爆炸罐突發事件“情景-應對”模型構建研究

彭緒富,朱小婉，嚴 慧

(1．湖北師范大學 計算機科學與技術學院，湖北 黃石 435002； 2．湖北師范大學 文理學院，湖北 黃石 435000；3．湖北師范大學 教育科學學院，湖北 黃石 435002)

爆炸罐突發事件“情景-應對”模型構建研究

彭緒富1，2,朱小婉1，3，嚴 慧1

(1．湖北師范大學 計算機科學與技術學院，湖北 黃石 435002； 2．湖北師范大學 文理學院，湖北 黃石 435000；3．湖北師范大學 教育科學學院，湖北 黃石 435002)

面對突發事件中如何預測、預防、預警等應急問題，針對突發事件的環境復雜性、信息不確定性、演進突變性、影響巨大性等特性，基于“情景—應對”思想，研究構建類似爆炸罐突發事件的物理“情景-應對”模型，通過物理模型分析影響事件演進的內外控制因子，進一步構建數學邏輯模型。通過數學邏輯模型研究分析各控制因子對事件演進的影響度，達到解決煤氣罐爆炸、地震、臺風、火山爆發等無能量釋放的突發事件的預測、預防等問題。為突發事件應急預防、監控、數據處理提供依據與支撐。

突發事件；情景—應對；爆炸罐；物理模型；數學模型；構建；分析

自有記載以來，地震、臺風、洪澇、雪災、高溫、干旱、火災、環境污染、交通事故、戰爭、恐怖襲擊、經濟危機、流行病、信息安全等各類突發事件，給自然環境帶來了巨大破壞，給社會、生命帶來了巨大威脅，給人類生活、工作造成了巨大損失！相關專家學者從不同層面、不同學科對突發事件進行了相關領域的研究，盡管有不少成果，但對如何及早發現、及早預防、及早規避事件的發生等復雜性應急問題缺乏深入的研究，尤其缺乏有針對性的“情景—應對”模型構建及實用性理論研究。鑒于此，本課題將基于“情景-應對”思想，針對突發事件的環境復雜性、信息不確定性、演進突變性、影響巨大性等特性，研究構建類似爆炸罐突發事件的物理“情景-應對”模型和數學邏輯模型，研究分析各控制因子對事件演進的影響度，達到解決煤氣罐爆炸、管道爆炸、地震、臺風、火山爆發等突發事件的預測、預防等問題。為突發事件應急預防、監控、數據處理提供依據與支撐。

1 突發事件分析

突發事件是指由于系統的外部環境和內部條件發生急劇變化，系統的穩定性和可控性遭到破壞，系統的行為出現異常情況而發生質變的一類無秩序的意外事件，是一種超常規的、較難預測的、在某種必然因素支配下出人意料地突然發生，給社會造成嚴重危害、損失或影響且需要立即處理的負面事件[1]。其體系包括：致災體、本體、承災體。

1.1突發事件分類

突發事件分類方式有多種，主要有：按事件起源、能量聚散、影響范圍、社會屬性、事件演化趨勢等。

1) 按事件起源可分為：自然災害事件和人為因素災害事件

自然災害事件：不以人的意志為轉移的受自然規律影響而發生的事件。如：地震、火山爆發、臺風、龍卷風、洪澇、泥石流、海嘯、冰雹、雪災、高溫、干旱、自然火災、環境污染等。

人為因素災害事件：局部或全部受人的行為干擾而發生的事件。如：環境污染、山火、交通、戰爭、政變、恐怖襲擊、流行病、食物中毒、自殺、經濟危機、信息安全等突發事件。

2) 按物理能量聚散特性分為：有能量釋放事件和無能量釋放事件。

有能量釋放事件：致災因子向事件本體匯集能量時，事件本體也在不斷釋放能量。如：流行病、水庫潰堤、洪澇災害、環境污染等。

無能量釋放事件：致災因子向事件本體匯集能量時，事件本體無能量釋放。如：煤氣罐爆炸、高壓管道爆炸、地震、火山爆發等。

3) 按受災范圍分為：固定空間范圍事件和開放空間范圍事件。

固定空間范圍事件：事故災難發生在固定空間范圍內。這類突發事件也稱為限界事件。如：地震災難、交通事故等。

開放空間范圍事件：事故災難發生在開放的空間范圍內，這類突發事件也稱為開界事件，如：流行病，龍卷風，環境污染、洪澇災害等。

4) 按社會屬性分為：政治事件、經濟事件、生活生產事件。

5) 按事件演化趨勢分為：起源事件、次生事件、衍生事件。

1.2突發事件特征

突發事件往往具有發生罕見，突然發生，很難預測，后果嚴重，強大的破壞性，高度不確定，信息海量性，時間緊迫，分析決策時間有限性，事件構成高復雜性，長期潛在的變化性，高次生、衍生性，生命和生態系統的高影響度等特性[2，3]。

