基于个人风险分布计算的泄漏事故疏散路线优化

陈晓坤，何春旭，3，4，史 合，2，程方明，3，4，苏 彬，3

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.西安空间无线电技术研究所，陕西 西安 710100；3.陕西省工业过程安全与应急救援工程技术研究中心，陕西 西安 710054；4.西安科技大学 城市公共安全研究所，陕西 西安 710054)

0 引 言

工业生产过程中泄漏事故发生后疏散路线选择是应急决策的重要问题之一，最优的疏散路线可以有效降低人员伤亡。然而，疏散路线受多种因素影响且关系复杂，优选过程不仅要考虑路线疏散时间和路线安全性，更要根据现场具体情况选择符合当前情况的疏散路线[1-5]。事故现场气象条件的变化、次生灾害事故的诱发及演变等都要求疏散路线需要随泄漏事故发展而不断变化的，疏散路线在空间和时间上均具有风险的不确定属性[6-10]。

目前，已有诸多学者针对危险化学品泄漏事故最优疏散路线选取开展研究。如赵婧璇等以某氯碱厂液氯泄漏为研究对象，采用计算流体力学Fluent 软件模拟计算得出区域疏散路线中各监测点的氯气扩散实时浓度，优选出在所有泄漏场景中人员累计中毒风险较小的最优疏散路线[11]。赵江平等为了了解在毒气泄漏情况下的中毒死亡概率及避难点的安全情况[12]，采用高斯模型计算毒气泄漏的浓度，并且使用Building EXODUS 软件模拟区域应急疏散过程。熊立春等引入时间因素改进优化了高斯扩散模型，并且建立风险矩阵、人口密度矩阵，为选取最佳疏散路线提供了依据[13]。郑杨炜等分析了氨的危害，通过MATLAB进行模拟，采用高斯烟团模型，从而划分出危险区域的范围[14]。LAW等通过使用计算流体力学CFD和ALOHA软件模拟马来西亚某工业园区周围的氯气泄漏的扩散情况，最终可知风向、风速、地表面貌会影响氯气的扩散模式，安全疏散路线应该根据季风季节而变化[15]。GAI等通过考虑在紧急决策中可能相互冲突的多个目标，针对有毒云雾释放的紧急情况优化疏散路线选择[16]。目的是将对个人和公众的潜在风险降到最低，并将个人疏散过程中沿着一条路径的总疏散时间降到最低。可见，目前相关研究多以泄漏后有毒有害气体浓度场的预测为基础，研究规划安全高效的疏散路线，多关注中毒等单一危害后果对疏散路线的影响，而对疏散过程火灾、爆炸等次生灾害事故的风险关注不多。因此，考虑泄漏发生后中毒、火灾、爆炸等多种事故风险叠加对疏散路线安全性的影响，开展疏散路线优化研究对泄漏事故应急疏散过程的科学决策具有重要指导意义。

以泄漏事故人员疏散为研究对象，考虑路线疏散时间与路线安全性等主要因素，建立动态疏散路线优化选择机制。在疏散路径安全性方面，关注泄漏发生后多种事故风险叠加的影响，提出疏散路线综合风险值的概念，并给出计算方法，实现了疏散路线安全性的定量分析。最后，以某化工厂区液氨储罐泄漏事故为例，使用Safeti软件计算分析了不同疏散路线的综合风险值，采用动态疏散路径优化选择机制，确定了最优疏散路径，可为化工厂区泄漏事故疏散路径优选提供参考。

1 影响疏散路线选择的因素分析

1.1 疏散时间

疏散时间是指在泄漏事故发生后，处于多种事故风险叠加影响区域内的人群疏散到安全区域内所用的时间。若事故风险叠加影响区域内的人群疏散到安全区域内且人员无伤亡，则可以认为该疏散路线的选取是合理的。由于人员在多种事故风险叠加影响区域内的位置不同，不同人员对待泄漏事故的应急反应能力也不相同，泄漏事故发生时人员心里活动状态也有所差异，事故发生时路线的通畅程度也无法确定，这些都将影响整个疏散时间。因此，疏散时间对个体而言是随机变量，但在本研究中，将疏散时间看成是整体疏散时间，默认人群疏散位置、疏散能力等主观条件相同，是相对固定的变量[17-18]。

1.2 路线安全性

路线安全性是指人员在疏散路线上免受泄漏发生后多种事故风险叠加影响的能力[9]。确保疏散人员安全是疏路线选择的前提条件，泄漏事故疏散过程面临中毒、火灾、爆炸等多种事故风险，有毒有害气体浓度分布变化、潜在点火源位置等情况的不同导致事故灾区的区域风险在空间和时间上存在差异，不同疏散路线的安全性也是不同的。因此，选择风险较低的疏散路线，可提高疏散安全性，减少事故灾变造成的人员伤亡。

