化学事故应急预案动态推演系统设计与实现

李 磊

(中国石化青岛安全工程研究院，山东 青岛 266100)

危险化学品即危化品行业是国民经济发展的重要支柱产业，同时也是高风险行业。近年来我国接连发生了“11·22”黄岛输油管道泄漏爆炸事故、“8·12”天津港爆炸事故以及“3·21”江苏盐城爆炸事故等多起特别重大事故，造成300余人死亡，直接经济损失高达上百亿元[1-3]。从上述我国危化品行业重特大事故的发生、发展以及救援过程来看，危化品行业的事故暴露出致灾机理繁冗复杂、发展演变无法科学预测等突出特点，反映出事故前应急预案编制的风险情景针对性差、事故中应急辅助决策缺乏动态研判、应急救援过程无法实现动态回溯、日常应急培训模式单一且培训效果不佳[4-6]等关键性、共性问题和难题。

针对上述问题和难题，根据危化品行业事故具有因果性、随机性、规律性、潜伏性和再现性等特点，通过对事故演化模型与事故模拟数据、事故现场科学重构与应急过程动态回溯、复杂灾害事故动态研判与应急辅助决策、应急预案的三维动态生成与推演等技术要点的研究，本文设计与开发了化学事故应急预案三维动态推演模拟系统，可用于帮助危化品企业开展事故现场科学重构与应急过程动态回溯、应急预案的编制与演练、应急指挥和桌面推演等，以促进危化品企业安全生产和应急能力的提升。

1 化学事故应急预案动态推演系统整体框架

根据危化品行业事故特点和应急处置业务需求，本文设计与研发了一种可情景模拟、可预案编辑、可智能评估的化学事故应急预案三维动态推演模拟系统，该系统整体架构分为4层设计(见图1)，分别是计算层、数据层、引擎层和应用层；在功能逻辑结构方面，由基础数据、三维场景展现、三维预案编辑和三维数字化动态推演4个子平台组成，每个子平台又由若干模块组成，各模块既相互独立又相互协作，分别完成系统的各项功能。

图1 化学事故应急预案动态推演模拟系统架构Fig.1 Framework of dynamic deduction simulation system for chemical accident emergency plan

1.1 计算层

计算层主要实现事故模拟计算和应急处置方案评估计算。其中，事故模拟计算子模块对火灾、爆炸、泄漏等事故后果进行模拟计算，建立事故机理灾害数据库，精准表达出事故的发展过程及形态[7]；应急处置方案评估计算子模块对事故影响范围(如火灾热辐射范围、泄漏扩散范围等)、消防泡沫和消防水用量、救援最佳路径选择等内容进行评估和计算，保证应急处置的科学性与准确性。

1.2 数据层

数据层对应功能结构的基础数据子平台，为系统提供用于构建应急预案动态推演的危化品行业典型事故案例、事故三维模拟数据、生产场所装置设备三维信息以及应急处置方案等基础数据信息。

1.3 引擎层

引擎层对应功能结构的三维场景展示子平台，用于表现和渲染三维预案编辑和三维数字化动态推演子平台中的不同场景，同时具有三维可视化、场景修改、自由游历、信息查询等功能。

1.4 应用层

应用层包含三维预案编辑子平台和三维数字化动态推演子平台。其中，三维预案编辑子平台根据基础数据子平台提供的各种信息数据将企业存在的各种应急预案与三维场景的各信息相关联；三维数字化动态推演子平台对应急预案编辑子平台完成的预案进行实时动态推演[8-9]、演练与评估。

2 应急预案三维动态推演

基于三维数字化动态预案生成技术动态模拟应急预案的编制、推演、演练、评估全过程，数字化表达应急资源的分配、应急力量的部署、应急行为的分配和灾情处置等应急行为，并配合灭火力量的计算、应急时间序列管理、救援路线标绘与规划、空间测量分析等辅助工具，实现应急预案三维动态推演。应急预案三维动推演用例图见图2。

