張新偉，禹傲然，張培紅

(東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

作為城市生命線工程的重要組成部分，城鎮(zhèn)油氣管道在運行過程中發(fā)生泄漏、火災、爆炸和中毒等事故的危險性嚴重。在環(huán)境風速、風向以及泄漏物質性質等復雜因素的影響下，事故可能造成事發(fā)地方圓數(shù)十、甚至數(shù)百公里范圍內的大規(guī)模人員應急疏散和緊急避難。由于事故現(xiàn)場環(huán)境信息復雜多變，事故態(tài)勢監(jiān)測、風險分析和應急決策平臺的信息傳遞渠道不通暢，疏散路線和避難方案缺乏優(yōu)化設計和動態(tài)規(guī)劃，造成應急決策的時效性、準確性和智慧程度較低[1-2]。目前，針對應急疏散的研究主要集中在3個方面[3]：1)Schadschneider等[4]，Krüchten等[5]通過試驗研究，分析行人流動中自組織行為、隊列現(xiàn)象、疏散通道瓶頸區(qū)堵塞現(xiàn)象，以及人群中存在社會團體時人群的運動規(guī)律等。2)國內外學者相繼開發(fā)了CA模型[6]、格子氣模型[7]、社會力模型[8-9]，對建筑物火災中人員疏散行為進行建模和仿真。3)為解決颶風、洪水、毒氣泄漏等突發(fā)事件中大規(guī)模高密度人群應急疏散問題，國內外學者圍繞疏散救援決策優(yōu)化、最佳信息傳播方式和區(qū)域疏散方案等問題[10-18]，開展了深入研究，陳一洲[10]，Li等[11]利用Dijkstra算法建立了基于風險的人員疏散路徑優(yōu)化模型；Abdelghany等[12]利用GA算法對疏散方案進行優(yōu)化；Zhang等[13],鄧云峰等[14]分別在有毒氣體泄漏事故風險分析基礎上實現(xiàn)了區(qū)域疏散決策優(yōu)化；Crooks[15]，Chen等[16]應用智能體模型，對城市級別的大規(guī)模整體疏散策略進行了性能化分析和對比；Gai等[17]針對有毒氣體泄漏，提出了一種多目標疏散路徑模型；熊麗春等[18]利用運籌學中的圖論和排隊論理論對人員疏散路線設計和疏散時間進行了優(yōu)化。為了保障油氣生產及管道輸運過程中的公共安全水平，在地理信息系統(tǒng)平臺上對不同事故后果嚴重性進行定量分析，構建基于改進的自適應蟻群算法的應急疏散路徑優(yōu)化模型，開發(fā)城鎮(zhèn)油氣管道典型事故中區(qū)域大規(guī)模應急疏散決策優(yōu)化平臺，實現(xiàn)區(qū)域疏散路線的全局優(yōu)化、應急避難廣場的科學規(guī)劃，可為油氣企業(yè)的安全管理和區(qū)域公共安全應急管理提供技術支撐。