突發事件在物理特征上具有空間和領域的跨界性、發生頻率和破壞程度的罕見性以及資源流量與流向的突變性等特征；在邏輯特征上具有應急情景的高約束性和壓力性、呈現狀態上的多變性與復雜性、應急過程中的非可控性與不確定性以及治理效果上的有限性等特性[4]。

2 突發事件模型構建

突發事件雖然演化迅速，產生的原因及發展的結果具有高度的不確定性，但其發展演變仍然表現出一定規律性，可從事件發生的自然現象和物理規律，基于“情景-應對”思想構建突發事件的物理分析模型和數學分析模型。以利于突發事件的演化演進分析。

因篇幅所限，在此僅研究無能量釋放爆炸罐突發事件的模型構建。

2.1爆炸罐物理分析模型

爆炸罐物理分析模型由罐體、罐內控制因素、罐外控制因素組成。當罐內控制因素、罐外控制因素相互作用時，就會引起罐體發生爆炸。其情景仿真模型如圖1所示，物理模型如圖2 所示：

圖1 爆炸罐情景仿真模型

圖2 爆炸罐物理模型

2.1.1 模型因素分析

1)致災體：溫度、撞擊、擠壓、內裝物超量、罐體質量等。

2)致災因子：內壓力、外壓力、罐體承受力。

3)承災體：生命體、周圍環境物品。

4)本體能量聚散特性：無能量釋放。

5)事故范圍：有限范圍，屬于限界事件。

6)災害行為：爆炸、沖擊波、燃燒、氣體中毒。

7)次生事件：建筑物倒塌、火災等。根據不同的起源事件及演化方向，其次生事件也不一樣。

8)衍生事件：人群擁擠踐踏、交通堵塞等。根據事件的演化方向不同，其衍生事件也不一樣。

9)災害結果：生命體傷忘、物品損耗。

10)事故屬類：煤氣罐爆炸、各類高壓管道爆炸、地震、山體滑坡、火山爆發、火災等。

11)預防屬性：可有限預防、可有限預測，可有限控制。

12)減災方式：減輕致災因子對本體影響。如：本體遠離高溫，降低環境溫度、遠離易燃易爆物品、防止撞擊罐體、減少內裝物、定時檢查檢測罐體質量。

2.1.2 能量轉換與受力分析

致災原理：罐本體承受壓力強度是有極限值的，當罐體周圍環境溫度升高，引起內部能量增加，以致內部壓強增加，當內部壓強增加到大于承受力極限值時；或當罐體受外力撞擊、擠壓，外部壓強大于承受力極限值時；或罐體質量受損，使罐體本身承受力小于內、外部壓強時，罐體將發生爆裂或罐體爆炸、罐內氣體泄漏、擴散、燃燒、爆炸等系列事件，對周圍的人和物造成損害。

下面進行受力分析：

設內部壓強為：f(t)，外部壓強為：h(t)，罐體承受力強度為：g(t)，它們都是時間t的函數。則發生爆炸的條件為：|f(t) -h(t)| ≥g(t)；

當f(t)單獨作用時，條件為：f(t) ≥g(t)；當h(t)單獨作用時，條件為：h(t) ≥g(t)；

其中內部壓強f(t) 函數是單一因子控制函數，其監測取值較易。外部壓強h(t) 函數為多因子控制的疊加函數，即：h(t)=h1(t)+h2(t)+…+hn(t)，是一復雜受力函數，其監測取值有一定的難度。罐體承受力強度g(t) 函數取值主要由罐體質量和環境因素對罐體的影響，也是多因子控制函數，其監測取值也有一定的難度。h(t)，g(t) 函數需要在實踐中，通過儀器設備檢測或通過實驗獲取經驗值。

2.2爆炸罐數學模型

突發事件是一復雜突變系統，其突變性主要表現在系統由局部極值跳躍到全局極值，在系統中其位勢的數值存在不連續的變化。突發事件的預測問題的關鍵是在預測模型構建的基礎上研究突變系統的突變性。對于一個預測分析模型，處理復雜突變系統的輸入與輸出并體現其內在突變的規律，需要通過構建一個數學邏輯模型來實現，針對復雜突變系統預測模型中數據的隨機性、復雜性、突變性，研究使用函數來描述其輸入與輸出，該函數稱為突變函數[5，6]。突發事件的數學邏輯模型主要由這類突變函數構成。由爆炸罐物理模型受力分析可知，爆炸罐主要有三個受力函數(突變函數)：h(t),f(t),g(t)控制，根據其相互作用構建爆炸罐數學邏輯模型如圖3所示。

