CN108171373B - 一种化工园区毒气泄露逃生路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种化工园区毒气泄露逃生路径规划方法。本发明先获取泄漏源点地理坐标，并以泄漏源为原点建立笛卡尔坐标系，将化工园区转化为节点网络图；采用改进后的高斯扩散模型计算出气体泄漏后大范围的有害气体浓度；通过气体扩散范围以及国家安全标准提出了一种计算出毒气泄漏后的安全区域的方法，并且提出一种改进的毒负荷量的计算方法量化人体所受伤害，采用Dijkstra最短路径算法，以毒负荷量为权重，规划出疏散人员到安全区域的最优路径。本发明及时为不同区域的人员规划出适合的安全避难所，避免了避难所拥挤情况，且简易计算方法，提高了运算速度，根据毒气对人体的量化找到一条通向避难所的最优路径。

Description

一种化工园区毒气泄露逃生路径规划方法

技术领域

本发明属于化工安全规划领域，涉及到自动化技术，特别是涉及一种化工园区安全路径规划优化方法。

背景技术

化工园区作为化学工业发展的主流，是近些年我国化学工业发展的新型模式。作为化工厂聚集地，化工园区在促进当地经济发展的同时，也存在不容忽视的安全隐患。化工园区内企业类型复杂，涉及化学品品种众多并且绝大多数具有易燃易爆，有毒有害等特性。并且化工园区内人员众多，人口密度较大，一旦工厂发生爆炸或者毒气泄漏，将会造成十分严重的后果。对于化工园区，最容易发生同时造成后果影响范围最为广泛的就是毒气泄漏。毒气泄漏一旦发生，不仅仅会对人体造成直接伤害，还会进一步引发爆炸，燃烧等灾害性事故。另外，在风速等气象条件的影响下受到毒气泄漏影响的范围会不断扩大，会对化工园区的居民人身安全产生巨大威胁。因此，在发生毒气泄漏事件时，必须为受到毒气影响的人员规划一条通向安全区域的路线，避免造成人员的重大伤亡。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种化工园区毒气泄露逃生路径规划方法，本发明的目标是在毒气泄露后，为化工园区不同区域的人员选择适合的安全区域，并且针对疏散人员规划处最优的逃生路径，使人员在疏散过程中受到的伤害最小。

本发明的技术方案是采用GIS技术将整个化工园区抽象为节点网络图，通过改进的高斯烟羽扩散模型计算园区内各个点的毒气浓度。使用改进后的分段计算方式计算毒负荷量，即每条道路上毒气对人体伤害的量化。利用相关安全规定为化工园区疏散人员选取合适的安全避难所，采用Dijkstra算法，将Dijkstra算法中的长度权重转化为毒负荷量，就可以计算出通向目标点的最优路径。

本发明的具体步骤是：

步骤1根据高斯烟羽模型，确定毒气泄露后各点的毒气浓度。

首先确定危险品泄漏模型。根据危险化学品相态的不同，当危险化学品从储罐中泄漏时，相应的泄漏模型也有所不同，本发明采用气体经小孔泄漏模型。针对小孔泄露模型，当压强关系满足

泄漏气体为音速流动，危险化学品的泄露速度为:

其中Q表示危险化学品的泄漏速度，单位为kg/s；M表示气体分子量，单位为kg/mol；R表示气体常数，为8.314J/mol·K；C_d表示孔流系数，当小孔为圆形时C_d＝1.00，当小孔为三角形时C_d＝0.95，当小孔为长方形时C_d＝0.95；A表示小孔的面积，单位为m²；T表示气体的分度，单位为K；p₀表示环境压强，单位是Pa；p表示容器内的绝对压力，单位为Pa；r为泄露气体的绝热指数。

在确定了危险品泄漏模型后，确定气体扩散模型。本发明使用的气体扩散模型为高斯烟羽扩散模型，并且对气体扩散模型进行了修正，使得模型能够适用于大范围的气体浓度计算。高斯烟羽模型以泄漏源为原点，下风向作为x轴正方向建立笛卡尔坐标系，从而计算每点的气体浓度，使用高斯烟羽扩散模型计算出的各点的气体浓度为：

