基于GIS熱輻射事故多米諾疊加分析與設計

李俊華，趙躍華，劉 俊，周 寧

基于GIS熱輻射事故多米諾疊加分析與設計

李俊華1，2a，趙躍華1，劉 俊2b，周 寧2a

（1.江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.常州大學a.石油工程學院；b.信息科學與工程學院，江蘇 常州 213164）

引入多米諾效應的定義，給出熱輻射事故多米諾效應定量評價的具體流程.在觸發多米諾效應發生條件和發生模式的基礎上，重點研究了熱輻射事故多米諾疊加算法分析.利用地理信息系統設計了多米諾事故熱輻射疊加分析軟件以及相應的設計步驟，解決較為復雜的重大事故多米諾效應概率疊加計算問題.根據多米諾效應的發生概率，研究結果可以更加形象地動態預測事故進一步發展的趨勢，為救援指揮提供決策，對相關園區的安全管理和救援決策具有指導意義.

多米諾效應；熱輻射疊加；地理信息系統；概率

在我國經濟的迅猛發展過程中，各地化工企業不斷增多，各地方政府為了對化工企業更好地進行管理，通常將大量的化工企業集中到化工園區.若園區內某重大危險源發生火災、爆炸，極易造成事故蔓延，影響鄰近裝置甚至會波及相鄰企業，引發災難性的多米諾效應事故.

多米諾效應事故比普通事故造成了更加嚴重的危害和損失，如：1984年墨西哥城發生液化石油氣槽車爆炸碎片引發連鎖爆炸事故，燒毀建筑面積27公頃，造成544人死亡，1 800多人受傷，120萬人疏散［1］；2008年，廣西河池市宜州郊區最大的有機化工企業廣西維尼綸集團有限責任公司，有機車間突然發生爆炸，爆炸引發的火災導致各倉庫內裝有甲醇、乙炔、醋酸乙烯、液氯等易燃易爆物品的儲存罐連環爆炸，造成20人死亡，60人受傷，疏散工廠生活區的居民及附近15個自然屯的群眾共計1.1萬多人［2］.

由上述教訓可見，對多米諾效應事故的研究十分有必要.目前在國內，關于重大危險源的多米諾效應方面的研究主要在理論研究方面較多.國際上，歐盟頒布的塞韋索法令Ⅱ（Directive 96／82／EC）中規定，為了完善風險控制、風險評價和預防措施程序，要求有重大危險源的相關企業提交的安全報告中必須要有廠內和廠外多米諾效應分析的內容，以及可能產生多米諾效應的企業之間要共享危險源信息等［3-4］，這一規定顯示出國外對多米諾事故的重視.在國內因為化工園區里的企業在空間地域中分布隨機性很大，一旦發生事故，單從理論模型有時很難為園區內企業的事故發生概率進行實時定量的分析，通過基于地理信息系統（geographic information system，GIS）可以將模型與空間地域相結合，能夠有效地對多米諾效應事故進行實時定量的分析，在救援決策支持中起到重要的作用.

1 多米諾效應概述

1.1 多米諾效應原理

由初始事故引起的2次或2次以上的事故從而造成嚴重后果的現象稱為事故多米諾效應［5］.

多米諾事故發生的必要條件：

（1）事故所形成破壞效應的范圍之內存在敏感裝置；

（2）破壞效應強度足夠大以致裝置失效；

（3）破壞的發生存在極大的可能性［6］.

多米諾效應模式：初始單元發生火災或爆炸，所釋放的能量作用于二級或三級單元，在滿足上述條件的情況下導致2次事故，以此類推導致3次事故的發生，這種現象將繼續傳播直到下一個區域內沒有危險源為止［7］.多米諾效應模式見圖1所示.

圖1 多米諾效應模式圖Fig.1 Mode diagram of domino accidents

能夠觸發多米諾效應發生的事故類型主要有火災、爆炸、毒物泄漏；以上3種情況同時或交叉發生［8］.

1.2 定量評價多米諾事故風險的流程

COZZANI等［9］在前期研究的基礎上，根據定量風險評價的思想提出了定量評價多米諾事故風險的流程，如圖2所示.

從圖2可看出，定量評價多米諾事故風險的關鍵技術為臨界值標準和擴展概率的確定及可能二次事故組合的發生概率和后果計算［10］.

