考慮優(yōu)先性的罐區(qū)火災(zāi)事故應(yīng)急行動(dòng)研究

周劍峰教授 李 科

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

石化行業(yè)罐區(qū)中的易燃易爆物質(zhì)在運(yùn)輸、加工和儲(chǔ)存過(guò)程中極易發(fā)生泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故，從而使罐區(qū)由于多米諾效應(yīng)發(fā)生重大火災(zāi)事故。眾所周知，快速高效的應(yīng)急響應(yīng)能將事故損失降至最低，而應(yīng)急響應(yīng)是由一系列應(yīng)急行動(dòng)組成的，因此，對(duì)事故的應(yīng)急行動(dòng)時(shí)間性能進(jìn)行研究具有重要意義。

國(guó)外對(duì)罐區(qū)火災(zāi)事故的研究有：Cozzani V等概括和統(tǒng)計(jì)罐區(qū)火災(zāi)事故多米諾效應(yīng)的閾值；Yuan C等提出一種基于解釋結(jié)構(gòu)模型和改進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的火災(zāi)事故應(yīng)急過(guò)程因果關(guān)系分析方法；Keir J L A等研究消防員在滅火救援過(guò)程中燃燒副產(chǎn)品和選定金屬的接觸情況。國(guó)內(nèi)對(duì)罐區(qū)火災(zāi)事故的研究有：黃鄭華等對(duì)罐區(qū)火災(zāi)的撲救措施、新方法新技術(shù)等進(jìn)行研究；葛曉霞等基于上千例罐區(qū)火災(zāi)案例研究?jī)?chǔ)罐的類(lèi)型、材料、防腐技術(shù)和布置間距等；李樹(shù)謙等探討我國(guó)現(xiàn)行罐區(qū)安全距離的合理性。綜上可知，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)罐區(qū)火災(zāi)事故應(yīng)急方面的研究中未考慮應(yīng)急行動(dòng)與應(yīng)急資源的關(guān)系，研究成果缺乏實(shí)踐性和應(yīng)用性。Petri網(wǎng)是一種動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模和分析的工具，已被廣泛運(yùn)用于震后、城市突發(fā)事件、地鐵火災(zāi)等應(yīng)急方面的研究，具有強(qiáng)大的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行描述的能力，適用于罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程的建模仿真。因此，本文通過(guò)使用Petri網(wǎng)對(duì)罐區(qū)火災(zāi)事故應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程中的行動(dòng)優(yōu)先性及時(shí)間性能進(jìn)行研究。

1 應(yīng)急行動(dòng)的優(yōu)先性及對(duì)應(yīng)急過(guò)程的影響

可并行執(zhí)行的行動(dòng)A, A, …, A在執(zhí)行中具有優(yōu)先順序。假設(shè)優(yōu)先性A>A>…>A，每個(gè)行動(dòng)的執(zhí)行需要相應(yīng)的資源，如火災(zāi)撲救中需要消防員、消防車(chē)等，但資源數(shù)量可能不足以同時(shí)執(zhí)行這些行動(dòng)，且由于應(yīng)急行動(dòng)隨時(shí)間而動(dòng)態(tài)變化，資源投入其中的時(shí)間就不一致。設(shè)

n

個(gè)行動(dòng)需要同類(lèi)資源(如人員)，每個(gè)行動(dòng)執(zhí)行需要一定數(shù)量的資源，而資源到達(dá)時(shí)間不同，設(shè)執(zhí)行行動(dòng)A, A, …, A需要資源數(shù)量分別是

C

,

C

,…，

C

，執(zhí)行完成這些行動(dòng)的時(shí)間分別為

e

,

e

,…，

e

。由于資源到達(dá)的時(shí)間和數(shù)量不同，這可能形成不同的應(yīng)急過(guò)程。考慮應(yīng)急行動(dòng)A和A的關(guān)系：(1)假設(shè)首先到達(dá)的資源數(shù)為

a

，并且

a

>

C

，但

a

<

C

+

C

，那么，

C

個(gè)資源會(huì)被分配給行動(dòng)A，剩余的

a

-

C

<

C

，行動(dòng)A無(wú)法執(zhí)行。這時(shí)，A開(kāi)始執(zhí)行，A繼續(xù)等待資源。情形1：新資源在A執(zhí)行過(guò)程中未到達(dá)。在A執(zhí)行完后，A釋放出數(shù)量

