基于個人風險分布計算的泄漏事故疏散路線優(yōu)化

陳曉坤，何春旭，3，4，史 合，2，程方明，3，4，蘇 彬，3

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054；2.西安空間無線電技術研究所，陜西 西安 710100；3.陜西省工業(yè)過程安全與應急救援工程技術研究中心，陜西 西安 710054；4.西安科技大學 城市公共安全研究所，陜西 西安 710054)

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)過程中泄漏事故發(fā)生后疏散路線選擇是應急決策的重要問題之一，最優(yōu)的疏散路線可以有效降低人員傷亡。然而，疏散路線受多種因素影響且關系復雜，優(yōu)選過程不僅要考慮路線疏散時間和路線安全性，更要根據(jù)現(xiàn)場具體情況選擇符合當前情況的疏散路線[1-5]。事故現(xiàn)場氣象條件的變化、次生災害事故的誘發(fā)及演變等都要求疏散路線需要隨泄漏事故發(fā)展而不斷變化的，疏散路線在空間和時間上均具有風險的不確定屬性[6-10]。

目前，已有諸多學者針對危險化學品泄漏事故最優(yōu)疏散路線選取開展研究。如趙婧璇等以某氯堿廠液氯泄漏為研究對象，采用計算流體力學Fluent 軟件模擬計算得出區(qū)域疏散路線中各監(jiān)測點的氯氣擴散實時濃度，優(yōu)選出在所有泄漏場景中人員累計中毒風險較小的最優(yōu)疏散路線[11]。趙江平等為了了解在毒氣泄漏情況下的中毒死亡概率及避難點的安全情況[12]，采用高斯模型計算毒氣泄漏的濃度，并且使用Building EXODUS 軟件模擬區(qū)域應急疏散過程。熊立春等引入時間因素改進優(yōu)化了高斯擴散模型，并且建立風險矩陣、人口密度矩陣，為選取最佳疏散路線提供了依據(jù)[13]。鄭楊煒等分析了氨的危害，通過MATLAB進行模擬，采用高斯煙團模型，從而劃分出危險區(qū)域的范圍[14]。LAW等通過使用計算流體力學CFD和ALOHA軟件模擬馬來西亞某工業(yè)園區(qū)周圍的氯氣泄漏的擴散情況，最終可知風向、風速、地表面貌會影響氯氣的擴散模式，安全疏散路線應該根據(jù)季風季節(jié)而變化[15]。GAI等通過考慮在緊急決策中可能相互沖突的多個目標，針對有毒云霧釋放的緊急情況優(yōu)化疏散路線選擇[16]。目的是將對個人和公眾的潛在風險降到最低，并將個人疏散過程中沿著一條路徑的總疏散時間降到最低。可見，目前相關研究多以泄漏后有毒有害氣體濃度場的預測為基礎，研究規(guī)劃安全高效的疏散路線，多關注中毒等單一危害后果對疏散路線的影響，而對疏散過程火災、爆炸等次生災害事故的風險關注不多。因此，考慮泄漏發(fā)生后中毒、火災、爆炸等多種事故風險疊加對疏散路線安全性的影響，開展疏散路線優(yōu)化研究對泄漏事故應急疏散過程的科學決策具有重要指導意義。

以泄漏事故人員疏散為研究對象，考慮路線疏散時間與路線安全性等主要因素，建立動態(tài)疏散路線優(yōu)化選擇機制。在疏散路徑安全性方面，關注泄漏發(fā)生后多種事故風險疊加的影響，提出疏散路線綜合風險值的概念，并給出計算方法，實現(xiàn)了疏散路線安全性的定量分析。最后，以某化工廠區(qū)液氨儲罐泄漏事故為例，使用Safeti軟件計算分析了不同疏散路線的綜合風險值，采用動態(tài)疏散路徑優(yōu)化選擇機制，確定了最優(yōu)疏散路徑，可為化工廠區(qū)泄漏事故疏散路徑優(yōu)選提供參考。

1 影響疏散路線選擇的因素分析

1.1 疏散時間

疏散時間是指在泄漏事故發(fā)生后，處于多種事故風險疊加影響區(qū)域內(nèi)的人群疏散到安全區(qū)域內(nèi)所用的時間。若事故風險疊加影響區(qū)域內(nèi)的人群疏散到安全區(qū)域內(nèi)且人員無傷亡，則可以認為該疏散路線的選取是合理的。由于人員在多種事故風險疊加影響區(qū)域內(nèi)的位置不同，不同人員對待泄漏事故的應急反應能力也不相同，泄漏事故發(fā)生時人員心里活動狀態(tài)也有所差異，事故發(fā)生時路線的通暢程度也無法確定，這些都將影響整個疏散時間。因此，疏散時間對個體而言是隨機變量，但在本研究中，將疏散時間看成是整體疏散時間，默認人群疏散位置、疏散能力等主觀條件相同，是相對固定的變量[17-18]。