1.3 多米諾效應臨界值的確定

目前在多米諾效應研究中主要考慮了熱輻射、超壓和拋射破片這3種擴展向量對二次目標設備的損壞.但是本文主要針對熱輻射進行基于GIS的定量分析，其余兩種基于GIS的定量分析將在后續的研究中討論分析.

從圖2可知，多米諾效應一般利用臨界值標準來辨識初始事故是否可能引起周圍設備的損壞.如果初始事故在給定位置處的物理量值大于設定的臨界值，則初始事故就有可能對該處的設備造成一定程度的損壞，有必要進一步對其產生的多米諾效應進行深入分析，否則認為初始事故不會對該處的設備造成影響，沒有必要再分析，因此，臨界值標準在多米諾效應的定量評價中占據著非常重要的地位.表1總結了火災事故的多米諾效應的參考臨界值［10］.

圖2 定量評價多米諾事故風險流程圖Fig.2 Flow chart of the quantitative evaluation about risks of domino accidents

表1 火災事故的多米諾效應的臨界值表Table 1 List of critical values about the domino effect of fire accidents

1.4 多米諾效應熱輻射概率分析

當二級單元吸收源于一級單元事故釋放出的熱輻射能量后，會引起單元內設備溫度升高、壓力增大和設備材質的許用應力等物理特性的變化［11］.一旦設備壓力超過它的許用壓力或者器壁所受應力超過其許用應力就有發生爆炸或破裂的可能性.

COZZANI等［12］對歷史數據運用最小二乘法分析得出不同設備的事故擴展概率模型如式（1）和（2）所示.

常壓圓柱形立式容器：

高壓圓柱形水平容器：

式中：t為設備失效時間，s；I為作用于目標設備的熱輻射強度，k W／m2；V為設備體積或容積，m3.

由上可知，熱輻射多米諾效應的概率計算是以熱輻射強度和設備體積為基礎的.

2 多米諾事故熱輻射疊加算法分析

2.1 熱輻射強度的疊加

如圖3所示，假設在A處發生一級池火事故（以池火為例不失一般性，其他火災或爆炸事故計算式不再一一列舉）.

圖3 A處事故熱射輻等級區域Fig.3 Rating district of thermal radiation about the accidents in Place A

設液池為一半徑為r的圓形池，當液池中燃物的沸點高于周圍環境溫度時，液池表面上單位面積燃燒速度為

當液池中液體的沸點低于環境溫度時，如加壓液化氣或冷凍液化氣，液池表面上單位面積的燃燒速度為

液池燃燒時放出的總熱輻射通量Q為

式中：r為液池半徑，m；h為火焰高度，m；η為效率因子，可取0.13～0.35.

假設全部輻射熱都是從液池中心點的一個微小球面發出的，則在距液池中心某一距離的入射熱輻射強度I為

式中：Q為總熱輻射通量，W；λ為空氣導熱系數；x為對象點到液池中心距離，m.

由式（5）和（6）可以算出池火事故熱輻射強度，并根據危險程度劃分若干個等級的危險區域，如圖3所示的A1區、A2區、A3區，各區的熱輻射強度均值分別為IA1，IA2，IA3.若B點有一個危險源在A3區的影響范圍之內，可以由式（1）或（2）算出該點的多米諾效應的概率，其他各點概率也可以一一算出.

若B點因熱輻射影響而發生多米諾效應產生二級事故，通過同上原理，可以為B點再劃分若干個等級的危險區域，如圖4所示的B1區、B2區、B3區，各區的熱輻射強度均值分別為IB1，IB2，IB3.這樣必然會產生A點和B點熱輻射強度的疊加區域，即1區、2區、3區、4區，疊加效果如圖4所示，疊加區域的輻射強度分別為

疊加1區：I1＝IA2＋IB3

疊加2區：I2＝IA3＋IB3

疊加3區：I3＝IA3＋IB2

疊加4區：I3＝IA3＋IB1

圖4 熱輻射疊加圖Fig.4 Accumulation diagram of thermal radiation

如若C處有危險源，C處位于疊加2區范圍內，分別受到A3區和B3區的輻射強度的疊加為I2，由式（1）或（2）算出C點的多米諾效應的概率.其他處危險源概率類似.