1 應急決策優(yōu)化算法的建立

1.1 空間網絡化建模

城鎮(zhèn)大規(guī)模應急疏散智慧決策優(yōu)化系統(tǒng)的建立，首先需要對現(xiàn)場空間進行網絡化建模。將任一待疏散區(qū)域空間G?；癁镚(W,E)網絡，其中，W={wi}為由疏散空間中各類型節(jié)點(源節(jié)點、傳輸節(jié)點和根節(jié)點)組成的節(jié)點集；源節(jié)點僅存在流出人群；根節(jié)點只存在單向流入人群；傳輸節(jié)點是從源節(jié)點向根節(jié)點的疏散過程中，必須通過的中間節(jié)點，例如建筑物走廊、樓梯間、各建筑物出口、事故發(fā)生地疏散道路上關鍵點(如拐彎、三岔路口、上坡、下坡等位置)；E={Eia,Eib,Eic……}為待疏散區(qū)域空間網絡中所有可利用疏散通道的集合，稱為通道集；假設事故危險性分析結果是所有人員必須離開所處建(構)筑物，疏散至室外指定的避難廣場，不考慮可在建(構)筑物內事故現(xiàn)場之外其他單元房間避難等待救援的情況，則疏散開始時刻待疏散人員所處的辦公室、單元房間、實驗室等均為源節(jié)點，避難空間入口為根節(jié)點。疏散區(qū)域網絡如圖1所示，若僅討論建筑物室外空間區(qū)域疏散，可將各建筑物出口視為源節(jié)點，由建筑物B出口節(jié)點2發(fā)起的疏散行動，可選擇疏散路線通道集E={E27,E28}，其中E27={e26,e65,e57}；E28={e26,e68}。疏散通道具有各自的方向屬性，例如，e56表示由節(jié)點5向節(jié)點6疏散，e65表示由節(jié)點6向節(jié)點5疏散。

圖1 疏散區(qū)域網絡Fig.1 Evacuation area network

1.2 疏散通道當量長度

在典型事故危險性評價基礎上，生成疏散網絡節(jié)點屬性的動態(tài)數(shù)據(jù)庫文件，見表1。

表1 疏散網絡節(jié)點動態(tài)信息數(shù)據(jù)庫Table 1 Dynamic information database of evacuation network nodes

根據(jù)各節(jié)點事故環(huán)境狀態(tài)的動態(tài)變化，對各條疏散通道的當量長度進行評價，見式(1)：

(1)

式中:ζij為通道eij的通行難度系數(shù)，通常取1.5人/(m· s)；Lij為通道eij的幾何長度，m；Mb為不同事故后果影響下疏散人員的活動性指標，Mb與能見度影響系數(shù)f1(KS)，有毒氣體濃度影響系數(shù)f2(ρgas)和煙氣溫度影響系數(shù)f3(Ts)三者成正比關系，參見式(2)～(5)：

Mb=f1(KS)·f2(ρgas)·f3(TS)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：KS為減光系數(shù)；ρgas為該通道處固定式煙霧傳感器測得的CO體積百分比；t為有毒氣體接觸時間，s；Ts為該通道處固定式溫度傳感器測得的環(huán)境溫度，℃；T0是室外環(huán)境溫度，通常取20 ℃；v0是測得的人員行走的正常速度，m/s；vmax是事故狀態(tài)下人員的最大疏散速度，m/s；Tcr1是人員感到不舒服的溫度，設為35 ℃；Tcr2是對人員造成傷害的溫度，設為60 ℃；Tdead為人員致死溫度，設為120 ℃。

1.3 改進的自適應蟻群算法

螞蟻根據(jù)偽隨機規(guī)則做出從節(jié)點i疏散到節(jié)點j的決策，如式(6)所示。其中式(7)利用“輪盤賭規(guī)則”確定下一節(jié)點的選擇。

(6)

(7)

啟發(fā)函數(shù)ηij為人員通過疏散通道eij的時間成本函數(shù)的倒數(shù)。該通道上完成疏散所需時間成本越小，該通道啟發(fā)函數(shù)值越大，螞蟻選擇該通道的概率越大，見式(8)～(9)：

(8)

uij=td+tL

(9)

式中：td為人員通過當量長度通道的步行時間，s；tL為人員從通道口流出的時間，s；td計算方法見式(10)：

(10)

式中：dij為通道eij的當量長度，m；v0為被疏散人員步行速度，m/s。

tL計算方法見式(11)：

(11)

式中：mij為通道eij的滯留人數(shù)，人；Wij為通道eij的寬度，m；ξij為通道eij的群集流動系數(shù)，人/(m·s)。

局部信息素按照式(12)進行更新：

τij(t+1)=(1-θ)τij(t)+θτ0

(12)

