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        高斯煙羽模型支持下的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2016-11-11 05:16:46彭安琪儲征偉張書亮
        測繪通報 2016年10期
        關(guān)鍵詞:煙羽燃?xì)夤?/a>高斯

        彭安琪,儲征偉,張書亮

        (1. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023; 3. 南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇 南京 210019)

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        高斯煙羽模型支持下的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        彭安琪1,2,儲征偉3,張書亮1,2

        (1. 南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210023; 2. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210023; 3. 南京市測繪勘察研究院有限公司,江蘇 南京 210019)

        由于燃?xì)庾陨硪妆?、易擴(kuò)散等特性,以及燃?xì)庠O(shè)施設(shè)備的損壞老化問題,導(dǎo)致燃?xì)庑孤┦鹿蕰r有發(fā)生。本文以高斯煙羽擴(kuò)散模型為理論基礎(chǔ),研究與設(shè)計(jì)了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了燃?xì)庠O(shè)施設(shè)備管理、燃?xì)庑孤?yīng)急、輔助救援決策等功能,為突發(fā)燃?xì)庑孤┦录膽?yīng)急指揮、泄漏影響范圍分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

        高斯煙羽模型;GIS;燃?xì)庑孤?yīng)急

        伴隨城市的快速發(fā)展,燃?xì)夤芫W(wǎng)已經(jīng)遍布城市的各個角落。燃?xì)庠O(shè)施設(shè)備老化破損、安全防護(hù)裝置失效、供氣企業(yè)管理漏洞、作業(yè)人員違規(guī)操作、第三方施工干擾均可導(dǎo)致燃?xì)馐鹿?。燃?xì)庾陨淼囊兹紵?、易爆炸性、易擴(kuò)散性、壓力供應(yīng)性及連續(xù)供應(yīng)性也增加了燃?xì)夤艿朗鹿实陌l(fā)生概率。城市地區(qū)人口密集,商業(yè)活動集中,經(jīng)濟(jì)水平發(fā)達(dá),一旦發(fā)生燃?xì)馐鹿?,將會造成?yán)重的人員傷亡、財產(chǎn)損失、環(huán)境污染等后果。根據(jù)統(tǒng)計(jì),城市燃?xì)獍踩鹿室殉蔀槲覈^交通事故、工傷事故之后的第三大殺手[1]。

        城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)的建設(shè)基于高斯煙羽模型,能夠有效模擬燃?xì)庑孤┖髿怏w的污染范圍與氣體濃度,并結(jié)合應(yīng)急指揮單位、救援單位、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等信息提出切實(shí)可行的應(yīng)急救援方案,結(jié)合燃?xì)夤芫W(wǎng)信息提供需立刻關(guān)閉的閥門信息及其關(guān)閉閥門后會受影響的其他燃?xì)夤芏涡畔ⅲ暂o助救援指揮工作,從而減少燃?xì)馐鹿试斐傻娜藛T傷亡與財產(chǎn)損失,保護(hù)公民的人身財產(chǎn)安全,維護(hù)社會和諧穩(wěn)定。

        一、燃?xì)庑孤U(kuò)散模型

        氣體泄露擴(kuò)散模型主要有:高斯煙羽/煙團(tuán)模型、BM模型、Sutton模型、FEM3模型、Monte-Carlo、CFD模型[2]。在地形因素對大氣中物質(zhì)擴(kuò)散影響微小的地區(qū)(如平原地區(qū)),大氣的擴(kuò)散受盛行風(fēng)的影響最大,物質(zhì)移動的概率符合高斯正態(tài)分布,且高斯擴(kuò)散模型參數(shù)較少,公式形式相對簡單,計(jì)算量小,能很好地滿足快速預(yù)測的需求[3-4]。本文依據(jù)高斯煙羽擴(kuò)散模型建立燃?xì)庑孤U(kuò)散模型。

        常規(guī)高斯點(diǎn)源煙羽擴(kuò)散模型可表述為以下形式

        (1)

        式中,Q為源強(qiáng),單位為kg/s;u為平均風(fēng)速,單位為m/s;σy與σz分別為水平擴(kuò)散參數(shù)與垂直擴(kuò)散參數(shù),在大氣穩(wěn)定度等級不變的條件下為常數(shù);H為泄漏源有效高度,單位為m;C(x,y,z)為下風(fēng)方向x米、橫向y米、地面上方z米處的擴(kuò)散氣體濃度,單位為kg/m3。

