉1，3，严 慧1

(1．湖北师范大学 计算机科学与技术学院，湖北 黄石 435002； 2．湖北师范大学 文理学院，湖北 黄石 435000；3．湖北师范大学 教育科学学院，湖北 黄石 435002)

面对突发事件中如何预测、预防、预警等应急问题，针对突发事件的环境复杂性、信息不确定性、演进突变性、影响巨大性等特性，基于“情景—应对”思想，研究构建类似爆炸罐突发事件的物理“情景-应对”模型，通过物理模型分析影响事件演进的内外控制因子，进一步构建数学逻辑模型。通过数学逻辑模型研究分析各控制因子对事件演进的影响度，达到解决煤气罐爆炸、地震、台风、火山爆发等无能量释放的突发事件的预测、预防等问题。为突发事件应急预防、监控、数据处理提供依据与支撑。

突发事件；情景—应对；爆炸罐；物理模型；数学模型；构建；分析

自有记载以来，地震、台风、洪涝、雪灾、高温、干旱、火灾、环境污染、交通事故、战争、恐怖袭击、经济危机、流行病、信息安全等各类突发事件，给自然环境带来了巨大破坏，给社会、生命带来了巨大威胁，给人类生活、工作造成了巨大损失！相关专家学者从不同层面、不同学科对突发事件进行了相关领域的研究，尽管有不少成果，但对如何及早发现、及早预防、及早规避事件的发生等复杂性应急问题缺乏深入的研究，尤其缺乏有针对性的“情景—应对”模型构建及实用性理论研究。鉴于此，本课题将基于“情景-应对”思想，针对突发事件的环境复杂性、信息不确定性、演进突变性、影响巨大性等特性，研究构建类似爆炸罐突发事件的物理“情景-应对”模型和数学逻辑模型，研究分析各控制因子对事件演进的影响度，达到解决煤气罐爆炸、管道爆炸、地震、台风、火山爆发等突发事件的预测、预防等问题。为突发事件应急预防、监控、数据处理提供依据与支撑。

1 突发事件分析

突发事件是指由于系统的外部环境和内部条件发生急剧变化，系统的稳定性和可控性遭到破坏，系统的行为出现异常情况而发生质变的一类无秩序的意外事件，是一种超常规的、较难预测的、在某种必然因素支配下出人意料地突然发生，给社会造成严重危害、损失或影响且需要立即处理的负面事件[1]。其体系包括：致灾体、本体、承灾体。

1.1突发事件分类

突发事件分类方式有多种，主要有：按事件起源、能量聚散、影响范围、社会属性、事件演化趋势等。

1) 按事件起源可分为：自然灾害事件和人为因素灾害事件

自然灾害事件：不以人的意志为转移的受自然规律影响而发生的事件。如：地震、火山爆发、台风、龙卷风、洪涝、泥石流、海啸、冰雹、雪灾、高温、干旱、自然火灾、环境污染等。

人为因素灾害事件：局部或全部受人的行为干扰而发生的事件。如：环境污染、山火、交通、战争、政变、恐怖袭击、流行病、食物中毒、自杀、经济危机、信息安全等突发事件。

2) 按物理能量聚散特性分为：有能量释放事件和无能量释放事件。

有能量释放事件：致灾因子向事件本体汇集能量时，事件本体也在不断释放能量。如：流行病、水库溃堤、洪涝灾害、环境污染等。

无能量释放事件：致灾因子向事件本体汇集能量时，事件本体无能量释放。如：煤气罐爆炸、高压管道爆炸、地震、火山爆发等。

3) 按受灾范围分为：固定空间范围事件和开放空间范围事件。

固定空间范围事件：事故灾难发生在固定空间范围内。这类突发事件也称为限界事件。如：地震灾难、交通事故等。

开放空间范围事件：事故灾难发生在开放的空间范围内，这类突发事件也称为开界事件，如：流行病，龙卷风，环境污染、洪涝灾害等。

4) 按社会属性分为：政治事件、经济事件、生活生产事件。

5) 按事件演化趋势分为：起源事件、次生事件、衍生事件。

1.2突发事件特征

突发事件往往具有发生罕见，突然发生，很难预测，后果严重，强大的破坏性，高度不确定，信息海量性，时间紧迫，分析决策时间有限性，事件构成高复杂性，长期潜在的变化性，高次生、衍生性，生命和生态系统的高影响度等特性[2，3]。

