基于MapInfo多米諾事故熱輻射疊加分析與設(shè)計

常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 劉 俊

常州大學(xué)石油工程學(xué)院 李俊華 嵇 煒

基于MapInfo多米諾事故熱輻射疊加分析與設(shè)計

常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 劉 俊

常州大學(xué)石油工程學(xué)院 李俊華 嵇 煒

引入了多米諾的定義，給出事故多米諾效應(yīng)定量評價的具體程序，在觸發(fā)多米諾效應(yīng)發(fā)生條件和發(fā)生模式的基礎(chǔ)上，重點研究了多米諾事故熱輻射疊加算法分析，利用Mapinfo設(shè)計了多米諾事故熱輻射疊加分析軟件以及相應(yīng)的設(shè)計步驟，解決較為復(fù)雜的重大事故多米諾效應(yīng)概率疊加計算問題。研究結(jié)果可以根據(jù)發(fā)生概率更加形象地動態(tài)地預(yù)測事故進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，為救援指揮提供決策，對相關(guān)園區(qū)的安全管理和救援決策具有重要指導(dǎo)意義。

多米諾效應(yīng)；熱輻射疊加；MapInfo；概率

1.引言

在我國經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展過程中，各地化工企業(yè)也不斷增多，各地方政府為了對化工企業(yè)更好地進(jìn)行管理，通常都是將大量的化工企業(yè)集中到化工園區(qū)。化工園區(qū)的建設(shè)雖然促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但是同時也帶來了嚴(yán)峻的安全問題。由于園區(qū)中多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)、儲存、使用、運(yùn)輸著大量高溫高壓、易燃易爆、有毒有害的危險化學(xué)品，稍有不慎就有可能發(fā)生事故，破壞性很大。園區(qū)內(nèi)某重大危險源一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸，極易造成事故蔓延，影響鄰近裝置甚至?xí)跋噜徠髽I(yè)，引發(fā)災(zāi)難性的多米諾效應(yīng)事故。

國內(nèi)外多米諾效應(yīng)事故比普通事故造成了根據(jù)嚴(yán)重的危害和損失，如：1984年墨西哥城發(fā)生液化石油氣槽車爆炸碎片引發(fā)連鎖爆炸事故，燒毀建筑面積27公頃，造成544人死亡，1800多人受傷，120萬人疏散[1]。2008年8月26日清晨6時45分，廣西河池市宜州郊區(qū)最大的有機(jī)化工企業(yè)廣西維尼綸集團(tuán)有限責(zé)任公司，有機(jī)車間突然發(fā)生爆炸，爆炸引發(fā)的火災(zāi)導(dǎo)致各倉庫內(nèi)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(huán)爆炸，造成20人死亡，60人受傷，疏散工廠生活區(qū)的居民及附近15個自然屯的群眾共計1.1萬多人[2]。

由血淋淋的教訓(xùn)可見，多米諾效應(yīng)的研究十分有必要。在歐盟頒布的塞韋索法令I(lǐng)I[3-4](Directive 96/82/EC)中規(guī)定，為了完善風(fēng)險控制、風(fēng)險評價和預(yù)防措施程序，要求有重大危險源的相關(guān)企業(yè)提交的安全報告中必須要有廠內(nèi)和廠外多米諾效應(yīng)分析的內(nèi)容，以及可能產(chǎn)生多米諾效應(yīng)的企業(yè)之間要共享危險源信息等，這一規(guī)定顯示出國外對多米諾事故的重視。目前在國內(nèi)，關(guān)于重大危險源的多米諾效應(yīng)方面研究主要在理論研究方面較多，但是因為化工園區(qū)里的企業(yè)在空間地域中分布隨機(jī)性很大，一旦發(fā)生事故，單從理論模型有時很難為園區(qū)的企業(yè)進(jìn)行實時定量的分析，通過基于Mapinfo的地理信息系統(tǒng)可以將模型與空間地域相結(jié)合，能夠有效地對多米諾效應(yīng)事故進(jìn)行實時定量地分析，在救援決策支持中起到重要的作用。

2.多米諾效應(yīng)概述

2.1 多米諾效應(yīng)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(yán)重后果的現(xiàn)象稱為事故多米諾效應(yīng)[5]。

多米諾事故發(fā)生的必要條件：

(1)事故所形成破壞效應(yīng)的范圍之內(nèi)存在敏感裝置；

(2)破壞效應(yīng)強(qiáng)度足夠大以致裝置失效；

表1 火災(zāi)事故的多米諾效應(yīng)的臨界值表

(3)破壞的發(fā)生存在極大的可能性[6]。

多米諾效應(yīng)模式：初始單元發(fā)生火災(zāi)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(dǎo)致2次事故，以此類推導(dǎo)致3次事故的發(fā)生，這種現(xiàn)象將繼續(xù)傳播直到下一個區(qū)域內(nèi)沒有危險源為止，多米諾效應(yīng)模式見圖1。