        將式(1)中的z賦值為0,即可得到地表擴(kuò)散氣體濃度公式

        (2)

        將式(1)中的y與z賦值為0,可得到地面軸線的擴(kuò)散氣體計(jì)算公式

        (3)

        由式(1)可得高斯煙羽模型的等濃度曲線公式為

        (4)

        二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        1. 系統(tǒng)架構(gòu)

        城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu),整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層與應(yīng)用層搭建而成,如圖1所示。數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐,包含基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、應(yīng)急處理數(shù)據(jù)、應(yīng)急知識數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù);服務(wù)層提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)與功能服務(wù),包括地圖數(shù)據(jù)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)、燃?xì)鈹U(kuò)散分析服務(wù)、救援指揮服務(wù)、撤離疏散服務(wù)等;應(yīng)用層位于系統(tǒng)的最上層,具體實(shí)現(xiàn)各種系統(tǒng)功能。

        圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

        2. 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)遵循可靠性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性等原則[5],分為基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急數(shù)據(jù)庫、應(yīng)急知識庫及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫4個部分,組成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)體系。

        基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫主要包含遙感影像數(shù)據(jù)及用于路網(wǎng)分析的城市各級別道路數(shù)據(jù);應(yīng)急數(shù)據(jù)庫由燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)、救援指揮數(shù)據(jù)、醫(yī)療單位數(shù)據(jù)、公共場所數(shù)據(jù)、疏散地點(diǎn)數(shù)據(jù)組成;應(yīng)急知識庫包括擴(kuò)散模型參數(shù)確定標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)散氣體理化性質(zhì)、燃?xì)馐鹿示仍k法與處置流程;系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括用戶信息與日志信息。

        以上所有空間數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)庫中間件存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中,通過地圖數(shù)據(jù)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)等方式得以訪問;文檔數(shù)據(jù)直接以文件形式存儲在服務(wù)器中;其他屬性數(shù)據(jù)以表的形式存儲在數(shù)據(jù)庫中。

        3. 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)由系統(tǒng)管理、地圖操作、管網(wǎng)查詢統(tǒng)計(jì)、管網(wǎng)分析、管網(wǎng)應(yīng)急5大功能模塊組成。其中管網(wǎng)應(yīng)急是系統(tǒng)的核心模塊,包括事故接警、模擬分析、指揮所分析、救援分析、疏散撤離、爆管關(guān)閥分析與報告輸出7個功能。如圖2所示。

        圖2 系統(tǒng)功能

        三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

        1. 等值線生成

        (1) 建立高斯坐標(biāo)系

        以燃?xì)庑孤┦鹿庶c(diǎn)為原點(diǎn),按右手法則建立高斯坐標(biāo)系,X軸代表下風(fēng)方向,Y軸為橫向[6]。高斯坐標(biāo)系與平面坐標(biāo)系之間可通過公式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

        (2) 計(jì)算特定時刻X軸方向的濃度界線

        根據(jù)高斯煙羽擴(kuò)散模型,計(jì)算特定時刻下風(fēng)方向氣體濃度為給定邊界濃度的點(diǎn)Xm。

        (3) 計(jì)算等濃度曲線

        在以原點(diǎn)為起點(diǎn)、以Xm為終點(diǎn)的線段上取若干點(diǎn),以這些點(diǎn)為橫向擴(kuò)展中心,逐一根據(jù)式(4)計(jì)算橫向污染范圍的邊界點(diǎn),其中,污染物濃度為系統(tǒng)給定濃度,這些點(diǎn)的連線組成等濃度曲線。

        (4) 進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

        高斯煙羽擴(kuò)散模型所得出的污染物擴(kuò)散范圍基于事故點(diǎn)為中心的高斯坐標(biāo)系,通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方法,給出在GIS平面投影坐標(biāo)系下統(tǒng)一的多源釋放模型[7]。

        將高斯坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成平面地理坐標(biāo)系,高斯坐標(biāo)系X軸與地理坐標(biāo)系的E軸夾角為θ,事故點(diǎn)坐標(biāo)為(X0,Y0),轉(zhuǎn)換公式為

        (5)

        2. 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

        系統(tǒng)包含系統(tǒng)管理、地圖操作、管網(wǎng)查詢統(tǒng)計(jì)、管網(wǎng)分析、管網(wǎng)應(yīng)急5大功能模塊。

