孟于飛,郭恩棟,劉紅麗

(中國地震局工程力學(xué)研究所,黑龍江哈爾濱 150080)

0 引言

較大規(guī)模的地震一般都會造成燃?xì)夤芫W(wǎng)的破壞,更可能導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重的次生災(zāi)害。例如1906年4月18日,美國舊金山發(fā)生8.3級地震,除了造成嚴(yán)重的建筑物破壞外,還因火爐傾倒引發(fā)了持續(xù)了三天三夜的大火,使10平方公里的市區(qū)化為灰燼;1923年9月1日日本關(guān)東8.3級地震,引發(fā)的嚴(yán)重火災(zāi)燒毀5萬余棟房屋、燒死6萬多人;1994年的美國北嶺6.9級地震,造成天然氣管道破裂,并引發(fā)多處爆炸和火災(zāi);在1995年日本阪神大地震中,由于管道破壞造成煤氣泄漏,也引發(fā)了幾十起火災(zāi)[1]。1999年臺灣集集7.6級地震中,臺中市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)被破壞近千處,停供用戶超過10萬。2008年中國汶川8.0級地震中,崇州、綿陽等城市燃?xì)夤?yīng)一度中斷,多處燃?xì)夤艿涝獾狡茐?成都市、寶雞市也有部分用戶燃?xì)夤?yīng)中斷。都江堰市地下燃?xì)夤芫W(wǎng)破裂10余處,需重建的城市地下燃?xì)夤艿兰s50 km、庭院燃?xì)夤艿兰s100 km,燃?xì)庀到y(tǒng)經(jīng)濟(jì)損失近6 700萬元[2]。

為了減輕這類次生災(zāi)害,人們在提高工程結(jié)構(gòu)抗震能力的同時,還探索出另一種減輕災(zāi)害的技術(shù)手段,即在重大基礎(chǔ)設(shè)施和生命線工程中建立地震緊急處置系統(tǒng)。在發(fā)達(dá)國家一些城市和地區(qū)的燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)絡(luò)中,已經(jīng)建立了多個地震緊急處置系統(tǒng),有的已經(jīng)經(jīng)受了強(qiáng)烈地震的考驗(yàn),取得了明顯的減災(zāi)效果。如日本煤氣公司在東京、大阪、橫濱等地設(shè)立的燃?xì)夤?yīng)網(wǎng)絡(luò)地震緊急處置系統(tǒng),在1995年阪神大地震中表現(xiàn)良好,成功抑制了次生災(zāi)害的發(fā)生[1]。臺灣大臺北煤氣公司也在1999年采用了日本產(chǎn)的新型譜烈度計(jì),在不久后遭遇的集集大地震中盡管未觸發(fā)應(yīng)急控制,但仍記錄到了完整的地震動波形[3]。而我國雖然是多地震國家,但至今在我國大陸仍未建立一個真正的地震應(yīng)急響應(yīng)、緊急處置系統(tǒng)。

1 地震緊急處置基本原理

地震緊急處置系統(tǒng)利用實(shí)時監(jiān)測臺網(wǎng)獲取的地震動信息和地震破壞程度快速評估結(jié)果,經(jīng)綜合決策實(shí)施緊急處置措施,以達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的。燃?xì)饩W(wǎng)絡(luò)地震緊急處置系統(tǒng)的基本原理是,在管線各處布置測量地震動的裝置,當(dāng)?shù)卣饎映^設(shè)定閾值時自動關(guān)閉煤氣調(diào)節(jié)閥,并通過監(jiān)控中心的震害快速評估進(jìn)行綜合決策,遠(yuǎn)程控制閥門關(guān)閉或放空等操作,即使管道遭到地震破壞,管道中也一般已無氣體而不會發(fā)生泄漏,從而減小了次生火災(zāi)、爆炸災(zāi)害的可能性。

地震緊急處置系統(tǒng)包括地震信息獲取、信息傳輸、綜合決策和緊急處置等四個部分[1]。

地震信息獲取:在工程場地(沿線),布設(shè)地震(強(qiáng)震動)觀測臺站,利用數(shù)字通信技術(shù),實(shí)時獲取工程場地(沿線)地面運(yùn)動信息。由于地震縱波傳播快于地震主運(yùn)動橫波,這樣一旦獲取地震縱波信息,可以搶在地震橫波到達(dá)工程場地之前發(fā)布地震警報;或在工程場地周圍,布設(shè)地震(強(qiáng)震動)觀測臺站,同樣利用數(shù)字通信技術(shù),實(shí)時獲取周圍地區(qū)地面運(yùn)動信息;一旦工程場地周圍區(qū)域發(fā)生地震,可以搶在地震波到達(dá)工程場地之前發(fā)布地震警報,以上兩種方式均可為地震緊急處置贏得時間。