1.2 路線安全性

路線安全性是指人員在疏散路線上免受泄漏發(fā)生后多種事故風險疊加影響的能力[9]。確保疏散人員安全是疏路線選擇的前提條件，泄漏事故疏散過程面臨中毒、火災、爆炸等多種事故風險，有毒有害氣體濃度分布變化、潛在點火源位置等情況的不同導致事故災區(qū)的區(qū)域風險在空間和時間上存在差異，不同疏散路線的安全性也是不同的。因此，選擇風險較低的疏散路線，可提高疏散安全性，減少事故災變造成的人員傷亡。

2 疏散路線安全風險

2.1 疏散路線安全性分析

路線安全性可采用路線風險大小進行衡量。風險是由事故后果與事故發(fā)生的頻率確定的，泄漏事故疏散路線風險則由泄漏事故演化過程中的多種潛在事故后果與事故發(fā)生的頻率共同確定。泄漏事故發(fā)生后，泄漏孔徑、泄漏速率、風向、風速等諸多事故后果影響因素是能確定的，但點火源、大氣穩(wěn)定度等影響因素是很難直接確定的，且直接影響事故演變危害特性與風險大小。為了對路線風險進行定量分析，文中引入了疏散路線綜合風險值這一概念來描述疏散過程各類事故風險的疊加，進而反映疏散路線的安全性。

2.2 疏散路線綜合風險值

疏散路線綜合風險值就是疏散個體在疏散路線上可能受到危險后果及某種程度傷害的頻發(fā)程度。疏散路線綜合風險值實質(zhì)上就是個體在路線上的傷亡風險，體現(xiàn)了現(xiàn)場諸多事故后果危害不確定因素概率的疊加，其風險值由疏散人員在疏散路線上的個人風險與疏散路線長度所決定。

2.3 疏散路線綜合風險值的計算

疏散路線綜合風險值量化表示了路線的安全性，以某一泄漏事故場景為例，對疏散路徑綜合風險值的具體計算方法說明如下。

1)假設某一泄漏場景發(fā)生。

2)選擇某一種風速V和大氣穩(wěn)定度D，從而給出這個天氣等級M，以及該天氣等級下的一種風向φ考慮風速、風向等條件能夠迅速確定，而大氣穩(wěn)定度難以實時監(jiān)測，大氣穩(wěn)定度頻率為PD。

3)如果是可燃物泄漏，選擇一個點火事件i并確定點火概率為Pi。如果考慮物質(zhì)毒性影響，則不考慮點火事件。

4)泄漏事故發(fā)生后，在泄漏孔徑、泄漏速率、風速、風向等能夠快速確定的情況下，計算大氣穩(wěn)定度PD，點火事件(針對可燃物)條件下網(wǎng)格單元上的死亡概率Pd，計算中參考高度取1 m。

5)計算(D，i)條件下網(wǎng)格單元的個體風險(individual risk，IR)式(1)。

ΔIR=PD×Pi×Pd

(1)

6)對所有的天氣事件重復2)～5)步的計算，對所有的點火事件重復3)～5)步的計算；則得到網(wǎng)格點處的疊加的個人風險，式(2)

(2)

7)計算出疏散線路上每個網(wǎng)格點處的個人風險值，即得到該疏散線路L上的個人風險分布曲線，并且對該個人風險分布曲線進行路線長度的積分，即可得到該路線上的綜合風險值P，式(3)

(3)

在文中使用了風險定量分析軟件Safeti，對目標疏散路線進行風險計算，從而確定多種事故影響的疊加風險。

3 疏散路徑優(yōu)化選擇方法

不同事故場景下，不同的疏散路徑有著不同的疏散時間，并且各條疏散路線的安全性也各不相同。因此，建立一種動態(tài)疏散路線優(yōu)化選擇機制是至關重要的。文中通過圖1所示的疏散路線優(yōu)化選擇流程，表示綜合考慮了事故發(fā)生時的疏散時間、路線安全性等因素下的動態(tài)選擇機制，對每一條疏散路線進行綜合篩選，最終選擇出最優(yōu)的疏散線路。

