基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型

陳國華 梁旭 周利興 陳培珠

(華南理工大學 機械與汽車工程學院∥廣東省安全生產(chǎn)科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510640)

化工行業(yè)是我國經(jīng)濟飛速發(fā)展的重要組成部分，我國正在生產(chǎn)和使用的危險化學品已高達3 800多種[1]。為了集約高效管理化工企業(yè)，控制導致?；鹿实臐撛陔[患，化工企業(yè)逐步向化工園區(qū)整合已經(jīng)成為國家安全生產(chǎn)管理工作的一項舉措[2]。然而，近年來化工園區(qū)各類突發(fā)事故仍然頻發(fā)，如“8·12天津濱海新區(qū)爆炸事故”、“3·12江蘇響水爆炸事故”，給周邊企業(yè)和居民造成嚴重的生命和財產(chǎn)損失。面對化工園區(qū)的各類嚴重的突發(fā)事故，根據(jù)化工園區(qū)布局和可能發(fā)生的事故，提前對應急疏散路徑做出規(guī)劃，及時開展應急疏散，對于降低人身傷亡和財產(chǎn)損失具有較大的意義。

傳統(tǒng)事故場景下的應急疏散是基于Dijkstra算法[3- 4]、Floyd算法[5]、蟻群算法[6]、遺傳算法[7- 8]，根據(jù)疏散場景布局和事故動態(tài)發(fā)展實時調(diào)整路徑，避免事故危害。針對能源化工行業(yè)發(fā)生的有毒氣體排放事故，Cao等[1]提出了一種基于有毒氣體擴散模型、事故后果動態(tài)評估模型和疏散路徑選擇模型的元胞自動機的綜合應急響應方法，規(guī)劃毒氣泄漏事故下的應急疏散路線。Chen等[9]考慮到人員疏散的疏散位置、疏散方向、疏散慣性、區(qū)域密度4個元素，構(gòu)建了應急疏散Agent個體，通過權(quán)重模擬個人Agent疏散中的就近行為、引導行為、跟隨行為、撤離行為，進行大規(guī)模疏散仿真。劉毅等[10]以某一場景下火災事故為研究對象，運用火災動力學仿真軟件FDS獲得火災實時擴散參數(shù)，基于改進的蟻群算法模擬計算火災實時擴展情景下的最短疏散路徑。雖然一些學者將事故態(tài)勢擴展納入疏散路徑選擇的考慮內(nèi)容，模擬了事故動態(tài)變化時人員的應急疏散，但各個疏散模型僅針對特定事故場景，未考慮到疏散人員因畏懼心理而選擇離疏散出口較近但風險較高的區(qū)域疏散，未將疏散行為和疏散場景風險統(tǒng)一地結(jié)合。

因此，本文在化工園區(qū)事故影響區(qū)域后果風險評價基礎(chǔ)上，將路網(wǎng)位置、路網(wǎng)疏散空間、路網(wǎng)風險納入疏散模型，建立了基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型。首先，采用DNV SAFETI 8.21軟件模擬化工園區(qū)事故后果，將事故模擬后果的個人風險定量表示為位置風險，建立疏散場景事故后果路網(wǎng)風險場；然后，基于疏散場景的路網(wǎng)風險場，運用Dijkstra算法規(guī)劃規(guī)避災害且疏散人員可接受的路徑，并與相同場景下的蟻群算法規(guī)劃路徑進行對比。

1 疏散環(huán)境

基于化工園區(qū)二維地理信息地圖，采用以網(wǎng)格為單元的四邊形柵格地圖建立靜態(tài)疏散網(wǎng)格地圖。根據(jù)化工園區(qū)實際場景中的建筑物、化工設(shè)備、交通道路的信息，設(shè)置障礙物和疏散通道的位置、形狀、面積。疏散場景采用以網(wǎng)格為單元的四邊形柵格地圖表示。疏散地圖由多個不同屬性的網(wǎng)格構(gòu)成，紅色網(wǎng)格代表事故起始點，藍色網(wǎng)格代表疏散起點，綠色網(wǎng)格代表疏散出口，黑色網(wǎng)格代表障礙物，白色代表疏散區(qū)域，如圖1所示。事故發(fā)生后，疏散人員由疏散起點出發(fā)，經(jīng)過可移動區(qū)域，抵達疏散出口，完成疏散。