信息傳輸:采用專用通訊信道,實(shí)現(xiàn)地震臺站、監(jiān)控中心和緊急處置裝置之間數(shù)據(jù)與指令傳輸。

綜合決策:根據(jù)地面運(yùn)動信息,快速判定地震參數(shù)和地震影響場,進(jìn)行震害快速評估。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合工程運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行緊急處置措施決策。

緊急處置:基于地震動信息和綜合決策結(jié)果,根據(jù)工程性質(zhì)的不同,可以采取不同的緊急處置措施,其中包括:①閾值自動處置:在控制開關(guān)內(nèi)部安裝測量震動強(qiáng)度的裝置,當(dāng)?shù)卣饎哟笥谠O(shè)定閾值時自動采取關(guān)閉或其它處置措施。這種處置方式通常用于城市煤氣管網(wǎng)的用戶端。②外觸發(fā)自動處置:利用譜烈度計(jì)或強(qiáng)震儀獲取的地震動數(shù)據(jù),當(dāng)?shù)卣饎映^設(shè)定閾值時自動采取關(guān)閉或其它措施。這種處置方式通常用于城市煤氣管網(wǎng)的小區(qū)接入端和鐵路列車動力電源控制。③遠(yuǎn)程指令處置:根據(jù)地震參數(shù)和地震動強(qiáng)度,經(jīng)震害快速評估、智能判斷,確定處置指令,實(shí)施遠(yuǎn)程操作。

2 SCADA系統(tǒng)及其應(yīng)用于地震緊急處置的可行性

SCADA(supervisory control and data acquisition)即監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),是以電子計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)與先進(jìn)的通信技術(shù)和功能智能化的遠(yuǎn)程終端裝置組合而成的自動化控制系統(tǒng)。它能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及信號報警等功能,其廣泛應(yīng)用于電力、水利、石油、化工、環(huán)保及市政等領(lǐng)域。我國于二十世紀(jì)80年代開始引進(jìn)和開發(fā)SCADA系統(tǒng),使之服務(wù)于燃?xì)廨斉湔{(diào)度管理,并且得到了迅速發(fā)展,為城市燃?xì)庑袠I(yè)的管理起到了積極的作用[4-5]。由于其先進(jìn)的功能,SCADA系統(tǒng)可以在燃?xì)夤芫W(wǎng)的地震緊急處置中發(fā)揮作用。

2.1 SCADA系統(tǒng)的功能與組成

SCADA系統(tǒng)的主要功能是在控制中心集中地與各被控站進(jìn)行順序通信,實(shí)時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),對工藝流程進(jìn)行全面、實(shí)時監(jiān)視,并為生產(chǎn)、調(diào)度和管理提供必要的數(shù)據(jù)。SCADA系統(tǒng)通過I/O驅(qū)動程序從現(xiàn)場I/O設(shè)備獲得實(shí)時數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的加工后,一方面以圖形方式直觀地顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上;另一方面按照要求和操作人員的指令將控制數(shù)據(jù)送給I/O設(shè)備,對執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制或調(diào)整控制參數(shù)。

SCADA系統(tǒng)主要的組成部分有:無人值守單元RTU、有人值守監(jiān)控站、調(diào)度中心站、通信網(wǎng)絡(luò)[4]。無人值守RTU的作用是進(jìn)行本地數(shù)據(jù)采集發(fā)送,完成本地控制,接受并完成遠(yuǎn)程控制;有人值守監(jiān)控站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視及管理,完成本地控制,下達(dá)遠(yuǎn)程控制指令及完成遠(yuǎn)程控制;調(diào)度中心站實(shí)時采集下級站的運(yùn)行參數(shù),從而進(jìn)行負(fù)荷分析、優(yōu)化調(diào)度、狀態(tài)評估、故障預(yù)報與分析、計(jì)量管理、向下級站下達(dá)遙控指令,并完成工況圖、統(tǒng)計(jì)曲線報表等管理功能;通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)上級站和下級站之間的數(shù)據(jù)及指令傳輸。

2.2 SCADA系統(tǒng)與燃?xì)夤芫W(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)的結(jié)合

由于SCADA系統(tǒng)的強(qiáng)大功能,可以考慮利用這個現(xiàn)有的系統(tǒng),在其基礎(chǔ)上添加地震緊急處置功能,將其在日常管理調(diào)度方面的應(yīng)用與地震緊急處置技術(shù)相結(jié)合,形成城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的地震緊急處置及監(jiān)測系統(tǒng),既能在平時完成日常調(diào)度管理工作,當(dāng)?shù)卣饋砼R時又可以有效進(jìn)行緊急處置減輕災(zāi)害。