式中C表示任意一点的污染物浓度，Q表示泄漏源的气体在单位时间内的排放量；δ_y是侧向扩散系数，污染物在y方向分布的标准偏差，是x的函数；δ_z是竖向扩散系数，污染物在z方向分布的标准偏差，是x的函数；H是泄漏源点的有效高度；u表示泄露处的平均风速；x代表污染源排放点至下风向上任意一点的距离；y表示污染气体的中心轴在直角方向上到任意点的距离；z表示从地表到任一点的高度其中δ_y，δ_z分别为水平横向和垂直扩散系数，两个参数的确定限制了高斯扩散模型的浓度分布的距离。扩散系数表示扩散范围以及速率大小的特征量，确定扩散系数有很多种方法。针对化工园区的毒气泄漏，需要对扩散系数进行修正。引入地面粗糙度的修正因子Z，对扩散系数进行修正，修正后的扩散系数为：

δ_y0＝δ_y*(1+a₀*Z)；

其中Z根据不同地面粗糙度有不同的取值，而a₀，b₀，c₀，d₀，e₀，f₀，g₀根据大气稳定度等级的不同有不同的取值。

步骤2：最优路径的规划

当化学工业园区发生毒气泄漏扩散事故时，最佳疏散路线的选择应该建立在对灾情科学地预测分析的基础上，对园区内的道路进行选择。疏散路线是指可用作将受灾人员从受灾点转移到安全区域的路径。最佳疏散路线的求解，实质上就是求解疏散过程中人体累计毒气浓度最小的路径，本发明介绍了一种求最优路径的方法。最优路径的规划主要考虑地图信息转化，毒气对人体伤害的量化，安全区域的确定，以及最优路径的选择。

①建立节点网络图

将整个化工园区看作是由道路、道路交叉点、人员聚集区构成的地理网络图，将地理网络图转化为几何网络图；其中几何网络模型是要素的集合，由边线和交汇点相连组成的系统；将道路交叉点和人员聚集区视为交汇点，道路视为边线，地理网络图转化为几何网络图；

②毒气对人体危害的量化

设有毒气体浓度为C，人员在该浓度下暴露的时间为t，这种情况下毒气浓度对人体的伤害用毒负荷TL来计算：

TL＝C*t

将应急疏散路径划分成无数个路段△l，按△l的间隔设置浓度采样点。相邻采样点间的浓度用前一个采样点的浓度计算，因而应急疏散路径被离散化为无数段△l组成的路径，则该路径上的毒负荷值为：

其中Δt_n指相邻采样点间采样时间间隔，c_n指相邻采样点间的毒气浓度，v_n指通过相邻采样点间的速度；n表示第n个采样点，m表示采样点总数；

在模拟计算中，假设人员在疏散过程中的速度是一个常数，连接节点i到节点j的路径

的毒负荷量为：

v表示通过整个路径的速度，x_i表示节点i的x轴坐标，x_j表示节点j的x轴坐标；

因此，定义路径上危险品对人员的伤害

为：

h表示当泄露点高度；z表示疏散人员的平均高度；y_k是根据节点i以及节点j的坐标(x_i，y_i)和(x_j，y_j)确定的关于x的函数；

根据AIHA(美国工业卫生协会)出版的《应急反应计划指南》，将气体泄漏后的区域划分出3个浓度范围。当毒气浓度在ERPG-3范围内时采用积分计算毒气对人体伤害；当毒气浓度在ERPG-2范围内时，以起点i的横坐标x_i和结束点j的纵坐标x_j为范围，每隔8米取一个点k，计算点k的浓度值，将取到点的浓度值进行累加，得到：