在泄漏事故發(fā)生后，應急決策人員采用動態(tài)疏散路線選擇機制，選出在該泄漏事故發(fā)生時的最優(yōu)疏散路線。從圖1可知，應急決策人員應該迅速對每條疏散路線進行安全性分析，選擇出其中安全性較高的疏散路線。然后在安全性較高的疏散路線中選擇出疏散時間較小的疏散路線。

通過以上的疏散路線優(yōu)化選擇，應急決策人員能夠根據(jù)具體泄漏事故的情況動態(tài)考慮路線安全性與疏散時間。突破了以往多關注疏散時間的優(yōu)化方案，可有效避免選擇二次事故及次生事故演化影響區(qū)域內(nèi)的疏散路徑，有效地減少人員傷亡，為應急疏散路線優(yōu)選決策提供了一種方法[20]。

圖1 疏散路線優(yōu)化選擇流程Fig.1 Flow of evacuation route optimization selection

4 應用實例

4.1 廠區(qū)概況

某化工廠區(qū)平面圖如圖2所示，根據(jù)其場內(nèi)人員分布可以分為3個區(qū)域：辦公區(qū)(200人)、住宿區(qū)(450人)、操作區(qū)(50人)。廠區(qū)周邊點火源可辨識為內(nèi)部的若干條電線，廠區(qū)外的位于道路兩側(cè)的兩條高壓電線，廠區(qū)外道路上的車輛，同時認定人員所在區(qū)域為弱點火源。企業(yè)應急預案中確定了廠區(qū)內(nèi)的疏散線路共有A，B，C，D等4條，分別去往四周的安全疏散點。已知液氨儲罐為廠區(qū)主要危險源，共有6個含氨設備，其具體位置均以在廠區(qū)平面圖中以設備標記形式表示，具體設備參數(shù)條件見表1。

表1 液氨儲罐參數(shù)

圖2 某化工廠區(qū)平面Fig.2 Plan of a chemical plant area

圖3 某化工廠局部示意圖Fig.3 Schematic diagram of a chemical plant

4.2 疏散路線綜合風險計算與分析

假設該企業(yè)某日風向為北風，1號液氨儲罐發(fā)生了泄漏，據(jù)現(xiàn)場人員估計泄漏孔徑約有100 mm。根據(jù)儲罐實時存量實時監(jiān)測可知，事故發(fā)生時儲罐內(nèi)約有552.5 m3的液氨。并且場內(nèi)風速監(jiān)測儀顯示實時風速為2.5 m/s。在泄漏事故發(fā)生后，泄漏孔徑、風速、風向等因素能夠迅速根據(jù)確定。然而還存在著點火概率、大氣穩(wěn)定度、死亡概率等諸多不能確定的參數(shù)[21]。在這種泄漏事故發(fā)生后，應急決策人員在選擇疏散路線時應當考慮路線安全性，避免人員在疏散過程中誤入危險區(qū)域。

通過使用Safeti來實現(xiàn)疏散路線 安全性計算，該軟件通過輸入相關工藝參數(shù)、設備參數(shù)、氣象參數(shù)等，模擬特定事故情景，得出不同事故情景模式的影響范圍，其不僅能構(gòu)建單一設備設施的事故模型，并且對于不同設備之間的相互影響而造成的區(qū)域性影響也能進行模擬。從而能夠使用計算機來對既定的事故模型進行影響范圍及危害程度的計算，形成模擬分析圖和詳細的模擬結(jié)果報告。[22-25]

通過軟件的風險計算情況能夠得到如圖4所示的事故風險等值線。圖4明確表示了該事故下不同風險區(qū)域影響的位置。根據(jù)《GB36894—2018危險化學品生產(chǎn)裝置和儲存設施風險基準》中對于這種廠區(qū)的規(guī)定可容許個人風險值可知，當風險為3×10-6時，圖中綠色區(qū)域是泄漏事故風險影響區(qū)域。考慮事故發(fā)生時，毒性物質(zhì)影響區(qū)域相對較大，因此采用美國國家咨詢委員會(national advisory committee，NAC)與國家研究委員會(national research council，NRC)針對國家、地方政府以及個人企業(yè)處理包括泄漏、災難性暴露等緊急情況所制定的急性暴露標準AEGLS值。在文中中根據(jù)事故疏散長度選取AEGL-2在30 min的關注濃度220 ppm作為毒性事故影響區(qū)域的濃度值，如圖中藍色區(qū)域所示。可以看到風險區(qū)域及毒性后果影響區(qū)域均偏向南方，風險區(qū)域面積為498 680.15 m2，毒性后果影響區(qū)域面積為107 413 m2，這表明了在泄漏事故發(fā)生后僅僅關注事故影響區(qū)域是不夠的，應急決策人員應當關注事故風險，從而選擇出合理可行的路線。