突发事件在物理特征上具有空间和领域的跨界性、发生频率和破坏程度的罕见性以及资源流量与流向的突变性等特征；在逻辑特征上具有应急情景的高约束性和压力性、呈现状态上的多变性与复杂性、应急过程中的非可控性与不确定性以及治理效果上的有限性等特性[4]。

2 突发事件模型构建

突发事件虽然演化迅速，产生的原因及发展的结果具有高度的不确定性，但其发展演变仍然表现出一定规律性，可从事件发生的自然现象和物理规律，基于“情景-应对”思想构建突发事件的物理分析模型和数学分析模型。以利于突发事件的演化演进分析。

因篇幅所限，在此仅研究无能量释放爆炸罐突发事件的模型构建。

2.1爆炸罐物理分析模型

爆炸罐物理分析模型由罐体、罐内控制因素、罐外控制因素组成。当罐内控制因素、罐外控制因素相互作用时，就会引起罐体发生爆炸。其情景仿真模型如图1所示，物理模型如图2 所示：

图1 爆炸罐情景仿真模型

图2 爆炸罐物理模型

2.1.1 模型因素分析

1)致灾体：温度、撞击、挤压、内装物超量、罐体质量等。

2)致灾因子：内压力、外压力、罐体承受力。

3)承灾体：生命体、周围环境物品。

4)本体能量聚散特性：无能量释放。

5)事故范围：有限范围，属于限界事件。

6)灾害行为：爆炸、冲击波、燃烧、气体中毒。

7)次生事件：建筑物倒塌、火灾等。根据不同的起源事件及演化方向，其次生事件也不一样。

8)衍生事件：人群拥挤践踏、交通堵塞等。根据事件的演化方向不同，其衍生事件也不一样。

9)灾害结果：生命体伤忘、物品损耗。

10)事故属类：煤气罐爆炸、各类高压管道爆炸、地震、山体滑坡、火山爆发、火灾等。

11)预防属性：可有限预防、可有限预测，可有限控制。

12)减灾方式：减轻致灾因子对本体影响。如：本体远离高温，降低环境温度、远离易燃易爆物品、防止撞击罐体、减少内装物、定时检查检测罐体质量。

2.1.2 能量转换与受力分析

致灾原理：罐本体承受压力强度是有极限值的，当罐体周围环境温度升高，引起内部能量增加，以致内部压强增加，当内部压强增加到大于承受力极限值时；或当罐体受外力撞击、挤压，外部压强大于承受力极限值时；或罐体质量受损，使罐体本身承受力小于内、外部压强时，罐体将发生爆裂或罐体爆炸、罐内气体泄漏、扩散、燃烧、爆炸等系列事件，对周围的人和物造成损害。

下面进行受力分析：

设内部压强为：f(t)，外部压强为：h(t)，罐体承受力强度为：g(t)，它们都是时间t的函数。则发生爆炸的条件为：|f(t) -h(t)| ≥g(t)；

当f(t)单独作用时，条件为：f(t) ≥g(t)；当h(t)单独作用时，条件为：h(t) ≥g(t)；

其中内部压强f(t) 函数是单一因子控制函数，其监测取值较易。外部压强h(t) 函数为多因子控制的叠加函数，即：h(t)=h1(t)+h2(t)+…+hn(t)，是一复杂受力函数，其监测取值有一定的难度。罐体承受力强度g(t) 函数取值主要由罐体质量和环境因素对罐体的影响，也是多因子控制函数，其监测取值也有一定的难度。h(t)，g(t) 函数需要在实践中，通过仪器设备检测或通过实验获取经验值。

