基于GIS的重大危险源安全管理系统研究.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第19卷 第2期 石 油 化 工 高 等 学 校 学 报 Vol . 19 No . 2 2006年6月 JOURNAL OF PETROCHEMICAL UNIVERSITIES Jun. 2006 文章编号1006 - 396X200602 - 0071 - 05 基于GIS的重大危险源安全管理系统研究 周剑峰, 陈国华 华南理工大学工控学院安全工程研究所,广东广州510640 摘 要 基于GIS针对储存有易燃易爆气体的重大危险源安全管理系统,分析了系统的功能与软件结构,把 系统分为数据管理、 风险分析、 查询检索和地图管理4大类功能以及表现层、 业务层和数据层3个层次。详细论述系 统的数据组织,重点分析针对重大危险源的数据管理的可视化处理过程,以丙烷泄漏扩散过程为例说明了基于GIS 的事故后果的可视化动态分析,以及基于风险分析的查询检索技术。通过该系统能方便地对空间数据和属性数据 进行管理,可以动态地在地图中显示出在不同情况下的风险水平和危害范围,并检索可能受事故影响的人和物,为 风险评估提供可靠的数据,辅助管理者有针对性地做出及时、 准确的决策,从而最大限度地减少事故的发生以及在 事故发生时降低事故的损失。 关键词 重大危险源;地理信息系统;可视化管理 中图分类号 X932 文献标识码 A A GIS - Based Management System for Major Hazard Installations ZHOU Jian - feng , CHEN Guo - hua Institute of Safety Engineering , South China University of Technology , Guangzhou Guangdong510640, P. R.China Received11November2005; revised13January2006; accepted25March2006 Abstract A GIS- based management system for major hazard installations containing flammable and explosive gases was introduced. System functions and software architecture were analyzed. Main functions of this system are divided into four groups , which are data management , risk analysis , data searching and map management. The three layers architecture is composed of a presentation layer , a business layer and a data layer.The data organization of the system was discussed in detail and visualized procedure of data management for major hazard installations was mainly analyzed.The GIS - based visualized dynamical analysis of accident consequence was illustrated by the leakage and dispersion of propane.The data searching was focused on risk analysis based on technology. Using this system can help to manage the spatial and the attributive data , dynamically display risk levels and extents of damage on a map , search persons and things which may be influenced , provide reliable data for risk assessment , get aid to manager and establish accident - prevention measures to prevent the occurring of accident and reduce the losses when accidents occur. Key words Major hazard installation; GIS; Visualized management Corresponding author. Tel. 86 - 20 - 87114740 ; fax 86 - 20 - 22236321 ; e - mail zhou - jianfeng 我国安全生产形势十分严峻,据统计,每年由于 安全生产事故引发的损失高达2. 