2 疏散模型

路網(wǎng)風險是指人員疏散過程中表示疏散路網(wǎng)安全風險固有屬性的參量，主要受距疏散出口的距離、疏散位置的可疏散空間、疏散位置的風險3個因素的影響。

2.1 位置勢能

位置勢能是表示每個網(wǎng)格距疏散出口遠近的固有屬性。疏散人員在疏散過程中主要受出口位置的影響，出口距離是人員疏散的主要驅(qū)動因素[11]。當疏散地圖客觀成型時，疏散地圖中的每個網(wǎng)格的位置勢能就已確定。在疏散場景中，將疏散人員所處的疏散環(huán)境表示成一個位置勢能場，疏散人員總是傾向于從高勢能點移動到低勢能點。在該模型的位置勢能場中，每個網(wǎng)格的位置勢能pg為

pg=pc/(pmax-pmin)

(1)

式中，pmax為該疏散網(wǎng)格地圖中距該疏散出口最遠網(wǎng)格的疏散距離，pmin為該疏散網(wǎng)格地圖中距該疏散出口最近網(wǎng)格的疏散距離，pc為該疏散網(wǎng)格地圖中該網(wǎng)格距該疏散出口的疏散距離。

2.2 位置可疏散空間

疏散人員在疏散過程中傾向于遠離障礙物以免發(fā)生擁堵情況，當疏散人員遇到擁堵或受傷時，機動性會降低，擁堵可導致人員被困幾率增大[12]。在四邊形柵格疏散地圖中，疏散人員在水平、垂直或傾斜方向上進行疏散，但每個網(wǎng)格的可疏散轉(zhuǎn)移方向由于疏散場景布局而產(chǎn)生差異，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格位置可疏散方向Fig.2 Enabled evacuation direction of the gird position

不同位置網(wǎng)格的可疏散轉(zhuǎn)移方向不同，處于可疏散轉(zhuǎn)移方向少的疏散人員在實際疏散過程中的疏散能力較處于不受障礙物阻擋網(wǎng)格位置的疏散人員低。每個網(wǎng)格位置的可疏散方向?qū)θ藛T在疏散過程的路徑選擇有較大的影響。每個網(wǎng)格的可疏散空間參數(shù)dg表示為

dg=(dmax-dc)/dmax

(2)

式中，dmax為該疏散網(wǎng)格地圖中網(wǎng)格的最大可疏散方向值(一般取8)，dc為該疏散網(wǎng)格地圖中該位置網(wǎng)格可疏散方向數(shù)值。在圖2(a)中，藍色網(wǎng)格位置不受障礙物阻擋，網(wǎng)格可疏散空間參數(shù)為0；圖2(b)中，藍色網(wǎng)格位置處于疏散角落，僅能向上、向右、斜上方向疏散，網(wǎng)格可疏散空間參數(shù)為0.625。

2.3 位置風險

疏散人員總是傾向于遠離事故影響的危險區(qū)域，網(wǎng)格位置離危險源越近，風險值越高[13]。由于化工園區(qū)危險化學品、化工設(shè)施、化工企業(yè)的分布差異，處于化工園區(qū)不同位置內(nèi)的人員受可能發(fā)生事故的傷害影響不同。在數(shù)據(jù)收集和系統(tǒng)評價的基礎(chǔ)上，本文通過建立針對性的事故模型，進而進行事故發(fā)生頻率分析和事故后果評價，定量計算應急疏散路網(wǎng)位置的個人風險[14- 15]，其計算式如下：

(3)

式中，r(x,y)為事故在位置(x,y)處產(chǎn)生的個人風險，F(xiàn)a為第a個容器設(shè)備發(fā)生事故的原始頻率，βb為事故場景b氣象條件概率，βz為第z個事故情景發(fā)生的概率，Vz(x,y)為第z個事故情景在位置(x,y)處引起個體死亡的概率,A、B、Z分別為容器設(shè)備泄漏事件個數(shù)、氣象條件個數(shù)、點火源個數(shù)。

根據(jù)風險理論可得到的個人風險等值線和每個網(wǎng)格個人風險量化結(jié)果，每個網(wǎng)格位置的風險參數(shù)rg用個人風險量化表示：

rg=(rc-rmin)/(rmax-rmin)

(4)

