基于“高分+”的化工園區安全防控GIS應用研究

唐堯 王立娟 賈虎軍 靳曉 馬國超

近些年來由于國內化工園區趕上了國家經濟發展的快車道，園區建設方興未艾，其在當地招商引資、優化資源配置的同時，它也屢屢誘發火災爆炸、水體大氣污染等一系列的安全及環境問題，這不僅危害當地生態環境，也威脅著園區附近居民的人身及財產安全。化工園區通常擁有多個重大危險源，一旦發生事故，很可能引發災難性的多米諾事故連鎖效應，應急消防救援也面臨著諸多掣肘。

隨著化工園區建設規模和生產存儲裝置的大型化，園區企業高度集中，傳統、常規的技術手段難以根治安全生產防控缺位、失效甚至造假舞弊的痼疾，固有安全防控模式已經不能適應化工園區快速發展的需要，園區事故時有發生。現代社會注定要與危化品風險共舞，如若不采取有效安全防控措施，降低化工園區重大危險源風險，社會公眾安全將無從保障。國產高分遙感影像數據具有大面積同步觀測范圍廣，獲取信息速度快、周期短，低成本的特點，本文將高分遙感技術引入園區安全防控領域，以“高分+”為基礎，利用GIS分析等技術，從宏觀視角，進一步研究和開發化工園區危險源監控新技術，對促進化工園區安全管理，消防應急救援，預防和控制化工園區重特大事故，減少重特大事故發生概率及造成的損失具有重大意義。

化工園區安全防控現狀分析

據“中國石化聯合會化工園區工作委員會”資料數據，到2014年年底，我國重點化工園區或以石油和化工為主導產業的工業園區共有381家。其中，國家級化工園區（包括國家級經濟技術開發區、國家級高新技術產業開發區）共有42家，省級化工園區221家，地市級化工園區118家。近年來化工園區總體呈現突發事故易發高發趨勢，園區的安全生產形勢總體不容樂觀。如2015年8月12日發生的天津濱海新區化工園區基地火災爆炸事故（造成165人遇難，798人受傷，直接經濟損失68億元），2016年4月22日發生的江蘇靖江化工園區火災事故，2016年11月19日河北衡水天潤化工車間甲硫醇中毒事故（造成3人死亡、2人受傷），2017年7月12日，四川宜賓江安縣陽春工業園區發生爆燃事故，造成19名工人死亡，12人受傷，2018年11月28日，河北張家口盛華化工有限公司發生氯乙烯重大爆燃事故，導致23人死亡的慘重結果。以上種種，不勝枚舉，均給人民的生命健康和財產安全帶來了極大的損失。因此做好預防危險化學品事故為主的園區安全防控工作顯得極為重要。

目前我國化工園區安全防控存在著諸多問題：①園區建設安全規劃缺乏，園區企業布局不合理、企業準入機制不健全，園區安全監管執法機構尚未有效運行；②大部分的化工園區安全防控手段及配套設施還相對滯后，監控平臺多數處于初級階段，既有的常規安全防控技術手段與模式，難以適用于園區規模化、快速化發展所要求的安全防控新形勢；③在園區事故發生后的應急逃生和消防救援方面，尚未形成經濟高效的區域性事故應急救援能力。鑒于以上種種現狀，本文嘗試將國產高分遙感技術引入到安全生產監管領域，探索“高分+GIS+消防+危化”在化工園區安全管理防控中的應用，為當地政府及園區安全管理部門提供宏觀決策依據，降低盲目性、提高科學性。

研究區概況與數據源

本文研究區位于四川省西南部，行政上隸屬于樂山市，是國家安監局發布的全國60個危險化學品重點縣之一。該區北鄰成都，東接內江、自貢，順岷江而下，可達宜賓、瀘州、重慶和長江三峽，西接攀枝花、西昌，距樂山城區約20千米。研究區面積約470平方千米，區內化工園區重點以磷化工、硅材料及稀土產業為主，同時帶動發展機電加工等產業，是四川省重點培育的成長型特色產業園區，目前研究區針對化工園區實行統一規劃，分步實施，形成完整的循環經濟產業鏈條，正朝著“一區、一軸、兩園”的工業布局結構方向發展。