51011元,特别是 一些易燃、 易爆或有毒物质的火灾爆炸突发性事故 屡屡发生,给整个国家、 社会、 个人造成的经济损失 和负面影响相当严重[1]。为了预防重大工业事故 的发生,降低事故发生时造成的损失,近年来,国家 收稿日期2005 - 11 - 11 作者简介周剑峰1970 - ,男,重庆市,在读博士。 基金项目广东省科技攻关项目资助2003B30903。 加大了安全生产监管监察力度。火灾、 爆炸和泄漏 中毒事故是石化工业中的灾害性事故,针对易燃易 爆有毒有害危险物质的模拟评价和风险管理技术, 特别是后果分析是目前研究的一个热点问题,一些 研究者开发了相应的灾害模拟评价软件[2 - 3]。重 大危险源的空间分布以及发生泄漏、 扩散、 爆炸事故 时的危害范围都具有明显的地理特征,因而开发重 大危险源易燃易爆气体安全管理系统,利用地理 信息系统来加强对危险源的管理,具有重要的现实 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 意义,目前国内在利用GIS进行危险源管理上还处 于起步阶段,国家安全生产科技发展规划2004 - 2010把基于GIS的重大危险源监控管理软件列入 100项重点推广技术之一[1]。 地理信息系统Geographic Ination System , GIS ,是反映现实世界中的各类空间数据及描述这 些空间数据的属性,在计算机软件和硬件支持下,以 一定的格式输入、 存贮、 检索、 显示和综合分析应用 的技术系统。GIS的重要特点是在电子地图的基础 上处理各种地理空间信息,能进行快速、 准确、 综合 的空间定位和空间分析,能够把复杂的空间关系及 其变化通过电子地图形象地表示出来[4 - 5]。 系统采用组件式GIS产品 Mapinfo MapX 地理信息控件来开发GIS系统,组件式GIS开发是 目前开发GIS应用系统的重要方式,它开发简捷, 无需专门的GIS开发语言,同时又能提供强大的 GIS功能,能有效地进行图层控制和专题图绘制,可 访问远程空间数据库服务器,能保证系统的稳定和 开发的高效率[6]。系统采用Oracle数据库贮存空 间数据和属性数据,Delphi作为应用软件的开发工 具。 1 系统的功能与结构 系统所有的功能可划分为4大类①数据的管 理。组成GIS系统的数据包括空间数据和属性数 据两大类,数据管理对各种空间数据和属性数据进 行增、 删、 改等编辑管理;②针对危险源的风险分 析。安全管理的重要内容是对危险源的风险进行评 估和分析,进而采取措施控制风险,预防和减少事 故。风险分析基于一定的数学模型,特别是定量风 险分析,系统通过数值计算模块来完成复杂的数学 计算。风险绘制是把风险分析的数值结果以图形方 式显示出来,这里主要是在地图上进行绘制;③检 索查询。用户可以对系统中的各类空间数据和属性 数据进行查询,更重要的是在风险评估和分析的结 果中进行查询,为相应的决策提供依据;④地图显 示和操作管理,包括图层管理,地图放大、 缩小、 漫 游,测量两点间距离以及区域面积等。基于GIS的 重大危险源安全管理系统的主要功能如图1所示。 系统基于客户机/服务器的结构,MapX GIS应 用程序运行在客户机上Windows操作系统 , 而数 据存放在服务器上Linux操作系统,Oracle数据 库 , 客户机与服务器通过网络以TCP/ IP协议连接 通信。由于只有一个公共数据源数据库服务器 , 因而在任意客户机上对数据进行修改,其他客户机 可以得到同样的修改后的结果,这样可以使得在不 同的客户机上运行该系统会显示相同的计算或分析 的结果,便于不同的部门和人员同时使用。系统功 能模块的软件结构分为3层表现层、 业务层和数据 层,如图2所示。表现层实现信息的显示及系统与 用户的交互,包括所有的用户界面;业务层实现数据 访问、 控制逻辑与数值计算。软件的开发采用面向 对象技术Object - Oriented Technology ,利用面向 对象技术把相应的功能模块封装为不同的类,如数 值计算中危害后果分析的高斯扩散模型[7 - 8],定义 为TGaussian类,通过属性和方法进行计算和分析, 这便于对系统进行扩充和维护。数据层存储系统所 需的数据,系统主要有两类数据,一是地图文件数据 3. TAB ,3. DAT等 , 另一类是Oracle数据库数 据,系统通过ADO访问数据库。 