韓君慶++陳建國(guó)

[摘 要] 城市的地下管線系統(tǒng)能否安全運(yùn)行直接影響到城市功能能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其是易燃易爆的燃?xì)夤芫W(wǎng)，其能否安全運(yùn)行關(guān)乎人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此，燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測(cè)及其相關(guān)應(yīng)急處置機(jī)制的研究顯得極有必要。文章以城市A為燃?xì)夤芫W(wǎng)部署研究城市，設(shè)計(jì)了燃?xì)夤芫W(wǎng)的監(jiān)測(cè)、信息傳輸、數(shù)據(jù)分析以及決策預(yù)警等方面的技術(shù)框架，并對(duì)與燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行密切相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。最后通過(guò)對(duì)A市出現(xiàn)的一個(gè)真實(shí)突發(fā)事件進(jìn)行全流程處置來(lái)展示研究成果。

[關(guān)鍵詞] 城市生命線；物聯(lián)網(wǎng)；突發(fā)事件；應(yīng)急處置；綜合監(jiān)測(cè)；燃?xì)夤芫W(wǎng)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 19. 080

[中圖分類號(hào)] TN915.08 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）19- 0186- 04

0 引 言

城市的地下管線擔(dān)負(fù)著城市的信息傳遞、能源輸送、排澇減災(zāi)、廢物排棄的功能，是城市賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，它就像人體內(nèi)的“血管”和“神經(jīng)”，因此，被人們稱為城市的“生命線”。隨著世界城市化進(jìn)程的加速，城市地下管線建設(shè)發(fā)展非常迅猛，隨之而來(lái)的地下管線管理方面的問(wèn)題也越來(lái)越多，突發(fā)緊急事件頻繁發(fā)生。燃?xì)庠O(shè)施及其附屬管線是城市地下管線的重要組成部分，是市政公用事業(yè)城市的重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，是現(xiàn)代城鎮(zhèn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活息息相關(guān)。城鎮(zhèn)燃?xì)鈱?duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)城鎮(zhèn)發(fā)展、提高人民生活水平發(fā)揮了極其重要的作用。同時(shí)，燃?xì)獗旧碛志哂幸兹?、易爆和有毒的特點(diǎn)，一旦管道設(shè)施發(fā)生泄漏，極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸及中毒事故，使國(guó)家和人民生命財(cái)產(chǎn)遭受損失。2004年7月30日，比利時(shí)發(fā)生一起然氣管道爆炸事故，造成23人死亡，200多人受傷。2014年8月1日，臺(tái)灣高雄市輸氣管道發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，造成16人死亡。2015年4月17日，美國(guó)加州一條天然氣輸氣管道被破壞，導(dǎo)致爆炸和火災(zāi)，并造成15人受傷。燃?xì)庑袠I(yè)現(xiàn)在成為社會(huì)所關(guān)注的焦點(diǎn)，其發(fā)生事故所造成的損失，不僅僅是一些經(jīng)濟(jì)上的損失，給自身的發(fā)展增加難度，更會(huì)給當(dāng)?shù)氐耐顿Y環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成一些負(fù)面的影響。如何有效避免、把此類事件發(fā)生的可能性降低到最低點(diǎn)，已成為當(dāng)前城市安全運(yùn)行管理的重中之重。因此，燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測(cè)及其相關(guān)應(yīng)急處置機(jī)制的設(shè)立顯得極為必要。

本文研究以城市A為背景，以2.5公里燃?xì)夤芫W(wǎng)為研究目標(biāo)，構(gòu)建燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)隱患的識(shí)別、監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估以及應(yīng)急處置系統(tǒng)，建立相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)分析理論和識(shí)別技術(shù)框架，構(gòu)建燃?xì)夤芫W(wǎng)工程物聯(lián)網(wǎng)感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提供城市燃?xì)夤芫W(wǎng)健康狀態(tài)和評(píng)估報(bào)告，為實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式安全保障提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。其研究成果可以為整個(gè)燃?xì)夤芫W(wǎng)工程的安全運(yùn)行管理先行探索創(chuàng)新路徑，并為相關(guān)管理機(jī)制的建立奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 總體研究框架

A市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以公共安全科技為支撐，融合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、BIM/GIS等現(xiàn)代信息技術(shù)，透徹感知燃?xì)夤芫W(wǎng)的運(yùn)行狀況，分析燃?xì)夤芫W(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)及耦合關(guān)系，深度挖掘燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的及時(shí)感知，早期預(yù)測(cè)預(yù)警、和高效處置應(yīng)對(duì)。確保燃?xì)夤芫W(wǎng)的主動(dòng)式安全保障。

