CN113918673A - 毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，本发明提供了一种毒气泄漏事故中，人员应急疏散路径规划方法，通过高斯烟羽扩散模型计算毒气的扩散分布情况，进而评估每条路段的受灾风险状况，快速的分析出受灾人员的逃生路径。通过构建的地理数据网络图，为受灾人员提供合适的避难点，结合疏散人数与避难点剩余容量，决定是否采用分组疏散策略。该方法可以实现快速的疏散规划，实现人员快速安全疏散。

Description

毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法

技术领域

本发明涉及一种毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法。

背景技术

近年来，随着我国化工行业生产水平和加工规模的逐年增长，危化品的生产、存储以及运输逐渐向规模化、大型化的趋势发展，重特大危险源不断增多，随之而来的是危化品泄漏事故的频繁发生。危化品泄漏最常见的表现方式之一，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,会对附近的居民人身安全产生巨大威胁。因此，当有毒气泄漏事故发生时，需要将处于危险区域的人群疏散到安全区域。紧急状况下，危险区域内的人群处于恐慌和无序的状态，准确快速地确定危险区域和制定最佳应急疏散方案，不仅可以最大程度地降低人员伤亡，而且可以防止盲目的采取应急措施而劳民伤财。

发明内容

本发明的目的在于提供一种毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法。

为解决上述问题，本发明提供一种毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，包括：

步骤1：利用GIS理论方法构建事故区域的疏散网络拓扑模型；

步骤2：利用报警模块通知相关应急部门以及群众，上传事故信息到数据库；

步骤3：选择高斯烟羽模型进行气体扩散模拟；

步骤4：评估受灾路段风险；

步骤5：根据总疏散距离与毒性负荷的加权和最小为依据，规划疏散路径；

步骤6：依据受灾人数以及避难点可容纳人数确定是否采用分组疏散。

进一步的，在上述方法中，步骤1，包括构建事故区地理数据库，其中，构建事故区地理数据库包括：

以居民小区或村为单位聚集成居民点，且忽略其主观意识。将疏散过程中的居民点、应急避难场所及道路交叉口抽象为结点，道路抽象为弧段。采用GIS网络分析方法将上述数据转化为疏散网络拓扑模型。

进一步的，在上述方法中，步骤2，包括毒气泄漏报警，其中，毒气泄漏报警包括：

当发生事故时，毒气泄漏报警模块接收到来自现场的危险信号，立即将事故通知相关应急部门，同时将事故位置信息上传地理数据库。

进一步的，在上述方法中，步骤3，包括：毒气扩散模拟研究，其中，毒气扩散模拟研究包括：

对于固定点源连续泄漏事故，用高斯烟羽模型来进行数学表示，即：

式中:C(x，y，z)表示下风向某点(x，y，z)处泄漏气体的浓度，单位为mg/m3；

Q表示泄漏平均源强，单位为mg/s；

u表示环境平均风速，单位为m/s；

He表示有效泄漏高度；

H表示泄漏口距地面的几何高度；

ΔH表示烟气抬升高度，即He＝H+ΔH，单位为m；

σy和σz分别表示Y和Z方向的扩散参数，单位为m；

扩散参数σy、σz的计算函数为σy＝aXb；σz＝cXd。

进一步的，在上述方法中，步骤4，评估受灾路段风险，包括：

将应急疏散网络的范围划分为一个个小网格，以毒气泄漏点为坐标原点在距离泄漏点ΔL的东西南北四个方向进行采样，每次间隔Δt的时间，间接生成采样点，输入毒气扩散的初始参数，对采样点进行浓度赋值，将采样点的浓度落在网格当中，进行空间与时间的分析；