圖3 爆炸罐數學模型

圖4 爆炸條件曲線圖

根據物理模型可知，爆炸罐爆炸條件為：

|f(t) -h(t)|≥g(t)

(1)

設G(t) =|f(t) -h(t)| -g(t)，則有：

當G(t) < 0 時，爆炸罐處于安全狀態；

當G(t) = 0 時，爆炸罐處于爆炸臨界狀態；

當G(t) > 0 時，爆炸罐處于爆炸狀態。

該系統的復雜性主要來自三個函數f(t)、h(t) 、g(t)的變化，在具體的突發事件中，要獲取這三個函數的瞬間值是有一定的技術要求和難度的。

下面依據具體煤氣罐爆炸實例事件，討論環境條件變化引起函數的變化趨勢。

1) 當外部溫度增加時，因熱傳遞，罐內溫度也隨之增加，罐內壓強隨著溫度的升高而升高，同時罐體本身承受壓強隨著溫度的升高而降低。此時假設外部壓強h(t)不變。則方程(1)將快速達到爆炸臨界值，如圖4所示。

2) 當罐體受到外界猛烈撞擊、擠壓時，外部壓強h(t) 急劇上升，罐體承受壓強g(t) 急速下降，在碰撞瞬間即達到臨界值而發生爆炸。

該模型中三個突變函數：f(t)，h(t)，g(t)的監測，尤其是h(t)，g(t) 的監測，要求在具體事件中即時監測。

《爆炸罐突發事件“情景—應對”模型構建研究》通過構建物理分析模型和數學邏輯模型，從物理受力和能量轉換分析致災因子對突發事件的影響與作用，利用數學模型分析突發事件的演進動態變化方程，研究各突變函數對突發事件的影響度。解決了無能量釋放爆炸罐這一類突發事件推演演進的模型分析方法，為煤氣罐爆炸、各類高壓管道爆炸、地震、山體滑坡、火山爆發、火災等復雜突發事件的預測、預警、預防等突發事件提供理論上的支持。

[1]王旭坪,楊相英,樊雙蛟,等.非常規突發事件情景構建與推演方法體系研究[J].電子科技大學學報, 2013,15(1):22～27.

[2]傅 瓊,趙 宇.非常規突發事件模糊情景演化分析與管理[J].軟科學,2013,27(5):130～135.

[3]陳 剛,謝科范,劉 嘉,等.非常規突發事件情景演化機理及集群決策模式研究[J].武漢理工大學學報(社科版), 2011,24(4):458～462.

[4]王顏新.非常規突發事件情境重構模型研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學,2011.

[5]朱東芹,劉 艷,李志剛.復雜突發事件應急響應模型研究與仿真[J].計算機仿真,2013,30(1):393～396.

[6]姚 杰,池 宏,計 雷.帶有潛變量的結構方程模型在突發事件應急管理中的應用[J].中國管理科學,2005, 13(2):44～50.

Abstract: Build a model similar to explosive tank incidents of physical "scene-response" model based on the theory of "scene-response" to face the emergency problems of prediction, prevention and early-warning focused on the characteristics, such as complexity of emergency environment, uncertainty of information, sudden change of evolution, majority of impact and so on. Analyze both internal and external control factors that effects the evolution of events through the physical model, then build the mathematical model. Research and analyze influence degree of each controlling factors of the events evolution through the math logic model to solve no energy release emergency prediction, prevention, and other issues such as gas cylinder explosion, earthquakes, typhoons and volcanic eruptions. Provide basis and support for emergency prevention, monitoring and data processing.

Keywords: emergency; scene-response; the explosive tank; physical model; math logic model; construction; analysis

Theresearchofscene-responsemodelconstructionofexplosivetankemergency

PENG Xu-fu1, 2, ZHU Xiao-Wan1,3, YAN Hui1

(1.College of Computer Science and Technology, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China；2.College of Arts and Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China；3.College of Educational Science, Hubei Normal University, Huangshi 435002, China)

O231，TP13

A

2096-3149(2017)03- 0006-04

10.3969/j.issn.2096-3149.2017.03.002

2017—06—12

該課題受湖北省高等學校優秀中青年科技創新團隊計劃項目(T201430)；湖北省教育科學“十二五”規劃項目(2013B112)

彭緒富(1964— )，男，碩士，教授，研究方向為多媒體技術、信息安全、智能算法.