C

的資源，可用資源總數(shù)為

a

，如果

a

≥

C

，那么A等待A執(zhí)行完，再執(zhí)行，A和A的應(yīng)急時(shí)間為

e

+

e

；如果

a

<

C

，那么A繼續(xù)等待新的資源。情形2：新資源在A執(zhí)行時(shí)間

e

'后到達(dá)。如果新資源數(shù)量大于

C

，A立即執(zhí)行，應(yīng)急時(shí)間為max(

e

,

e

'+

e

)；如果新資源數(shù)量小于

C

，A繼續(xù)等待。(2)首先到達(dá)的資源數(shù)大于

C

，且大于

C

+

C

，那么，A和A將并行執(zhí)行，應(yīng)急時(shí)間為max(

e

,

e

)。

若考慮多個(gè)具有優(yōu)先性的行動(dòng)，應(yīng)急過(guò)程更為復(fù)雜，常規(guī)方法很難分析應(yīng)急過(guò)程的時(shí)間性能，而利用Petri網(wǎng)建?？梢院芎玫亟鉀Q這一問(wèn)題，因而本研究采用Petri網(wǎng)仿真建模進(jìn)行分析。

2 Petri網(wǎng)建模方法

2.1 時(shí)間混合Petri網(wǎng)

定義1：時(shí)間混合Petri網(wǎng)(THPN)是一個(gè)六元組。

THPN=(

P

,

T

,

L

,

ζ

,

ν

,

ζ

,

M

)

式中：

P

—庫(kù)所集，分為離散庫(kù)所

P

和連續(xù)庫(kù)所

P

，離散庫(kù)所中的托肯數(shù)值為一個(gè)自然數(shù)，連續(xù)庫(kù)所中的托肯數(shù)值為一個(gè)實(shí)數(shù)；

T

—變遷集，分為離散變遷

T

、連續(xù)變遷

T

和定時(shí)變遷

T

；

L

—有向弧集合，分為標(biāo)準(zhǔn)弧

L

，讀弧

L

和抑制弧

L

，

L

?

P

×

T

∪

T

×

P

；

ζ

—離散變遷的時(shí)間集，為相應(yīng)變遷賦予時(shí)延；

ν

—連續(xù)變遷的速率集，為相應(yīng)變遷設(shè)置發(fā)射速率；

ζ

—定時(shí)變遷的預(yù)定激活時(shí)間，為相應(yīng)的定時(shí)變遷設(shè)置激活時(shí)刻；

M

—初始標(biāo)記，定義各個(gè)庫(kù)所的初始托肯數(shù)。

Petri網(wǎng)元素圖標(biāo)及含義，如圖1。

圖1 Petri網(wǎng)的基本元素圖形及名稱(chēng)

定義2：對(duì)于離散變遷

t

，若

p

∈

t

,

t

∈

T

,

F

(

p

,

t

)為弧函數(shù)，

t

在標(biāo)記

M

有發(fā)生權(quán)記作

M

[

t

>，

t

發(fā)生后

M

變?yōu)?p>M

'，則系統(tǒng)狀態(tài)變化關(guān)系滿(mǎn)足如下公式(1)：

(1)

其中，

t

表示前置庫(kù)所，

t

表示后置庫(kù)所。每個(gè)離散變遷還有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的延遲時(shí)間，即當(dāng)離散變遷滿(mǎn)足發(fā)生條件時(shí)，假設(shè)延遲時(shí)間為

e

，則這個(gè)離散變遷需要經(jīng)過(guò)時(shí)間

e

才能執(zhí)行完成。定義3：對(duì)于連續(xù)變遷

t

，其在THPN中代表一個(gè)微分方程：

(2)

其中，

p

表示前置變遷，

p

表示后置變遷。定義4：對(duì)于定時(shí)變遷

T

，其本質(zhì)上屬于離散變遷，因此，它的執(zhí)行規(guī)則滿(mǎn)足定義2，其與離散變遷的區(qū)別在于，除了符合定義2的性質(zhì)之外，其還與一個(gè)預(yù)設(shè)激活時(shí)間