圖1顯示了了地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的工作流程、該系統(tǒng)模塊之間的數(shù)據(jù)流向及相互關(guān)系。其中有斜線箭頭的表示信息的分發(fā)與發(fā)布[7]。

而SCADA系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的原理是相似的,兩個系統(tǒng)均是將現(xiàn)場采集來的信息發(fā)送給控制中心,經(jīng)過控制中心分析判斷后,給現(xiàn)場發(fā)送相應(yīng)的控制指令。由此可見,在現(xiàn)有SCADA系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入地震信息處理模塊開發(fā)地震緊急處置系統(tǒng)是可行的。

圖1 地震應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)的工作流程

2.2.1 實(shí)現(xiàn)的途徑

可以在管網(wǎng)各處現(xiàn)場布設(shè)強(qiáng)震儀或烈度計(jì),作為烈度、強(qiáng)震觀測信息來源,其運(yùn)行可由無人值守RTU或有人值守監(jiān)控站管理。地震信號及指令的傳輸可以使用SCADA系統(tǒng)原有的通信網(wǎng)絡(luò),將SCADA系統(tǒng)原有的信號和地震緊急處置系統(tǒng)的信號通過不同的數(shù)據(jù)傳輸通道,以同樣的方式在上下級站之間進(jìn)行傳送,兩者之間不會產(chǎn)生沖突。在調(diào)度中心站的主控程序中,通過第三方程序接口加入地震信息處理程序,按照SCADA系統(tǒng)原有的I/O尋址方式,尋找地震信息I/O模塊,按照SCADA系統(tǒng)原有的梯級遞增的方向逐個梯級掃描執(zhí)行主控程序[6]。

2.2.2 工作流程

基于SCADA系統(tǒng)的燃?xì)夤芫W(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)的工作流程如下:當(dāng)?shù)卣饋砼R時,由于P波傳播速度快于更具破壞性的S波,各遠(yuǎn)程終端裝置在偵測到P波到達(dá)后,立即將訊息發(fā)送至控制中心,控制中心通過震害快速評估,大致估計(jì)地震的震級和方位等參數(shù),并綜合考慮各遠(yuǎn)程終端處管線的重要性及抗震性能,進(jìn)行智能判斷,確定各處的供氣閥門是否關(guān)閉,并將指令發(fā)送至遠(yuǎn)程終端執(zhí)行,在S波到來前完成緊急處置,以保證安全,且不影響重要管線的正常輸送[3,9]。同時在管網(wǎng)用戶端、小區(qū)接入端用閾值或外觸發(fā)形式的自動處置裝置,如果震源過近,無法獲得足夠反應(yīng)時間進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,則當(dāng)?shù)卣饎哟笥谘b置設(shè)定閾值時,可自動進(jìn)行本地控制[8]。

綜上所述,SCADA系統(tǒng)與地震緊急處置系統(tǒng)具有較好的兼容性。在不妨礙SCADA系統(tǒng)原有的使用功能基礎(chǔ)上,加入地震監(jiān)測模塊和震害快速評估模塊,可以對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)進(jìn)行震害快速評估,必要時發(fā)布指令啟動應(yīng)急控制裝置,實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤?yīng)設(shè)施地震監(jiān)測及緊急處置,控制次生災(zāi)害的發(fā)生,保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。

3 基于ArcGIS的燃?xì)夤芫W(wǎng)緊急處置系統(tǒng)模擬

為了進(jìn)一步展示燃?xì)夤芫W(wǎng)緊急處置的實(shí)用性,在地理軟件ArcGIS Desktop上,通過VBA二次開發(fā)編程初步模擬了燃?xì)夤芫W(wǎng)緊急處置系統(tǒng)的一些功能[10],如圖2所示,并分析了這些功能在實(shí)際燃?xì)庀到y(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方式。

圖2 模擬程序界面

3.1 管網(wǎng)數(shù)據(jù)的建立

采用ArcGIS 9.3的Geodatabase數(shù)據(jù)模型建立管網(wǎng)的數(shù)據(jù)。在ArcCatalog分別建立管線、節(jié)點(diǎn)、閥門、氣源和用氣點(diǎn)等要素類(Feature Class),每個要素類中建立若干字段用以存儲要素的各類信息,例如對管線,有直徑、壁厚、埋深、材料、破壞狀態(tài)等多個字段,以及一些用于中間計(jì)算的字段。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用效用網(wǎng)絡(luò)(Utility Network)模型,這是一種適用于模擬水電管網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)模型。在ArcMap中將這些要素類用不同圖層來表示。使用ArcMap中的編輯器繪制管網(wǎng)圖形,并設(shè)置各要素的字段值。