2.2 熱輻射區域圖元的疊加算法

以圖4為例分析，B處事故為A處事故發生多米諾效應的下級事故，需判斷新發生B處事故各等級危險區域與當前已發生的A事故各等級危險區域疊加，將每一個疊加區域看作一個圖元，采用圖元逐步切割法可以完成所有各等級熱輻射疊加區域圖元的分割.熱輻射疊加區域的圖元算法如圖5所示.

圖5 圖元疊加算法Fig.5 Flow chart about feature accumulation

圖5中，Feature（i）為多米諾效應中最近發生事故熱輻射的某個等級的區域；Feature（j）為已發生事故的熱輻射的某個區域或疊加區域；FeatureTemp為臨時圖元；FeatureTemp∩Feature（j）為兩個圖元交集.

根據圖5所示算法完成對圖4的圖元切割，步驟如下：

（1）判斷B3環形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

（2）判斷B3環形圖元是否與A2環形圖元相交，結果為相交，交集為1號圖元；

（3）執行B3環形圖元減去1號交集圖元操作，剩余部分圖元判斷是否與A3環形圖元相交，結果為相交，交集為2號圖元；

（4）判斷B2環形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

（5）判斷B2環形圖元是否與A2環形圖元相交，不相交；

（6）判斷B2環形圖元是否與A3環形圖元相交，結果為相交，交集為3號圖元；

（7）判斷B1圓形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

（8）判斷B1圓形圖元是否與A2環形圖元相交，不相交；

（9）判斷B1圓形圖元是否與A3環形圖元相交，結果為相交，交集為4號圖元；

（10）結束.

3 實例研究

3.1 基于GIS多米諾事故熱輻射分析軟件設計流程

由于重大事故多米諾效應的分析計算較為復雜，涉及眾多的影響因素和相關理論，為便于問題的解決，實際研究應在理論分析的基礎上加以合理簡化.利用Delphi7.0＋ Mapinfo開發了熱輻射事故多米諾效應分析軟件，主要程序流程如圖6所示.

3.2 圖層算法設計

3.2.1 地圖圖層設計

在Mapinfo地圖的圖層中增加一個temp圖層（臨時圖層），將整個熱輻射區疊加算法中所用到的圖元置于其中.在該圖層中建立ID，ColorCol，RValues 3個字段表結構，其中，ID為圖元的編號，ColorCol為圖元顏色的編號，RValues為該圖元熱輻射值.

3.2.2 疊加圖元分割設計算法實現

圖6 主要程序流程圖Fig.6 Flow chart of main program

本程序中最核心的內容為疊加圖元的分割算法，利用Delphi7.0＋Mapinfo算法實現如下：

4 結 語

在國內外最新研究的基礎上，本文對基于GIS的多米諾效應事故熱輻射疊加進行了分析與研究，并對多米諾事故熱輻射疊加算法進行了模擬分析，開發了多米諾事故熱輻射疊加風險評估軟件.

由于我國在重大危險源的監管中對多米諾效應還沒有有效的應對方法，又鑒于多米諾效應難以動態預測和控制，基于GIS的多米諾事故熱輻射疊加分析軟件可以更加直觀形象地反映事故的狀態，并根據發生概率動態預測事故進一步發展的趨勢，為救援指揮提供決策.研究結果可為相關安全評價提供一定的參考，對相關園區的安全管理和救援決策具有現實意義.

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Domino Accumulation Analysis and Design of Thermal Radiation Accident Based on GIS

LIJun-hua1，2a，ZHAOYue-hua1，LIUJun2b，ZHOUNing2a

（1.School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；a.School of Petroleum Engineering Information；b.School of Information Science and Engineering，2.Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China）

The definition of domino ef fect is introduced and the specific processes of thermal radiation incident domino effect quantitative evaluation are given.Based on the inducing conditions and modes of domino effect，the thermal radiation incident domino stack algorithm analysis is studied.Software for analyzing thermal radiation accumulation in domino accidents and its corresponding design steps has been designed by geographic information system.It has been employed to calculate the probability accumulation in some complex domino accidents.According to the probability of the happening about the domino effect，the results can be more vividly dynamic forecasting the accident further development trend that is instructionally meaningful for rescue to make decisions and for safety management and rescue plan making.

domino effect；thermal radiation accumulation；geographic information system；probability

TP 311.11

A

2012-05-17

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目（2011BAK03B00）

李俊華（1978—），女，安徽東至人，講師，碩士，研究方向為GIS在石油化工安全的應用.E-mail：ljjpu＠163.com

1671-0444（2012）06-0727-06