基于“高分+”的化工園區(qū)安全防控GIS應用研究

唐堯 王立娟 賈虎軍 靳曉 馬國超

近些年來由于國內(nèi)化工園區(qū)趕上了國家經(jīng)濟發(fā)展的快車道，園區(qū)建設方興未艾，其在當?shù)卣猩桃Y、優(yōu)化資源配置的同時，它也屢屢誘發(fā)火災爆炸、水體大氣污染等一系列的安全及環(huán)境問題，這不僅危害當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，也威脅著園區(qū)附近居民的人身及財產(chǎn)安全。化工園區(qū)通常擁有多個重大危險源，一旦發(fā)生事故，很可能引發(fā)災難性的多米諾事故連鎖效應，應急消防救援也面臨著諸多掣肘。

隨著化工園區(qū)建設規(guī)模和生產(chǎn)存儲裝置的大型化，園區(qū)企業(yè)高度集中，傳統(tǒng)、常規(guī)的技術手段難以根治安全生產(chǎn)防控缺位、失效甚至造假舞弊的痼疾，固有安全防控模式已經(jīng)不能適應化工園區(qū)快速發(fā)展的需要，園區(qū)事故時有發(fā)生?，F(xiàn)代社會注定要與危化品風險共舞，如若不采取有效安全防控措施，降低化工園區(qū)重大危險源風險，社會公眾安全將無從保障。國產(chǎn)高分遙感影像數(shù)據(jù)具有大面積同步觀測范圍廣，獲取信息速度快、周期短，低成本的特點，本文將高分遙感技術引入園區(qū)安全防控領域，以“高分+”為基礎，利用GIS分析等技術，從宏觀視角，進一步研究和開發(fā)化工園區(qū)危險源監(jiān)控新技術，對促進化工園區(qū)安全管理，消防應急救援，預防和控制化工園區(qū)重特大事故，減少重特大事故發(fā)生概率及造成的損失具有重大意義。

化工園區(qū)安全防控現(xiàn)狀分析

據(jù)“中國石化聯(lián)合會化工園區(qū)工作委員會”資料數(shù)據(jù)，到2014年年底，我國重點化工園區(qū)或以石油和化工為主導產(chǎn)業(yè)的工業(yè)園區(qū)共有381家。其中，國家級化工園區(qū)（包括國家級經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)、國家級高新技術產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)）共有42家，省級化工園區(qū)221家，地市級化工園區(qū)118家。近年來化工園區(qū)總體呈現(xiàn)突發(fā)事故易發(fā)高發(fā)趨勢，園區(qū)的安全生產(chǎn)形勢總體不容樂觀。如2015年8月12日發(fā)生的天津濱海新區(qū)化工園區(qū)基地火災爆炸事故（造成165人遇難，798人受傷，直接經(jīng)濟損失68億元），2016年4月22日發(fā)生的江蘇靖江化工園區(qū)火災事故，2016年11月19日河北衡水天潤化工車間甲硫醇中毒事故（造成3人死亡、2人受傷），2017年7月12日，四川宜賓江安縣陽春工業(yè)園區(qū)發(fā)生爆燃事故，造成19名工人死亡，12人受傷，2018年11月28日，河北張家口盛華化工有限公司發(fā)生氯乙烯重大爆燃事故，導致23人死亡的慘重結果。以上種種，不勝枚舉，均給人民的生命健康和財產(chǎn)安全帶來了極大的損失。因此做好預防危險化學品事故為主的園區(qū)安全防控工作顯得極為重要。