e

相關(guān)聯(lián)，即假設(shè)模型開(kāi)始運(yùn)行時(shí)間定為0時(shí)刻，定時(shí)變遷則需要到

e

時(shí)刻，在滿(mǎn)足發(fā)生條件時(shí)，才會(huì)被觸發(fā)。定義5：標(biāo)準(zhǔn)弧的作用。圖2中庫(kù)所

P

和變遷

T

由標(biāo)準(zhǔn)弧連接，若庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

a

≥

n

，變遷

T

才可以執(zhí)行，

T

執(zhí)行之后，

P

中的托肯數(shù)量變?yōu)?p>a

-

n

，

P

中的托肯數(shù)量變?yōu)?p>b

+

m

。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)弧的執(zhí)行規(guī)則

定義6：讀弧的作用。圖3中庫(kù)所

P

和變遷

T

由讀弧連接，若庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

c

≥

k

，并且，庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

a

≥

n

，變遷

T

才可以執(zhí)行，

T

執(zhí)行之后，庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量不變，依舊是

c

，

P

中的托肯數(shù)量變?yōu)?p>a

-

n

，

P

中的托肯數(shù)量變?yōu)?p>b

+

m

。

圖3 讀弧的執(zhí)行規(guī)則

定義7：抑制弧的作用。圖4中庫(kù)所

P

和變遷

T

由抑制弧弧連接，若庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

c

<

k

，并且，庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

a

≥

n

，變遷

T

才可以執(zhí)行，

T

執(zhí)行之后，庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量不變，依舊是

c

，

P

中的托肯數(shù)量變?yōu)?p>a

-

n

，

P

中的托肯數(shù)量變?yōu)?p>b

+

m

。

圖4 抑制弧的執(zhí)行規(guī)則

2.2 優(yōu)先性行動(dòng)建模

基于應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的資源分配模式下，當(dāng)一定數(shù)量的應(yīng)急資源A到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，

n

個(gè)待分配資源的應(yīng)急行動(dòng)，不具有相同的獲得資源的權(quán)利，行動(dòng)優(yōu)先性高所需的資源數(shù)量，將會(huì)優(yōu)先得到滿(mǎn)足。

n

個(gè)應(yīng)急行動(dòng)的優(yōu)先性為

η

(

T

')>

η

(

T

')>…>

η

(

T

')，則只有當(dāng)行動(dòng)

T

'所需的資源得到滿(mǎn)足之后，資源才會(huì)依次分配給

T

'、

T

'、

T

'、…、

T

'。該類(lèi)

T

'分配模式的Petri網(wǎng)模型，如圖5。其中，

P

(

j

=1，…，

n

)為控制庫(kù)所，其中托肯數(shù)量

y

～

y

分別代表

n

個(gè)應(yīng)急行動(dòng)分別所需資源數(shù)量的最小閾值。在圖5中，當(dāng)庫(kù)所

P

中出現(xiàn)托肯，由于庫(kù)所

P

與變遷

T

'～

T

'之間都有抑制弧存在，那么，只要庫(kù)所

P

中托肯數(shù)量

y

≠0，

T

'～

T

'就無(wú)法執(zhí)行；當(dāng)庫(kù)所

P

中托肯數(shù)量

y

=0，即行動(dòng)

T

'所需資源數(shù)量的最小閾值得到滿(mǎn)足之后，庫(kù)所

P

再次出現(xiàn)托肯，接下來(lái)，將會(huì)是變遷

T

'獲得執(zhí)行權(quán)力，其控制原理與前者相同，由于庫(kù)所

P

與變遷

T

'～

T

'之間都有抑制弧的存在，那么，只要庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

y

≠0，

T

'～

T

'就無(wú)法執(zhí)行；當(dāng)庫(kù)所

P

中的托肯數(shù)量

y

=0，即行動(dòng)

T

'所需資源數(shù)量的最小閾值得到滿(mǎn)足之后，庫(kù)所

P

再次出現(xiàn)托肯，才會(huì)輪到

T

'執(zhí)行，按照此規(guī)律，依此類(lèi)推，從而實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的資源分配。

圖5 基于應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的應(yīng)急資源分配模式

此外，THPN中托肯具有時(shí)間屬性，變遷在執(zhí)行時(shí)，在輸出庫(kù)所中生成托肯，根據(jù)輸入庫(kù)所中托肯的時(shí)間屬性及變遷時(shí)間，設(shè)置輸出庫(kù)所中托肯時(shí)間。這樣，在模型運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)變遷執(zhí)行使托肯在庫(kù)所中流動(dòng)，從而可以通過(guò)目標(biāo)庫(kù)所的托肯來(lái)獲得想要的時(shí)間，從而對(duì)應(yīng)急過(guò)程進(jìn)行時(shí)間性能分析。

