任偉建 韓開旭 霍鳳財

(東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

大氣污染事故指會對人體有致毒的氣體，由于泄漏、燃燒及爆炸等，在有限的時間內(nèi)急劇擴(kuò)散并給人員帶來傷害的事故[1]。相較于其他污染事故，大氣污染的排污途徑和方式具有不確定性，事故具有突發(fā)性，毒物在有限的時間內(nèi)會急劇擴(kuò)散。大氣污染事故處理，即在污染出現(xiàn)的第一個小時內(nèi)[2]，為降低事故所帶來的危害和影響，而構(gòu)建的全面的突發(fā)污染應(yīng)急救援系統(tǒng)。在此，筆者根據(jù)泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)及爆炸等突發(fā)性大氣污染事故類型的應(yīng)急處理處置特點，基于規(guī)則引擎技術(shù)和動態(tài)路徑規(guī)劃，研發(fā)其應(yīng)急處理系統(tǒng)。

1 規(guī)則引擎和動態(tài)救援路徑規(guī)劃①

1.1 規(guī)則引擎及其優(yōu)化

現(xiàn)有的大氣污染事故救援決策輔助系統(tǒng)包含了成熟的計算模型[3]，并融入了很多非結(jié)構(gòu)化且具有先驗特點的知識，如業(yè)務(wù)決策支持和輔助分析。如果依照傳統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)建思路，把事故救援處置的業(yè)務(wù)流程直接嵌入到突發(fā)污染應(yīng)急救援系統(tǒng)中，就會導(dǎo)致系統(tǒng)升級和擴(kuò)展困難；此外，直接嵌入業(yè)務(wù)流程到系統(tǒng)中，還不得不采用if-else等多重分支嵌套語句，由于系統(tǒng)救援決策的業(yè)務(wù)流程分支組合繁多，使得系統(tǒng)的修改和擴(kuò)展變得難上加難。為此，筆者提出了一種基于規(guī)則引擎的方法，以期從根源上解決上述問題。

規(guī)則引擎技術(shù)是一種組件開發(fā)技術(shù)，可以將規(guī)則文件和業(yè)務(wù)流程嵌入到應(yīng)用程序中，其主要工作是將系統(tǒng)中業(yè)務(wù)層的邏輯和分支分離出來，同時將已規(guī)則化的業(yè)務(wù)邏輯當(dāng)作數(shù)據(jù)對象提交給規(guī)則引擎，并與已加載的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行規(guī)則比對，啟動符合條件的業(yè)務(wù)邏輯，觸發(fā)程序中相應(yīng)的操作。

1.2 動態(tài)救援路徑規(guī)劃

突發(fā)性大氣污染事故的救援路徑規(guī)劃與事故的污染擴(kuò)散狀態(tài)有著很大的關(guān)系，事故的污染擴(kuò)散程度是規(guī)劃救援路徑的首要條件。

突發(fā)性大氣污染事故與其他環(huán)境污染事故的區(qū)別在于，污染物質(zhì)在周圍空氣中的擴(kuò)散受污染物本身性質(zhì)、氣象因素與下墊面的影響極大，因此如何準(zhǔn)確估計突發(fā)事故中污染物的擴(kuò)散濃度與范圍成為研究重點，直接影響到應(yīng)急處置其他階段的策略制定，如疏散、救援路徑制定及災(zāi)害風(fēng)險后果評估等。文獻(xiàn)[3]總結(jié)了適用于突發(fā)性大氣污染事故的相關(guān)模型的多個模型的核心公式與適用條件，但其中的公式需在理想狀態(tài)下才能模擬，比如：要求大氣處于某種穩(wěn)態(tài)及下墊面平坦等。

根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的公式，可以求出以事故源為原點的污染區(qū)域的空間濃度和污染范圍，不同的大氣污染事故都有對應(yīng)的濃度危害區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，可以在地理信息系統(tǒng)上動態(tài)規(guī)劃出致死區(qū)域、重傷區(qū)域、輕傷區(qū)域和安全區(qū)域，并根據(jù)事故現(xiàn)場的實際情況實時調(diào)整。前3個區(qū)域都屬于首要的人群疏散區(qū)域，同時也是救援路徑和疏散路徑規(guī)劃需要避開的區(qū)域。

傳統(tǒng)的最短路徑算法(如Dijkstra)都是基于靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的，沒有考慮動態(tài)交通信息，很難直接應(yīng)用于動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[4]。以往的動態(tài)路徑研究多基于蟻群算法及遺傳算法等[5]，對于動態(tài)路況信息的更新也只能由人工采集進(jìn)行[6]；對于有些危險區(qū)域，是無法由人工采集路況信息的，如：毒氣覆蓋區(qū)域，這就需要根據(jù)突發(fā)大氣污染事故對應(yīng)的大氣擴(kuò)散模型和實時的大氣穩(wěn)態(tài)級別，即時計算出毒氣覆蓋區(qū)域的濃度，以判斷相應(yīng)路況的危險程度，進(jìn)而得出道路的實時路阻系數(shù)。

