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，儲(chǔ)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(cè)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(chǔ)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(cè)繪勘察研究院有限公司，江蘇 南京 210019)

由于燃?xì)庾陨硪妆ā⒁讛U(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(shí)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(gè)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)馐鹿省Ｈ細(xì)庾陨淼囊兹紵浴⒁妆ㄐ浴⒁讛U(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(dòng)集中，經(jīng)濟(jì)水平發(fā)達(dá)，一旦發(fā)生燃?xì)馐鹿剩瑢?huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡、財(cái)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?guó)繼交通事故、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(huì)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(cái)產(chǎn)損失，保護(hù)公民的人身財(cái)產(chǎn)安全，維護(hù)社會(huì)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(duì)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(dòng)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(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，能很好地滿足快速預(yù)測(cè)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(jí)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(gè)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(shí)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(shí)庫及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫4個(gè)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(jí)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(chǎng)所數(shù)據(jù)、疏散地點(diǎn)數(shù)據(jù)組成；應(yīng)急知識(shí)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(chǔ)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(chǔ)在服務(wù)器中；其他屬性數(shù)據(jù)以表的形式存儲(chǔ)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(bào)告輸出7個(gè)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(shí)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(shí)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(cè)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(duì)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(gè)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(bào)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(dòng)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(shí)，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(cái)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(dòng)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(dòng)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(huì)受到影響的其他管段。

7) 報(bào)告輸出。報(bào)告輸出步驟中可以將整個(gè)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(bào)表，并輸出報(bào)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(shí)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。

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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(chǔ)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(cè)繪通報(bào)，2016(10)：110-112.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0342.

2015-12-15

國(guó)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