盧均臣，張廣文，付效朋

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故具有影響范圍大、事故后果嚴(yán)重、社會影響大等特點(diǎn)。如：2013年黃島東黃輸油管道“11·22”特大泄漏爆炸事故共造成62人死亡、136人受傷。2015年8月12日，天津港特大火災(zāi)爆炸事故，大量硝酸銨參與爆炸，造成巨大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。隨著社會的進(jìn)步和自媒體的發(fā)展，公眾對化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故的容忍度進(jìn)一步下降，一旦發(fā)生化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故極易引發(fā)公眾恐慌，以致談“化”色變。因此，事故發(fā)生后必須快速查明事故原因并及時(shí)向社會公布，以消除恐慌。而傳統(tǒng)事故調(diào)查手段很難快速完成事故現(xiàn)場勘查，以致嚴(yán)重影響事故調(diào)查效率。

1 傳統(tǒng)事故調(diào)查手段存在的問題

傳統(tǒng)事故調(diào)查手段在進(jìn)行化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場勘查時(shí)存在明顯短板，嚴(yán)重降低了石化火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場勘查效率，甚至造成部分關(guān)鍵證據(jù)發(fā)生變化，影響事故調(diào)查結(jié)論，主要存在以下問題。

a) 難以獲取事故現(xiàn)場全貌。隨著人們對化工產(chǎn)品需求的日益增加，化工行業(yè)正向規(guī)?；?、連續(xù)化、集中化方向發(fā)展，這就導(dǎo)致一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，極易引發(fā)多米諾效應(yīng)。例如：罐區(qū)中某儲罐一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，極易引發(fā)相鄰罐殉爆，造成事故影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，部分事故的影響范圍甚至超過10 km。因此，依靠傳統(tǒng)攝影攝像方法無法完成事故現(xiàn)場的全景拍照，無法對事故現(xiàn)場進(jìn)行整體分析。

b) 難以第一時(shí)間獲取事故現(xiàn)場證據(jù)。化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故通常涉及易燃易爆、有毒有害等物質(zhì)，在事故中可能并未完全燃燒或泄漏，事故現(xiàn)場仍存在較高安全風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致事故調(diào)查人員不能第一時(shí)間進(jìn)入事故現(xiàn)場勘查取證。例如：江蘇某化工公司“3·21”特大爆炸事故中，事故后現(xiàn)場仍有大量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、易燃易爆等化學(xué)品。事故調(diào)查人員無法第一時(shí)間對事故現(xiàn)場進(jìn)行勘查取證，從而造成某些脆弱性證據(jù)隨著時(shí)間消逝，影響事故原因分析。

c) 過火面積、爆炸當(dāng)量計(jì)算困難。化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故影響范圍大，尤其是對于巨災(zāi)事故場景，依靠傳統(tǒng)測量工具不能準(zhǔn)確測量事故影響范圍，故不能準(zhǔn)確計(jì)算事故過火面積和爆炸當(dāng)量。

2 基于傾斜攝影技術(shù)的事故勘查無人機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 傾斜攝影技術(shù)概況

傾斜攝影技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新測量技術(shù)，在建筑行業(yè)、測繪行業(yè)中已得到廣泛應(yīng)用。無人機(jī)傾斜攝影是利用多臺傳感器同時(shí)從一個(gè)垂直、多個(gè)傾斜(左視、右視、前視、后視)視角獲取地面物體高清晰影像數(shù)據(jù)，利用三維建模軟件自動生成具有可測量性、實(shí)物高度匹配的三維模型，客觀再現(xiàn)地物的外觀、結(jié)構(gòu)、體積以及高度等屬性。與傳統(tǒng)測量技術(shù)相比，無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①由于可以實(shí)現(xiàn)2～5個(gè)維度的信息采集，所以獲取的實(shí)物影像和數(shù)據(jù)信息更加精準(zhǔn)，效率也更高；②無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的應(yīng)用可以減少人工作業(yè)量，提升自動化水平，避免人為失誤，有效提升測繪精準(zhǔn)度；③無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)的投資成本低。

2.2 傾斜攝影事故勘查無人機(jī)設(shè)計(jì)

傾斜攝影事故勘查無人機(jī)應(yīng)具備全面獲取事故現(xiàn)場信息的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)事故殘骸位置、距離快速標(biāo)定以及過火面積、爆炸當(dāng)量計(jì)算等功能。這就要求傾斜攝影無人機(jī)具備導(dǎo)航定位精度高、續(xù)航能力強(qiáng)、分辨率高等特性。為此，對傾斜攝影無人機(jī)進(jìn)行了定制設(shè)計(jì)。