目前我國化工園區(qū)安全防控存在著諸多問題：①園區(qū)建設安全規(guī)劃缺乏，園區(qū)企業(yè)布局不合理、企業(yè)準入機制不健全，園區(qū)安全監(jiān)管執(zhí)法機構尚未有效運行；②大部分的化工園區(qū)安全防控手段及配套設施還相對滯后，監(jiān)控平臺多數(shù)處于初級階段，既有的常規(guī)安全防控技術手段與模式，難以適用于園區(qū)規(guī)?；?、快速化發(fā)展所要求的安全防控新形勢；③在園區(qū)事故發(fā)生后的應急逃生和消防救援方面，尚未形成經(jīng)濟高效的區(qū)域性事故應急救援能力。鑒于以上種種現(xiàn)狀，本文嘗試將國產(chǎn)高分遙感技術引入到安全生產(chǎn)監(jiān)管領域，探索“高分+GIS+消防+?；痹诨@區(qū)安全管理防控中的應用，為當?shù)卣皥@區(qū)安全管理部門提供宏觀決策依據(jù)，降低盲目性、提高科學性。

研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

本文研究區(qū)位于四川省西南部，行政上隸屬于樂山市，是國家安監(jiān)局發(fā)布的全國60個危險化學品重點縣之一。該區(qū)北鄰成都，東接內(nèi)江、自貢，順岷江而下，可達宜賓、瀘州、重慶和長江三峽，西接攀枝花、西昌，距樂山城區(qū)約20千米。研究區(qū)面積約470平方千米，區(qū)內(nèi)化工園區(qū)重點以磷化工、硅材料及稀土產(chǎn)業(yè)為主，同時帶動發(fā)展機電加工等產(chǎn)業(yè)，是四川省重點培育的成長型特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)，目前研究區(qū)針對化工園區(qū)實行統(tǒng)一規(guī)劃，分步實施，形成完整的循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈條，正朝著“一區(qū)、一軸、兩園”的工業(yè)布局結構方向發(fā)展。

本文影像數(shù)據(jù)源采用2016年7月11日的高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)及2010年11月14日的高分影像（Digital Globe衛(wèi)星）。選取的影像時相較新，云雪面積小于5%，植被覆蓋率低于40%，影像多光譜波段數(shù)據(jù)分辨率為4m，融合全色波段后空間分辨率高達1m。對區(qū)內(nèi)影像數(shù)據(jù)源進行數(shù)據(jù)預處理，具體包括大氣校正、輻射校正、正射糾正、圖像融合、圖像鑲嵌、圖像配準及影像裁剪等步驟，獲取區(qū)內(nèi)高分遙感影像地圖。

基于“高分+”的化工園區(qū)安全防控GIS應用

當前在國家大力推動化工企業(yè)“退城入園”的大背景下，化工園區(qū)承載著更多的經(jīng)濟使命和社會使命，其健康發(fā)展對于推動化工產(chǎn)業(yè)資源整合，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，形成規(guī)?；瘏f(xié)同效應至關重要。高分遙感技術具有高時相、低成本、大范圍、周期監(jiān)測優(yōu)勢，因此，利用國產(chǎn)高分遙感影像獲取化工園區(qū)空間位置、危險源、園區(qū)路徑及其通達性，將“高分+”應用于園區(qū)應急救援逃生路線分析，解決園區(qū)事故發(fā)生后迫切需要開展應急消防救援及安全逃生路徑指導需求。

（一）化工園區(qū)空間位置及危險源識別

1.化工園區(qū)空間位置識別

高分遙感可快速直觀地獲取化工園區(qū)及危險源的空間位置展布信息。利用國產(chǎn)高分辨率對地遙感數(shù)據(jù)對研究區(qū)內(nèi)進行連續(xù)監(jiān)測，依據(jù)規(guī)模較大的化工園區(qū)的遙感影像特征建立辨識模型，自動識別疑似園區(qū)目標，并輔以人工識別對疑似的化工園區(qū)目標進行篩選。之后依據(jù)現(xiàn)場信息采集驗證提取結果，進一步完善提取模型，探索建立基于國產(chǎn)高分遙感數(shù)據(jù)的化工園區(qū)監(jiān)測方法。