2 疏散路线安全风险

2.1 疏散路线安全性分析

路线安全性可采用路线风险大小进行衡量。风险是由事故后果与事故发生的频率确定的，泄漏事故疏散路线风险则由泄漏事故演化过程中的多种潜在事故后果与事故发生的频率共同确定。泄漏事故发生后，泄漏孔径、泄漏速率、风向、风速等诸多事故后果影响因素是能确定的，但点火源、大气稳定度等影响因素是很难直接确定的，且直接影响事故演变危害特性与风险大小。为了对路线风险进行定量分析，文中引入了疏散路线综合风险值这一概念来描述疏散过程各类事故风险的叠加，进而反映疏散路线的安全性。

2.2 疏散路线综合风险值

疏散路线综合风险值就是疏散个体在疏散路线上可能受到危险后果及某种程度伤害的频发程度。疏散路线综合风险值实质上就是个体在路线上的伤亡风险，体现了现场诸多事故后果危害不确定因素概率的叠加，其风险值由疏散人员在疏散路线上的个人风险与疏散路线长度所决定。

2.3 疏散路线综合风险值的计算

疏散路线综合风险值量化表示了路线的安全性，以某一泄漏事故场景为例，对疏散路径综合风险值的具体计算方法说明如下。

1)假设某一泄漏场景发生。

2)选择某一种风速V和大气稳定度D，从而给出这个天气等级M，以及该天气等级下的一种风向φ考虑风速、风向等条件能够迅速确定，而大气稳定度难以实时监测，大气稳定度频率为PD。

3)如果是可燃物泄漏，选择一个点火事件i并确定点火概率为Pi。如果考虑物质毒性影响，则不考虑点火事件。

4)泄漏事故发生后，在泄漏孔径、泄漏速率、风速、风向等能够快速确定的情况下，计算大气稳定度PD，点火事件(针对可燃物)条件下网格单元上的死亡概率Pd，计算中参考高度取1 m。

5)计算(D，i)条件下网格单元的个体风险(individual risk，IR)式(1)。

ΔIR=PD×Pi×Pd

(1)

6)对所有的天气事件重复2)～5)步的计算，对所有的点火事件重复3)～5)步的计算；则得到网格点处的叠加的个人风险，式(2)

(2)

7)计算出疏散线路上每个网格点处的个人风险值，即得到该疏散线路L上的个人风险分布曲线，并且对该个人风险分布曲线进行路线长度的积分，即可得到该路线上的综合风险值P，式(3)

(3)

在文中使用了风险定量分析软件Safeti，对目标疏散路线进行风险计算，从而确定多种事故影响的叠加风险。

3 疏散路径优化选择方法

不同事故场景下，不同的疏散路径有着不同的疏散时间，并且各条疏散路线的安全性也各不相同。因此，建立一种动态疏散路线优化选择机制是至关重要的。文中通过图1所示的疏散路线优化选择流程，表示综合考虑了事故发生时的疏散时间、路线安全性等因素下的动态选择机制，对每一条疏散路线进行综合筛选，最终选择出最优的疏散线路。

在泄漏事故发生后，应急决策人员采用动态疏散路线选择机制，选出在该泄漏事故发生时的最优疏散路线。从图1可知，应急决策人员应该迅速对每条疏散路线进行安全性分析，选择出其中安全性较高的疏散路线。然后在安全性较高的疏散路线中选择出疏散时间较小的疏散路线。

通过以上的疏散路线优化选择，应急决策人员能够根据具体泄漏事故的情况动态考虑路线安全性与疏散时间。突破了以往多关注疏散时间的优化方案，可有效避免选择二次事故及次生事故演化影响区域内的疏散路径，有效地减少人员伤亡，为应急疏散路线优选决策提供了一种方法[20]。

图1 疏散路线优化选择流程Fig.1 Flow of evacuation route optimization selection

4 应用实例

4.1 厂区概况

某化工厂区平面图如图2所示，根据其场内人员分布可以分为3个区域：办公区(200人)、住宿区(450人)、操作区(50人)。厂区周边点火源可辨识为内部的若干条电线，厂区外的位于道路两侧的两条高压电线，厂区外道路上的车辆，同时认定人员所在区域为弱点火源。企业应急预案中确定了厂区内的疏散线路共有A，B，C，D等4条，分别去往四周的安全疏散点。已知液氨储罐为厂区主要危险源，共有6个含氨设备，其具体位置均以在厂区平面图中以设备标记形式表示，具体设备参数条件见表1。

表1 液氨储罐参数

图2 某化工厂区平面Fig.2 Plan of a chemical plant area

图3 某化工厂局部示意图Fig.3 Schematic diagram of a chemical plant

4.2 疏散路线综合风险计算与分析

假设该企业某日风向为北风，1号液氨储罐发生了泄漏，据现场人员估计泄漏孔径约有100 mm。根据储罐实时存量实时监测可知，事故发生时储罐内约有552.5 m3的液氨。并且场内风速监测仪显示实时风速为2.5 m/s。在泄漏事故发生后，泄漏孔径、风速、风向等因素能够迅速根据确定。然而还存在着点火概率、大气稳定度、死亡概率等诸多不能确定的参数[21]。在这种泄漏事故发生后，应急决策人员在选择疏散路线时应当考虑路线安全性，避免人员在疏散过程中误入危险区域。