当毒气浓度在ERPG-1范围内时，以起点i的横坐标x_j和结束点j的纵坐标x_j为范围，每隔15米取一个点k，计算点k的浓度值，将取到点的浓度值进行累加，得到：

③到达目标点最优路径的选择

在疏散过程中，需要确定一个目标点，疏散人员选择一条通向目标点的最优路径。根据

的值，在众多路径中选择一条通向目标点的路径；定义疏散的方向为远离泄漏点，并沿着毒气浓度降低的方向。也就是说，当

时，疏散方向为M_i-M_j；当

时，疏散方向为M_j-M_i。在路径通行时，人员受到的伤害需要最小。综合以上分析，以疏散过程中人员健康伤害最低为目标选择最优逃生路径的模型如下：

④安全避难所的选择

以泄漏源点作为笛卡尔坐标系的原点，以下风向作为x轴正方向。作为避难所的节点的x轴距离大于下风向疏散距离X_h；y轴坐标需要大于疏散区距离Y_f。避难所节点的坐标为(X_s，Y_s)，得到两个约束条件：

X_s＞X_h；

Y_s＞Y_f；

由疏散区和下风向疏散距离得到的避难所节点，将其看作一个节点集合S；利用高斯扩散模型，计算出集合S中各个节点的毒气浓度；根据我国的《工业企业设计卫生标准》中规定的危险化工品在空气中的浓度的最高容许范围MAC，在集合S中选取k个符合浓度范围的节点，作为避难所；在确定了k个安全避难所后，计算出疏散人员到k个安全避难所最优路径的

选择最小的一个作为最终疏散终点。

有益效果：使用改进后的高斯烟羽扩散模型能够在毒气泄漏后确定大范围的毒气浓度，同时采用分段计算的方法能够在事故发生后快速计算毒负荷量的值，快速规划出逃生路径。对于不同地点的人员，规划出了不同的避难所，在进行疏散时能够避免拥挤现象，让人员进行有序疏散。

具体实施方式

一种化工园区毒气泄露逃生路径规划方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1根据高斯烟羽模型，确定毒气泄露后各点的毒气浓度。

首先确定危险品泄漏模型。根据危险化学品相态的不同，当危险化学品从储罐中泄漏时，相应的泄漏模型也有所不同，本发明采用气体经小孔泄漏模型。针对小孔泄露模型，当压强关系满足

泄漏气体为音速流动，危险化学品的泄露速度为:

其中Q表示危险化学品的泄漏速度，单位为kg/s；M表示气体分子量，单位为kg/mol；R表示气体常数，为8.314J/mol·K；C_d表示孔流系数，当小孔为圆形时C_d＝1.00，当小孔为三角形时C_d＝0.95，当小孔为长方形时C_d＝0.95；A表示小孔的面积，单位为m²；T表示气体的分度，单位为K；p₀表示环境压强，单位是Pa；p表示容器内的绝对压力，单位为Pa；r为泄露气体的绝热指数。

在确定了危险品泄漏模型后，确定气体扩散模型。本发明使用的气体扩散模型为高斯烟羽扩散模型，并且对气体扩散模型进行了修正，使得模型能够适用于大范围的气体浓度计算。高斯烟羽模型以泄漏源为原点，下风向作为x轴正方向建立笛卡尔坐标系，从而计算每点的气体浓度，使用高斯烟羽扩散模型计算出的各点的气体浓度为：

式中C表示任意一点的污染物浓度，Q表示泄漏源的气体在单位时间内的排放量；δ_y是侧向扩散系数，污染物在y方向分布的标准偏差，是x的函数；δ_z是竖向扩散系数，污染物在z方向分布的标准偏差，是x的函数；H是泄漏源点的有效高度；u表示泄露处的平均风速；x代表污染源排放点至下风向上任意一点的距离；y表示污染气体的中心轴在直角方向上到任意点的距离；z表示从地表到任一点的高度其中δ_y，δ_z分别为水平横向和垂直扩散系数，两个参数的确定限制了高斯扩散模型的浓度分布的距离。扩散系数表示扩散范围以及速率大小的特征量，确定扩散系数有很多种方法。针对化工园区的毒气泄漏，需要对扩散系数进行修正。引入地面粗糙度的修正因子Z，对扩散系数进行修正，修正后的扩散系数为：

