弹药堆放及存储安全性评估软件

陶 钢，任保祥，闻 鹏，庞春桥，王小峰

(南京理工大学 能源与动力工程学院， 南京 210094)

无论是战场的弹药堆放，还是弹药库，包括各类环境，如开放区域、掩土覆盖的军火库、砖体结构、金属建筑物、山洞及砖瓦结构、混凝土建筑物、增强飞机库和集装箱等，都需要进行科学的安全评估，并用于指导实践。有关这些内容的评估方法，一直是国内外研究人员关注的内容。目前最科学和完整的内容是美国的DoD 6055.00-STD等标准，它们提供了科学的评估方法[1]。本文以此为依据，编制了实用的评估软件，可以评估不同环境下炸药爆炸威力和作用效应，可用于弹药堆放及存储安全性评估，各种特殊环境下的毁伤效应，并指导各种结构设计。程序可根据实际弹药的TNT当量折算出各类炸药的毁伤效应，开发的软件界面友好、使用方便、信息全面。

软件编写的目的是以军用炸药和弹药存储和使用安全性分析和标准为基础，建立基本逻辑和算法，用于炸药危险安全性评估软件SAFER。

该方法适用于以危险为基础的炸药安全分析，对典型武器和弹药的安全性作出评估。

定量—距离(QD)标准作为主要方法用于设备的安全选点。QD标准只考虑炸药量，危险区分(HD)和设备类型，以决定安全分离距离。通过在安全分析中考虑其他因素，包括活动类型、人数、建筑构造和环境来评估操作的全部危险。最早国防部爆炸物安全委员会(DDESB)开始研究开发以爆炸物危险性为基础的弹药安全分析方法[2,3]。1997年，DDESB以危险性为基础的爆炸物安全标准团队(RBESCT)开发这种方法，最终开发出SAFER工具[4]。1999年，DDESB批准SAFER用于国防部(DoD)以试验为基础的安全分析方法[5]。2000年5月，RBESCT推出SAFER1.0版。该软件为专业安全人员评估以弹药危险为基础的分析。在SAFER 1.0版的开发期间，得到各种试验验证的改进，RBESCT不断开发后续版本。2002年5月发行SAFER2.0版，2004年12月给出扩展的试验基础数据，随后以新试验结果给予补充，直到以危险为基础的炸药地点标准补充到国防部标准(DoD 6055.00-STD)时为止。2007年5月22日推出SAFER 3.0版。

1 软件系统

程序设计是采用面向对象的Visual C#2008语言编制，可以生成可视化精彩的，多媒体内容丰富的界面，可以从Web程序中操纵数据库，并将其显示在Web页面上；采用了微软的新框架，集成了GUI，图形及多媒体功能，程序易于创建，便于使用。作者从过程系统工程的角度出发，对复杂的爆炸生物创伤评估系统进行了模块化分解，对各类爆炸生物创伤评估，建立了相互独立、物理意义明确的模块，既能够化繁为简，又便于不同系统之间的调用，并且可根据需要扩展新的模块，以适应不断发展的爆炸生物创伤评估需要。

1.1 软件结构

评估软件主要由计算程序与用户界面组成。评估计算程序主要包含了26个子程序，分为6个功能组：场景定义、压力和冲量、结构响应、碎片、热和聚合求和危险评估。其中情景定义是各功能组的评估基础，通过结构定义、暴露和炸药质量等基本参数得到后续评估的基础数据；超压值、冲量等参数。其他功能组均以情景定义得到的数据为基础条件，并根据具体的需要进行修正，计算得到不同类别的产生危险的结果。最后通过聚合求和功能组对各个功能组产生的危险进行聚合计算，评估整体的不确定性。软件组成结构如图1所示。通过对计算流程的控制，实现目标或爆炸生物创伤概率的评估计算。

图1 软件组成结构

计算程序中的各个模块是相互独立的，这就使得软件具有较强的扩展性，可以根据在以后的开发中的需要，继续添加爆炸对其他生物组织的创伤评估模块，例如肝脏、脾及肠胃道等创伤评估模块。在以后的工作中，对各类炸药进行试验测试，并将实验数据以数据库的形式集合起来，方便用户访问与操纵数据，从而使得程序在爆炸生物创伤评估的范围得到拓展，具有很好的开放性。软件的界面是基于视窗演示基础设计的，集成了图形用户界面、图形以及多媒体功能，使程序得到了直观的外观，使得用户更快地适应软件操作，因此用户界面非常友好。本软件针对爆炸的危险程度进行分析评估，可应用于军事行动、工业事故及恐怖袭击事件中爆炸的创伤评估。

1.2 模块结构与功能

爆炸事件的危险性通过可能性、后果和暴露的乘积来表达，SAFER通过计算三者的乘积来估算每年的死亡概率Pf，表示如下：

Risk=Pf=Pe*Pf|e*Ep

(1)

软件通过26个步骤估算每年的死亡概率。软件的架构安排见图1。下面对软件的部分功能进行介绍。

1.2.1第1组:场景定义，事件和暴露分析

图1中的步骤1～4为软件初始条件功能组：情景定义，事件和暴露分析，包括用户输入，描述现场(PES和ES)并计算Pe，暴露和炸药量。这些步骤的功能为使用者输入描述重要情景的数据，有关PES(潜在爆炸位置)和ES(暴露位置)的细节。此外，这些步骤可以进行潜在爆炸地场(PES)发生概率分析Pe(事件概率)和一个人每年度暴露到一个特定PES的时间，即危险方程式(1)的第一和第三项。最后，第4步计算将用于后续步骤的爆炸量。第1功能组界面如图2所示。