式中：θ為局部信息素揮發(fā)系數(shù)，0<θ<1；τ0為信息素初值。

每次迭代完成后，判斷所有螞蟻是否找到出口，若全部找到出口，則按照式(13)～(14)進行全局信息素更新，否則繼續(xù)執(zhí)行下次迭代，直至循環(huán)結束進行下一步。

(13)

(14)

式中：Ugb為當前最優(yōu)路徑的時間成本函數(shù)；K為常數(shù)，取1；gb為globebest的標記縮寫；ρ(t)為全局信息素揮發(fā)系數(shù)，其值見式(15)：

(15)

式中：ρmin為信息素揮發(fā)系數(shù)ρ的最小值。

每次循環(huán)根據(jù)各條路徑的時間成本函數(shù)進行排序，找到滿足時間成本函數(shù)最小的最優(yōu)路徑，判斷是否達到設定的循環(huán)次數(shù)終止條件，滿足即結束，未滿足則初始化蟻群繼續(xù)重新開始尋優(yōu)計算。

2 案例實施

2.1 系統(tǒng)平臺總體框架

城鎮(zhèn)大規(guī)模應急疏散智慧決策優(yōu)化系統(tǒng)(簡稱LSSED)的總體框架見圖2。

圖2 系統(tǒng)總體框架Fig.2 Overall framework of system

LSSED由數(shù)據(jù)庫模塊、風險分析模塊和優(yōu)化決策模塊3部分組成。數(shù)據(jù)庫模塊集ArcGIS Online Services在線地圖服務、油氣等物質危險性特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫、氣象數(shù)據(jù)庫、人員分布、交通流和建筑結構信息等數(shù)據(jù)庫管理于一體；風險分析模塊在地理信息系統(tǒng)平臺上，首先對氣相泄漏、液相泄漏和兩相泄漏造成的有毒物質擴散態(tài)勢、噴射火和池火事故熱輻射傷害以及油氣管道爆炸事故產生的沖擊波能量進行分析，進一步實現(xiàn)城鎮(zhèn)油氣管道典型事故造成的傷害半徑和傷害區(qū)域內城鎮(zhèn)脆弱性的模擬及影響因素的分析；優(yōu)化決策模塊在事故后果嚴重度分析的基礎上，基于改進的自適應蟻群算法，分析城鎮(zhèn)應急疏散通道當量通行能力和疏散成本函數(shù)，制定疏散路徑尋優(yōu)信息素局部和全局更新規(guī)則，實現(xiàn)疏散、避難和救援方案的全局優(yōu)化，制定區(qū)域智慧應急預案。

2.2 事故后果分析

LSSED的風險分析模塊能夠在地理信息系統(tǒng)平臺上，以云圖和數(shù)據(jù)曲線形式動態(tài)、直觀地預測和分析事故后果的傷害區(qū)域，能夠對氣相泄漏、液相泄漏和兩相泄漏造成的有毒物質濃度值的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)變化進行分析；對噴射火和池火造成的熱輻射進行分析；對城鎮(zhèn)油氣管道爆炸事故產生的沖擊波能量進行分析。

假設在某城鎮(zhèn)某區(qū)街道十字路口處，由于第三方施工將天然氣管道挖斷，發(fā)生燃氣管道全管徑泄漏事故。由于泄漏后應急處置操作不當引起噴射火事故。泄漏管道壓力0.4 MPa，管道直徑為600 mm，泄漏孔直徑為300 mm。

對不同風速下的泄漏點源處上風向和下風向噴射火熱輻射傷害半徑進行分析(見圖3)，可知當風速小于0.5 m/s時，風速對上下風向熱輻射的影響都是正向且影響半徑近似；當風速在0.5～1 m/s時，熱輻射在下風向上傷害半徑隨風速的變化速率大于其在上風向的變化，曲線從0.5 m/s處開始分開；當風速大于1 m/s時，風速對上風向熱輻射的傷害半徑的影響趨于穩(wěn)定值，當風速繼續(xù)增大，下風向受風速的影響更明顯；當風速達到14 m/s時，風速對下風向的影響也趨于穩(wěn)定。因此，將0.5 m/s設定為無風和有風的臨界值。即當風速為0.5 m/s時，熱輻射對上下風向的傷害值達到近似相等時的最大值。根據(jù)事故最大化原則，事故模擬中，無風天氣下的模擬中將無風風力設置為0.5 m/s；在有風天氣下的模擬中，設置風速為14 m/s。查詢到該地區(qū)常年主導風向為西南風和東北風。