式中，rmax和rmin分別為該事故場景下疏散網(wǎng)格地圖中的最大個人風險值和最小個人風險值，rc為該事故場景下所在網(wǎng)格位置的個人風險值。

2.4 模型的建立

模型研究場景為化工園區(qū)某一位置發(fā)生事故，疏散人員需考慮避開事故影響范圍顯著區(qū)域，并選擇最佳路徑進行疏散。設(shè)i為柵格地圖中網(wǎng)格序號，is為疏散起點網(wǎng)格序號，ie為疏散出口網(wǎng)格序號，L表示由起點至終點的疏散路徑上所有網(wǎng)格的集合，則有

L={is,is+l,…,ie-l,ie}

(5)

設(shè)網(wǎng)格風險函數(shù)R=r(pg,dg,rg)，則有

(6)

式中，w1、w2、w3分別為pg、dg、rg的風險權(quán)重，且滿足

w1+w2+w3=1

(7)

考慮避開事故影響范圍顯著區(qū)域，以在最短時間內(nèi)將疏散人員疏散抵達疏散出口為目標，建立數(shù)學模型：

(8)

(?is,ie=1,2,…,n)

基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型不將疏散路徑最短作為第一目標，而將疏散路徑路網(wǎng)風險最低作為第一目標，充分考慮了化工事故對人員疏散的影響，避免途經(jīng)事故影響較大區(qū)域的疏散行為，盡量保證疏散人員的人身安全。

3 模型求解

3.1 模型運算

基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型應用Dijkstra算法實現(xiàn)，其流程圖如圖3所示。

圖3 Dijkstra算法流程圖Fig.3 Flowchart of Dijkstra algorithm

Dijkstra算法的具體步驟如下：

(1)導入地圖矩陣，初始化疏散場景。設(shè)置事故場景參數(shù)、環(huán)境參數(shù)，運用DNV SAFETI 8.21模擬事故后果，生成疏散場景個人風險矩陣。

(2)獲取疏散場景位置勢能、疏散空間、事故風險參數(shù)，根據(jù)式(8)計算生成疏散場景風險矩陣。

(3)將疏散起點S、目標終點E添加至標記節(jié)點集，設(shè)定可疏散網(wǎng)格風險值為Ri；障礙物節(jié)點不添加至節(jié)點運算。

(4)將疏散起點S的相鄰節(jié)點in逐步添加至標記節(jié)點集，計算添加疏散點in到疏散起點S的風險值，有更短路徑及時更新數(shù)據(jù)；若所添加節(jié)點in不為目標終點E，則重復步驟(4)。

(5)當計算到目標終點E時，則停止計算，輸出起點S到終點E的路徑風險及疏散路徑{is,i1,i2,…,in,ie}。

3.2 實例分析

疏散場景采用國內(nèi)某一化工園區(qū)內(nèi)部的實際疏散場景布局，柵格地圖尺寸為42×42，設(shè)置網(wǎng)格邊長為10 m。當區(qū)域內(nèi)某一點發(fā)生事故時，疏散人員需要移動至出口進行疏散。本場景以化工園區(qū)壓力儲罐氯氣泄漏為事故場景進行仿真計算。

3.2.1 事故參數(shù)

按照上述地理場景構(gòu)建儲罐氯氣泄漏事故，事故場景參數(shù)如下：氯氣儲存體積為0.08 m3、操作溫度為-38 ℃、操作壓力為1 000 kPa；事故模式假設(shè)氯氣儲罐泄漏，泄漏源離地面高度為1 m，泄漏孔徑為100 mm，泄漏概率為2×10-5[16]；風速為1 m/s，大氣穩(wěn)定度為F；介質(zhì)相關(guān)危險性參數(shù)為毒性。

情景1 設(shè)疏散場景中泄漏位置H為(29,24)，疏散起點1位置S1為(14,33)，疏散起點2位置S2為(16,19)，疏散終點1位置E1為(35,1)，疏散終點2位置E2為(20,1)，風向為全風向，風速為1 m/s，疏散場景下3種不同區(qū)域的風險權(quán)值w1、w2、w3如表1所示，計算疏散場景風險矩陣，得到疏散起點到E1、E2的最佳路徑。

表1 疏散場景3類疏散區(qū)域的風險權(quán)值[17- 18]

情景2 設(shè)疏散場景中泄漏位置H為(29,24)，疏散起點1位置S1為(14,33)，疏散起點2位置S2為(16,19)，疏散終點1位置E1為(35,1)，疏散終點2位置E2為(20,1)，主導風向為東南風，風速為1 m/s，僅改變氣象參數(shù)，其他參數(shù)不變，計算疏散場景風險矩陣，得到疏散起點到E1、E2的最佳路徑。