能夠觸發(fā)多米諾效應(yīng)發(fā)生的事故類型主要有：①火災(zāi)；②爆炸；③毒物泄漏；④以上3種情況同時或交叉發(fā)生[7]。

2.2 定量評價多米諾事故風(fēng)險的流程

V.Cozzani等人在前期研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)QRA的思想提出了定量評價多米諾事故風(fēng)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(fēng)險的關(guān)鍵技術(shù)為：臨界值標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展概率的確定及可能二次事故組合的發(fā)生概率和后果計算。

2.3 多米諾效應(yīng)臨界值的確定

目前多米諾效應(yīng)研究中主要考慮了熱輻射、超壓和拋射破片這三種擴(kuò)展向量對二次目標(biāo)設(shè)備的損壞。但是筆者目前主要針對熱輻射進(jìn)行基于MapInfo的定量分析，其余兩種基于MapInfo的定量分析將在后續(xù)的研究中討論分析。

從圖2看出，多米諾效應(yīng)一般利用臨界值標(biāo)準(zhǔn)來辨識初始事故是否可能引起周圍設(shè)備的損壞。如果初始事故在給定位置處的物理量值大于設(shè)定的臨界值，則初始事故就有可能對該處的設(shè)備造成一定程度的損壞，有必要進(jìn)一步對其產(chǎn)生的多米諾效應(yīng)進(jìn)行深入分析，否則認(rèn)為初始事故不會對該處的設(shè)備造成影響，沒有必要再分析，因此臨界值標(biāo)準(zhǔn)在多米諾效應(yīng)的定量評價中占據(jù)著非常重要的地位。表1總結(jié)了火災(zāi)事故的多米諾效應(yīng)的參考臨界值[8]。

2.4 多米諾效應(yīng)熱輻射概率分析

當(dāng)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(nèi)的設(shè)備溫度升高、壓力增大和設(shè)備材質(zhì)的許用應(yīng)力等物理特性的變化。一旦設(shè)備壓力超過它的許用壓力或者器壁所受應(yīng)力超過其許用應(yīng)力就有發(fā)生爆炸或破裂的可能性。

熱輻射多米諾效應(yīng)的概率模型，即“失效(ttf)”及ttf VS．熱輻射簡化模型的概率模型[9]：

常壓圓柱形立式容器：

高壓圓柱形水平容器：

式中：

tff：設(shè)備失效時間，s；

I：作用于目標(biāo)設(shè)備的熱輻射強(qiáng)度，kW/M2；

V：設(shè)備體積或容積，M3；

由上可知，熱輻射多米諾效應(yīng)的概率計算是以熱輻射強(qiáng)度和設(shè)備體積為基礎(chǔ)的。

3.多米諾事故熱輻射疊加算法分析

3.1 熱輻射強(qiáng)度的疊加

(1)如圖3所示，假設(shè)在A處發(fā)生一級池火事故為例(不失一般性，其他火災(zāi)或爆炸事故公式不再一一列舉)。可以通過以下公式算出池火的熱輻射通量：

設(shè)液池為一半徑為r的圓形池，則液池燃燒時放出的總熱通量Q為：

式中，

r—液池半徑，m；

h—火焰高度，m；

η—效率因子，可取0.13-0.35；

HC—液體燃燒熱，J/kg；

假設(shè)全部輻射熱都是從液池中心點的一個微小的球面發(fā)出的則在距液池中心某一距離的入射熱輻射強(qiáng)度I為：

式中，Q—總熱輻射通量，W；

tc—空氣導(dǎo)熱系數(shù)；

x—對象點到液池中心距離。

(2)通過公式(2-1)和(2-2)可以算出池火事故熱輻射強(qiáng)度，并根據(jù)危險程度劃分若干個等級的危險區(qū)域，如圖3所示A1區(qū)、A2區(qū)、A3區(qū)，各區(qū)的熱輻射強(qiáng)度均值分別為IA1、IA2、IA3。假設(shè)B點有一個危險源在A3區(qū)的影響范圍之內(nèi)，可以通過公式(1-1)或(1-2)算出該點的多米諾效應(yīng)的概率，其他各點也可以一一算出其概率。