通过使用Safeti来实现疏散路线 安全性计算，该软件通过输入相关工艺参数、设备参数、气象参数等，模拟特定事故情景，得出不同事故情景模式的影响范围，其不仅能构建单一设备设施的事故模型，并且对于不同设备之间的相互影响而造成的区域性影响也能进行模拟。从而能够使用计算机来对既定的事故模型进行影响范围及危害程度的计算，形成模拟分析图和详细的模拟结果报告。[22-25]

通过软件的风险计算情况能够得到如图4所示的事故风险等值线。图4明确表示了该事故下不同风险区域影响的位置。根据《GB36894—2018危险化学品生产装置和储存设施风险基准》中对于这种厂区的规定可容许个人风险值可知，当风险为3×10-6时，图中绿色区域是泄漏事故风险影响区域。考虑事故发生时，毒性物质影响区域相对较大，因此采用美国国家咨询委员会(national advisory committee，NAC)与国家研究委员会(national research council，NRC)针对国家、地方政府以及个人企业处理包括泄漏、灾难性暴露等紧急情况所制定的急性暴露标准AEGLS值。在文中中根据事故疏散长度选取AEGL-2在30 min的关注浓度220 ppm作为毒性事故影响区域的浓度值，如图中蓝色区域所示。可以看到风险区域及毒性后果影响区域均偏向南方，风险区域面积为498 680.15 m2，毒性后果影响区域面积为107 413 m2，这表明了在泄漏事故发生后仅仅关注事故影响区域是不够的，应急决策人员应当关注事故风险，从而选择出合理可行的路线。

图4 泄漏事故影响区域Fig.4 Leakage impact area

在泄漏事故发生后，应急决策人员不仅要考虑事故后果影响区域，更要考虑事故风险区域，从而更加准确的根据事故情况决定人员疏散路线，因此文中引入了疏散路线综合风险值这一概念，通过模拟事故发生时情景，从而准确判断路线风险大小，从而为路线应急决策提供依据。根据前文的路线风险计算方法，结合软件计算本次事故各疏散线路的情况，从而得到图5所示的各疏散路线个人风险分布。

图5 不同疏散路线个人风险分布Fig.5 Distribution of individual risks in different evacuation routes

图5中横坐标为疏散路线行进的距离，纵坐标是风险值大小。可见，在泄漏事故发生后，人员所处的初始位置因为靠近事故储罐，因此初始风险都相对较大。从疏散路线A，B的风险趋势图上能看到，路线风险大小呈现波动变化趋势。这就说明事故发生后人员在该路线疏散时，会再次进入风险程度较高的区域内。

图4中绿色曲线代表风险值为3×10-6的风险区域，根据图4风险等高线可知，内部还分布诸多风险更高的区域。疏散路线A的路线不规则，在图4中位于风险区域与事故后果区内，并且能够看到随着路线进行疏散，路线跨越了不同的风险区域，因此造成其风险趋势波动变化。在路线B上进行疏散时，人员随着路线会再次进入高风险区域内，然后才能到达避难点，其路线的风险趋势图就是先增加在减小的趋势。

从风险趋势变化上证明疏散路线A，B在疏散过程中引发二次伤害可能性较大，不适合作为人员应急疏散的路线。疏散路线C，D在人员初始位置处风险处于最大，随着人员开始疏散，沿疏散路线个人风险值持续降低。对厂区已有的疏散线路综合风险值进行计算，疏散路线A，B，C，D的风险值分别为30.078，20.808 8，2.321 2，1.019 2。

4.3 疏散线路优化选择

根据已经建立的疏散路线动态选择机制，通过对路线安全性、疏散时间等参数指标的优化选择，从而可以分析选择出最优的疏散路线。考虑人员在应急疏散时，均采用最大移动速度，在文中中默认为1.5 m/s。本次泄漏事故中泄漏孔径为100 mm，风速为1.5 m/s，风向为北风的情况下的各条疏散线路综合评价见表2。

根据疏散路线动态优化选择机制，首先比较4条路线的综合风险值的大小，对路线综合风险值数值量级进行分类，发现疏散路线C，D在安全性上是满足要求的。其次考虑路线长度与疏散时间，疏散路线越长，人员所花费的时间也就越长，可能造成人员伤害的可能性也就越大。可见，疏散路线D所用疏散时间较短，因此确定为首选疏散路线。

表2 各条疏散路线综合评价

5 结 论

1)针对泄漏事故疏散路线的科学优选问题，文中提出了一种基于疏散路线个人风险分布特征分析的疏散路线优化选择方法，该方法不仅关注单一泄漏事故的危害影响范围，而且综合考虑了现场环境条件下有害物料泄漏扩散过程可能发生的中毒、火灾、爆炸等多种事故的风险叠加影响，可有效提高疏散路线的安全性。

2)通过引入疏散路线综合风险值的概念来定量表征疏散过程安全性，并给出了具体计算方法，为疏散路线安全性定量分析提供了理论依据。

3)以某化工厂区液氨储罐泄漏安全疏散为具体应用实例，详细阐述了疏散路线综合风险计算及路线优化选择过程，可为有毒有害气体泄漏事故的应急疏散提供重要参考。