2 应用系统的数据组织 根据MapX地图图层化的要求[9],针对重大危 险源的管理,把计算机地图分为以下几个主要的图 层 1区域把系统的目标地理范围划分为若干 区域,以便于按不同区域进行空间查询和分析; 2交通道路标出主要的交通线路、 河流、 桥 梁等; 3建筑物标出主要建筑物或公共场所等,以 及各建筑物和场所具有的人员情况、 财产状况等属 性; 4危险源该图层用于显示危险源的地理位 置、 类别,以及相应的属性数据; 5风险/危害范围用于危险源的风险分析或 后果分析,可以在该图层上绘制事故可能的危害范 围。 27石油化工高等学校学报 第19卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 危险源的空间坐标数据和所有的属性数据都存 放在Oracle数据库中,以下是在数据库中建立的与 危险源数据管理和后果分析相关的数据库表 ①危险物质定义危险源所处理的危险物质的 理化特性,包括物质编号、 液态和气态密度、 相对分 子质量、 饱和蒸气压、 燃烧热、 燃烧速率等; ②临界量定义危险单元是否构成重大危险源 的临界量; ③危险源类型定义生产场所或储存区等类 型; ④危险物质危害临界值定义危险物质发生各 种事故的危害临界值,如爆炸下限、 爆炸上限、 致死 浓度、 空气中最大允许浓度等; ⑤危险源危险源编号、 名称、 类型、 危险物质、 危险物数量、 地理位置及经纬度坐标等。 除此之外,数据库中还存放地图各图层以及图 元的属性数据,如建筑物编号、 名称、 人口、 财产、 经 纬度坐标等。地图数据与数据库数据通过关键字段 编号进行关联,从而使数据库中的空间数据和属 性据数能够在电子地图中正确显示。 系统采用临界量作为重大危险源辨识标准[10], 为了能够在数据管理过程中自动对重大危险源进行 辨识,根据国家标准GB18218 - 2000对重大危险源 涉及的物质及物质临界量在危险物质临界量表中进 行定义。 3 系统主要功能的实现 除了地图的各种操作和控制外,系统的主要功 能是针对危险源的数据管理、 风险分析和查询检索。 3. 1 数据管理 在系统中应用电子地图,比普通管理系统中使 用表格等方式来管理数据更形象、 直观,能以可视化 方式对数据进行操作。GIS系统包括两类数据,一 类是空间数据,另一类是属性数据。空间数据记录 的是空间实体的位置以及几何特征等,这是地理信 息系统区别于其他信息系统的重要特征,对于危险 源来讲主要是经纬度坐标及相互关系。属性数据是 地理实体所具有的各种性质,如危险源类型、 危险物 的数量等。 数据管理中有3种基本的数据操作,即增加、 删 除和修改。以下对增加危险源做详细说明。 危险源都具有一定的空间位置,表现在地图上 是确定的经纬度坐标,在一幅已经配准的地图中,通 过MapX可以自动得到任意一点的空间坐标。因 而,在增加危险源时,危险源的地理坐标可以直接通 过鼠标在电子地图中点击目标位置来获得。由于在 风险分析中,许多分析模型采用的是点源模型,因而 在该系统中危险源以点对象表示Point ,通过设置 点对象的风格Style来区分重大危险源和普通危 险源,风格包括了图标、 颜色、 字体等属性。增加危 险源的处理过程如图3所示。 3. 2 风险分析 风险分析是本系统的主要功能,用于分析事故 发生的可能性及其后果,这里着重对基于GIS的事 故后果分析作介绍。 事故后果分析是风险分析的重要内容,其目的 是定量地描述一个可能发生的事故将造成的人员伤 亡、 财产损失和环境污染情况,分析的结果可以为制 定安全防护措施、 编制应急响应预案、 以及事故发生 后的疏散和救护等提供参考。 数学模型是事故后果定量分析的基础,本系统 将安全评价和风险分析的模型与GIS系统进行集 成,并把结果结合到地理信息系统中来,便于与其它 信息进行集成和处理。利用GIS对易燃易爆气体 进行管理的一个重要用途是确定事故性泄漏发生后 气体的扩散范围,高斯模型是气体扩散后果分析的 一种常用模型,常用于对中性气体气体密度与空气 37 第2期 周剑峰等.基于GIS的重大危险源安全管理系统研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 密度相差不大进行后果分析[8],从数据库中可以 得到不同危险物质的危害临界值,根据高斯模型的 分析结果,在 “风险/危害范围” 图层中绘出相应的等 值线,系统中的每条等值线均是由500个点连接而 成的封闭曲线。连续泄漏情况下的浓度等值线绘制 流程如图4所示,瞬时泄漏时的处理与此类似。 丙烷是液化石油气的主要成份之一,是一种常 见的易燃易爆气体。图5是丙烷储罐连续泄漏条件 下处于稳定状态时的浓度等值线。连续泄漏是容器 内的气体通过小的裂缝或孔向外泄漏,介质泄漏的 速率较小而持续时间很长。采用了文献[8]中3个 不同程度的危害质量浓度值,即爆炸下限41 g/ m3、 中度危害质量浓度18 g/ m3和空气中的最高 允许质量浓度1 g/ m3。