筆者提出的方法需要根據(jù)危險區(qū)域的危險程度來確定相應(yīng)道路的路阻系數(shù)，也就是道路安全通過的代價。處在致死區(qū)域的代價最高，處在重傷區(qū)域和輕傷區(qū)域的依次次之，橫跨不同危險區(qū)的道路代價則按危險程度高的代價計算。最后將路阻系數(shù)結(jié)合到A*算法中形成新的路徑規(guī)劃方法，該方法可以即時規(guī)劃出最優(yōu)路徑，并根據(jù)實時變動的路阻系數(shù)對救援線路進(jìn)行調(diào)整，具有對隨機(jī)事件和突發(fā)事件的實時處理功能，可有效應(yīng)用于救援車輛路徑的規(guī)劃上。

2 系統(tǒng)流程、結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 突發(fā)性大氣事故應(yīng)急處理流程

突發(fā)性大氣污染事故包括有毒氣/液態(tài)化學(xué)品泄漏、易燃?xì)怏w/液體導(dǎo)致的火災(zāi)及爆炸等類型。毒氣/液態(tài)化學(xué)品泄漏會對人直接造成中毒傷害；而易燃?xì)?液體導(dǎo)致的火災(zāi)的危害來自于火焰的炙烤和燃燒帶來的有毒有害產(chǎn)物；爆炸的破壞來源于爆炸時刻的沖擊波能量。根據(jù)突發(fā)性大

氣污染事故的應(yīng)急處理與救援類型，需要考慮的因素及其基本處理流程如圖1所示。

圖1 大氣污染事故救援處置流程

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能分析

突發(fā)污染應(yīng)急救援系統(tǒng)采用對象-關(guān)系型數(shù)據(jù)庫Oracle Spatial來存儲所有數(shù)據(jù)，Oracle Spatial支持空間中的對象、索引、操作函數(shù)及操作符等功能，可以在ArcGisServer與ArcSDE的支持下完成地理信息數(shù)據(jù)的發(fā)布與交互。C#+.NetFramework作為微軟主推的開發(fā)架構(gòu)，可以將.Drools.Net融入到系統(tǒng)中，管理并發(fā)布所有的規(guī)則內(nèi)容，實現(xiàn)業(yè)務(wù)層和用戶層的分離和獨立。

通過設(shè)計并實現(xiàn)一個面向多種突發(fā)大氣污染類型且環(huán)境復(fù)雜的救援處理系統(tǒng)，可避免單一種類的模型模擬大氣污染擴(kuò)散的局限性，提高應(yīng)急決策的精確性和針對性。基于規(guī)則引擎的核心功能在獲取相關(guān)的規(guī)則參數(shù)后，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)置的模型與方法，通過規(guī)則文件進(jìn)行邏輯匹配，自動生成具有較高參考價值的應(yīng)急處理處置方案。筆者設(shè)計的突發(fā)污染應(yīng)急救援系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.3 應(yīng)急處置與擴(kuò)散模型匹配規(guī)則

2.3.1應(yīng)急處理處置規(guī)則

依照大氣污染事故救援處置流程，突發(fā)污染應(yīng)急救援系統(tǒng)中的規(guī)則引擎主要設(shè)計了大氣模型選擇、風(fēng)險級別評估和救援路徑規(guī)劃三大類規(guī)則，規(guī)則引擎的流程如圖3所示。通過后臺數(shù)據(jù)將初始化數(shù)據(jù)(地點、類型、風(fēng)速、地形等)傳至規(guī)則引擎后，通過預(yù)先編寫的規(guī)則選擇大氣擴(kuò)散模型，并依照所匹配的模型來計算擴(kuò)散的濃度和面積，識別風(fēng)險區(qū)級別并規(guī)劃最優(yōu)救援路徑等。

圖3 規(guī)則文件調(diào)用流程

Drools.Net作為主流的規(guī)則引擎技術(shù)之一，基于Rete和Leaps算法，可以提供高效的匹配規(guī)則方式。采用規(guī)則引擎，可以將業(yè)務(wù)邏輯和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分離，減少了開發(fā)過程中數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層的耦合度，更容易適應(yīng)與時俱進(jìn)的成長型業(yè)務(wù)流程。

