基于GIS的企业管道安全应急决策支持系统的设计研究
司少先 李苏东 崔洪涛 刘学伟
（山东正元地理信息工程有限公司）
摘 要 企业管道安全应急决策支持系统是一个以管道安全事故突发公共应急响应全过程为主线，涵盖管道事故的检测监控、预测预警、应急救援、风险评价等各环节的系统工程。通过对事故发展趋势进行科学预测，对事故可能产生的危害进行预评估，形成管道突发安全事故的应急救援预案库，形成对重大突发公共事件的可靠预防、全方位监测监控、快速响应、准确预测与快速预警、高效处置的运行机制与能力，切实提高保障公共安全和处置突发事件的能力，预防和减少事故灾难造成的损失，对保障公众生命财产安全和维护社会稳定，具有重要意义。
关键词 GIS 管道 公共安全 应急 决策支持
GIS-based Enterprise Pipeline Safety Emergency Decision Support System Design
SI Shao-xian LI Su-dong CUI Hong-tao LIU Xue-wei
（SHanDong ZHengYuan Geographic Information Engineering CO.,LTD，Jinan ,Shandong250014,China）
Abstract：Pipeline Safety Emergency enterprise decision support system is a systems engineering which has the entire process of pipeline safety incidents sudden public emergency response as main line ,It is covering the detection monitoring, forecast warning, emergency rescue, risk evaluation, and other aspects of pipeline accidents . Through the development trend of the accident scientific forecasts of the accident may have hazards of pre-assessment, a pipe burst of accidents, emergency rescue plan for and form a major public events sudden reliable prevention, comprehensive monitoring surveillance, rapid response, accurate prediction and early warning, efficient disposal of the operating mechanisms and capacity to effectively improve public safety and protect the ability of handling emergencies, accident prevention and reduce the losses caused by disasters, the protection of public life and property safety and the maintenance of social stability, is of great significance .
Keywords：GIS；Pipeline； Public safety；Contingency；Decision support
0 引言
企业（尤其大中企业）管道是企业生产原料和产品的主要输送工具，尤其石化企业，管道上连油田，中接炼厂，下达加油站，管道建设已成为石油石化企业优化资源配置、实现产供销一体化、提升竞争力的重要利器，管道是企业的生命线。大中企业管道本身的安全性更关乎一国能源供应安全。基于GIS技术构建企业管道安全事故应急决策支持系统，对事故发展趋势进行科学预测，对事故可能产生的危害进行预评估，形成地下管线突发安全事故的应急救援预案库。这对建设“以人为本”的和谐社会和国民经济全面、协调、可持续发展十分重要。
1 企业管道安全事故的特点
企业一旦发生管道灾害事故，极易造成人员伤亡和巨大的财产损失，通过连锁反应还可能给企业造成毁灭性破坏，甚至周边区域资源环境的破坏，产生严重的负面影响。
⑴毁灭性
石油化工原料或产品具有易燃、易爆、毒害、腐蚀的特点，这些物品一旦遇到点火源极易发生燃烧或爆炸，且火势猛，传播速度快，再加上生产过程的高温、高压、设备的大型化立体化、生产的连续化自动化、动力能源系统的复杂化，这些都决定了石化企业一旦发生火灾都将是毁灭性的。如1975年美国某企业年产15万吨的高压聚乙烯装置，因一反应釜填料盖泄漏，物料受热爆炸，发生链锁反应，整个工厂被摧毁。1989年我国某企业油库储油罐因雷击发生爆炸引发罐区大火，大火燃烧了5天4夜才被扑灭，造成惨重的经济损失，仅消防队员就有80多人死亡，12辆消防车被毁，火灾中泄漏的原油污染了周围大片海域。
⑵扩散性