為提升測量精度，傾斜攝影事故勘查無人機(jī)采用機(jī)載定位定向系統(tǒng)POS(Positioning and Orientation System)，該系統(tǒng)是GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)的組合系統(tǒng)，具有GPS長期、低動態(tài)高精度的特性和INS短期、高動態(tài)高精度的性能，能夠獲取瞬時(shí)攝影相片的空間位置和三軸姿態(tài)。

設(shè)計(jì)的基于傾斜攝影的事故勘查無人機(jī)主要由無人機(jī)主體機(jī)架及動力電池、搭載云臺及傾斜攝影相機(jī)、地面控制站系統(tǒng)組成。

無人機(jī)主體機(jī)架(圖1)采用復(fù)合碳纖維作為主體材料，重量輕、強(qiáng)度高、抗熱沖擊性高、抗腐蝕性優(yōu)異。主體機(jī)架采用六旋翼飛行模式，在其中1只旋翼失效的情況下，其余5只仍能平穩(wěn)機(jī)身，抗風(fēng)能力≥6級；動力電池為22 000 mAh高性能LiPo聚合物鋰電池，標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)載重續(xù)航時(shí)間不低于50 min，空載續(xù)航不低于60 min，單組電池重量≤2 350 g，在無人機(jī)飛行時(shí)有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。螺旋槳、電池組、機(jī)臂、起落架、云臺組件采用快速拆解結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速分解和安裝。

圖1 傾斜攝影無人機(jī)主體機(jī)架

搭載云臺精度不大于±0.01°，重量不大于1.5 kg。相機(jī)分辨率為全畫幅CMOS組件，全畫幅不小于4 000萬像素，地面分辨率不大于2 cm，總像素大于等于2.5億。

地面控制站系統(tǒng)能夠顯示飛行器的經(jīng)緯度、水平速度、垂直速度、機(jī)頭朝向、相對高度、俯仰角度、剩余電量、衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)列、GPS狀態(tài)等飛行參數(shù)。

2.3 傾斜攝影事故勘查無人機(jī)作業(yè)流程

無人機(jī)傾斜攝影作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 真實(shí)景三維模型構(gòu)建流程

一般來說，無人機(jī)傾斜攝影在事故勘查分析時(shí)可以分解為5個(gè)作業(yè)步驟：①利用無人機(jī)航拍，初步確定傾斜攝影范圍；②設(shè)置航線規(guī)劃與參數(shù)，進(jìn)行外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集；③內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理，真實(shí)景三維建模；④事故現(xiàn)場標(biāo)定、事故影響范圍、事故爆坑測量等；⑤根據(jù)傾斜攝影得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行爆炸當(dāng)量計(jì)算。

2.4 傾斜攝影事故現(xiàn)場建模關(guān)鍵技術(shù)

化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場的管線、儲罐、裝置等破壞較為嚴(yán)重，在進(jìn)行傾斜攝影事故現(xiàn)場模型重構(gòu)時(shí)易出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，影響事故勘查。通過研究對比發(fā)現(xiàn)，飛行路線、建模方法是影響最終建模質(zhì)量和效率的兩個(gè)關(guān)鍵因素。

飛行路線及飛行重合度顯著影響建模質(zhì)量。在進(jìn)行建筑物的傾斜攝影飛行時(shí)，一般采用平行路線進(jìn)行飛行。但在火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場建模時(shí)，采用此種飛行路線容易導(dǎo)致模型畸變，建模質(zhì)量較差。通過理論分析和實(shí)際建模對比發(fā)現(xiàn)，在平行飛行(圖3)基礎(chǔ)上，增加交叉飛行(圖4)航線，可以顯著減少模型畸變，提升模型質(zhì)量。嚴(yán)格控制飛行間距，增加飛行重合度，可使模型展現(xiàn)更多細(xì)節(jié)，實(shí)際驗(yàn)證表明，飛行重合度控制在75%時(shí)已可獲得較高的模型質(zhì)量。

圖3 平行航線飛行

圖4 平行交叉航線飛行

建模方法影響建模效率。構(gòu)建三維模型首先要建立數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，該模型是對地形表面在地形采樣數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的表面重構(gòu)。數(shù)字高程模型基本建模方法主要有不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)建模(圖5)和規(guī)則格網(wǎng)(GRID)建模兩種方式。規(guī)則格網(wǎng)模型的數(shù)據(jù)排列、結(jié)構(gòu)簡單，但它占用巨大的存儲空間，效率較低。不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)建模是利用所有采樣點(diǎn)取得的離散數(shù)據(jù)，按照優(yōu)化組合原則，把這些離散點(diǎn)連接成相互連續(xù)的三角面網(wǎng)絡(luò)，三角面的形狀和大小取決于不規(guī)則分布測點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)的位置和密度。該建模方式對原始數(shù)據(jù)要求較低，具有精度高、速度快、效率高和顧及地性線等特點(diǎn)，非常適用于火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場。