由于化工園區(qū)通常由諸多建筑組成，建筑屋頂以藍色調(diào)居多，影像呈規(guī)則狀的藍色、藍灰色，且顏色分布較均勻，同時園區(qū)內(nèi)部及周邊常有橫豎明顯的道路，且光譜反射率較高，影像上呈亮白色，紋理清晰；另外化工園區(qū)形狀一般較為規(guī)則，與周邊地物邊界比較清晰，呈矩形、多邊形外形，園區(qū)的尺寸較大，一般為周邊居民房屋或小區(qū)的5～8倍，往往有重要交通干線通往園區(qū)，有時沿河或沿江展布。本文依據(jù)部分已知化工園區(qū)為典型，從顏色、紋理、形狀、尺寸等角度分析園區(qū)高分遙感影像特征，提取了研究區(qū)內(nèi)化工園區(qū)的空間位置展布信息（圖1左），研究區(qū)內(nèi)共有A、B、C、D、E五個重要化工園區(qū)。

2.化工園區(qū)危險源識別

化工園區(qū)是園區(qū)企業(yè)生產(chǎn)、加工、儲運危化物品的場所，通常存在大量的重大危險源。因此，在識別化工園區(qū)空間位置基礎上對園區(qū)內(nèi)危險源進行準確識別、精準定位就顯得十分必要，從而保證了后續(xù)危險源監(jiān)測、應急逃生與消防救援做到有的放矢。

化工園區(qū)內(nèi)的重大危險源由于其外建筑涂彩影響，色調(diào)常呈藍色、灰白色，形狀多為圓形、矩形，常陣列排列或規(guī)則展布，周邊有規(guī)則的道路相連。本文以高分遙感影像為依據(jù)，以前節(jié)識別的化工園區(qū)D為例，參閱國家發(fā)布的《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2018）及化工園區(qū)安全設計相關資料，開展了化工園區(qū)危險源識別應用（圖1右），D化工園區(qū)危險源包括化學品庫、硅粉倉庫、大型罐體、變電站等11處。通過對各處危險源的事故機理、事故概率、可能的事故后果及嚴重程度等分析，劃分了危險源危害程度等級（1級5處，二級6處），以此作為園區(qū)事故安全防控的重點選評依據(jù)。

（二）園區(qū)重大危險源監(jiān)測

基于高分遙感影像的重大危險源監(jiān)測主要是指通過采用不同時間段的高分遙感數(shù)據(jù)，智能化監(jiān)控化工園區(qū)危險源規(guī)模數(shù)量、地理位置及周邊環(huán)境變化，及早發(fā)現(xiàn)危險源爆炸、火險等災害隱患，采取相應的安全防控對策舉措。

以2010年與2016年兩個時相的化工園區(qū)的高分影像為基礎數(shù)據(jù)源，智能化結合目視解譯分別獲取了2個時期的園區(qū)危險源規(guī)模數(shù)量、地理位置等信息，通過監(jiān)測化工園區(qū)周邊發(fā)現(xiàn)：2016年較之2010年，在園區(qū)的西北地區(qū)，新增了三塊面積不一的區(qū)域（圖2），且對新增區(qū)域進一步解譯發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)新增了硅粉倉庫、氯瓶間、加氯間等4處重大危險源，因此，應分析量算其危險源間相互距離是否滿足安全防護規(guī)范，同時針對危險源類型做好相應安全防控措施。

圖1 研究區(qū)化工園區(qū)及危險源空間分布示意圖

圖2 研究區(qū)化工園區(qū)重大危險源監(jiān)測圖

（三）園區(qū)企業(yè)通達性分析

根據(jù)墨菲法則，凡是會出錯的事物一定會出錯。因此化工園區(qū)重大危險源監(jiān)管必須警鐘長鳴，且還應做好應急響應（應急逃生救援分析及消防應急救援分析）的準備。國產(chǎn)高分遙感影像能以最直觀、最真實的形式展現(xiàn)城市與郊區(qū)的地形地貌，因此通過對高分遙感數(shù)據(jù)的直接閱讀與分析，可以獲取城郊通往化工園區(qū)及區(qū)內(nèi)重要化工企業(yè)的空間位置及主要交通路徑信息，開展通達性分析，為后續(xù)應急逃生救援與消防救援提供基礎地理依據(jù)。