3 仿真分析實(shí)例

以某工業(yè)園罐區(qū)火災(zāi)為例，該罐區(qū)共有6個(gè)汽油常壓罐，記作TK1、TK2、TK3、TK4、TK5、TK6，如圖6。這6個(gè)儲(chǔ)罐直徑都是20m，高度為10m，儲(chǔ)罐之間的中心距離都是30m。假設(shè)TK5儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)，本研究中只考慮重大火災(zāi)事故應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程中最典型的2種行動(dòng)：滅火和冷卻。由于多米諾效應(yīng)的發(fā)生是著火罐向周?chē)尫艧彷椛浔恢車(chē)渌麅?chǔ)罐接收導(dǎo)致，因此，本文所討論的熱輻射是鄰近罐接收到的熱輻射。進(jìn)行冷卻行動(dòng)時(shí)，假設(shè)消防車(chē)向周?chē)鷥?chǔ)罐噴出覆蓋在罐壁之上的泡沫溶液厚度達(dá)到0.1m，即能阻止熱輻射傳入儲(chǔ)罐內(nèi)部，由此，當(dāng)整個(gè)儲(chǔ)罐罐壁被泡沫溶液覆蓋，則表示該儲(chǔ)罐不會(huì)因罐壁失效而發(fā)生多米諾效應(yīng)。在進(jìn)行罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)時(shí)，為防止事故蔓延形成多米諾效應(yīng)，從而造成更大損失，冷卻鄰近儲(chǔ)罐比撲滅著火罐火災(zāi)具有優(yōu)先性，先到達(dá)的消防資源(消防車(chē)及相應(yīng)消防人員)需先滿(mǎn)足冷卻的需要。根據(jù)文獻(xiàn)[12]油罐火災(zāi)冷卻力量部署的相關(guān)公式可以得到，在本例中，儲(chǔ)罐TK3、TK4、TK6這3個(gè)儲(chǔ)油罐是需要進(jìn)行冷卻的鄰近罐，由此可以得到冷卻行動(dòng)至少需要14輛消防車(chē)，即進(jìn)行冷卻行動(dòng)所需消防車(chē)資源的最小閾值為14輛。

圖6 工業(yè)園罐區(qū)布局

基于Mudan模型，本例中鄰近儲(chǔ)罐受到的熱輻射大約為12.5kW/m，失效時(shí)間大約為17min。這里進(jìn)行一個(gè)假設(shè)：如果在17min之內(nèi)著火罐和鄰近罐所需的消防車(chē)數(shù)量沒(méi)有達(dá)到最低閾值，即14輛，則發(fā)生多米諾效應(yīng)。如果著火罐熱輻射降到接近0kW/m，則表示著火罐熄滅，滅火行動(dòng)成功。假設(shè)初始熱輻射為6kW/m，一共有5支消防隊(duì)前往火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，每支消防隊(duì)擁有的消防車(chē)數(shù)量分別為7、4、3、5、4輛，離散變遷的時(shí)延滿(mǎn)足指數(shù)分布，其平均時(shí)延(單位：min)分別為：

T

：1；

T

：3；

T

：2；

T

：3；

T

：2；

T

：6；

T

：3；

T

：8；

T

：5；

T

：1；

T

：3；

T

：0；

T

：0；

T

：17；

T

：0。對(duì)案例罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程建立Petri網(wǎng)模型，不考慮行動(dòng)的優(yōu)先性(如圖7)，記作模型1，庫(kù)所和變遷的含義，見(jiàn)下表。在不考慮應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的情況下，應(yīng)急資源到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之后分配是隨機(jī)的，這種分配模式的結(jié)果，很可能是導(dǎo)致冷卻和滅火所需的應(yīng)急資源都不足，又或者一種行動(dòng)足夠，而另一種行動(dòng)因?yàn)槿狈Y源而失敗。根據(jù)2.2所提出的考慮應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的模式對(duì)本例罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程建立Petri網(wǎng)模型(如圖8)，記作模型2，其庫(kù)所與變遷的含義與模型1一致但結(jié)構(gòu)不同。另外，模型2比模型1多出一個(gè)控制庫(kù)所

P

，

P

中托肯數(shù)量代表冷卻行動(dòng)所需資源的最低閾值，即由2.2所得到的14輛。當(dāng)