圖5 不規(guī)則三角網(wǎng)模型

3 案例應(yīng)用

傾斜攝影無人機(jī)已在某氣化廠空分裝置“7·19”重大爆炸事故、某化工公司“3·21”特大爆炸事故等重特大事故調(diào)查中進(jìn)行了應(yīng)用，效果良好。以該案例為例，詳細(xì)說明傾斜攝影無人機(jī)在事故勘查分析中的應(yīng)用。

事故案例基本情況：2019年3月21日14時(shí)28分左右，某化工公司硝化廢物倉庫發(fā)生劇烈爆炸事故，該起事故的影響范圍特別大、事故現(xiàn)場環(huán)境異常復(fù)雜，現(xiàn)場存在大量強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、易燃易爆等化學(xué)品。

本次利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)主要解決現(xiàn)場勘查、爆炸影響范圍、爆炸當(dāng)量計(jì)算3個(gè)方面的問題。

3.1 利用無人機(jī)航拍，初步確定傾斜攝影范圍

在無法進(jìn)入事故核心區(qū)域的情況下，技術(shù)人員在爆炸區(qū)域外側(cè)尋找合適的起飛點(diǎn)，利用無人機(jī)進(jìn)行航拍，初步了解事故核心工廠的位置，估算爆炸核心區(qū)域的面積及主要影響范圍，確定傾斜攝影范圍。

3.2 設(shè)置航線規(guī)劃與參數(shù)，進(jìn)行外業(yè)影像數(shù)據(jù)采集

在初步確定傾斜攝影范圍后，確認(rèn)當(dāng)天的天氣狀況(晴朗、風(fēng)力較小)、周邊無強(qiáng)信號干擾源(變電站、高壓架塔、大量的鋼架結(jié)構(gòu)等)適合飛行，然后組裝無人機(jī)傾斜攝影裝置，確認(rèn)設(shè)備情況(電池電量、無人機(jī)本體、地面站等)。

通過地面站上顯示的地圖，作業(yè)人員將區(qū)域劃為4塊，設(shè)置4個(gè)架次，分別進(jìn)行飛行拍攝，飛行參數(shù)如表1所示。將飛行參數(shù)輸入后，地面站飛行控制軟件自動規(guī)劃航線，進(jìn)行外業(yè)影像拍攝。

表1 傾斜攝影無人機(jī)飛行參數(shù)

3.3 內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理，實(shí)景三維建模

首先對影像數(shù)據(jù)進(jìn)行批量編號等預(yù)處理工作，使之與定位定向系統(tǒng)(pos)文件中的經(jīng)緯度坐標(biāo)一一對應(yīng)。在完成內(nèi)業(yè)影像數(shù)據(jù)處理后，利用三維建模軟件Context Capture軟件構(gòu)建真實(shí)景三維模型。

圖6為某化工公司“3·21”特大爆炸事故三維模型與傾斜攝影照片對比，可以看出，三維模型完成了真實(shí)場景的完整構(gòu)建，分辨精度可達(dá)到2 cm，完全滿足事故調(diào)查工作的需要。通過對模型仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)LNG罐車并未發(fā)生爆炸，排除了該起事故是由LNG罐車引起的可能性。