2.2爆炸罐数学模型

突发事件是一复杂突变系统，其突变性主要表现在系统由局部极值跳跃到全局极值，在系统中其位势的数值存在不连续的变化。突发事件的预测问题的关键是在预测模型构建的基础上研究突变系统的突变性。对于一个预测分析模型，处理复杂突变系统的输入与输出并体现其内在突变的规律，需要通过构建一个数学逻辑模型来实现，针对复杂突变系统预测模型中数据的随机性、复杂性、突变性，研究使用函数来描述其输入与输出，该函数称为突变函数[5，6]。突发事件的数学逻辑模型主要由这类突变函数构成。由爆炸罐物理模型受力分析可知，爆炸罐主要有三个受力函数(突变函数)：h(t),f(t),g(t)控制，根据其相互作用构建爆炸罐数学逻辑模型如图3所示。

图3 爆炸罐数学模型

图4 爆炸条件曲线图

根据物理模型可知，爆炸罐爆炸条件为：

|f(t) -h(t)|≥g(t)

(1)

设G(t) =|f(t) -h(t)| -g(t)，则有：

当G(t) < 0 时，爆炸罐处于安全状态；

当G(t) = 0 时，爆炸罐处于爆炸临界状态；

当G(t) > 0 时，爆炸罐处于爆炸状态。

该系统的复杂性主要来自三个函数f(t)、h(t) 、g(t)的变化，在具体的突发事件中，要获取这三个函数的瞬间值是有一定的技术要求和难度的。

下面依据具体煤气罐爆炸实例事件，讨论环境条件变化引起函数的变化趋势。

1) 当外部温度增加时，因热传递，罐内温度也随之增加，罐内压强随着温度的升高而升高，同时罐体本身承受压强随着温度的升高而降低。此时假设外部压强h(t)不变。则方程(1)将快速达到爆炸临界值，如图4所示。

2) 当罐体受到外界猛烈撞击、挤压时，外部压强h(t) 急剧上升，罐体承受压强g(t) 急速下降，在碰撞瞬间即达到临界值而发生爆炸。

该模型中三个突变函数：f(t)，h(t)，g(t)的监测，尤其是h(t)，g(t) 的监测，要求在具体事件中即时监测。

《爆炸罐突发事件“情景—应对”模型构建研究》通过构建物理分析模型和数学逻辑模型，从物理受力和能量转换分析致灾因子对突发事件的影响与作用，利用数学模型分析突发事件的演进动态变化方程，研究各突变函数对突发事件的影响度。解决了无能量释放爆炸罐这一类突发事件推演演进的模型分析方法，为煤气罐爆炸、各类高压管道爆炸、地震、山体滑坡、火山爆发、火灾等复杂突发事件的预测、预警、预防等突发事件提供理论上的支持。

[1]王旭坪,杨相英,樊双蛟,等.非常规突发事件情景构建与推演方法体系研究[J].电子科技大学学报, 2013,15(1):22～27.

[2]傅 琼,赵 宇.非常规突发事件模糊情景演化分析与管理[J].软科学,2013,27(5):130～135.

[3]陈 刚,谢科范,刘 嘉,等.非常规突发事件情景演化机理及集群决策模式研究[J].武汉理工大学学报(社科版), 2011,24(4):458～462.

[4]王颜新.非常规突发事件情境重构模型研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2011.

[5]朱东芹,刘 艳,李志刚.复杂突发事件应急响应模型研究与仿真[J].计算机仿真,2013,30(1):393～396.

[6]姚 杰,池 宏,计 雷.带有潜变量的结构方程模型在突发事件应急管理中的应用[J].中国管理科学,2005, 13(2):44～50.

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

该课题受湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目(T201430)；湖北省教育科学“十二五”规划项目(2013B112)

彭绪富(1964— )，男，硕士，教授，研究方向为多媒体技术、信息安全、智能算法.