基于GIS的公路危險(xiǎn)品事故應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)研究

呂明新,孫婷婷,孫德正

(山東科技大學(xué)　交通學(xué)院,山東　青島　266590)

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基于GIS的公路危險(xiǎn)品事故應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)研究

呂明新,孫婷婷,孫德正

(山東科技大學(xué)交通學(xué)院,山東青島266590)

[摘要]為了提高在高速公路上危險(xiǎn)品事故的應(yīng)急響應(yīng)效率,基于GIS來(lái)研究和發(fā)展高速公路上重大危險(xiǎn)品事故的應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。根據(jù)高速公路重大危險(xiǎn)品事故的應(yīng)急響應(yīng)的特征,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)四個(gè)子系統(tǒng)和六個(gè)基本數(shù)據(jù)庫(kù)。利用高斯模型,結(jié)合GIS新技術(shù)和現(xiàn)代安全管理方法,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)四大功能：緊急響應(yīng),利用函數(shù)快速對(duì)危險(xiǎn)物質(zhì)、危險(xiǎn)設(shè)施進(jìn)行量化,災(zāi)難和事故后果預(yù)測(cè)和應(yīng)急決策。

[關(guān)鍵詞]高速公路；危險(xiǎn)品事故；緊急響應(yīng)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.28.174

1危險(xiǎn)品事故概述

高速公路上有許多負(fù)載易燃、易爆、有毒、有害危險(xiǎn)貨物的車輛,任何時(shí)間都可能發(fā)生爆炸、火災(zāi)和毒物泄漏等重大事故。例如，2015年12月23日上午11時(shí)10分,山東濱博高速濱城收費(fèi)站3號(hào)口以外兩公里處因大霧一輛危險(xiǎn)品運(yùn)輸車被一輛集裝箱半掛車追尾,危險(xiǎn)品運(yùn)輸車發(fā)生丙烯酸乙酯泄露,共計(jì)38噸,對(duì)周邊民眾生命安全產(chǎn)生巨大影響,對(duì)土地產(chǎn)生災(zāi)難性破壞。[1]目前,高速公路危險(xiǎn)品事故主要存在的問(wèn)題在于危險(xiǎn)的緊急響應(yīng)：緊急響應(yīng)水平低和應(yīng)急能力不強(qiáng),專業(yè)人員短缺和應(yīng)急資源不夠或派遣困難。這些問(wèn)題嚴(yán)重影響應(yīng)急救援的效率。因此,當(dāng)務(wù)之急是預(yù)防和控制高速公路重大事故,保護(hù)公共安全,構(gòu)建一個(gè)快速的響應(yīng)系統(tǒng),可以科學(xué)有效地應(yīng)對(duì)高速公路上危險(xiǎn)品事故,形成一個(gè)科學(xué)、規(guī)范的應(yīng)急機(jī)制。

2主要技術(shù)和方法的概述

2.1GIS技術(shù)

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)結(jié)合了計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)庫(kù),用來(lái)存儲(chǔ)和處理空間信息。[2]除此之外,它集成了地理對(duì)象的空間位置和相關(guān)屬性,可以根據(jù)用戶實(shí)際的要求,滿足城市建設(shè)、企業(yè)管理、居民生活對(duì)空間信息以及各種支持決策的空間分析和可視化表達(dá)的要求。

GIS系統(tǒng)采用天際線系列的軟件。軟件通過(guò)衛(wèi)星圖像,地形高程數(shù)據(jù)和其他兩層和三維信息融合成三維可視化場(chǎng)景?？蓜?chuàng)建自定義虛擬三維可視化場(chǎng)景和通過(guò)天際線系列應(yīng)用程序進(jìn)行信息交互、掃描、查詢和分析。軟件可實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸以及在沒(méi)有數(shù)據(jù)預(yù)處理情況下快速創(chuàng)建實(shí)時(shí)三維交互式模型。

2.2主要危險(xiǎn)品事故仿真

2.2.1利用GIS模擬泄漏事故并劃分危險(xiǎn)區(qū)域

揮發(fā)性液體和氣體泄漏后會(huì)在泄漏源附近擴(kuò)散,然后在泄漏源形成氣團(tuán),進(jìn)一步蔓延在空氣中,這將影響很廣的區(qū)域。因此,氣團(tuán)在空氣中的擴(kuò)散成為分析重大事故的主要方向。

(1)當(dāng)危險(xiǎn)品不斷泄漏,氣體柱氣團(tuán)的濃度分布表現(xiàn)為中等濃度(接近空氣密度)的高斯分布。高斯煙羽模型是模擬泄漏到大氣中的污染物沿下風(fēng)向擴(kuò)散濃度分布最廣泛的模型,該模型適用于蒸汽擴(kuò)散及液體轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝麛U(kuò)散。[3]假定煙羽水平風(fēng)向和垂直方向上的污染物濃度符合高斯分布,有風(fēng)條件下連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的濃度分布為:

(1)