δ_y0＝δ_y*(1+a₀*Z)；

其中Z根据不同地面粗糙度有不同的取值，而a₀，b₀，c₀，d₀，e₀，f₀，g₀根据大气稳定度等级的不同有不同的取值。

步骤2：最优路径的规划

当化学工业园区发生毒气泄漏扩散事故时，最佳疏散路线的选择应该建立在对灾情科学地预测分析的基础上，对园区内的道路进行选择。疏散路线是指可用作将受灾人员从受灾点转移到安全区域的路径。最佳疏散路线的求解，实质上就是求解疏散过程中人体累计毒气浓度最小的路径，本发明介绍了一种求最优路径的方法。最优路径的规划主要考虑地图信息转化，毒气对人体伤害的量化，安全区域的确定，以及最优路径的选择。

①建立节点网络图

将整个化工园区看作是由道路、道路交叉点、人员聚集区构成的地理网络图，将地理网络图转化为几何网络图；其中几何网络模型是要素的集合，由边线和交汇点相连组成的系统；将道路交叉点和人员聚集区视为交汇点，道路视为边线，地理网络图转化为几何网络图；

②毒气对人体危害的量化

设有毒气体浓度为C，人员在该浓度下暴露的时间为t，这种情况下毒气浓度对人体的伤害用毒负荷TL来计算：

TL＝C*t

将应急疏散路径划分成无数个路段△l，按△l的间隔设置浓度采样点。相邻采样点间的浓度用前一个采样点的浓度计算，因而应急疏散路径被离散化为无数段△l组成的路径，则该路径上的毒负荷值为：

其中Δt_n指相邻采样点间采样时间间隔，c_n指相邻采样点间的毒气浓度，v_n指通过相邻采样点间的速度；n表示第n个采样点，m表示采样点总数；

在模拟计算中，假设人员在疏散过程中的速度是一个常数，连接节点i到节点j的路径

的毒负荷量为：

v表示通过整个路径的速度，x_i表示节点i的x轴坐标，x_j表示节点j的x轴坐标；

因此，定义路径上危险品对人员的伤害

为：

h表示当泄露点高度；z表示疏散人员的平均高度；y_k是根据节点i以及节点j的坐标(x_i，y_i)和(x_j，y_j)确定的关于x的函数；

根据AIHA(美国工业卫生协会)出版的《应急反应计划指南》，将气体泄漏后的区域划分出3个浓度范围。当毒气浓度在ERPG-3范围内时采用积分计算毒气对人体伤害；当毒气浓度在ERPG-2范围内时，以起点i的横坐标x_i和结束点j的纵坐标x_j为范围，每隔8米取一个点k，计算点k的浓度值，将取到点的浓度值进行累加，得到：

当毒气浓度在ERPG-1范围内时，以起点i的横坐标x_i和结束点j的纵坐标x_j为范围，每隔15米取一个点k，计算点k的浓度值，将取到点的浓度值进行累加，得到：

③到达目标点最优路径的选择

在疏散过程中，需要确定一个目标点，疏散人员选择一条通向目标点的最优路径。根据

的值，在众多路径中选择一条通向目标点的路径；定义疏散的方向为远离泄漏点，并沿着毒气浓度降低的方向。也就是说，当

时，疏散方向为M_i-M_j；当

时，疏散方向为M_j-M_i。在路径通行时，人员受到的伤害需要最小。综合以上分析，以疏散过程中人员健康伤害最低为目标选择最优逃生路径的模型如下：

④安全避难所的选择

以泄漏源点作为笛卡尔坐标系的原点，以下风向作为x轴正方向。作为避难所的节点的x轴距离大于下风向疏散距离X_h；y轴坐标需要大于疏散区距离Y_f。避难所节点的坐标为(X_s，Y_s)，得到两个约束条件：