園區(qū)通達性分析具體包括，以高分遙感影像為依據(jù)，基于“高分+GIS”，提取級別為國道、省道、縣道或道路寬度超過6米的道路，并以道路交叉位置設置相應節(jié)點，分別將其通達性權重設為4、3、2、1；同時提取研究區(qū)周邊醫(yī)院、學校、加油站等敏感對象信息，綜合考慮到醫(yī)院與學校人員密集、車流量較大，途經(jīng)的路徑通達性權重均減0.5，而加油站擁有補給作用，途經(jīng)的道路通達性權重加0.5。綜上，依路徑通達性權重系數(shù)，利用GIS技術分析了研究區(qū)內(nèi)各化工園區(qū)區(qū)域相互通達性（圖3），路徑通達性越好，則通達性權重系數(shù)越大，通行條件也越順暢。

（四）應急逃生救援分析

化工園區(qū)災害事故具有突發(fā)性強、波及范圍廣、應急救援困難等特性，災難性事故一旦發(fā)生，地面監(jiān)控與人員通信極有可能陷入癱瘓。如何把控事態(tài)救援全局，快速制定救援路徑方案，并在第一時間把救護機構送抵事故點，及時開展生命救援成為災害救援的重中之重。高分遙感影像具有分辨率高、清晰度高、真實直觀展示園區(qū)及周邊地形的特點，利用“高分+GIS”為救護機構選擇一條最佳路徑（最快最省時路徑），為生命救助提供安全通道。

圖3 研究區(qū)化工園區(qū)通達性分析

利用高分遙感技術宏觀直觀特點，綜合化工園區(qū)及區(qū)內(nèi)企業(yè)的主要交通路徑信息，結合各道路寬度、等級、沿線醫(yī)院、加油站、學校等設施內(nèi)容，以研究區(qū)D化工園區(qū)為例，嘗試開展了化工園區(qū)應急逃生救援路徑初步分析。具體包括：首先設定園區(qū)某危險源發(fā)生火災或爆炸事故，險情暫設為一般級別，離之最近的西壩醫(yī)院首先接到救援請求。以高分二號遙感影像為底圖，D園區(qū)主入口為終點，西壩醫(yī)院為起點，結合路徑通達性分析結果，綜合考慮通道道路的寬度、距離、擁堵狀況，沿線加油站（油料補給）等信息，采用最優(yōu)路徑分析算法，快速獲取此級別事故狀態(tài)下的消防救援路徑（圖4中細線所示），動態(tài)實時指導醫(yī)療救援快速到達。

若醫(yī)療人員抵達事故現(xiàn)場時發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有醫(yī)療人員與設備難以滿足現(xiàn)場救援需求，急需區(qū)內(nèi)其他救援力量增援。此刻再次基于高分遙感影像底圖，以周邊的區(qū)中醫(yī)院與區(qū)人民醫(yī)院（區(qū)內(nèi)二甲醫(yī)院）為起點，D園區(qū)消防入口為終點，重新獲取應急逃生路徑（圖4中紅線所示），實時指導增援醫(yī)療救援力量到達路徑，并可沿路獲得油料補給。

（五）消防救援分析

事故發(fā)生后，為便于消防機構盡快達到并開展救援，須找到一條最佳路線。充分利用高分遙感影像具有高分辨率、高清晰度等優(yōu)點，實現(xiàn)化工園區(qū)消防救援演練相關應用管理。本文選取化工園區(qū)D為典型示范園區(qū)，基于“高分+消防”進行消防救援演練分析，假設D園區(qū)某危險源發(fā)生一般火災或爆炸事故，轄區(qū)消防部門接到報警，首先接受出警任務的為離其最近消防中隊。此時，基于高分遙感影像底圖，以消防中隊為起點，D園區(qū)消防入口為終點，利用高分遙感提取的通達性路徑，綜合考慮路徑寬度、路況、距離、擁堵狀況、節(jié)假日，沿線醫(yī)院（避開應急逃生救援）、加油站（油料補給）等信息，采用最優(yōu)路徑分析，快速獲取此級別事故狀態(tài)下的消防救援路徑（圖5中細紅線所示），動態(tài)實時指導消防中隊的到達路徑。