其中,C——下風(fēng)向污染物濃度,kg/m3；

Q——泄漏源連續(xù)泄露速度,kg/s；

V——列樓高度的平均風(fēng)速,m/s；

σy,σz——分別為水平和垂直擴(kuò)散系數(shù)；

H——泄漏源有效高度,m。

由上式可以看出,連續(xù)泄漏下風(fēng)向形成一條煙羽,隨著距離泄漏口的距離增加,泄漏物質(zhì)濃度下降。在任意點(diǎn)處,泄漏物質(zhì)濃度與源強(qiáng)成正比,但不隨時(shí)間變化。

(2)瞬時(shí)泄漏應(yīng)該使用高斯氣團(tuán)模型來(lái)計(jì)算一個(gè)點(diǎn)的濃度(x,y,z)的三維空間以源泄漏為零點(diǎn),以向下風(fēng)向?yàn)閤軸,在t時(shí)刻的濃度用下面公式計(jì)算：

(2)

其中,t——泄露的時(shí)間,s。

瞬時(shí)擴(kuò)散模型表明,泄漏的氣體為一維時(shí)間膨大的氣團(tuán),隨著氣團(tuán)增大濃度逐漸降低。

危險(xiǎn)區(qū)域的劃分是根據(jù)有毒負(fù)荷計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)界定有毒物質(zhì)對(duì)人的傷害程度。泄漏事故危險(xiǎn)地區(qū)信息可利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的二維或三維場(chǎng)景展現(xiàn)出來(lái)。直觀地得到危險(xiǎn)區(qū)域的劃分：致命區(qū)域、嚴(yán)重傷害區(qū)域、輕傷區(qū)域。

2.2.2利用GIS模擬火災(zāi)事故并劃分危險(xiǎn)區(qū)域

易燃易爆液體和氣體很容易在泄露后被點(diǎn)燃。點(diǎn)燃后燃燒方式有四種：池火、噴射火、火球和閃火?；馂?zāi)事故危險(xiǎn)地區(qū)信息利用GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的二維或三維場(chǎng)景展現(xiàn)。根據(jù)火災(zāi)周邊人員、設(shè)備等熱輻射入射通量的不同,火災(zāi)周邊危險(xiǎn)區(qū)域分為:死亡區(qū)域(入射通量> 37.5Kw/ m2),嚴(yán)重傷害區(qū)域(入射通量> 25Kw/ m2),輕傷區(qū)域(入射通量> 12.5Kw/ m2),感覺(jué)區(qū)(入射通量> 4.0Kw/ m2)。

2.2.3利用GIS模擬爆炸事故并劃分危險(xiǎn)區(qū)域

爆炸事故分為以下類型：有限空間內(nèi)突然燃燒的可燃混合氣體蒸汽爆炸；壓力容器內(nèi)因化學(xué)反應(yīng)或不正當(dāng)操作引起的爆炸；壓力容器內(nèi)不參與化學(xué)反應(yīng)的爆炸；不穩(wěn)定的固體或液體的爆炸。爆炸事故的影響區(qū)域分為：建筑毀滅性打擊破壞地區(qū)；建筑物可修復(fù)的破壞地區(qū)；玻璃破碎區(qū)和沖擊波影響區(qū)等。

2.3危險(xiǎn)品泄漏最初始時(shí)期的隔離和防護(hù)距離

提出最初的隔離和防護(hù)之間的距離(下表)有助于防止危險(xiǎn)貨物泄漏產(chǎn)生有毒蒸汽對(duì)人的危險(xiǎn)。擬定的距離是泄漏后最初的30分鐘內(nèi)該地區(qū)可能受影響的距離,形象距離可能隨著時(shí)間的推移擴(kuò)大。保護(hù)區(qū)域是一個(gè)位于事故點(diǎn)的下風(fēng)向的地區(qū),這個(gè)地區(qū)的人可能因?yàn)闊o(wú)法采取防護(hù)措施造成嚴(yán)重或不可恢復(fù)的身體傷害(如圖1所示)。

圖1　隔離區(qū)域和保護(hù)區(qū)域

聯(lián)合國(guó)代碼名稱小量泄漏大量泄漏最初的隔離距離/m下風(fēng)向防護(hù)距離/km白天夜晚最初的隔離距離/m下風(fēng)向防護(hù)距離/km白天夜晚1005無(wú)水氯300.10.21500.82.31008一氧化硼300.10.63001.94.81016一氧化碳300.10.11500.72.71017氯600.41.66003.58.0

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

①應(yīng)急決策子系統(tǒng)。事故發(fā)生后,系統(tǒng)模擬判斷事故影響的范圍、影響方式和事故的危害程度。收集災(zāi)難相關(guān)的資源數(shù)據(jù)、地理信息和歷史處理計(jì)劃,做出應(yīng)急決策和行動(dòng)。通過(guò)信息的綜合集成、分析處理和調(diào)用專家知識(shí)庫(kù),擬定相關(guān)技術(shù)方案和措施,并提出技術(shù)問(wèn)題的解決方案,確保響應(yīng)過(guò)程中應(yīng)急救援的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。②應(yīng)急計(jì)劃管理子系統(tǒng)。事故發(fā)生的情況下,智能檢索和分析應(yīng)對(duì)事故所提供的措施和應(yīng)急反應(yīng)計(jì)劃。③應(yīng)急資源子系統(tǒng)?；趯?duì)通信、信息、指揮與調(diào)度、資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)等應(yīng)急資源的應(yīng)用,形成動(dòng)態(tài)管理的專業(yè)團(tuán)隊(duì),對(duì)事故做好儲(chǔ)備材料、反應(yīng)設(shè)備、通信和醫(yī)療與其他應(yīng)急資源的支持。當(dāng)突發(fā)重大事件發(fā)生時(shí),應(yīng)急指揮人員可以迅速召集可響應(yīng)資源進(jìn)行有效的救援。④應(yīng)急培訓(xùn)和實(shí)踐子系統(tǒng)。主要用于事故仿真和訓(xùn)練。