本項(xiàng)目將基于上述技術(shù)和應(yīng)用框架，通過(guò)對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，評(píng)估地下空間轟燃爆炸風(fēng)險(xiǎn)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間可燃?xì)怏w濃度；形成泄漏地段的快速風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，降低密閉空間爆炸危險(xiǎn)性。系統(tǒng)將得到的預(yù)警信息與其他生命線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息以及用地類型等數(shù)據(jù)相結(jié)合，綜合分析并識(shí)別出可能發(fā)生次生事件的區(qū)域。為燃?xì)夤芫W(wǎng)的巡檢和養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，為相關(guān)部門進(jìn)行科學(xué)決策和應(yīng)急處置提供支持。

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為城市燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)管提供全業(yè)務(wù)、全體系、成套化的技術(shù)支撐服務(wù)，進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)與系統(tǒng)總體框架構(gòu)建，并在統(tǒng)一框架下模塊化構(gòu)建專項(xiàng)應(yīng)用，提供開(kāi)放式接口適配，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)應(yīng)用以及系統(tǒng)與外部系統(tǒng)互聯(lián)互通、資源共享、協(xié)同協(xié)作，又能獨(dú)立運(yùn)行。以物聯(lián)網(wǎng)“感傳知用”為技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，燃?xì)夤艿腊踩\(yùn)行管理系統(tǒng)的總體研究框架如圖1所示。

研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：

（1）前端感知系統(tǒng)。燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目前端感知系統(tǒng)主要包括甲烷、乙烷、一氧化碳和硫化氫前端監(jiān)測(cè)儀以及氣體采集設(shè)備等。前端感知系統(tǒng)主要對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間的可燃和有毒氣體的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)和監(jiān)測(cè)方式的選擇設(shè)計(jì)等。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)首先通過(guò)對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)辨識(shí)，確立監(jiān)測(cè)空間位置，然后根據(jù)實(shí)際空間類型選擇監(jiān)測(cè)方式。監(jiān)測(cè)方式包括前端氣體采集儀的設(shè)計(jì)、安裝和供電等。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)作為連接燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間前端傳感器的網(wǎng)絡(luò)以及后端監(jiān)測(cè)中心的廣域鏈路，是整個(gè)項(xiàng)目中最為重要的支撐保障系統(tǒng)。主要通過(guò)感知網(wǎng)和廣域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)傳輸手段，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的匯集、傳輸，系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)的數(shù)據(jù)交互。

（3）專項(xiàng)應(yīng)用系統(tǒng)。燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：①地下空間風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別子系統(tǒng)（利用緩沖區(qū)分析技術(shù)，在城市地下管網(wǎng)三維模型上建立不同危險(xiǎn)距離為半徑的緩沖虛擬空間，分析緩沖虛擬空間與污水管網(wǎng)三維模型、雨水管網(wǎng)三維模型、電纜溝網(wǎng)絡(luò)三維模型、地下超市三維模型以及地下停車場(chǎng)三維模型的交集部分，從而分析判斷得出這些地下空間的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)信息）；②動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)（動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)將管網(wǎng)及密閉空間的功能信息和監(jiān)測(cè)信息以集成的方式展現(xiàn)在相應(yīng)的用戶終端界面上，本系統(tǒng)包括管網(wǎng)及相鄰空間三維可視化、分類信息顯示、信息查詢和信息分析）；③安全分析子系統(tǒng)（針對(duì)地下空間內(nèi)可燃?xì)怏w的安全進(jìn)行評(píng)估，包括危險(xiǎn)空間可燃?xì)怏w濃度評(píng)估、危險(xiǎn)空間可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)評(píng)估、可燃?xì)怏w擴(kuò)散分析、可燃?xì)怏w泄漏后果預(yù)測(cè)評(píng)估還有其他專項(xiàng)評(píng)估）；④預(yù)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)（根據(jù)當(dāng)前掌握的信息，運(yùn)用綜合預(yù)測(cè)分析模型，進(jìn)行快速計(jì)算，對(duì)事態(tài)發(fā)展和后果進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的次生、衍生事件，確定事件可能的影響范圍、影響方式、持續(xù)時(shí)間和危害程度等，并結(jié)合相關(guān)預(yù)警分級(jí)指標(biāo)提出預(yù)警分級(jí)的建議）；⑤輔助決策子系統(tǒng)（輔助決策支持系統(tǒng)提供對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全狀況的總體概覽，系統(tǒng)涵蓋領(lǐng)導(dǎo)桌面、綜合統(tǒng)計(jì)分析和智能輔助方案）。

燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。系統(tǒng)將首先對(duì)地下管網(wǎng)及相鄰空間進(jìn)行可燃?xì)怏w爆炸風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定各個(gè)空間的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行傳感器的優(yōu)化設(shè)。對(duì)有不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)地下空間進(jìn)行分級(jí)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方式包括利用固定式可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀對(duì)可燃?xì)怏w的濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，燃?xì)夤镜囊苿?dòng)監(jiān)設(shè)備對(duì)可能存在的燃?xì)庑孤┻M(jìn)行監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)輿情監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果，對(duì)地下空間發(fā)生爆炸的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行劃分，并通過(guò)計(jì)算定位泄漏的位置和分析風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。系統(tǒng)將就事故信息向有關(guān)部門發(fā)布風(fēng)險(xiǎn)圖和預(yù)警信息。系統(tǒng)還將生成應(yīng)急輔助決策預(yù)案，包括資源調(diào)配圖、智能預(yù)案的生成等等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

燃?xì)夤芫W(wǎng)相鄰地下空間安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所使用的技術(shù)涉及前端管網(wǎng)空間安全信息感知、采集、傳輸、處理等四個(gè)環(huán)節(jié)，各個(gè)環(huán)節(jié)以公共安全科技為主線，涵蓋地下空間風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)、爆炸防護(hù)理論、氣體化學(xué)分析技術(shù)、預(yù)測(cè)預(yù)警、安全評(píng)估等公共安全技術(shù)，其具體關(guān)鍵技術(shù)如圖3所示。

2.1 危險(xiǎn)空間的識(shí)別技術(shù)

根據(jù)管網(wǎng)的功能、服務(wù)對(duì)象和周圍環(huán)境進(jìn)行區(qū)域劃分，進(jìn)行三維空間建模；利用專題圖層疊加、空間拓?fù)錁?gòu)建和臨近空間分析，獲得燃?xì)夤芫W(wǎng)與其他地下空間相鄰區(qū)域的分布數(shù)據(jù)，如地理坐標(biāo)、空間體積和空間屬性等，評(píng)估空間的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.2 混合氣體爆炸危險(xiǎn)性分析技術(shù)

通過(guò)對(duì)不同組分、不同比例燃?xì)馀c污水、雨水等管網(wǎng)的雜質(zhì)氣體（CO，H2S等）混合后在常見(jiàn)危險(xiǎn)密閉環(huán)境中的爆炸機(jī)理、爆炸濃度極限、爆炸沖擊波壓力、爆炸火焰溫度、毀傷范圍等關(guān)鍵參數(shù)，建立混合氣體爆炸危險(xiǎn)性快速評(píng)估模型，科學(xué)有效評(píng)估可燃混合氣體的爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 泄漏后果預(yù)測(cè)技術(shù)

根據(jù)事故的種類不同所產(chǎn)生的危害作用不同，如天然氣噴射燃燒、天然氣混合爆炸、水漫路面、水沖擊路面坍塌等，結(jié)合事故發(fā)生地的區(qū)域劃分、地質(zhì)條件、管網(wǎng)信息和用戶分布，對(duì)人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、交通和用水影響區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.4 密閉空間泄漏源反演技術(shù)

根據(jù)氣體不同時(shí)間的濃度監(jiān)測(cè)場(chǎng)，設(shè)置泄漏空間邊界條件和校正因子，用優(yōu)化算法和隨機(jī)逼近等反演方法對(duì)密封空間泄漏源進(jìn)行反演推算。

3 突發(fā)事件處理實(shí)例

從一個(gè)真實(shí)發(fā)生的燃?xì)庑孤┨幚戆咐故狙芯拷Y(jié)果。

2016年6月28日13：14，系統(tǒng)發(fā)出了警報(bào)：可燃?xì)怏w濃度達(dá)到4.2%，接近爆炸極限，如圖4所示。通過(guò)對(duì)平臺(tái)報(bào)警數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)某設(shè)備（編號(hào)A317015025）數(shù)據(jù)存在規(guī)律性變化，其中在凌晨四點(diǎn)左右壓力濃度最高，在白天濃度降低，部分時(shí)刻會(huì)降低至高報(bào)閾值以下，如圖5所示。