本文影像數據源采用2016年7月11日的高分二號衛星數據及2010年11月14日的高分影像（Digital Globe衛星）。選取的影像時相較新，云雪面積小于5%，植被覆蓋率低于40%，影像多光譜波段數據分辨率為4m，融合全色波段后空間分辨率高達1m。對區內影像數據源進行數據預處理，具體包括大氣校正、輻射校正、正射糾正、圖像融合、圖像鑲嵌、圖像配準及影像裁剪等步驟，獲取區內高分遙感影像地圖。

基于“高分+”的化工園區安全防控GIS應用

當前在國家大力推動化工企業“退城入園”的大背景下，化工園區承載著更多的經濟使命和社會使命，其健康發展對于推動化工產業資源整合，實現產業轉型升級，形成規模化協同效應至關重要。高分遙感技術具有高時相、低成本、大范圍、周期監測優勢，因此，利用國產高分遙感影像獲取化工園區空間位置、危險源、園區路徑及其通達性，將“高分+”應用于園區應急救援逃生路線分析，解決園區事故發生后迫切需要開展應急消防救援及安全逃生路徑指導需求。

（一）化工園區空間位置及危險源識別

1.化工園區空間位置識別

高分遙感可快速直觀地獲取化工園區及危險源的空間位置展布信息。利用國產高分辨率對地遙感數據對研究區內進行連續監測，依據規模較大的化工園區的遙感影像特征建立辨識模型，自動識別疑似園區目標，并輔以人工識別對疑似的化工園區目標進行篩選。之后依據現場信息采集驗證提取結果，進一步完善提取模型，探索建立基于國產高分遙感數據的化工園區監測方法。

由于化工園區通常由諸多建筑組成，建筑屋頂以藍色調居多，影像呈規則狀的藍色、藍灰色，且顏色分布較均勻，同時園區內部及周邊常有橫豎明顯的道路，且光譜反射率較高，影像上呈亮白色，紋理清晰；另外化工園區形狀一般較為規則，與周邊地物邊界比較清晰，呈矩形、多邊形外形，園區的尺寸較大，一般為周邊居民房屋或小區的5～8倍，往往有重要交通干線通往園區，有時沿河或沿江展布。本文依據部分已知化工園區為典型，從顏色、紋理、形狀、尺寸等角度分析園區高分遙感影像特征，提取了研究區內化工園區的空間位置展布信息（圖1左），研究區內共有A、B、C、D、E五個重要化工園區。

2.化工園區危險源識別

化工園區是園區企業生產、加工、儲運危化物品的場所，通常存在大量的重大危險源。因此，在識別化工園區空間位置基礎上對園區內危險源進行準確識別、精準定位就顯得十分必要，從而保證了后續危險源監測、應急逃生與消防救援做到有的放矢。

化工園區內的重大危險源由于其外建筑涂彩影響，色調常呈藍色、灰白色，形狀多為圓形、矩形，常陣列排列或規則展布，周邊有規則的道路相連。本文以高分遙感影像為依據，以前節識別的化工園區D為例，參閱國家發布的《危險化學品重大危險源辨識》（GB 18218—2018）及化工園區安全設計相關資料，開展了化工園區危險源識別應用（圖1右），D化工園區危險源包括化學品庫、硅粉倉庫、大型罐體、變電站等11處。通過對各處危險源的事故機理、事故概率、可能的事故后果及嚴重程度等分析，劃分了危險源危害程度等級（1級5處，二級6處），以此作為園區事故安全防控的重點選評依據。

（二）園區重大危險源監測

基于高分遙感影像的重大危險源監測主要是指通過采用不同時間段的高分遙感數據，智能化監控化工園區危險源規模數量、地理位置及周邊環境變化，及早發現危險源爆炸、火險等災害隱患，采取相應的安全防控對策舉措。

