基于GIS热辐射事故多米诺叠加分析与设计

李俊华，赵跃华，刘 俊，周 宁

基于GIS热辐射事故多米诺叠加分析与设计

李俊华1，2a，赵跃华1，刘 俊2b，周 宁2a

（1.江苏大学 计算机科学与通信工程学院，江苏 镇江 212013；2.常州大学a.石油工程学院；b.信息科学与工程学院，江苏 常州 213164）

引入多米诺效应的定义，给出热辐射事故多米诺效应定量评价的具体流程.在触发多米诺效应发生条件和发生模式的基础上，重点研究了热辐射事故多米诺叠加算法分析.利用地理信息系统设计了多米诺事故热辐射叠加分析软件以及相应的设计步骤，解决较为复杂的重大事故多米诺效应概率叠加计算问题.根据多米诺效应的发生概率，研究结果可以更加形象地动态预测事故进一步发展的趋势，为救援指挥提供决策，对相关园区的安全管理和救援决策具有指导意义.

多米诺效应；热辐射叠加；地理信息系统；概率

在我国经济的迅猛发展过程中，各地化工企业不断增多，各地方政府为了对化工企业更好地进行管理，通常将大量的化工企业集中到化工园区.若园区内某重大危险源发生火灾、爆炸，极易造成事故蔓延，影响邻近装置甚至会波及相邻企业，引发灾难性的多米诺效应事故.

多米诺效应事故比普通事故造成了更加严重的危害和损失，如：1984年墨西哥城发生液化石油气槽车爆炸碎片引发连锁爆炸事故，烧毁建筑面积27公顷，造成544人死亡，1 800多人受伤，120万人疏散［1］；2008年，广西河池市宜州郊区最大的有机化工企业广西维尼纶集团有限责任公司，有机车间突然发生爆炸，爆炸引发的火灾导致各仓库内装有甲醇、乙炔、醋酸乙烯、液氯等易燃易爆物品的储存罐连环爆炸，造成20人死亡，60人受伤，疏散工厂生活区的居民及附近15个自然屯的群众共计1.1万多人［2］.

由上述教训可见，对多米诺效应事故的研究十分有必要.目前在国内，关于重大危险源的多米诺效应方面的研究主要在理论研究方面较多.国际上，欧盟颁布的塞韦索法令Ⅱ（Directive 96／82／EC）中规定，为了完善风险控制、风险评价和预防措施程序，要求有重大危险源的相关企业提交的安全报告中必须要有厂内和厂外多米诺效应分析的内容，以及可能产生多米诺效应的企业之间要共享危险源信息等［3-4］，这一规定显示出国外对多米诺事故的重视.在国内因为化工园区里的企业在空间地域中分布随机性很大，一旦发生事故，单从理论模型有时很难为园区内企业的事故发生概率进行实时定量的分析，通过基于地理信息系统（geographic information system，GIS）可以将模型与空间地域相结合，能够有效地对多米诺效应事故进行实时定量的分析，在救援决策支持中起到重要的作用.

1 多米诺效应概述

1.1 多米诺效应原理

由初始事故引起的2次或2次以上的事故从而造成严重后果的现象称为事故多米诺效应［5］.

多米诺事故发生的必要条件：

（1）事故所形成破坏效应的范围之内存在敏感装置；

（2）破坏效应强度足够大以致装置失效；

（3）破坏的发生存在极大的可能性［6］.

多米诺效应模式：初始单元发生火灾或爆炸，所释放的能量作用于二级或三级单元，在满足上述条件的情况下导致2次事故，以此类推导致3次事故的发生，这种现象将继续传播直到下一个区域内没有危险源为止［7］.多米诺效应模式见图1所示.

图1 多米诺效应模式图Fig.1 Mode diagram of domino accidents

能够触发多米诺效应发生的事故类型主要有火灾、爆炸、毒物泄漏；以上3种情况同时或交叉发生［8］.

1.2 定量评价多米诺事故风险的流程

COZZANI等［9］在前期研究的基础上，根据定量风险评价的思想提出了定量评价多米诺事故风险的流程，如图2所示.

从图2可看出，定量评价多米诺事故风险的关键技术为临界值标准和扩展概率的确定及可能二次事故组合的发生概率和后果计算［10］.

1.3 多米诺效应临界值的确定

目前在多米诺效应研究中主要考虑了热辐射、超压和抛射破片这3种扩展向量对二次目标设备的损坏.但是本文主要针对热辐射进行基于GIS的定量分析，其余两种基于GIS的定量分析将在后续的研究中讨论分析.

从图2可知，多米诺效应一般利用临界值标准来辨识初始事故是否可能引起周围设备的损坏.如果初始事故在给定位置处的物理量值大于设定的临界值，则初始事故就有可能对该处的设备造成一定程度的损坏，有必要进一步对其产生的多米诺效应进行深入分析，否则认为初始事故不会对该处的设备造成影响，没有必要再分析，因此，临界值标准在多米诺效应的定量评价中占据着非常重要的地位.表1总结了火灾事故的多米诺效应的参考临界值［10］.