3.2 管線的震害率信息、地震參數(shù)的輸入

在管線、節(jié)點(diǎn)的要素類中,指定了若干字段用來存儲每段管線在各種地震烈度下的損壞概率。此值可由管線的材料、管徑、埋深、接頭類型、是否嚴(yán)重銹蝕等數(shù)據(jù)來確定[11]。用一個宏命令來批量計(jì)算并寫入要素類中。此程序中還可以對計(jì)算所用的各種參數(shù)進(jìn)行編輯。

在模擬地震的時候需要輸入地震的各種參數(shù),如震中方位、距離、震源深度、震級大小,以及本地的場地條件等。還有一些可以指定的參數(shù)如P波、S波波速,和一些其他選項(xiàng)。由此可以估算出本地的地震烈度,以及地震波到達(dá)的時間等。程序目前只模擬點(diǎn)源。

3.3 地震緊急處置的模擬過程

由于緊急處置時時間緊迫,因此應(yīng)采取一些方案簡化系統(tǒng)的計(jì)算工作,避免進(jìn)行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算。例如對各種地震烈度情況下預(yù)先提供一種處置方案,能讓在此烈度下容易損壞的管段區(qū)域進(jìn)行隔離,盡可能影響最少的區(qū)域。

模擬開始后,由于震中一般不在本地,地震發(fā)生開始數(shù)秒到數(shù)十秒間無地震影響,管線顯示為綠色。隨后傳播速度較快但破壞力小的P波到達(dá),P波經(jīng)過的管線變?yōu)辄S色。當(dāng)管網(wǎng)首次感受到P波影響時,進(jìn)入預(yù)警狀態(tài),即啟動預(yù)先設(shè)定的處置方案,對某些閥門進(jìn)行自動關(guān)閉。為了模擬管網(wǎng)預(yù)先接收到外部臺網(wǎng)的警報的情況,還可以設(shè)置管網(wǎng)收到外部預(yù)警信息的時間,這樣在P波到達(dá)管網(wǎng)之前就能啟動預(yù)定處置方案。接下來傳播速度較慢但破壞力強(qiáng)的S波到達(dá),S波經(jīng)過的管線變?yōu)槌壬?管線此時有受到損壞的可能,對S波經(jīng)過的管段,根據(jù)其震害率決定其是否受到破壞。破壞的管段用紅色顯示,同時尋找與此管段直接相鄰的閥門,若此時未被關(guān)閉,則進(jìn)行關(guān)閉,以確保破壞區(qū)域隔離。當(dāng)S波傳播離開管網(wǎng)所在區(qū)域后,過程結(jié)束。

3.4 GIS系統(tǒng)在實(shí)際燃?xì)夤芫W(wǎng)的地震緊急處置中的應(yīng)用

在實(shí)際的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)中,GIS系統(tǒng)已經(jīng)保存有燃?xì)夤芫W(wǎng)的地理分布、材料特性、工作狀態(tài)等詳細(xì)數(shù)據(jù),只需再加入地震緊急處置相關(guān)的數(shù)據(jù)存儲和圖層顯示。在地圖上增加表示管網(wǎng)現(xiàn)場地震傳感器位置的圖層,從SCADA系統(tǒng)的控制中心實(shí)時獲取各傳感器的數(shù)據(jù),并實(shí)時更新地圖界面上的顯示。地震到來后,SCADA系統(tǒng)接收到的地震信息及控制中心經(jīng)計(jì)算作出的處置方案將實(shí)時在地圖界面上顯示出來,供工作人員查看,工作人員也可在地圖上進(jìn)行實(shí)時操作,對控制中心的處置進(jìn)行人為調(diào)整。

4 結(jié)語

本文主要探討了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的緊急處置系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,以及SCADA系統(tǒng)和GIS系統(tǒng)應(yīng)用于地震緊急處置的可行性,并編制了模擬程序,得出的結(jié)論有:基于SCADA的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)可以體現(xiàn)地震應(yīng)急工作的緊急性、集中性、需要快速反應(yīng)和高層決策的特點(diǎn);可以通過監(jiān)測得到的地震信息,啟動預(yù)防措施,也可以在燃?xì)夤芫W(wǎng)遭受地震襲擊之后進(jìn)行快速震害評估,必要時啟動緊急處置措施。而GIS系統(tǒng)在地震緊急處置系統(tǒng)中可用于直觀的顯示震情及緊急處置的過程,便于工作人員進(jìn)行監(jiān)控和決策?；赟CADA系統(tǒng)平臺研發(fā)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)地震緊急處置系統(tǒng)是可行的,兩者具有較好的兼容性。

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