        系統(tǒng)管理包括用戶管理與日志管理;地圖操作提供地圖放大縮小、地圖平移、地圖量測等基本地圖工具;管網(wǎng)查詢統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)的空間查詢、屬性查詢、空間統(tǒng)計(jì)、屬性統(tǒng)計(jì)等功能;管網(wǎng)分析提供針對管網(wǎng)的斷面分析、連通分析與空間碰撞分析等功能。

        管網(wǎng)應(yīng)急是整個系統(tǒng)的核心功能模塊,包括以下功能:

        1) 事故接警。事故接警是管線應(yīng)急處置的第一步。事故發(fā)生,值班人員接到事故報警后立即響應(yīng),填寫事故基本信息,并進(jìn)行事故具體位置的定位,為后續(xù)指揮、分析、疏散功能提供參考。

        2) 模擬分析。系統(tǒng)利用高斯煙羽模型分析燃?xì)鈹U(kuò)散范圍,用戶在系統(tǒng)輔助下確定模型的詳細(xì)參數(shù),填寫參數(shù)完成后開始分析即可獲得事故影響人口及影響管線的相關(guān)信息。

        3) 指揮所分析。系統(tǒng)根據(jù)爆破點(diǎn)的位置信息與道路條件等信息自動尋找處于爆破點(diǎn)上風(fēng)方向的醫(yī)療、派出所等相關(guān)單位,并形成列表供用戶自行選擇指揮所;同時,用戶也可以自己定義查詢范圍和查詢類型等條件,自行搜索指揮所位置。

        4) 救援分析。救援分析是燃?xì)馐鹿蕬?yīng)急處置的關(guān)鍵環(huán)節(jié),關(guān)系人員生命安全與財產(chǎn)安全。救援分析提供醫(yī)院、派出所等救援單位供用戶選擇,并自動生成救援單位與事發(fā)地點(diǎn)的道路路徑供救援工作參考。

        5) 疏散撤離。結(jié)合事發(fā)地點(diǎn),尋找可供人員疏散的安全地域,并計(jì)算事發(fā)地點(diǎn)至疏散地點(diǎn)的路徑信息供疏散工作參考。

        6) 爆管分析。系統(tǒng)通過爆管分析算法自動遍歷事故影響的管線、尋找解決泄漏事故所需要關(guān)閉的閥門,并分析計(jì)算關(guān)閉閥門后會受到影響的其他管段。

        7) 報告輸出。報告輸出步驟中可以將整個應(yīng)急流程中所生成的信息,即事故接警信息、模擬分析參數(shù)信息、指揮所信息、救援單位信息、疏散撤離信息、爆管關(guān)閥信息統(tǒng)一生成一張PDF格式的報表,并輸出報表,用以存檔。

        系統(tǒng)界面如圖3所示。

        圖3 系統(tǒng)界面

        四、結(jié)束語

        城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)以高斯煙羽擴(kuò)散模型為理論基礎(chǔ),采用SOA架構(gòu),綜合了地理信息數(shù)據(jù)、燃?xì)夤芫W(wǎng)數(shù)據(jù)、應(yīng)急數(shù)據(jù)、應(yīng)急知識等數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了燃?xì)夤芫W(wǎng)氣體泄漏擴(kuò)散模擬及輔助救援指揮工作等功能,為加強(qiáng)燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急管理、提升科學(xué)救援水平、輔助應(yīng)急救援指揮提供了決策輔助與技術(shù)支持。

        [1]王起全.基于馬爾科夫理論的燃?xì)庑孤┦鹿试蜓葑兎治鯷J].消防科學(xué)與技術(shù),2015(6):807-811.

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        Design and Implementation of a City Gas Pipeline Emergency-aid System Based on Gaussian Plume Model

        PENG Anqi,CHU Zhengwei,ZHANG Shuliang

        彭安琪,儲征偉,張書亮.高斯煙羽模型支持下的城市燃?xì)夤芫W(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].測繪通報,2016(10):110-112.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0342.

        2015-12-15

        國家自然科學(xué)基金(41171301)

        彭安琪(1992—),女,碩士生,主要研究方向?yàn)槌鞘械叵鹿芫€數(shù)據(jù)共享。E-mail:angelapaq@163.com

        張書亮

        P208

        B

        0494-0911(2016)10-0110-03

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