以2010年與2016年兩個時相的化工園區的高分影像為基礎數據源，智能化結合目視解譯分別獲取了2個時期的園區危險源規模數量、地理位置等信息，通過監測化工園區周邊發現：2016年較之2010年，在園區的西北地區，新增了三塊面積不一的區域（圖2），且對新增區域進一步解譯發現，區內新增了硅粉倉庫、氯瓶間、加氯間等4處重大危險源，因此，應分析量算其危險源間相互距離是否滿足安全防護規范，同時針對危險源類型做好相應安全防控措施。

圖1 研究區化工園區及危險源空間分布示意圖

圖2 研究區化工園區重大危險源監測圖

（三）園區企業通達性分析

根據墨菲法則，凡是會出錯的事物一定會出錯。因此化工園區重大危險源監管必須警鐘長鳴，且還應做好應急響應（應急逃生救援分析及消防應急救援分析）的準備。國產高分遙感影像能以最直觀、最真實的形式展現城市與郊區的地形地貌，因此通過對高分遙感數據的直接閱讀與分析，可以獲取城郊通往化工園區及區內重要化工企業的空間位置及主要交通路徑信息，開展通達性分析，為后續應急逃生救援與消防救援提供基礎地理依據。

園區通達性分析具體包括，以高分遙感影像為依據，基于“高分+GIS”，提取級別為國道、省道、縣道或道路寬度超過6米的道路，并以道路交叉位置設置相應節點，分別將其通達性權重設為4、3、2、1；同時提取研究區周邊醫院、學校、加油站等敏感對象信息，綜合考慮到醫院與學校人員密集、車流量較大，途經的路徑通達性權重均減0.5，而加油站擁有補給作用，途經的道路通達性權重加0.5。綜上，依路徑通達性權重系數，利用GIS技術分析了研究區內各化工園區區域相互通達性（圖3），路徑通達性越好，則通達性權重系數越大，通行條件也越順暢。

（四）應急逃生救援分析

化工園區災害事故具有突發性強、波及范圍廣、應急救援困難等特性，災難性事故一旦發生，地面監控與人員通信極有可能陷入癱瘓。如何把控事態救援全局，快速制定救援路徑方案，并在第一時間把救護機構送抵事故點，及時開展生命救援成為災害救援的重中之重。高分遙感影像具有分辨率高、清晰度高、真實直觀展示園區及周邊地形的特點，利用“高分+GIS”為救護機構選擇一條最佳路徑（最快最省時路徑），為生命救助提供安全通道。

圖3 研究區化工園區通達性分析

利用高分遙感技術宏觀直觀特點，綜合化工園區及區內企業的主要交通路徑信息，結合各道路寬度、等級、沿線醫院、加油站、學校等設施內容，以研究區D化工園區為例，嘗試開展了化工園區應急逃生救援路徑初步分析。具體包括：首先設定園區某危險源發生火災或爆炸事故，險情暫設為一般級別，離之最近的西壩醫院首先接到救援請求。以高分二號遙感影像為底圖，D園區主入口為終點，西壩醫院為起點，結合路徑通達性分析結果，綜合考慮通道道路的寬度、距離、擁堵狀況，沿線加油站（油料補給）等信息，采用最優路徑分析算法，快速獲取此級別事故狀態下的消防救援路徑（圖4中細線所示），動態實時指導醫療救援快速到達。

若醫療人員抵達事故現場時發現，現有醫療人員與設備難以滿足現場救援需求，急需區內其他救援力量增援。此刻再次基于高分遙感影像底圖，以周邊的區中醫院與區人民醫院（區內二甲醫院）為起點，D園區消防入口為終點，重新獲取應急逃生路徑（圖4中紅線所示），實時指導增援醫療救援力量到達路徑，并可沿路獲得油料補給。