利用毒性负荷来表示受灾路段风险值，如下：

毒性负荷定义为毒气浓度和接触时间的函数，其表达式为：

式中:Pc表示毒性负荷；c表示浓度值或暴露剂量，单位为ppm；l表示人所处的位置；t表示暴露时间，单位为min；n表示取决于毒气性质的浓度指数；

计算毒气对人体致命伤害概率，选取概率函数方程来估算其表达式为：

P_r＝k₁+k₂lnP_c；

式中:Pr表示受体致死概率；k1和k2表示取决于毒气性质的常数。

进一步的，在上述方法中，步骤5，包括：应急疏散路径规划，其中，应急疏散路径规划包括：

以疏散路径的长度，总的毒性负荷为加权系数，以居民点为基本单位制定疏散策略，其模型为：

式中:Z约束了最优路径的衡量标准表示疏散路径总长度与总毒性负荷的加权和最小；

C表示需疏散的居民点数量；

i为其编号；S表示安全应急避难场所数量，j为其编号；

D_ij表示从i到j的路径总长度；ω表示将毒性负荷值转换为路径长度的转换系数，具体取值与危化品扩散的影响程度有关；

P_ij表示从i到j的总毒性负荷；

X_ij表示标记，当居民点i分配给避难场所j时，X_ij＝1，否则X_ij＝0。

进一步的，在上述方法中，步骤6，包括：分组疏散策略，其中，所述分组疏散策略，包括：

对于人数较多的居民点来说，不一定能找到一次性满足所有疏散人群的疏散点，所以要将疏散人群进行分组疏散，故在为疏散人群寻找避难点的时候，根据避难点的剩余容量决定是否采取分组疏散；当避难点的剩余容量大于疏散人群数量，则受灾人群全部进入该避难点，否则采取分组疏散，直至疏散全部完成。

与现有技术相比，本发明提供了一种毒气泄漏事故中，人员应急疏散路径规划方法，通过高斯烟羽扩散模型计算毒气的扩散分布情况，进而评估每条路段的受灾风险状况，快速的分析出受灾人员的逃生路径。通过构建的地理数据网络图，为受灾人员提供合适的避难点，结合疏散人数与避难点剩余容量，决定是否采用分组疏散策略。该方法可以实现快速的疏散规划，实现人员快速安全疏散。

附图说明

图1是本发明一实施例的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法的原理图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，包括：

步骤1：利用GIS理论方法构建事故区域的疏散网络拓扑模型。

以居民小区或村为单位聚集成居民点，且忽略其主观意识。将疏散过程中的居民点、应急避难场所及道路交叉口抽象为结点，道路抽象为弧段。采用GIS网络分析方法将上述数据转化为网络模型。

步骤2毒气泄漏报警。

当发生事故时，毒气泄漏报警模块接收到来自现场的危险信号，立即将事故通知相关应急部门，同时将事故位置信息上传地理数据库。

步骤3-1选择高斯烟羽模型进行气体扩散模拟.

当发生事故时，毒气泄漏报警模块接收到来自现场的危险信号，立即将事故通知相关应急部门，同时将事故位置信息上传地理数据库。

步骤3-2根据高斯烟羽模型，确定毒气泄漏后扩散浓度数值。

首先根据危化品泄漏事故中，不同类型的泄漏事故占全部事故的比例确定危化品泄漏事故模型。根据相关数据显示，固定点源泄漏事故占所有泄漏事故的95％。因此本发明采用固定点源泄漏事故模型。

确定事故类型之后，根据高斯烟羽模型，确定分析气体扩散程度。高斯烟羽模型以泄漏源为原点,下风向作为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(x，y，z)表示下风向某点(x，y，z)处泄漏气体的浓度，单位为mg/m³；Q表示泄漏平均源强，单位为mg/s；u表示环境平均风速，单位为m/s；He表示有效泄漏高度，H表示泄漏口距地面的几何高度，ΔH表示烟气抬升高度，即H_e＝H+ΔH，单位为m；σy和σz分别表示Y和Z方向的扩散参数，单位为m。

常用的扩散参数σy、σz的计算函数为：

σ_y＝aX^b；

σ_z＝cX^d；

取值参考国标《制定地方大气污染排放标准的技术原则和方法》(GB3840-83)与《环境影响评价技术原则——大气环境》(HJ/T 2.2-93)。

步骤4评估受灾路段风险。

当灾害发生后，在组织应急疏散之前进行路段受灾风险评估，对于保证疏散人员的安全尤为重要。对于危化品泄漏事故，可根据其种类及泄漏类型选择相应的扩散模型进行浓度的模拟计算，得到危化品泄漏后的浓度时空分布。

具体步骤是将应急疏散网络的范围划分为一个个小网格，以毒气泄漏点为坐标原点在距离泄漏点ΔL的东西南北四个方向进行采样，每次间隔Δt的时间，间接生成采样点，输入毒气扩散的初始参数，对采样点进行浓度赋值，将采样点的浓度落在网格当中，进行空间与时间的分析。