图2 定量评价多米诺事故风险流程图Fig.2 Flow chart of the quantitative evaluation about risks of domino accidents

表1 火灾事故的多米诺效应的临界值表Table 1 List of critical values about the domino effect of fire accidents

1.4 多米诺效应热辐射概率分析

当二级单元吸收源于一级单元事故释放出的热辐射能量后，会引起单元内设备温度升高、压力增大和设备材质的许用应力等物理特性的变化［11］.一旦设备压力超过它的许用压力或者器壁所受应力超过其许用应力就有发生爆炸或破裂的可能性.

COZZANI等［12］对历史数据运用最小二乘法分析得出不同设备的事故扩展概率模型如式（1）和（2）所示.

常压圆柱形立式容器：

高压圆柱形水平容器：

式中：t为设备失效时间，s；I为作用于目标设备的热辐射强度，k W／m2；V为设备体积或容积，m3.

由上可知，热辐射多米诺效应的概率计算是以热辐射强度和设备体积为基础的.

2 多米诺事故热辐射叠加算法分析

2.1 热辐射强度的叠加

如图3所示，假设在A处发生一级池火事故（以池火为例不失一般性，其他火灾或爆炸事故计算式不再一一列举）.

图3 A处事故热射辐等级区域Fig.3 Rating district of thermal radiation about the accidents in Place A

设液池为一半径为r的圆形池，当液池中燃物的沸点高于周围环境温度时，液池表面上单位面积燃烧速度为

当液池中液体的沸点低于环境温度时，如加压液化气或冷冻液化气，液池表面上单位面积的燃烧速度为

液池燃烧时放出的总热辐射通量Q为

式中：r为液池半径，m；h为火焰高度，m；η为效率因子，可取0.13～0.35.

假设全部辐射热都是从液池中心点的一个微小球面发出的，则在距液池中心某一距离的入射热辐射强度I为

式中：Q为总热辐射通量，W；λ为空气导热系数；x为对象点到液池中心距离，m.

由式（5）和（6）可以算出池火事故热辐射强度，并根据危险程度划分若干个等级的危险区域，如图3所示的A1区、A2区、A3区，各区的热辐射强度均值分别为IA1，IA2，IA3.若B点有一个危险源在A3区的影响范围之内，可以由式（1）或（2）算出该点的多米诺效应的概率，其他各点概率也可以一一算出.

若B点因热辐射影响而发生多米诺效应产生二级事故，通过同上原理，可以为B点再划分若干个等级的危险区域，如图4所示的B1区、B2区、B3区，各区的热辐射强度均值分别为IB1，IB2，IB3.这样必然会产生A点和B点热辐射强度的叠加区域，即1区、2区、3区、4区，叠加效果如图4所示，叠加区域的辐射强度分别为

叠加1区：I1＝IA2＋IB3

叠加2区：I2＝IA3＋IB3

叠加3区：I3＝IA3＋IB2

叠加4区：I3＝IA3＋IB1

图4 热辐射叠加图Fig.4 Accumulation diagram of thermal radiation

如若C处有危险源，C处位于叠加2区范围内，分别受到A3区和B3区的辐射强度的叠加为I2，由式（1）或（2）算出C点的多米诺效应的概率.其他处危险源概率类似.

2.2 热辐射区域图元的叠加算法

以图4为例分析，B处事故为A处事故发生多米诺效应的下级事故，需判断新发生B处事故各等级危险区域与当前已发生的A事故各等级危险区域叠加，将每一个叠加区域看作一个图元，采用图元逐步切割法可以完成所有各等级热辐射叠加区域图元的分割.热辐射叠加区域的图元算法如图5所示.

图5 图元叠加算法Fig.5 Flow chart about feature accumulation

图5中，Feature（i）为多米诺效应中最近发生事故热辐射的某个等级的区域；Feature（j）为已发生事故的热辐射的某个区域或叠加区域；FeatureTemp为临时图元；FeatureTemp∩Feature（j）为两个图元交集.

根据图5所示算法完成对图4的图元切割，步骤如下：

（1）判断B3环形图元是否与A1图元相交，不相交；

（2）判断B3环形图元是否与A2环形图元相交，结果为相交，交集为1号图元；

（3）执行B3环形图元减去1号交集图元操作，剩余部分图元判断是否与A3环形图元相交，结果为相交，交集为2号图元；

（4）判断B2环形图元是否与A1图元相交，不相交；

（5）判断B2环形图元是否与A2环形图元相交，不相交；

（6）判断B2环形图元是否与A3环形图元相交，结果为相交，交集为3号图元；

（7）判断B1圆形图元是否与A1图元相交，不相交；

（8）判断B1圆形图元是否与A2环形图元相交，不相交；

（9）判断B1圆形图元是否与A3环形图元相交，结果为相交，交集为4号图元；

（10）结束.