（五）消防救援分析

事故發生后，為便于消防機構盡快達到并開展救援，須找到一條最佳路線。充分利用高分遙感影像具有高分辨率、高清晰度等優點，實現化工園區消防救援演練相關應用管理。本文選取化工園區D為典型示范園區，基于“高分+消防”進行消防救援演練分析，假設D園區某危險源發生一般火災或爆炸事故，轄區消防部門接到報警，首先接受出警任務的為離其最近消防中隊。此時，基于高分遙感影像底圖，以消防中隊為起點，D園區消防入口為終點，利用高分遙感提取的通達性路徑，綜合考慮路徑寬度、路況、距離、擁堵狀況、節假日，沿線醫院（避開應急逃生救援）、加油站（油料補給）等信息，采用最優路徑分析，快速獲取此級別事故狀態下的消防救援路徑（圖5中細紅線所示），動態實時指導消防中隊的到達路徑。

如若災情升級，達到嚴重或非常嚴重級別，僅憑現有人員或裝備難以判定撲滅災情，急需消防力量增援。此時，再次，基于高分遙感影像底圖，以周邊其他消防隊伍駐地為起點（本例中周邊消防力量均需由高速增援，故設高速路口為起點），D園區消防入口為終點，重新獲取消防救援路徑（圖5中粗紅線所示），實時指導增援消防力量到達路徑，并沿路獲得油料補給，同時避開醫院的應急逃生救援路徑。

（六）事故影響范圍分析

圖5 化工園區D消防救援演練路徑示意圖

圖6 化工園區事故影響范圍分析示意圖

當化工園區突發火災、爆炸等事故時，必須考慮事故的影響范圍。一般來說，一個化工園區內有若干重大危險源，而每一個危險源都對應有一個死亡半徑、一個輕傷半徑及事故破壞半徑，每個半徑均對應一個圓形的區域，即為不同程度下的事故影響范圍。

本文以高分影像數據為底圖，基于“高分+危險源”，以化工園區D為例，結合園區內危險源液氨及其相關物質，參閱2012版《危險化學品安全生產許可證辦理審核附錄》及歷史液氨發生蒸汽云爆炸事故影響結果，分別設定D園區內危險源死亡半徑、輕傷半徑及事故破壞半徑，利用GIS空間疊加分析，分別表示整個化工園區D的綜合事故影響范圍及影響程度（重度、中度與輕度），如圖6所示，進而為救援方案的制定提供決策支持，指導事故救援及人員撤離。同時，依據園區事故影響范圍內的人口與財產密度，預測死亡人數及財產損失情況，為災后選址重建、人員安置及保險理賠提供科學依據。

結論

（1）國產高分系列衛星數據具有多時相、低成本、高分辨率、大范圍、周期監測優勢，可為化工園區空間位置、園區內重大危險源、園區周邊消防設施、醫院院所、加油站點等位置識別提供直觀、真實的第一手資料。

（2）基于多期高分影像數據，可動態化、周期化、智能化監控化工園區危險源規模數量、地理位置及周邊環境變化，為及早掌握危險源蘊災隱患，提供安全防控對策依據。

（3）基于高分技術，快速獲取通往化工園區及區內重要化工企業的主要交通路徑信息，疊加強大的空間表現功能和空間分析處理功能的GIS技術，完成園區企業通達性分析，為化工園區應急逃生救援與消防救援提供基礎地理依據。

（4）考慮到化工園區事故的易發多發性，基于“高分+GIS+危險源”，可對化工園區重大危險源開展事故后影響范圍及程度分析，為事前預防與事故發生后的搶險、救援提供及時、準確的事故服務決策，最大限度地減少重特大事故造成的損失。

（5）化工園區安全防控中技術防控固然重要，同時我們也應重視管理制度防控的重要性，做到技術與管理兼顧。掌控技術的是人，但約束人的是制度，制度有時比技術更重要，而安全文化又是制度之本。因此化工園區安全防控模式可以是“文化+制度+高分”的組合拳模式。