利用毒性负荷来表示受灾路段风险值，具体如下：

毒性负荷定义为毒气浓度和接触时间的函数，其表达式为：

式中:Pc表示毒性负荷；c表示浓度值或暴露剂量，单位为ppm；l表示人所处的位置；t表示暴露时间，单位为min；n表示取决于毒气性质的浓度指数。

计算毒气对人体致命伤害概率，可以选取概率函数方程来估算其表达式为：

P_r＝k₁+k₂lnP_c

式中:Pr表示受体致死概率；k1和k2表示取决于毒气性质的常数。

步骤5：根据总疏散距离与毒性负荷的加权和最小为依据，规划疏散路径；

由于本发明是采用毒性负荷表示路段受灾风险，因其具有时间属性，故以应急疏散路径的总长度和总毒性负荷最低为优化目标。对于以居民点为基本单位的疏散策略，其数学疏散模型为：

式中:Z约束了最优路径的衡量标准表示疏散路径总长度与总毒性负荷的加权和最小；C表示需疏散的居民点数量；i为其编号；S表示安全应急避难场所数量，j为其编号；D_ij表示从i到j的路径总长度；ω表示将毒性负荷值转换为路径长度的转换系数，具体取值与危化品扩散的影响程度有关；Pij表示从i到j的总毒性负荷。X_ij表示标记，当居民点i分配给避难场所j时，X_ij＝1，否则X_ij＝0。

约束条件有6个：

(1)将危险区域内的应急避难场所定义为“危险避难场所”，在应急疏散规划中只考虑危险区域外的应急避难场所。

(2)确保每个需疏散组内的人员全部被转移至安全避难场所。

(3)紧急状态下的人员疏散行为，一般会存在从众心理而趋于一致，疏散过程不考虑人群中的个体差异和相互影响，属于宏观尺度疏散。

(4)疏散人员无折返行为。

(5)不考虑疏散人员吸入毒气后的中毒不良反应，即毒气的吸入不影响疏散速度和相关操作，如通过驾车疏散时，毒气吸入不影响驾驶操作等。

(6)不考虑疏散组外的疏散行为，如忽略危化品泄漏前在道路上正常行驶的车辆和人员。

步骤6：依据受灾人数以及避难点可容纳人数确定是否采用分组疏散。故本发明将受灾点人数与安全避难场所容量结合分析，采用分组疏散策略，并遵循避难场所利用率高且不超过其容量的规划规则，将受灾居民点拆分成多个疏散组，分配至不同的避难场所。考虑到拆分的疏散组过多会增加疏散过程中的管理难度，故对疏散拆分次数进行限制，不能使受灾点拆分次数过多。因此设置最小疏散组人数(MinPop)，确保拆分过程中不会出现人数小于Min Pop的疏散组。同时考虑到疏散效率、避难点容量利用效率及其应对二次灾害的能力，故对避难点做出如下规定:(1)若受灾点剩余人数小于避难点剩余容量，则将该受灾点群众全部分配到该避难点；(2)若受灾点剩余人数大于避难点剩余容量，则将受灾点进行拆分，则拆分的疏散组等于该避难点的剩余容量。

本发明提供了一种毒气泄漏事故中，人员应急疏散路径规划方法，通过高斯烟羽扩散模型计算毒气的扩散分布情况，进而评估每条路段的受灾风险状况，快速的分析出受灾人员的逃生路径。通过构建的地理数据网络图，为受灾人员提供合适的避难点，结合疏散人数与避难点剩余容量，决定是否采用分组疏散策略。该方法可以实现快速的疏散规划，实现人员快速安全疏散。

本发明还提供一种基于毒气泄漏泄漏事故的应急疏散系统，该系统包括：毒气泄漏应急疏散网络拓扑构建终端、毒气泄漏报警模块、气体扩散模拟分析模块、受灾路段风险评估模块、应急疏散路径规划模块、分组疏散分析模块。

毒气泄漏应急疏散网络拓扑构建终端根据实际事故场景中的地理情况构建属性地理数据库，毒气泄漏报警模块接受来自现场的危险信息，将事故通知相关应急部门，同时将泄漏地点信息上传数据库，气体扩散模拟分析模块，根据毒气泄漏的具体情况，将气体随时间和空间的变化信息上传应急疏散网络拓扑构建模块分析毒气扩散情况，根据得到的信息，受灾路段风险评估模块确定受灾路线，进而应急疏散路径规划模块确定总的疏散路径，最后分组疏散分析模块根据受灾人数以及对应的避难点可容纳人数确定是否进行分组疏散。本发明的应急疏散系统能够保证整体的疏散效率，且疏散人员在整个过程中承受较低的受灾风险，可为决策者制定疏散方案和受灾群众快速安全疏散提供决策支撑，可用于车载以及手机导航系统应急指引。