图2 应急预案三维动态推演用例图Fig.2 3D dynamic use case diagram of emergency plan

2.1 事故灾害影响范围的参数化表达

为了科学地描述火灾、爆炸、泄漏事故发生发展的过程以及进行事故的影响研究，在三维展示平台引入与修正热辐射、爆炸、泄漏和射流(消防水射流形态)4种数学模型，结合设置对应模型的天气条件和事故物质参数，实现事故灾害三维平台中的科学化与可视化表达，精准描述事故灾害的影响范围。

2.1.1 热辐射模型

火灾事故热辐射造成伤害的主要形式是热辐射通量，研究发现热辐射通量的计算方法主要有点源模型、Shokri-Beyler模型和 Mudan模型。其中，点源模型更适用于对离火焰中心线较远目标受到热辐射通量伤害的评价，不适合评估其过大直径液池；当液池直径或风速很大时，Mudan模型比Shokri-Beyler模型的计算结果可靠;Mudan模型的应用范围最广，特别在有风时结果更可靠[10-14]。本文选用Mudan模型对热辐射通量进行计算，其计算公式如下：

q=E×F×τ

(1)

式中：q为火焰对距离火焰中心水平距离为x的某一处目标点的热辐射通量(kW/m2)；E为火焰表面平均热辐射通量(kW/m2)；F为视角系数；τ为大气透射系数。

上式中视角系数F的计算最为复杂，且风向、风速对热辐射通量的影响也是在F中体现的，其定义为

(2)

在VS 2012，.net framework 3.5下将数学模型进行封装为DLL可调用文件，每一个模型用一个Class类进行编码，在同一个类内提供所有模型的外部接口，封装后DLL文件导入Unity3D平台，通过脚本调用该DLL文件，基于三维图形显示技术实现模型参数的可视化。

由于池火和喷射火受到风的影响，上风向、侧风向、下风向相同距离的热辐射强度不同，在得到三个方向的热辐射影响距离后，根据下风向距离与侧风向距离画椭圆，然后根据上风向距离与侧风向距离画椭圆，最终得到的闭合图形即为热辐射的影响范围。为了更加清晰地展示热辐射模型，在可视化模型上标出三个方向热辐射的影响距离，火灾事故热辐射演化参数三维可视化效果见图3。

图3 火灾事故热辐射演化参数三维可视化效果Fig.3 3D visualization of thermal radiation evolution parameters in fire accidents

2.1.2 爆炸模型

蒸气云爆炸是化工行业发生爆炸的主要形式，为可燃气体遇明火发生的爆炸；爆炸超压是指蒸气云爆轰波阵面上压力与大气压之间的压力差[15-16]。蒸气云爆炸造成的伤害主要是爆炸超压，爆炸超压分两部分进行计算，分别是致死半径和重伤、轻伤半径。致死半径的计算公式为

R=13.6×(WTNT/1 000)0.37

(3)

式中:WTNT为蒸气云爆炸的TNT当量(kg)。

重伤、轻伤半径的计算步骤为：先通过爆炸物质的质量与爆炸的热量获得爆炸源的总能量；然后通过爆炸源总能量以及周围大气压力获得爆炸点对周围产生的爆炸超压；最后将计算得到的爆炸超压分别与重伤阈值超压、轻伤阈值超压进行比较，得到重伤、轻伤半径，其中重伤阈值超压为44 kPa，轻伤阈值超压为17 kPa[17]。

蒸气云爆炸事故的影响范围是以爆炸点为球心的球体立体空间，爆炸事故演化参数三维可视化效果见图4。

图4 爆炸事故演化参数三维可视化效果Fig.4 3D visualization effect of explosion accident evolution parameters

2.1.3 泄漏模型

泄漏模型主要是基于经典高斯烟羽模型模拟气体的连续泄漏扩散，基于经典高斯烟团模型模拟气体的瞬时泄漏扩散。

2.1.4 射流模型

当前应急消防装备消防水炮、水枪喷射状态主要有密集型和分散型两种[18-19]。密集型控制高度的计算公式为

H=H0+SN×sinθ

(4)