圖6 三維模型與傾斜攝影照片對比

3.4 事故現(xiàn)場標(biāo)定、影響范圍、爆坑測量等

a) 利用傾斜攝影得到的模型，可以標(biāo)定出爆炸中心以及周邊工廠的位置，以及建筑物的損壞情況。

b) 事故現(xiàn)場按建筑物受損程度，分為事故核心區(qū)、爆炸沖擊波嚴(yán)重波及區(qū)、爆炸沖擊波中等波及區(qū)。事故核心區(qū)為此次事故中受損最嚴(yán)重區(qū)域，建筑物承重結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞甚至倒塌。爆炸沖擊波嚴(yán)重波及區(qū)是指建筑結(jié)構(gòu)、外墻、吊頂受損的區(qū)域，受損建筑部分主體承重構(gòu)件(柱、梁、樓板)的鋼筋外露，磚墻裂縫明顯甚至失去承重能力，不再滿足安全使用條件，門扇、窗扇大量脫落。爆炸沖擊波中等波及區(qū)是指建筑幕墻及門、窗受損嚴(yán)重的區(qū)域，受損建筑局部幕墻及部分門、窗變形、破裂、脫落。本次事故各區(qū)域范圍如下：①通過對傾斜攝影構(gòu)建的真實(shí)景三維事故場景分析，事故核心區(qū)為爆心周圍半徑約300 m范圍內(nèi)，面積約為28×10m，此范圍內(nèi)的建筑損毀嚴(yán)重；②爆心周圍半徑300～1 000 m范圍為爆炸沖擊波嚴(yán)重波及區(qū)，該范圍內(nèi)建筑物磚墻裂縫為小于5 cm的裂縫至輕微裂縫，門扇和窗扇大量脫落，玻璃基本全部粉碎，屋面瓦大量破損，彩鋼板屋面部分掉落；③爆心周圍半徑1 000～2 000 m為爆炸沖擊波中等波及區(qū)，該范圍內(nèi)建筑物門扇和窗扇部分變形甚至脫落，玻璃完全破碎，部分磚木結(jié)構(gòu)屋面發(fā)生局部垮塌；④爆炸沖擊波波及區(qū)以外的部分建筑，由于爆炸產(chǎn)生地面震動以及沖擊波的作用，造成建筑物門、窗玻璃受損，東側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)6.2 km，西側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)12 km，南側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)20 km，北側(cè)最遠(yuǎn)達(dá)10 km。

爆炸事故發(fā)生后，在無法進(jìn)入事故現(xiàn)場的情況下，利用真實(shí)景三維模型完成了上述數(shù)值的測量。據(jù)模型測量，爆炸形成了一個(gè)直徑大約120 m的積水坑，深1.9 m，見圖7。經(jīng)排水后，測得爆坑內(nèi)環(huán)直徑為75 m，見圖8。

圖7 傾斜攝影真實(shí)景三維模型爆坑測量

圖8 排水后的爆坑

3.5 根據(jù)傾斜攝影測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行爆炸當(dāng)量計(jì)算

爆坑的形成是由于爆炸物在地面上爆炸時(shí)，其爆炸產(chǎn)物及沖擊波對地面施加直接的沖擊作用，形成強(qiáng)烈的對地沖擊波，它壓縮地面介質(zhì)，爆心附近的地面介質(zhì)很快就獲得向上的速度，而被拋擲到地表上來，隨著對地沖擊波向外傳播，其強(qiáng)度不斷減弱，使地面介質(zhì)產(chǎn)生由破碎、屈服至塑性變形，形成由爆心至邊緣由深到淺的漏斗形爆坑。

炸藥起爆后形成的爆坑均為錐形漏斗坑，不同方向上的可見爆坑直徑近似相同，隨著爆炸藥量的增多，爆坑的拋擲區(qū)范圍相比初始壓縮區(qū)范圍也逐漸增大，10 t裝藥TNT爆后就能夠明顯看到爆炸形成的初始壓縮波與反射稀疏波以及勒夫波相互疊加作用于土體表面形成的雙環(huán)形爆坑。爆坑大小與爆炸藥量、炸藥密度和地面介質(zhì)硬度有關(guān)，這四者的關(guān)系可用下列公式表示：

W

=(π/6)×(

D

/

K

)×

ρ

=0.5233 (

D

/

K

)×

ρ

(1)

式中：

W

——爆炸的炸藥量，kg(換算成TNT當(dāng)量時(shí)需乘TNT當(dāng)量系數(shù))；

D

——爆炸坑直徑，m；

K

——地面介質(zhì)硬度系數(shù)，一般巖石地面取7～8，水泥地面取8～9，土質(zhì)地面取9～10；

ρ

——炸藥密度，kg/m。

通過傾斜攝影測得爆坑內(nèi)環(huán)直徑為75 m，積水坑直徑為120 m；事故爆炸點(diǎn)為土質(zhì)地面，地面介質(zhì)硬度系數(shù)取9；散裝TNT密度為850 kg/m。將以上數(shù)據(jù)代入公式(1)，得到爆炸當(dāng)量為257.41 t TNT。

4 結(jié)論

定制研發(fā)的傾斜攝影事故勘查無人機(jī)已在多起化學(xué)品火災(zāi)爆炸重特大事故現(xiàn)場勘查中的進(jìn)行了應(yīng)用。結(jié)果表明：定制研發(fā)的基于傾斜攝影技術(shù)的事故勘查無人機(jī)測量精度高、續(xù)航能力強(qiáng)，通過優(yōu)化飛行路線和建模方法，能夠高精度快速重構(gòu)事故現(xiàn)場真實(shí)景三維模型，有效解決了化學(xué)品火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場勘查、影響范圍測量和爆炸當(dāng)量計(jì)算等難題，減少了事故調(diào)查人員在事故現(xiàn)場的工作量以及面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升了事故調(diào)查效率。近年來，傾斜攝影技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，已在危險(xiǎn)化學(xué)品監(jiān)測預(yù)警、地質(zhì)災(zāi)害救援等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。