圖4 泄漏事故影響區(qū)域Fig.4 Leakage impact area

在泄漏事故發(fā)生后，應急決策人員不僅要考慮事故后果影響區(qū)域，更要考慮事故風險區(qū)域，從而更加準確的根據(jù)事故情況決定人員疏散路線，因此文中引入了疏散路線綜合風險值這一概念，通過模擬事故發(fā)生時情景，從而準確判斷路線風險大小，從而為路線應急決策提供依據(jù)。根據(jù)前文的路線風險計算方法，結(jié)合軟件計算本次事故各疏散線路的情況，從而得到圖5所示的各疏散路線個人風險分布。

圖5 不同疏散路線個人風險分布Fig.5 Distribution of individual risks in different evacuation routes

圖5中橫坐標為疏散路線行進的距離，縱坐標是風險值大小。可見，在泄漏事故發(fā)生后，人員所處的初始位置因為靠近事故儲罐，因此初始風險都相對較大。從疏散路線A，B的風險趨勢圖上能看到，路線風險大小呈現(xiàn)波動變化趨勢。這就說明事故發(fā)生后人員在該路線疏散時，會再次進入風險程度較高的區(qū)域內(nèi)。

圖4中綠色曲線代表風險值為3×10-6的風險區(qū)域，根據(jù)圖4風險等高線可知，內(nèi)部還分布諸多風險更高的區(qū)域。疏散路線A的路線不規(guī)則，在圖4中位于風險區(qū)域與事故后果區(qū)內(nèi)，并且能夠看到隨著路線進行疏散，路線跨越了不同的風險區(qū)域，因此造成其風險趨勢波動變化。在路線B上進行疏散時，人員隨著路線會再次進入高風險區(qū)域內(nèi)，然后才能到達避難點，其路線的風險趨勢圖就是先增加在減小的趨勢。

從風險趨勢變化上證明疏散路線A，B在疏散過程中引發(fā)二次傷害可能性較大，不適合作為人員應急疏散的路線。疏散路線C，D在人員初始位置處風險處于最大，隨著人員開始疏散，沿疏散路線個人風險值持續(xù)降低。對廠區(qū)已有的疏散線路綜合風險值進行計算，疏散路線A，B，C，D的風險值分別為30.078，20.808 8，2.321 2，1.019 2。

4.3 疏散線路優(yōu)化選擇

根據(jù)已經(jīng)建立的疏散路線動態(tài)選擇機制，通過對路線安全性、疏散時間等參數(shù)指標的優(yōu)化選擇，從而可以分析選擇出最優(yōu)的疏散路線。考慮人員在應急疏散時，均采用最大移動速度，在文中中默認為1.5 m/s。本次泄漏事故中泄漏孔徑為100 mm，風速為1.5 m/s，風向為北風的情況下的各條疏散線路綜合評價見表2。

根據(jù)疏散路線動態(tài)優(yōu)化選擇機制，首先比較4條路線的綜合風險值的大小，對路線綜合風險值數(shù)值量級進行分類，發(fā)現(xiàn)疏散路線C，D在安全性上是滿足要求的。其次考慮路線長度與疏散時間，疏散路線越長，人員所花費的時間也就越長，可能造成人員傷害的可能性也就越大。可見，疏散路線D所用疏散時間較短，因此確定為首選疏散路線。

表2 各條疏散路線綜合評價

5 結(jié) 論

1)針對泄漏事故疏散路線的科學優(yōu)選問題，文中提出了一種基于疏散路線個人風險分布特征分析的疏散路線優(yōu)化選擇方法，該方法不僅關注單一泄漏事故的危害影響范圍，而且綜合考慮了現(xiàn)場環(huán)境條件下有害物料泄漏擴散過程可能發(fā)生的中毒、火災、爆炸等多種事故的風險疊加影響，可有效提高疏散路線的安全性。

2)通過引入疏散路線綜合風險值的概念來定量表征疏散過程安全性，并給出了具體計算方法，為疏散路線安全性定量分析提供了理論依據(jù)。

3)以某化工廠區(qū)液氨儲罐泄漏安全疏散為具體應用實例，詳細闡述了疏散路線綜合風險計算及路線優(yōu)化選擇過程，可為有毒有害氣體泄漏事故的應急疏散提供重要參考。