(3)若B點因熱輻射影響而發(fā)生多米諾效應(yīng)產(chǎn)生二級事故，通過同上原理，可以再為B點再劃分若干個等級的危險區(qū)域，如圖所示B1區(qū)、B2區(qū)、B3區(qū)，各區(qū)的熱輻射強(qiáng)度均值分別為IB1、IB2、IB3。這樣必然會產(chǎn)生A點和B點熱輻射強(qiáng)度的疊加區(qū)域1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)，疊加效果如圖4所示，疊加區(qū)域的輻射強(qiáng)度如下：

疊加1區(qū)輻射強(qiáng)度：I1=IA2+IB3

疊加2區(qū)輻射強(qiáng)度：I2=IA3+IB3

疊加3區(qū)輻射強(qiáng)度：I3=IA3+IB2

疊加4區(qū)輻射強(qiáng)度：I4=IA3+IB1

如若C處有危險源，C處位于疊加2區(qū)范圍內(nèi)，分別受到A3區(qū)和B3區(qū)的輻射強(qiáng)度的疊加為I2，通過公式(1-1)或(1-2)算出該點的多米諾效應(yīng)的概率。其他處危險源概率類似。

3.2 熱輻射區(qū)域圖元的疊加算法

(1)以圖4為例分析，B處事故為A處事故發(fā)生多米諾效應(yīng)的下級事故，需判斷新發(fā)生B事故各等級危險區(qū)域與當(dāng)前已發(fā)生的A事故各等級危險區(qū)域疊加，如下：

①判斷B3環(huán)形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

②判斷B3環(huán)形圖元是否與A2環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為1號圖元；

③執(zhí)行B3環(huán)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(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為2號圖元；

④判斷B2環(huán)形圖元是否與A1圖元相交，不相交；

⑤判斷B2環(huán)形圖元是否與A2環(huán)形圖元相交，不相交；

⑥判斷B2環(huán)形圖元是否與A3環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為3號圖元；

⑦判斷B3圖元是否與A1圖元相交，不相交；

⑧判斷B3圖元是否與A2環(huán)形圖元相交，不相交；

⑨判斷B3圖元是否與A3環(huán)形圖元相交，結(jié)果為相交，交集為4號圖元；

(2)由以上分析可以歸納出熱輻射區(qū)域圖元的疊加算法如圖5所示，其中：

Feature(i)為多米諾效應(yīng)中最近發(fā)生事故熱輻射的某個等級的區(qū)域；

Feature(j)為已發(fā)生事故的熱輻射的某個區(qū)域或疊加區(qū)域；

FeatureTemp為臨時圖元；

FeatureTemp∩Feature(j)為兩個圖元的交集；

4.實例研究

4.1 基于Mapinfo的多米諾事故熱輻射分析軟件設(shè)計流程

由于重大事故多米諾效應(yīng)的分析計算較為復(fù)雜，涉及到眾多的影響因素和相關(guān)理論，為便于問題的解決，實際研究應(yīng)在理論分析的基礎(chǔ)上加以合理簡化。利用Delphi7.0+Mapinfo開發(fā)了熱輻射事故多米諾效應(yīng)分析軟件，主要程序流程如圖6所示。

4.2 圖層算法設(shè)計

4.2.1 地圖圖層設(shè)計

在Mapinfo地圖的圖層中增加一個temp圖層如圖7所示，在將整個熱輻射區(qū)算法中的所用到的圖元至于其中。在該圖層中建立如圖8所示表結(jié)構(gòu)，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。

4.2.2 疊加圖元分割設(shè)計算法實現(xiàn)

本程序中最核心內(nèi)容的為疊加圖元的分割算法，利用Delphi7.0+Mapinfo算法實現(xiàn)如下

5.結(jié)論

目前，國內(nèi)外對多米諾效應(yīng)事故熱輻射疊加尤其是定量方面的研究尚處于初步階段，對于破片和超壓疊加的研究仍需進(jìn)一步深入進(jìn)行。筆者在國內(nèi)外最新研究的基礎(chǔ)上，對基于MapInfo的多米諾事故熱輻射疊加進(jìn)行了分析與研究，并對多米諾事故熱輻射疊加算法進(jìn)行了模擬分析，開發(fā)了多米諾事故熱輻射疊加風(fēng)險評估軟件。

由于我國在重大危險源的監(jiān)管中很少考慮多米諾效應(yīng)，又鑒于多米諾效應(yīng)難以動態(tài)預(yù)測和控制，基于MapInfo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(tài)，并根據(jù)發(fā)生概率動態(tài)預(yù)測事故進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，為救援指揮提供決策．筆者所給分析方法或可為相關(guān)安全評價提供一定的參考，對相關(guān)園區(qū)的安全管理和救援決策具有重要意義。

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劉俊（1979—），男，江蘇江都人，大學(xué)本科，常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院講師，研究方向：計算機(jī)技術(shù)。