X_s＞X_h；

Y_s＞Y_f；

由疏散区和下风向疏散距离得到的避难所节点，将其看作一个节点集合S；利用高斯扩散模型，计算出集合S中各个节点的毒气浓度；根据我国的《工业企业设计卫生标准》中规定的危险化工品在空气中的浓度的最高容许范围MAC，在集合S中选取k个符合浓度范围的节点，作为避难所；在确定了k个安全避难所后，计算出疏散人员到k个安全避难所最优路径的

选择最小的一个作为最终疏散终点。

Claims (1)

1.一种化工园区毒气泄露逃生路径规划方法，其特征在于，该方法的步骤包括：

步骤1：根据高斯烟羽模型，确定毒气泄露后的毒气浓度；

步骤2：最优路径的规划

①建立节点网络图

将整个化工园区看作是由道路、道路交叉点、人员聚集区构成的地理网络图，将地理网络图转化为几何网络图；其中几何网络模型是要素的集合，由边线和交汇点相连组成的系统；将道路交叉点和人员聚集区视为交汇点，道路视为边线，地理网络图转化为几何网络图；

②毒气对人体危害的量化

设有毒气体浓度为C，人员在该浓度下暴露的时间为t，这种情况下毒气浓度对人体的伤害用毒负荷TL来计算：

TL＝C*t

将应急疏散路径划分成无数个路段△l，按△l的间隔设置浓度采样点；相邻采样点间的浓度用前一个采样点的浓度计算，因而应急疏散路径被离散化为无数段△l组成的路径，则该路径上的毒负荷值为：

其中Δt_n指相邻采样点间采样时间间隔，c_n指相邻采样点间的毒气浓度，v_n指通过相邻采样点间的速度；n表示第n个采样点，m表示采样点总数；

在模拟计算中，假设人员在疏散过程中的速度是一个常数，连接节点i到节点j的路径

的毒负荷量为：

v表示通过整个路径的速度，x_i表示节点i的x轴坐标，x_j表示节点j的x轴坐标；

因此，定义路径上危险品对人员的伤害

为：

h表示当泄露点高度；z表示疏散人员的平均高度；y_k是根据节点i以及节点j的坐标(x_i,y_i)和(x_j,y_j)确定的关于x的函数；

将气体泄漏后的区域划分出3个浓度范围；当毒气浓度在ERPG-3范围内时采用积分计算毒气对人体伤害；当毒气浓度在ERPG-2范围内时，以起点i的横坐标x_i和结束点j的纵坐标x_j为范围，每隔8米取一个点k，计算点k的浓度值，将取到点的浓度值进行累加，得到：

当毒气浓度在ERPG-1范围内时，以起点i的横坐标x_i和结束点j的纵坐标x_j为范围，每隔15米取一个点k，计算点k的浓度值，将取到点的浓度值进行累加，得到：

③到达目标点最优路径的选择

在疏散过程中，需要确定一个目标点，疏散人员选择一条通向目标点的最优路径，根据

的值，在众多路径中选择一条通向目标点的路径；定义疏散的方向为远离泄漏点，并沿着毒气浓度降低的方向；也就是说，当

时，疏散方向为M_i-M_j；当

时，疏散方向为M_j-M_i；在路径通行时，人员受到的伤害需要最小；综合以上分析，以疏散过程中人员健康伤害最低为目标选择最优逃生路径的模型如下：

④安全避难所的选择

以泄漏源点作为笛卡尔坐标系的原点，以下风向作为x轴正方向；作为避难所的节点的x轴距离大于下风向疏散距离X_h；y轴坐标需要大于疏散区距离Y_f；避难所节点的坐标为(X_s，Y_s)，得到两个约束条件：

X_s>X_h；

Y_s>Y_f；

由疏散区和下风向疏散距离得到的避难所节点，将其看作一个节点集合S；利用高斯扩散模型，计算出集合S中各个节点的毒气浓度；设定危险化工品在空气中的浓度的最高容许范围MAC，在集合S中选取k个符合浓度范围的节点作为避难所；在确定了k个安全避难所后，分别计算出疏散人员到k个安全避难所最优路径的

选择最小的一个作为最终疏散终点。