图2 第1功能组界面

第1步：输入炸药数据

第1步询问使用者，开始定义被分析的情形所需要的数据。

软件让使用者做下列输入：

•位于净炸药重量QD(NEWQD)(磅)： (QD—量-距离，NEWQD—净炸药重量对于定量距离)；

•预期NEWQD(磅)；

•炸药的危险区分(HD-Hazard Division)；

•武器类型或描述。

表1为武器描述，给出SAFER考虑的武器类型。表现了危险区分(HD)的武器，并提供了武器的简短描述。

第2步：输入PES数据，Pe数据和计算Pe

第2步包括2个步骤：① 使用者输入用于定义情景所需要的PES数据。输入数据包括建筑物种类和建筑物类型。② 软件得到事件的概率Pe。

PES建筑物种类作为后续步骤的输入使用。软件考虑的建筑物种类由RBESCT选择，代表了大多数在DoD中包含炸药的设施。考虑的建筑物种类包括:

•开放的；

•操作建筑物(混凝土)；

•土地复盖的军火库(ECM)；

•坚硬的飞机库(HAS)；

•地上砖块结构(AGBS)；

•船；

•预先设计的金属建筑物(PEMB)；

•国际标准组织(ISO)集装箱；

•山洞泥土砖瓦。

PES建筑物类型用来为特定的建筑物种类区别大小和工程类型。软件考虑的建筑物类型见表2。

表1 武器描述

表2 PES建筑物种类和类型

基于活动类型、兼容群和环境因素，软件确定了图3显示的Pe数据表。根据对情形中的每个PES确定Pe。

为了使用在图3显示的Pe数据表，活动类型和储藏CG用来确定未依比例的Pe。未依比例决定的Pe然后被可适用环境因素调整，得到最后的Pe。注意：在不依比例决定的Pe和环境因素中，潜在的变化在不确定模型中提出。

图3 Pe数据

该数据表用于估算每个PES年炸药事件的概率。

第3步：输入ES数据，暴露数据和计算暴露

使用者进一步定义情形需要的数据，定义情景需要的ES数据包括：建筑物类型、屋顶类型、玻璃类型、在ES上的玻璃百分比、ES的地板面积以及PES到ES的方位。

软件考虑的ES玻璃类型包括：退火、双重杂色拼做的和回火的。在ES的所有外部墙壁上识别的玻璃百分比(总玻璃面积/总墙壁面积)GP可接受值的范围是0%～99%。如果ES是一辆车辆，软件假设没有飞溅的玻璃危险，而且设定玻璃百分比为0%。使用者还需要输入使用的ES的地面面积(m2)。如果PES建筑物种类是土复盖的军火库(ECM)或坚硬的飞机库(HAS)，软件使用者需要描述PES相对ES的方位。软件考虑的有效方位选择包括:正面、侧面以及后面。

1.2.2第2组:压力和冲量分量

图1中的步骤5～8为软件的第2功能组，该部分决定了压力和冲量伤亡机制的效果。压力和冲量的值以简化Kingery-Bulmash半球形的TNT方程为基础。在有PES的结构下，软件会对PES外面的压力P′和冲量I′进行修正。为了完成必需的计算，软件使用相同的对数作为爆炸效应计算，确定一项有效重量。如果没有PES结构(也就是开放的)，或者如果选择的PES是预先设计的金属建筑物或洞形泥土砖瓦建筑物，则不需要调整。同理，软件对有ES的情况也会进行最后压力P″和最后冲量I″的修正。软件由压力和冲量的效应考虑了人的易损性，它是肺破裂、整个身体位移或头盖骨破碎的函数(或3个的组合)。这些函数确定了伤亡概率为入射压力和冲量、周围大气压力和假设的人体质量的函数。根据得到的压力和冲量分量，通过确定伤亡概率Pf(o)，最大创伤概率Pmaji(o)和最小创伤概率Pmini(o)，软件得到3个结果：肺破裂、整个的身体位移和头盖骨破碎。软件界面如图4所示。

图4 压力、冲量与损伤界面

软件的其他部分可以对爆炸中存在的建筑物倒塌、破损，飞溅碎片的多种类型的致亡机制，过程中产生的热效应的伤亡机制进行计算评估，最后聚合总量级和所有致亡机制的危险，计算所需的危险程度，并评估整体的不确定性。

2 软件的使用

本软件具有友好的用户界面，用户界面以登录系统、输入系统、结果显示与查询系统为主控模块，实现便利的人机对话，软件的用户登录界面如图5所示。在Windows系统平台上运行此程序后，进入登入系统，用户输入正确的用户名与密码，程序将会自动跳到主体界面，可以根据菜单查看软件的帮助说明，能够迅速地熟悉软件的功能及计算流程。可根据菜单或使用快捷键选择爆炸环境，进入评估界面，输入炸药重量、武器类别，选择PES结构类型和ES数据等基本参数后，即可得到评估的基础数据压力P和冲量I。根据不同模块的功能评估结构响应、碎片和热分支造成的创伤程度，进而进行聚合计算得到整体的危险评估。

图5 用户登录界面

3 结论

软件具有以下特点：

1) 本软件是基于Windows环境并采用是面向对象的Visual C#语言编制，使得程序具有友好的界面和使用灵活性；

2) 软件进行模块化分析，建立的模块通用性强，系统可重复使用相同模块，而且在原有模块的基础上可创建新的模块，具有好的可扩展性，适应于不断发展的、越来越复杂的爆炸威力、目标结构和爆炸生物创伤评估的需要，为其进一步开发打下了良好的基础；

3) 在本软件的基础上，有利于评估各类爆炸事件中分类选择，爆炸物存储的结构设计，并为研究爆炸防护结构提供参考。