3.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

①緊急信息數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)事故信息、預(yù)測(cè)和預(yù)警信息、監(jiān)測(cè)和控制以及應(yīng)急指揮過(guò)程信息和其他內(nèi)容。②應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)不同類型的應(yīng)急計(jì)劃。③應(yīng)急資源數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)應(yīng)急資源信息(包括人員、設(shè)施、設(shè)備、材料信息,專家和其他組織、應(yīng)急小組的指揮信息),危險(xiǎn)設(shè)施信息,人口、自然資源信息和其他內(nèi)容。④地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)字地圖、遙感圖像、道路網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)對(duì)資源分布圖和其他內(nèi)容。⑤決策支持模型庫(kù)存儲(chǔ)事故類型預(yù)測(cè)模型和分析模型。⑥知識(shí)管理數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)專業(yè)知識(shí),相關(guān)法律、法規(guī)和技術(shù)規(guī)范和應(yīng)對(duì)各種安全生產(chǎn)事故的專業(yè)知識(shí)和其他內(nèi)容。

3.3空間地理信息數(shù)據(jù)

(1)數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)源包括：基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題地理數(shù)據(jù)、危險(xiǎn)品存儲(chǔ)及運(yùn)輸?shù)娜S模型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)源也包含公路服務(wù)區(qū)域和危險(xiǎn)設(shè)施基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù),如整個(gè)公路的衛(wèi)星、航空?qǐng)D像、地面海拔數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等。

(2)數(shù)據(jù)集成?？臻g坐標(biāo)過(guò)渡系統(tǒng)：當(dāng)進(jìn)入三維場(chǎng)景環(huán)境時(shí),各種數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)系的緯度和經(jīng)度坐標(biāo)。二維和三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)：二維和三維圖像數(shù)據(jù)要涵蓋整個(gè)路網(wǎng),主要由圖像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和部分GIS矢量數(shù)據(jù)組成。建筑的三維建筑模型數(shù)據(jù)：可利用相關(guān)的二維GIS數(shù)據(jù)更精確快速的構(gòu)建三維建筑模型。利用二維GIS數(shù)據(jù)調(diào)查、分析有關(guān)聯(lián)屬性的三維建筑實(shí)體與空間統(tǒng)計(jì)。

4系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)

4.1危險(xiǎn)材料和危險(xiǎn)設(shè)施的快速檢查功能

該功能可以立即查詢危險(xiǎn)品的物理化學(xué)性質(zhì),危險(xiǎn)特性,對(duì)人體危害,解決方案；高速公路上危險(xiǎn)品事故；幫助應(yīng)急小組快速得到危險(xiǎn)物質(zhì)和危險(xiǎn)設(shè)施的基本知識(shí)。

4.2事故后果預(yù)測(cè)功能

該功能可以快速模擬預(yù)估災(zāi)害和事故的發(fā)展和結(jié)果,如確認(rèn)火災(zāi)、爆炸、危險(xiǎn)品泄漏事故的影響區(qū)域和范圍以及預(yù)測(cè)可能的傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等。[5]幫助應(yīng)急小組確認(rèn)需要緊急封閉的區(qū)域、單位和各路網(wǎng)、服務(wù)區(qū)需要疏散人員,以及選擇應(yīng)急指揮所的位置和應(yīng)急醫(yī)療站等。以青島市黃島區(qū)為例,氯氣泄漏風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算結(jié)果影響評(píng)估——在60分鐘的泄漏面積,如圖2所示。

4.3應(yīng)急決策輔助功能

該功能可以幫助應(yīng)急小組每個(gè)部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)者和管理者理解他們的職責(zé),通過(guò)對(duì)交通和交通路口的控制,受災(zāi)居民最好的路線撤離逃生途徑。[6]調(diào)查和調(diào)度應(yīng)急設(shè)備、材料和應(yīng)急生活用品,調(diào)查和分派的醫(yī)療力量、消防力量和應(yīng)急住所等。[7]如圖3所示。

圖2　氯氣泄漏影響區(qū)域

圖3　事故影響區(qū)域道路交通控制決策

5結(jié)論

主要研究基于GIS的公路危險(xiǎn)品事故應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)理論和方法的研究提高了公路危險(xiǎn)品事故應(yīng)急響應(yīng)的效率。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠,適合在全國(guó)推廣運(yùn)用。

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[作者簡(jiǎn)介]呂明新(1990—),男,山東青島人,碩士研究生。研究方向：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理。