式中：H为密集型控制高度，即射流高度(m)；H0为喷嘴离地面的高度(m)；SN为射程(m)；θ为俯仰角(°)。

分散型控制周长的计算公式为

L枪=SN×sinθ/180+D枪

(5)

式中：L枪为分散型控制周长(m)；SN为射程(m)；θ为摆角(°)；D枪为喷雾宽度(m)。

已有研究表明，消防水炮实际喷射过程中，在出口处形成射流时，其轴线速度矢量，即速度矢量效率为95%[20-21]。因此，需要对射流模型进行修正。本文对射流高度H和控制周长L枪增加修正系数0.95，则变为Hef=0.95 H，L枪ef=0.95L枪。

2.2 基于逻辑编辑器的应急预案三维快速构建

在三维虚拟现实场景中，先从事故模型库中选择不同类型的事故三维模型，实现事故点任意布置；然后基于事故情况完成应急预案的布置，即时快速地搭建预案场景；最后在三维数字化推演平台对编辑好的应急预案进行数字化呈现。应急预案三维快速构建时序图见图5。

图5 应急预案三维快速构建时序图Fig.5 3D rapid construction sequence diagram of emergency plan

2.2.1 应急力量的部署和应急行为的分配

通过对危化品行业事故应急处置的研究，将应急活动的参与元素抽象为多种类型和角色[22]，包括侦检消防等应急装备，以及指挥员、工艺处置人员、消防员等多种角色，每一种应急装备和角色根据类型的不同又划分了具体的职能和任务，从而详尽全面地分离出了应急活动的主要要素。

基于多人多角色多任务的设计理念，根据应急装备和应急人员职能及任务的不同，抽象出每类应急人员的职能和处置动作，如开关阀门，布置消防水炮，连接水带等。

2.2.2 时间序列管理

建立时间轴应急预案过程管理模式，基于时间轴对应急处置任务列表分配，根据事故和应急事件的发生时间点，触发系统事件设置时间长度，在不同时间点触发不同事件，或者在同一时间点触发多个事件，将应急事件对应到时间序列的像素长度上，每一个预案单元在时间轴像素上也有具体的对应，实现了时间轴控制应急预案功能。

2.2.3 应急预案逻辑表达与快速生成

将抽象出来的多角色多动作按照一定的规则排列组合，通过应急预案逻辑编辑器(设计见图6)编辑各类应急人员应急处置的逻辑关系，实现应急预案的构建。应急预案逻辑编辑器见图7。

图6 应急预案逻辑编辑器设计图Fig.6 Design diagram of logic editor of emergency plan

图7 应急预案逻辑编辑器Fig.7 Logic editor of emergency plan

2.3 应急预案动态推演与演练评估

基于三维虚拟现实技术，在事故后应急部署估算、灭火用量估算和方案评估数据的基础上，动态地模拟应急人员如何处置灾情，应急指挥系统如何调度和指挥应急力量，组织应急人员和各种应急装备处置事故，疏散人群，设置避难场所等，实现了整个应急预案过程的动态展示。应急预案动态推演与演练评估结构见图8。

图8 应急预案动态推演与演练评估结构图Fig.8 Structure chart of emergency plan dynamic deduction and exercise evaluation

2.3.1 应急预案三维动态推演

在三维数字化推演平台中，以模拟仿真交互的方式进行应急预案动态推演，分为单机演练和多机协同演练两部分。在应急预案动态推演过程中，可反复侦查、调整力量、估算应急处置水量和灭火剂用量，可实时停止推演进程，编辑修改处置方案，并根据修改后的处置方案实时生成新的三维模拟效果，对处置方案规划与修正，以便形成最终的处置方案。