圖3 風速對上下風向傷害半徑的影響Fig.3 Effect of wind speed on damage radius of upper and lower wind directions

當在西南風14 m/s情況時，該天然氣管道泄漏引起的噴射火事故后果分析見圖4。首先利用LSSSED平臺中的風險分析模塊對天然氣管道泄漏形成的噴射火事故后果進行分析，得到其上風向死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑分別為13 m、17 m和27 m；下風向死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑分別為41.5 m、46 m和56 m，區(qū)域范圍內不同點的傷害值均保存在系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫中，以備人員疏散應急決策優(yōu)化模塊調用。

圖4 甲烷泄漏火災事故后果分析Fig.4 Accident consequence analysis of methane leakage fire

2.3 人員疏散應急決策優(yōu)化

以圖5所示的城鎮(zhèn)某區(qū)域為例，進行噴射火事故應急疏散決策優(yōu)化分析。根據(jù)文獻[19～20]，算法中α，β，ρ(t0)，ρmin分別設置為1，5，1，0.5，初始時刻，各條路徑上信息量相等，故τ0設置為常數(shù)C。各節(jié)點人員隨機分布，人員初始速度均設置為1.5 m/s。只考慮熱輻射對人員行為的影響時，式(2)中f1(KS)和f2(ρgas)均設置為1，式(5)中將溫度閾值的影響轉變?yōu)闊彷椛涞挠绊?，根?jù)文獻[21]，將閾值分別定為12.5，25，37.5 kW/m2。區(qū)域平面示意圖和無火災時的疏散路徑優(yōu)化方案如圖5所示，該區(qū)域中分別有商場(西北區(qū)域)、寫字樓(東北區(qū)域)和賓館(東南區(qū)域)各1座，圖5中的東北角和西南角各有避難廣場1個。假設商場內初始待疏散人數(shù)為1 000 人，寫字樓內500 人，賓館內300 人。首先對該區(qū)域進行空間網絡化建模：其中1～52號為商場內源節(jié)點，53～80號為寫字樓內源節(jié)點，81～125號為賓館內源節(jié)點，125～135號、137～155號以及157～166號為傳輸節(jié)點。136號和156號為2個根節(jié)點，假設人員在各個建筑物內隨機分布。 當不發(fā)生火災時，其疏散情況如圖5右側圖案所示，其中各節(jié)點具體疏散方案以“9->10->138->139->147->148->155->156”的形式保存在文本文件中。

圖5 區(qū)域平面示意圖和無火災時的疏散路徑優(yōu)化方案Fig.5 Regional plane diagram and optimization scheme of evacuation path without fire

分別對無風、西南風和東北風條件下噴射火事故進行后果分析，利用應急決策模塊對事故區(qū)域進行應急疏散路徑規(guī)劃，得到滿足全局最優(yōu)的應急疏散方案，如圖6～8所示。統(tǒng)計無火災以及發(fā)生火災時各建筑物源節(jié)點內待疏散人員最終所選擇的安全出口情況，見圖9～10。

圖7 西南風時火災情況下疏散路徑優(yōu)化方案Fig.7 Optimization scheme of evacuation path in fire with southwest wind

圖8 東北風時火災情況下疏散路徑優(yōu)化方案Fig.8 Optimization scheme of evacuation path in fire with northeast wind