Drool.Net與Java版本不同，它不依賴Jre虛擬機(jī)，在應(yīng)用時需要單獨將drools-3.0.dll、IKVM.GNU.Classpath.dll、drools.dotnet.dll這3個文件加載到項目中，同時引用命名空間(using org.drools.dotnet.compiler；using org.drools.dotnet.rule)后，才可以在項目開發(fā)中調(diào)用，規(guī)則創(chuàng)建與調(diào)用的局部代碼如下：

using org.drools.dotnet.compiler;

using org.drools.dotnet.rule;

…

Package pkg=builder.getPackage();

WorkingMemory engine=ruleBase.NewWorkingMemory();

TestModel model=new TestModel();

engine.AssertObject(model);

RuleBase ruleBase=RuleBaseFactory.NewRuleBase();

ruleBase.AddPackage(pkg);

engine.FireAllRules();

…

2.3.2泄漏擴(kuò)散模型匹配規(guī)則

為方便規(guī)則文件的管理，需要對其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計，一個標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則結(jié)構(gòu)分為條件部分與行為部分。大氣污染擴(kuò)散模擬模型的正確匹配對于處置大氣污染擴(kuò)散事故的效果而言至關(guān)重要，參考文獻(xiàn)[3]中大氣污染擴(kuò)散模型的條件因子并融入空間算子后，所設(shè)計的大氣污染模型選擇規(guī)則見表1。

表1 大氣污染模型選擇規(guī)則

注：“是”表示進(jìn)行布爾型運算；“否”表示不進(jìn)行布爾型運算；“無”表示此項不參與規(guī)則運算。

2.4 動態(tài)路徑規(guī)劃

此處的動態(tài)路徑規(guī)劃基于ArcGIS Server平臺，開發(fā)語言采用C#，編程環(huán)境為VS2010。

首先在Arccatalog中創(chuàng)建拓?fù)湟?guī)則，必須保證數(shù)據(jù)為Geodatabase格式，且滿足要進(jìn)行拓?fù)湟?guī)則檢查的要素類在同一要素集下。通過規(guī)則引擎和上文提到的初始化必須數(shù)據(jù)，判斷并選取合適的大氣擴(kuò)散模型；根據(jù)大氣擴(kuò)散模型和事發(fā)點的經(jīng)緯坐標(biāo)，求取污染范圍或危險疏散區(qū)域，將相應(yīng)范圍的多邊形作為擦除區(qū)域多邊形；將目標(biāo)特征與擦除區(qū)域多邊形進(jìn)行補(bǔ)集運算，只有落在擦除區(qū)域多邊形外的區(qū)域可以保留下來，即非污染區(qū)。需要注意的是，擦除區(qū)域多邊形只能是面元素，不能使用點元素或線元素。

在計算出非污染區(qū)后，直接應(yīng)用A*算法就可以得出傳統(tǒng)路徑規(guī)劃。但是實際應(yīng)用中，可能會要求救援人員深入污染區(qū)，或者時間緊迫需要通過污染區(qū)的捷徑來完成救援工作，這時就要用到本研究針對路阻因子的改進(jìn)。

根據(jù)污染區(qū)的3個級別，分別對應(yīng)3種不同的高風(fēng)險道路代價，通過大氣擴(kuò)散模型，先將求出的污染區(qū)范圍坐標(biāo)信息傳到ArcGIS Server的ArcObject接口——IGeometry中，然后調(diào)用IFeatureLayer要素圖層接口，選擇相應(yīng)的查詢圖層，在IGeometry的幾何范圍內(nèi)，對目標(biāo)圖層(道路圖層)的要素進(jìn)行查詢檢索，可以得到一個道路要素的集合，對該集合內(nèi)的道路要素遍歷，將每一條道路的代價進(jìn)行大幅升高，便可以得到污染區(qū)內(nèi)動態(tài)更新后的路阻因子了。

將上述方法依不同的權(quán)重進(jìn)行3次修改，即可得到致死區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)更新后的路阻因子。把這些路阻因子賦給用于動態(tài)規(guī)劃的A*算法[7]，即可得到更準(zhǔn)確的動態(tài)道路規(guī)劃結(jié)果，如圖4所示，三角標(biāo)志點為救援力量的動態(tài)位置，白色線為傳統(tǒng)最優(yōu)路徑規(guī)劃結(jié)果，黑色線為改進(jìn)后的動態(tài)規(guī)劃結(jié)果。本模塊的局部核心代碼如下：

///

///開始節(jié)點

private void TryToFindPaht(PathNode node)

{

if(openPath.Count>0)

{

closePath.Add(openPath[0]);//每次從開啟列表中取第一個添加到關(guān)閉列表，注意這個列表已經(jīng)是排序后的，第一個即是F值最小的

openPath.RemoveAt(0);//把該節(jié)點從開啟列表中移除

}

AddOpenNode(node);//以這個節(jié)點為基準(zhǔn)，把它四周的節(jié)點添加到開啟列表中，排除障礙物、已經(jīng)在開啟列表或關(guān)閉列表中的