情景3 設(shè)疏散場景中泄漏位置H為(29,24)，疏散起點1位置S1為(14,33)，疏散起點2位置S2為(16,19)，疏散終點1位置E1為(35,1)，疏散終點2位置E2為(20,1)，主導風向為東南風，風速為5 m/s，僅改變氣象參數(shù)，其他參數(shù)不變，計算疏散場景風險矩陣，得到疏散起點到E1、E2的最佳路徑。

3.2.2 結(jié)果分析

通過DNV SAFETI 8.21對氯氣儲罐泄漏進行事故后果定量風險分析，得到事故場景個人風險等值線及網(wǎng)格個人風險值(個人風險從里向外分別為10-6、10-7、10-8、10-9次/a)，如圖4(a)所示；根據(jù)基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型，計算得到的疏散場景風險值、風險值三維圖如圖4(b)所示。本文基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型和傳統(tǒng)基于蟻群算法的疏散路徑模型對3個情景的模擬結(jié)果見圖5、圖6；3個情景的疏散路徑比較見表2。

圖4 情景1疏散場景個人風險等值線圖和風險值三維圖

從圖5、圖6和表2可知：①在情景1中，基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型考慮了疏散場景事故對疏散行為的影響，并不將路徑最短作為第一優(yōu)先級，規(guī)避事故影響較大的區(qū)域疏散空間，合理地選擇較為安全的應急疏散最短路徑；該模型由于考慮到網(wǎng)格位置可疏散空間的影響，將傳統(tǒng)疏散

圖5 兩種模型對情景1的模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of scenario 1 by two models

圖6 本文模型對情景2、情景3的模擬結(jié)果

表2 3個情景的疏散路徑對比Table 2 Comparison of evacuation paths in three scenarios

路徑的貼墻疏散改為近墻疏散，在保證人員疏散方向的同時避免了擁堵的情況。②在情景2中，由于東南風的影響，氯氣泄漏點左上方區(qū)域的危害顯著增加，以E1為疏散出口的路徑向遠離泄漏點下風向方向進行偏移；情景2中，由于氯氣泄漏點下方區(qū)域的危害顯著降低，以E1、E2為疏散出口的部分路徑并未如情景1遠離泄漏點。③在情景3中，由于風速的變化，氯氣擴散區(qū)域面積相對于情景2明顯增大，但事故影響區(qū)域個人風險相對于情景2明顯降低，且不同區(qū)域的風險差異性降低，本文模型能夠依據(jù)疏散場景氣象條件合理調(diào)整應急疏散路徑。由于疏散場景區(qū)域的風險差異性降低，以E1為疏散出口的部分路徑并未如情景1、2顯著避讓泄漏點。

模擬結(jié)果表明，本文基于路網(wǎng)風險的疏散路徑模型可根據(jù)不同化工事故場景下疏散場景的風險，選擇較為安全的應急疏散最短路徑。由于疏散人員對化工事故發(fā)生時間、事故影響范圍等信息獲取困難，基于路網(wǎng)風險的疏散路徑模型預先根據(jù)事故可能場景、環(huán)境因素模擬計算最佳疏散路徑，相對于傳統(tǒng)動態(tài)模擬算法更具有實際意義。

4 結(jié)論

本文提出了基于路網(wǎng)風險的化工園區(qū)疏散路徑模型，該模型根據(jù)個人風險量化表示疏散網(wǎng)格的安全風險大小，通過到疏散出口的距離、疏散位置的可疏散空間、疏散位置的風險量化評價疏散網(wǎng)格的風險值；該模型考慮了化工園區(qū)事故對疏散路徑的量化影響，在盡量保證疏散人員的前提下選擇更安全的疏散路徑，避免了疏散路徑過于靠近或穿過事故影響區(qū)域的情況，更接近疏散實際；該模型可以應用在化工園區(qū)不同類型事故、不同疏散環(huán)境場景下的應急疏散路徑設(shè)計中，并不針對單一的事故場景，具有較大的普遍性和適用性，同時相對于傳統(tǒng)動態(tài)模擬算法避免了實時更新的運算負擔，具有一定的實際應用價值，可為化工園區(qū)疏散路徑規(guī)劃提供有益的參考。