經(jīng)查實(shí)，該井位于A市登云庭小區(qū)西門，離門衛(wèi)室約2米，為燃?xì)饩?，井?nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀為6月21晚安裝，如圖6、圖7所示。

比較歷史監(jiān)測(cè)曲線和瓦斯泄漏特征曲線，這兩條曲線的匹配程度很高，初步判斷是漏氣，如圖8所示。進(jìn)一步分析氣體溯源模型，發(fā)現(xiàn)泄露可能發(fā)生在登云庭小區(qū)西門或者黎明公交車站，如圖9所示。

通過(guò)對(duì)可燃?xì)怏w擴(kuò)散模型的分析，得到了周圍受影響的目標(biāo)，包括電力、雨水管道等，共有22個(gè)，如圖10所示。同時(shí)通過(guò)分析可以得到泄漏氣體的爆炸時(shí)間是34小時(shí)后，如圖11所示。并分析了爆炸對(duì)其他管道、關(guān)鍵防護(hù)目標(biāo)以及其他關(guān)鍵危險(xiǎn)以及爆炸的影響。

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，其危險(xiǎn)程度較高，且由于泄露處于小區(qū)的入口，一旦發(fā)生爆炸，后果嚴(yán)重。因此第一時(shí)間及時(shí)通知受災(zāi)地區(qū)和單位，并做好緊急疏散、交通管制等工作，以防出現(xiàn)傷亡。然后通知煤氣公司，搶修人員在管道連接處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)縫隙，這個(gè)縫隙導(dǎo)致煤氣泄漏。相關(guān)人員進(jìn)行搶修處理，避免了瓦斯爆炸事故的發(fā)生。

同時(shí)系統(tǒng)還可以結(jié)合燃?xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行周期，定期給出運(yùn)行評(píng)價(jià)報(bào)告，可以統(tǒng)計(jì)報(bào)警類型、燃?xì)馐鹿试虻?，總結(jié)監(jiān)測(cè)區(qū)的安全情況，并對(duì)燃?xì)庑孤┦鹿侍岢鱿鄳?yīng)的處理建議。

4 結(jié) 論

隨著天然氣行業(yè)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的城市開(kāi)始開(kāi)發(fā)和使用燃?xì)夤艿?，隨之發(fā)生的燃?xì)獗ㄊ鹿室苍絹?lái)頻繁。如何保證城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行，科學(xué)地處理事故，是目前城市管理者面臨的難題。本文從公共安全突發(fā)事件的管理理論出發(fā)，從突發(fā)事件的預(yù)防、分析和處置三個(gè)方面構(gòu)建了城市燃?xì)夤芫W(wǎng)監(jiān)測(cè)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)分析和決策分析等技術(shù)框架。最后，以城市A為切入點(diǎn)，對(duì)整個(gè)突發(fā)事件處置過(guò)程進(jìn)行了研究。本文的研究?jī)?nèi)容可以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣管網(wǎng)隱患的早期發(fā)現(xiàn)，及早預(yù)防、早期預(yù)警和及早處置，盡可能減少突發(fā)事件造成的損失。

主要參考文獻(xiàn)

[1]夏保成. 美國(guó)公共安全管理導(dǎo)論[M]. 北京：當(dāng)代中國(guó)出版社， 2006.

[2]Cross H. Analysis of Flow in Networks of Conduits or Conductors[J]. Revista Odonto Ciência， 1936， 25（1）：42-47.

[3]Jo Y D and Ahn B J. Analysis of Hazard Areas Associated with High-Pressure Natural-gas Pipelines[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries， 2002， 15（3）：179-188.

[4]Cozzani V，Gubinelli G，Antonioni G. The Assessment of Risk Caused by Domino Effect in Quantitative Area Risk Analysis[J]. Journal of Hazardous Materials， 2005，127（1-3）：14-30.

[5]Klien E，Lutz M，Kuhn W.Ontology-based Discovery of Geographic Information Services：An Application in Disaster Management[J]. Computers Environment and Urban Systems，2006，30（1）：102-123.

[6]唐桂娟，王紹玉. 城市自然災(zāi)害應(yīng)急能力綜合評(píng)價(jià)研究[M]. 上海： 上海財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社，2011.

[7]劉志東，馬龍.應(yīng)急指揮信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京： 電子工業(yè)出版社，2009.