3 实例研究

3.1 基于GIS多米诺事故热辐射分析软件设计流程

由于重大事故多米诺效应的分析计算较为复杂，涉及众多的影响因素和相关理论，为便于问题的解决，实际研究应在理论分析的基础上加以合理简化.利用Delphi7.0＋ Mapinfo开发了热辐射事故多米诺效应分析软件，主要程序流程如图6所示.

3.2 图层算法设计

3.2.1 地图图层设计

在Mapinfo地图的图层中增加一个temp图层（临时图层），将整个热辐射区叠加算法中所用到的图元置于其中.在该图层中建立ID，ColorCol，RValues 3个字段表结构，其中，ID为图元的编号，ColorCol为图元颜色的编号，RValues为该图元热辐射值.

3.2.2 叠加图元分割设计算法实现

图6 主要程序流程图Fig.6 Flow chart of main program

本程序中最核心的内容为叠加图元的分割算法，利用Delphi7.0＋Mapinfo算法实现如下：

4 结 语

在国内外最新研究的基础上，本文对基于GIS的多米诺效应事故热辐射叠加进行了分析与研究，并对多米诺事故热辐射叠加算法进行了模拟分析，开发了多米诺事故热辐射叠加风险评估软件.

由于我国在重大危险源的监管中对多米诺效应还没有有效的应对方法，又鉴于多米诺效应难以动态预测和控制，基于GIS的多米诺事故热辐射叠加分析软件可以更加直观形象地反映事故的状态，并根据发生概率动态预测事故进一步发展的趋势，为救援指挥提供决策.研究结果可为相关安全评价提供一定的参考，对相关园区的安全管理和救援决策具有现实意义.

［1］PIETERSEN C M.Analysis of the LPG disaster in Mexico city［J］.Journal of Hazardous Materials，1988，20：85-107.

［2］罗文胜.宜州化工厂突发连环爆炸［J］.财经，2008，18：30-31.

［3］COZZANI V，SALZANO E.The quantitative assessment of domino effects caused by overpressure：Part I，probit models［J］.Journal of Hazardous Materials，2004，107（3）：67-80.

［4］COZZANI V，SALZANO E.The quantitative assessment of domino effects caused by overpressure：Part II，case studies［J］.Journal of hazardous Materials，2004，107（3）：81-94.

［5］LEES F P.Loss prevention in the process industries［M］.2nd ed.London：Elsevier，1996.

［6］LATHA P，GAUTEM G，RAGHAVAN K V.Strategies for quantification of thermally initiated cascade effects［J］.Loss Prevention Industries，1992，5（1）：18-27.

［7］李树谦，胡兆吉.化工储罐区池火灾多米诺效应研究［J］.工业安全与环保，2008，34（10）：21-23.

［8］KHAN F I，ABBASI S A.Estimation of probabiliyies and likely consequences of a chain of accidents（domino effect）in manali industrial complex［J］.Journal of Cleaner Production，2001，9（6）：493-508.

［9］COZZANI V，ANTONIONI G，SALZANO E.Quantitative assessment of domino scenarios by a GIS-based software tool［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2006，19（5）：463-477.

［10］刘丽，徐亚博.化工事故多米诺效应定量风险评价研究［J］.中国安全生产科学技术，2008，2（4）：49-52.

［11］王艳华，戴雪松，鲜鱼小东，等.化学工业重大事故的多米诺效应分析［J］.中国安全科学学报，2008，5（18）：129-136.

［12］COZZANI V，GUBINELLI G，SALZANO E，et al.The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysis［J］.Journal of Hazardous Materials，2005，127（1／2／3）：14-30.

Domino Accumulation Analysis and Design of Thermal Radiation Accident Based on GIS

LIJun-hua1，2a，ZHAOYue-hua1，LIUJun2b，ZHOUNing2a

（1.School of Computer Science and Telecommunication Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang Jiangsu 212013，China；a.School of Petroleum Engineering Information；b.School of Information Science and Engineering，2.Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China）

The definition of domino ef fect is introduced and the specific processes of thermal radiation incident domino effect quantitative evaluation are given.Based on the inducing conditions and modes of domino effect，the thermal radiation incident domino stack algorithm analysis is studied.Software for analyzing thermal radiation accumulation in domino accidents and its corresponding design steps has been designed by geographic information system.It has been employed to calculate the probability accumulation in some complex domino accidents.According to the probability of the happening about the domino effect，the results can be more vividly dynamic forecasting the accident further development trend that is instructionally meaningful for rescue to make decisions and for safety management and rescue plan making.

domino effect；thermal radiation accumulation；geographic information system；probability

TP 311.11

A

2012-05-17

国家“十一五”科技支撑计划资助项目（2011BAK03B00）

李俊华（1978—），女，安徽东至人，讲师，硕士，研究方向为GIS在石油化工安全的应用.E-mail：ljjpu＠163.com

1671-0444（2012）06-0727-06