泄露量为1 kg/ s ,去风向 为东偏南45,风速1. 5 m/ s ,大气稳定度为D级,由 高斯连续地面点源模型高斯烟羽模型, Gaussian - Plume Model ,根据不同危害浓度值,在地面上的下 风向和横风向计算得到相应浓度下500个点的坐 标,连接形成不同的浓度等值线。图5中3条封闭 曲线从内到外依次是爆炸下限41 g/ m3、 中度危害 质量浓度18 g/ m3和空气中的最高允许质量浓度 1 g/ m3的浓度等值线。 对于瞬时泄漏,可根据高斯瞬时点源模型高斯 烟团模型, Gaussian - Puff Model进行计算。瞬时 泄漏是指容器内储存的大量危险气体在很短的时间 内完成泄漏泄漏持续时间较短 , 泄漏的气体形成 一个气团,按高斯烟团模型,该气团在大气中的扩散 包括两个重要的过程一是气团随时间逐渐膨大,随 着气团增大气团内的浓度逐渐降低;二是在有风条 件下,气团随风运动,气团中心按风速移动[8]。图6 为丙烷瞬时泄漏后扩散过程中的浓度等值线,泄漏 量为10 t ,去风向为东偏南45 且风速为3 m/ s ,大气 稳定度为D级,按距离泄漏源丙烷储罐由近到远 的3组封闭曲线分别是泄漏后10 ,30 ,60 s时的浓 度等值线,每组曲线由内到外分别是爆炸下限 41 g/ m3、 中度危害质量浓度18 g/ m3和空气中的最 高允许质量浓度1 g/ m3的等值线。 利用GIS能够形象地显示事故发生后不同时 间下的危害后果,从而可以动态地反映事故的发展 变化过程,为相应的事故预防和救灾提供决策的依 据。 3. 3 查询检索 查询检索功能使用户可以对系统中的各类空间 数据和属性数据进行查询,如查询某重大危险源的 属性资料,某个建筑物的属性数据,查询某一点的一 定距离范围内所有建筑物的资料等。 系统中最重要的查询功能是在风险评估和分析 所确定的地理范围中进行查询,便于对事故可能造 成的后果进行评估,为应急救援提供参考。首先从 “风险” 图层中确定一个危害范围如浓度等值线 , 然后通过MapX的方法,在其他图层如建筑物图 层查询出在该危险范围内的所有图元集合,根据不 同的参数可以查询部分包含或者完全包含的图元, 通过这个结果图元集合,可以得到范围内所有图元 的空间和属性数据,最后通过相应的界面显示出来。 通过查询检索功能,能够容易地从地图中确定 危害范围内的人口和财产分布情况,为风险评估提 47石油化工高等学校学报 第19卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 供直接的依据,这些数据还可以作为输入参数提供 给后果评估模型,对可能的事故后果严重程度进行 评价,使评估的结果能反映事故可能造成的损失的 实际情况。 参考文献 [1] 国家安全生产监督管理局.国家安全生产科技发展规划2004～2010 [ EB/ OL ]. [2003 - 12 - 22/ 2005 - 3 - 1]. http / / www.chinasafety. . [2] 王志荣,蒋军成,王三明.基于客户机/服务器的化工过程灾害模拟评价系统[J ].石油化工高等学校学报,2004 ,171 75 - 79. [3] Sabation D , Massimiliano C , Gianluca M , et al. Consequence analysis in LPGinstallation using an integrated computer package [J ].Journal of hazardous materials , 2000 ,71 ,159 - 177. [4] Allan B C , Fred C. An overview to geographic ination systems[J ]. The journal of academic librarianship , 1997 ,11 449 - 461. [5] 边馥苓.地理信息系统原理和方法[M].北京测绘出版社, 1996. [6] 陈凯,邹峥嵘.基于Mapx开发ComGIS的研究[J ].微型电脑应用,2005 ,212 17 - 19. [7] Young - Rae Jung , Warn - Gyu Park , Ok - Hyun Park. Pollution dispersion analysis using the puff model with numerical flow field data[J ]. Mechanics research communications , 2003 , 30 277 - 286. [8] Spijkerboer H P , BeniersJ E , Jaspers D , et al. 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