從圖9～10可以看出，當無火災發(fā)生時，商場中有27個節(jié)點選擇136號終點，25個節(jié)點選擇156號終點；寫字樓內28個節(jié)點全部選擇156號終點；賓館內有42個節(jié)點選擇136號出口，3個節(jié)點選擇156號終點?？梢钥闯?，當無火災時，2個疏散廣場均可以利用，系統(tǒng)能夠根據(jù)距離和人員密度選擇2個疏散廣場作為最終安全出口，不會出現(xiàn)個別區(qū)域人群擁堵的現(xiàn)象，該LSSED平臺有效實現(xiàn)了正常情況下人群疏導的全局優(yōu)化。

當無風情況下發(fā)生火災時，商場中有31個節(jié)點選擇136終點，21個節(jié)點選擇156終點；寫字樓中有21個節(jié)點選擇136終點，7個節(jié)點選擇156終點；賓館中有29個節(jié)點選擇136號終點，16個節(jié)點選擇156號終點。賓館中選擇136終點的數(shù)量降低28.9%，商場和寫字樓中選擇136號作為終點的節(jié)點數(shù)量占各自節(jié)點總量的比例分別增加了7.7%和75%，由此可知，上述建筑內的節(jié)點由于受到事故不同程度的影響，部分節(jié)點所選擇的終點相應地自動發(fā)生了改變。當在西南風的情況下發(fā)生火災時，通過模擬可以發(fā)現(xiàn)，各建筑物內疏散方案發(fā)生了很大的改變，商場、寫字樓以及賓館內所有源節(jié)點內待疏散人員最終均選擇136號節(jié)點完成疏散；當風向變成東北風時，各建筑物內所有源節(jié)點均選擇156號節(jié)點作為最終的安全出口并完成疏散。

圖9 選擇136節(jié)點為安全出口根節(jié)點的情況Fig.9 Situation when selecting No. 136 node as root node of emergency exit

圖10 選擇156節(jié)點為安全出口根節(jié)點的情況Fig.10 Situation when selecting No. 156 node as root node of emergency exit

究其原因，在西南風的影響下，由于156號疏散廣場在下風向影響的范圍內，此時系統(tǒng)判斷最安全的區(qū)域應該是136號廣場，故此時3個建筑物內的待疏散人員均選擇136號節(jié)點作為最終的安全出口。當風向變成東北風時，此時事故最危險區(qū)域為其下風向136廣場，故此時各建筑物內人員最優(yōu)的避難地點為位于上風向的156號廣場。因此，LSSED平臺能夠根據(jù)事故環(huán)境態(tài)勢的演變而實現(xiàn)疏散決策的優(yōu)化，成功使受災人員選擇遠離事故現(xiàn)場的安全區(qū)域進行應急疏散和避難。

3 結論

1)構建了基于事故后果分析和改進自適應蟻群算法的應急疏散決策優(yōu)化模型。充分考慮事故后果嚴重程度的影響，考慮滯留人員密度，定量評價疏散時間成本函數(shù)和疏散通道的當量長度對啟發(fā)式信息的影響，改進自適應蟻群算法，構建大規(guī)模應急疏散路徑優(yōu)化模型。

2)開發(fā)了基于油氣管道事故后果分析的城鎮(zhèn)大規(guī)模智慧疏散應急決策(LSSED)優(yōu)化系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)能夠在GIS平臺上對油氣管道泄漏引起的火災、爆炸和中毒事件進行事故后果分析，實現(xiàn)基于油氣管道典型事故風險分析的城鎮(zhèn)大規(guī)模智慧疏散的應急決策優(yōu)化。

3)通過實例驗證了基于GIS平臺的數(shù)據(jù)庫模塊、風險分析模塊和優(yōu)化決策模塊耦合的有效性以及系統(tǒng)運行的靈活性，可以根據(jù)事故現(xiàn)場環(huán)境的時變信息，動態(tài)規(guī)劃和優(yōu)化大規(guī)模疏散路線和避難方案，有效避免人員傷亡。