P

中有消防車(chē)到達(dá)，由于

P

與

T

之間抑制弧控制，此時(shí)，只有

T

有發(fā)生權(quán)，

T

需要等到用于冷卻行動(dòng)的消防車(chē)到達(dá)14輛才能執(zhí)行。

P

代表鄰近罐受到的熱輻射，由于

P

與

T

之間由讀弧連接，弧權(quán)重為14，

P

與

T

之間由抑制弧連接，弧權(quán)重為14，而

T

是定時(shí)變遷，設(shè)置為在系統(tǒng)運(yùn)行到第17分鐘時(shí)，激活一次，如果在第17分鐘之時(shí)，

P

中托肯數(shù)量小于14，

T

將會(huì)執(zhí)行，

P

將得到1個(gè)托肯，表示發(fā)生多米諾效應(yīng)，否則，

P

中的熱輻射變臨近0kW/m，表示沒(méi)有發(fā)生多米諾效應(yīng)。

P

代表著火罐熱輻射，

P

與

T

用抑制弧連接，只要

P

中的熱輻射值臨近0.1kW/m(因?yàn)榛?quán)重不能為0)，則表示火災(zāi)熄滅，

P

中得到1個(gè)托肯，滅火行動(dòng)成功。

表 Petri網(wǎng)庫(kù)所與變遷的含義

圖7 不考慮行動(dòng)優(yōu)先性的應(yīng)急響應(yīng)的Petri網(wǎng)模型

圖8 基于優(yōu)先性的分配模式的Petri網(wǎng)模型

Snoopy是一款著色時(shí)間混合Petri網(wǎng)的建模工具，目前，該工具在生物化學(xué)反應(yīng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證、離散制造系統(tǒng)等方面已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。因此，本研究使用該工具對(duì)所構(gòu)建的Petri網(wǎng)模型進(jìn)行分析。

通過(guò)利用Snoopy進(jìn)行10次仿真，得到模型1多米諾效應(yīng)發(fā)生的可能性為0.897，模型2多米諾效應(yīng)發(fā)生的可能性為0.172。應(yīng)急資源有限時(shí)，考慮應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的應(yīng)急資源分配策略比不考慮應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性的應(yīng)急資源分配策略多米諾效應(yīng)發(fā)生的概率小0.725。可見(jiàn)，根據(jù)行動(dòng)優(yōu)先性安排應(yīng)急資源或應(yīng)急力量時(shí)，應(yīng)急響應(yīng)成功概率更高，這是因?yàn)樵诨馂?zāi)事故發(fā)生時(shí)，由于當(dāng)?shù)貞?yīng)急中心和消防部門(mén)距離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)近不同，各個(gè)消防站接收到信息的時(shí)間不同等因素，導(dǎo)致消防員、消防車(chē)等應(yīng)急資源到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間也不同，在第一支消防隊(duì)伍到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)成立指揮中心后，應(yīng)迅速收集著火罐及周?chē)徑扌畔?，迅速?jì)算冷卻和滅火相應(yīng)的應(yīng)急資源，根據(jù)行動(dòng)優(yōu)先性對(duì)隨機(jī)到達(dá)的資源進(jìn)行調(diào)配，這種調(diào)配模式，比起應(yīng)急力量或資源隨機(jī)調(diào)配更能應(yīng)急成功。

4 結(jié)論

(1)本文針對(duì)罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程中應(yīng)急資源難預(yù)測(cè)、隨機(jī)性大等特點(diǎn)，提出基于時(shí)間混合Petri網(wǎng)的應(yīng)急行動(dòng)優(yōu)先性建模方法，通過(guò)對(duì)應(yīng)急響應(yīng)過(guò)程時(shí)間性能的仿真分析，以某工業(yè)園罐區(qū)火災(zāi)為例驗(yàn)證所提出的行動(dòng)優(yōu)先性方法的有效性，對(duì)實(shí)際罐區(qū)火災(zāi)應(yīng)急行動(dòng)具有一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

(2)本文只分析了冷卻和滅火2個(gè)主要應(yīng)急行動(dòng)的優(yōu)先性對(duì)應(yīng)急響應(yīng)成功率的影響，未來(lái)在此基礎(chǔ)上加入需要使用應(yīng)急資源的其他應(yīng)急行動(dòng)的優(yōu)先性將是進(jìn)一步的研究目標(biāo)。