本发明的技术方案是采用高斯烟羽模型进行气体扩散浓度数值模拟；利用GIS理论方法构建事故区域的疏散网络拓扑模型，考虑灾害扩散对疏散网络中各弧段及结点通行状况的实时动态影响。以人群疏散至避难场所的总疏散距离与毒性负荷的加权和最小为优化目标，并采用分组疏散策略，进而构建一种考虑有毒气体实时扩散影响的应急疏散路径规划系统和方法。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，包括：

步骤1：利用GIS理论方法构建事故区域的疏散网络拓扑模型；

步骤2：利用报警模块通知相关应急部门以及群众，上传事故信息到数据库；

步骤3：选择高斯烟羽模型进行气体扩散模拟；

步骤4：评估受灾路段风险；

步骤5：根据总疏散距离与毒性负荷的加权和最小为依据，规划疏散路径；

步骤6：依据受灾人数以及避难点可容纳人数确定是否采用分组疏散。

2.如权利1所述的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，步骤1，包括构建事故区地理数据库，其中，构建事故区地理数据库包括：

以居民小区或村为单位聚集成居民点，且忽略其主观意识。将疏散过程中的居民点、应急避难场所及道路交叉口抽象为结点，道路抽象为弧段。采用GIS网络分析方法将上述数据转化为疏散网络拓扑模型。

3.如权利1所述的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，步骤2，包括毒气泄漏报警，其中，毒气泄漏报警包括：

当发生事故时，毒气泄漏报警模块接收到来自现场的危险信号，立即将事故通知相关应急部门，同时将事故位置信息上传地理数据库。

4.如权利1所述的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，步骤3，包括：毒气扩散模拟研究，其中，毒气扩散模拟研究包括：

对于固定点源连续泄漏事故，用高斯烟羽模型来进行数学表示，即：

式中:C(x，y，z)表示下风向某点(x，y，z)处泄漏气体的浓度，单位为mg/m3；

Q表示泄漏平均源强，单位为mg/s；

u表示环境平均风速，单位为m/s；

He表示有效泄漏高度；

H表示泄漏口距地面的几何高度；

ΔH表示烟气抬升高度，即He＝H+ΔH，单位为m；

σy和σz分别表示Y和Z方向的扩散参数，单位为m；

扩散参数σy、σz的计算函数为σy＝aXb；σz＝cXd。

5.如权利1所述的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，步骤4，评估受灾路段风险，包括：

将应急疏散网络的范围划分为一个个小网格，以毒气泄漏点为坐标原点在距离泄漏点ΔL的东西南北四个方向进行采样，每次间隔Δt的时间，间接生成采样点，输入毒气扩散的初始参数，对采样点进行浓度赋值，将采样点的浓度落在网格当中，进行空间与时间的分析；

利用毒性负荷来表示受灾路段风险值，如下：

毒性负荷定义为毒气浓度和接触时间的函数，其表达式为：

式中:Pc表示毒性负荷；c表示浓度值或暴露剂量，单位为ppm；l表示人所处的位置；t表示暴露时间，单位为min；n表示取决于毒气性质的浓度指数；

计算毒气对人体致命伤害概率，选取概率函数方程来估算其表达式为：

P_r＝k₁+k₂lnP_c；

式中:Pr表示受体致死概率；k1和k2表示取决于毒气性质的常数。

6.如权利1所述的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，步骤5，包括：应急疏散路径规划，其中，应急疏散路径规划包括：

以疏散路径的长度，总的毒性负荷为加权系数，以居民点为基本单位制定疏散策略，其模型为：

式中:Z约束了最优路径的衡量标准表示疏散路径总长度与总毒性负荷的加权和最小；

C表示需疏散的居民点数量；

i为其编号；S表示安全应急避难场所数量，j为其编号；

D_ij表示从i到j的路径总长度；ω表示将毒性负荷值转换为路径长度的转换系数，具体取值与危化品扩散的影响程度有关；

P_ij表示从i到j的总毒性负荷；

X_ij表示标记，当居民点i分配给避难场所j时，X_ij＝1，否则X_ij＝0。

7.如权利1所述的毒气泄漏事故中的应急疏散路径规划方法，其特征在于，步骤6，包括：分组疏散策略，其中，所述分组疏散策略，包括：

对于人数较多的居民点来说，不一定能找到一次性满足所有疏散人群的疏散点，所以要将疏散人群进行分组疏散，故在为疏散人群寻找避难点的时候，根据避难点的剩余容量决定是否采取分组疏散；当避难点的剩余容量大于疏散人群数量，则受灾人群全部进入该避难点，否则采取分组疏散，直至疏散全部完成。

Images