如若災情升級，達到嚴重或非常嚴重級別，僅憑現(xiàn)有人員或裝備難以判定撲滅災情，急需消防力量增援。此時，再次，基于高分遙感影像底圖，以周邊其他消防隊伍駐地為起點（本例中周邊消防力量均需由高速增援，故設高速路口為起點），D園區(qū)消防入口為終點，重新獲取消防救援路徑（圖5中粗紅線所示），實時指導增援消防力量到達路徑，并沿路獲得油料補給，同時避開醫(yī)院的應急逃生救援路徑。

（六）事故影響范圍分析

圖5 化工園區(qū)D消防救援演練路徑示意圖

圖6 化工園區(qū)事故影響范圍分析示意圖

當化工園區(qū)突發(fā)火災、爆炸等事故時，必須考慮事故的影響范圍。一般來說，一個化工園區(qū)內(nèi)有若干重大危險源，而每一個危險源都對應有一個死亡半徑、一個輕傷半徑及事故破壞半徑，每個半徑均對應一個圓形的區(qū)域，即為不同程度下的事故影響范圍。

本文以高分影像數(shù)據(jù)為底圖，基于“高分+危險源”，以化工園區(qū)D為例，結合園區(qū)內(nèi)危險源液氨及其相關物質(zhì)，參閱2012版《危險化學品安全生產(chǎn)許可證辦理審核附錄》及歷史液氨發(fā)生蒸汽云爆炸事故影響結果，分別設定D園區(qū)內(nèi)危險源死亡半徑、輕傷半徑及事故破壞半徑，利用GIS空間疊加分析，分別表示整個化工園區(qū)D的綜合事故影響范圍及影響程度（重度、中度與輕度），如圖6所示，進而為救援方案的制定提供決策支持，指導事故救援及人員撤離。同時，依據(jù)園區(qū)事故影響范圍內(nèi)的人口與財產(chǎn)密度，預測死亡人數(shù)及財產(chǎn)損失情況，為災后選址重建、人員安置及保險理賠提供科學依據(jù)。

結論

（1）國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有多時相、低成本、高分辨率、大范圍、周期監(jiān)測優(yōu)勢，可為化工園區(qū)空間位置、園區(qū)內(nèi)重大危險源、園區(qū)周邊消防設施、醫(yī)院院所、加油站點等位置識別提供直觀、真實的第一手資料。

（2）基于多期高分影像數(shù)據(jù)，可動態(tài)化、周期化、智能化監(jiān)控化工園區(qū)危險源規(guī)模數(shù)量、地理位置及周邊環(huán)境變化，為及早掌握危險源蘊災隱患，提供安全防控對策依據(jù)。

（3）基于高分技術，快速獲取通往化工園區(qū)及區(qū)內(nèi)重要化工企業(yè)的主要交通路徑信息，疊加強大的空間表現(xiàn)功能和空間分析處理功能的GIS技術，完成園區(qū)企業(yè)通達性分析，為化工園區(qū)應急逃生救援與消防救援提供基礎地理依據(jù)。

（4）考慮到化工園區(qū)事故的易發(fā)多發(fā)性，基于“高分+GIS+危險源”，可對化工園區(qū)重大危險源開展事故后影響范圍及程度分析，為事前預防與事故發(fā)生后的搶險、救援提供及時、準確的事故服務決策，最大限度地減少重特大事故造成的損失。

（5）化工園區(qū)安全防控中技術防控固然重要，同時我們也應重視管理制度防控的重要性，做到技術與管理兼顧。掌控技術的是人，但約束人的是制度，制度有時比技術更重要，而安全文化又是制度之本。因此化工園區(qū)安全防控模式可以是“文化+制度+高分”的組合拳模式。