2.3.2 应急预案推演辅助工具

系统设计了基础编辑工具、决策标绘工具和GIS工具等用于辅助应急预案推演的支撑工具，其中核心工具为决策标绘工具，可在场景中绘制出任意位置的应急决策内容，主要包括进攻路线、疏散路线、作战半径、危险区域、应急出动路径和警戒距离估算等内容的标注绘制和提示信息。应急预案推演辅助工具结构见图9。

图9 应急预案推演辅助工具结构图Fig.9 Structure chart of auxiliary tool for emergency plan deduction

2.3.3 应急预案演练评估

基于原国家安全生产监督管理总局办公厅印发的《生产经营单位生产安全事故应急预案评审指南(试行)》[23]，并结合石化企业应急预案演练评估表，根据计算机指令将评审程序、专家系统和智能分析技术相结合，建立了主、客观评价体系融合方法。组织定量评估时，系统提供了对当前应急预案演练内容进行评估分析的功能，通过查看当前应急预案演练部署信息，分析比对当前应急预案演练信息，包括应急装备比对、应急人员比对、应急行为比对、生产单元基础信息查询，基于准确的数据支持对应急预案演练做出科学性、系统性的评估。

3 应用示范与效果评估

以某石化罐区和常减压装置为应用场景，对本文设计的化学事故应急预案动态推演模拟系统进行了应用示范与效果评估。该石化罐区占地面积约320 000 m2，包括大小储罐52座，结构形式分为拱顶罐、内浮顶、外浮顶3种；常减压装置加工能力为800万t/a，占地面积为15 300 m2。设计罐区、装置实际场景事故应急预案基础要素，并基于事故机理模型数值计算结果对事故灾害后果进行三维可视化展示，依据应急预案流程及应急救援措施对不同情况下的结果进行实时计算，最终实现化工事故应急预案动态推演与科学评估，从而有效地提升了应急预案推演的科学性、准确性和直观性。利用系统进行典型场景化学事故应急预案动态推演模拟的实施流程见图10，具体过程如下：

图10 典型场景化学事故应急预案动态推演模拟的 实施流程Fig.10 Implementation process of dynamic deduction of chemical accident emergency plan in typical scenarios

(1) 根据罐区和装置生产现场的真实场景，通过基础数据子平台，利用3DS Max软件建立应急预案推演所需的三维场景，三维场景数据和设计尺寸按1∶1比例构建，主要包括石化罐区及常减压装置、应急资源和地理信息等三维数字虚拟模型。

(2) 将三维场景数据导入应急预案三维编辑平台模块，根据文本预案内容，在应急预案三维编辑平台中实现事故场景的设定、应急资源的分配、应急力量的部署、应急行为的分配；最后该编辑平台通过时间轴任务列表分配，完成应急预案的三维数字化编辑。

(3) 将编辑好的三维数字化应急预案送入三维数字化应急预案平台，实现其典型场景化学事故应急预案动态推演、评估和管理，其应用效果见图11。

图11 典型场景化学事故应急预案动态推演应用效果 Fig.11 Effect diagram of dynamic deduction of chemical accident emergency plan in typical scenaries

4 结 论

本文设计与研发了基于虚拟现实技术的“编制—推演—演练—评估”化学事故应急预案动态推演模拟系统，该系统能较好地模拟真实生产场景，结合基于事故机理模型和三维动态展示的科学算法与推演，实现了应急预案的数字化表达，并将模拟计算的事故灾害演化过程和处置后果在三维场景中直观地展现出来，使灾害模拟有科学数据的支撑，从而提升了事故动态推演的科学性、可视性，是一种基于事故机理推演模拟的全新应急预案三维动态推演与演练评估的方法。通过典型事故场景的科学重现、化学事故演变过程及应急预案的三维动态生成、应急预案的动态推演与演练评估，形成“以预案指导演练，演练支撑决策，事故优化预案”的应急预案闭环管理，对于预防危化品行业重特大事故发生，提升从业人员的应急能力，降低事故损失具有重要的意义。