//當(dāng)目標(biāo)節(jié)點已經(jīng)在開啟列表中時表示尋路成功

if(IsInOpenPaht(endNode))

{

closePath.Add(endNode);//將目標(biāo)節(jié)點添到關(guān)閉列表中

endNode.ParentPoint=currentNode.Point;//目標(biāo)節(jié)點的父節(jié)點為當(dāng)前節(jié)點

findSuccess=true;

return;

}

SortPathByF();//依F值從小到大排序

if(openPath.Count>0)

{

currentNode=openPath[0];//從開啟列表中取F值最小的作為當(dāng)前節(jié)點

TryToFindPaht(currentNode);//遞歸調(diào)用，再次尋路

}

}

…

…

圖4 針對事故危險區(qū)的動態(tài)最優(yōu)路徑規(guī)劃

從圖4中可以看出，雖然白線更短，但是穿越了大部分大氣污染區(qū)；為了安全起見，黑線雖然更長，但是仍為最佳路徑。這就是筆者設(shè)計的動態(tài)路徑規(guī)劃與傳統(tǒng)路徑規(guī)劃的最大區(qū)別。

3 案例應(yīng)用

以大慶油田某油罐爆炸燃燒事故演習(xí)為例，現(xiàn)場初始信息：平均風(fēng)速1.25m/s、風(fēng)向東北、大氣穩(wěn)態(tài)B級、爆炸燃燒源高度12m。

突發(fā)性大氣污染應(yīng)急救援系統(tǒng)的污染系統(tǒng)主界如圖5所示，獲取事故類型、地點坐標(biāo)及現(xiàn)場氣象等信息后，根據(jù)事先定義好的規(guī)則文件，自動在大氣擴(kuò)散模型庫中精確匹配相應(yīng)的大氣擴(kuò)散模型。最終，系統(tǒng)會對運算結(jié)果以文字、圖片及表格等形式輸出。通過ArcGIS Server的空間拓?fù)溥\算，可以計算出事故的影響范圍，估算敏感點與風(fēng)險源，規(guī)劃最優(yōu)疏散救援路徑，并在地圖上進(jìn)行標(biāo)繪，最后給出整體的事故救援疏散解決方案。

圖5 污染系統(tǒng)主界面

此次進(jìn)行的油罐爆炸演練，證明該程序可以在第一時間根據(jù)所需信息判斷出污染的事故類型，根據(jù)大氣擴(kuò)散模型模擬出擴(kuò)散的濃度與范圍，并根據(jù)規(guī)則文件提示處置方法供救援者參考，如自動推薦疏散途徑及最小代價的救援規(guī)劃等。相比較傳統(tǒng)的應(yīng)急處置救援系統(tǒng)，使得救援和指揮具有高效性、靈活性和實用性。

4 結(jié)束語

筆者對大氣污染擴(kuò)散事故應(yīng)急救援的工作程序進(jìn)行了分析，總結(jié)分析了適合于泄漏、火災(zāi)或爆炸等不同空氣污染類型對應(yīng)的數(shù)學(xué)依據(jù)和理論公式的應(yīng)用范圍，對規(guī)則引擎進(jìn)行改進(jìn)，融合了空間

因子，基于ArcGIS Server技術(shù)，建立了面向多種空氣污染類型(燃燒及爆炸等)和多種自然環(huán)境(不同氣象和地形)的突發(fā)事故救援系統(tǒng)。根據(jù)多種參數(shù)(氣象、地形及自定義參數(shù)等)對大氣污染擴(kuò)散的模型進(jìn)行劃分，能夠根據(jù)事故的屬性信息，依托規(guī)則引擎選擇大氣污染擴(kuò)散模型。針對以往動態(tài)路徑規(guī)劃的不足，改進(jìn)了動態(tài)規(guī)劃算法，將事故污染的危險區(qū)作為路阻系數(shù)之一加入到算法中，既將危險區(qū)考慮到救援路徑規(guī)劃代價中，又避免了人工進(jìn)入事故危險區(qū)采集路況信息，使得實時路徑規(guī)劃更具有實效性和靈活性。當(dāng)然，該系統(tǒng)的模塊還有很多可以繼續(xù)改進(jìn)的空間，規(guī)則的前件和后件的數(shù)量不多；規(guī)則的內(nèi)容的粒度還不夠小、不夠細(xì)致；針對危險區(qū)域的動態(tài)路徑規(guī)劃仍然有很大的發(fā)展空間，如將區(qū)域多邊形內(nèi)部的濃度作為限制條件結(jié)合到路徑代價計算上，可以更精確地計算出各個路徑的真實代價，而不是機(jī)械地躲避危險區(qū)域。