企业管道突发事故的影响区域，一般远远大于事故发生源和事故的伤害范围，这种事故的扩散性特点，一旦事故发生其危害是巨大的。如2004年，某城市石化厂疑因一储气管泄漏，大量气体形成的气雾弥漫了整个生活区，数百名居民紧急外逃避险，有的逃到了两公里开外的山头上。气雾令过路的汽车开灯前行，周边的搭客摩托也停止了营运。一般来讲，城市事故的扩散程度取决于城市性质、规模以及城市资源现状等因素。
⑶社会性
企业管道安全事故的发生，不仅瞬间造成人员重大伤亡和重大经济损失，甚至可能引起附近居民一定程度的心理动荡，影响政府的良好形象。由于处置不当甚至会激化矛盾，造成社会动荡。企业管道突发安全事故的社会性特点，就决定了安全事故应急决策支持的复杂性和多样性，因此，无论在技术层面还是在管理层面，都对企业管道安全事故的预测预防、应急救援决策和实施等提出了很高的要求。
2 企业管道安全事故应急决策支持系统的研究内容
企业管道安全事故应急决策支持系统是一个以管道安全事故突发公共应急响应全过程为主线，涵盖管道事故的检测监控、预测预警、应急救援、风险评价等各环节的系统工程。通过系统构建，形成全方位的危险源监测监控体系、厂区安防体系、火灾扑救系统、事故预案体系和应急决策指挥体系。系统研究的主要内容为：
⑴应急信息资源平台 主要为地理信息系统（GIS）软件和企业基础信息资源。内容主要包括：企业管道数据库、道路交通数据库、公安与消防数据库、应急资源数据库、救助卫生数据库等。应急信息资源平台是企业管道安全事故应急决策支持系统的主要和关键部分。
⑵管道安全事故应急预案库 应急指挥的核心是应急预案，应急预案从功能与目标上可以划分为四种类型，即综合预案、专项预案、现场预案和应急救援方案。综合预案是应急预案的全面性方案，侧重在应急救援活动的组织协调；专项预案主要针对具体的事故采取综合性与专业性的减灾、救灾和灾后恢复行动；现场预案是以现场设施或活动为具体目标所制定和实施的应急预案，预案要求具体、细致和严密；应急救援方案主要针对突发的紧急情况所设计的具体行动计划。
⑶管道安全事故动态模拟 管道设施危险源的危险性分析是事故动态模拟的基础。大量事实证明，企业管道安全的最大隐患是有毒气体泄漏和火灾蔓延。石化企业管道的运输物质主要是油品及液化气，管道一旦发生泄漏，会产生毒气泄漏灾害。企业的电缆和电气线路的安全是企业安全保障的重要内容之一，电缆管道事故极易发生火灾，据统计，国内近20年来，各类电厂普遍发生过电缆火灾事故， 70%的火灾事故造成的损失非常严重，特大损失达到40%。故选择气体泄漏和火灾作为危险源进行有针对性的危险性分析。
针对危险源分析的结果，选用适当的数学模型，实现毒气泄漏或扩散的仿真计算，模拟典型的事故场景，结合环境条件（风速、风向、温度、湿度等），对事故的影响区域、发展过程进行数值模拟和预测，从而科学的预测事故发展过程，以便为应急决策指挥和应急预案的制定提供依据。
⑷重大事故应急决策与指挥 应急决策与指挥系统承载应急决策指挥数据指令下达/上传，负责现场数据信息的反馈，分级决策指挥，协同指挥的信息共享，可用资源的调度配置，应急总体功效的评估和指令记录与事件总结等。通过应急力量和应急设备设施的科学管理，实现事故处置的应急目的。主要有接警记录、救援力量需求分析、出警决策、救助实施等。
3系统总体设计
3.1 系统总体结构
根据前述系统的研究内容，则该系统总体结构图1所示：
⑴所选GIS软件是安全事故应急决策支持系统的核心支撑平台，软件主要功能必须具有强大的处理空间数据的能力。软件应提供良好的人机交互式空间信息数据库维护方式，能对电子地图进行无极缩放、漫游、图层控制显示，方便进行地图量算和地图编辑，以及符号库和线性库维护。允许系统维护人员直接进行数据的录入、追加、修改、更新、删除等操作。
⑵应急信息资源子系统是应急决策支持系统的数据仓库，它集成和存储着事故动态模拟和事故处置决策支持所需要的来自若干分布、异质信息源的数据。应急信息资源数据仓库面向管道安全事故应急决策支持，其体系结构要保证查询和分析的实时性。
地理信息数据库主要用于组织和存储在企业安全规划、安全管理、事故应急救援辅助决策支持中所涉及对象的地理位置、地理分布和尺寸信息等空间数据。如企业交通路段位置及其连接方式、拓扑关系；管道设施危险源的位置、形状、组成；重点防护和保卫目标的位置；公安、消防、医院、人员等事故应急救援力量分布情况；消火栓位置；事故发生地点位置等的空间数据。
公安消防数据库用于组织和存储为事故应急救援提供关键、重要支持的有关公安和消防信息。如消防站规模、消防站技术装备等；公安警力应急力量的分布及管辖等。
应急资源数据库主要存储事故应急救援中所需各类设备、设施和器材等的类型、数量和权属信息等，为应急管理提供参考，为应急救援提供决策支持。
救助卫生数据库主要存储医疗救助机构的基本情况基本数据。如城市医院数量、各自床位数量、医院特点和联系方式等。以人为本为事故应急救援提供全面的救助支持。
⑶事故动态模拟子系统
如前所述事故危险源危险性分析是事故模拟的基础。危险性分析工作主要包括包括两个内容：①分析事故发生后对企业的影响方式、影响范围、持续时间、危害程度。②结合企业事故历史数据，分析发生事故的概率。
如通过对企业气体泄漏和火灾的危险性分析来看，着火爆炸、中毒和腐蚀三种主要危害中，其造成的后果各不相同：从造成的死亡和经济损失后果比较，着火爆炸造成失最大，中毒次之，腐蚀最小；从受伤人数和被迫疏散人数而言，中毒远高于着火爆炸和腐蚀；从对环境的破坏来看，中毒和腐蚀最高，着火爆炸最低。混合事故的后果最为严重，即中毒或腐蚀事故与着火爆炸伴随发生，造成的危害最大。液化气体、挥发性液体比气体和非挥发性液体能造成更大的危害。因为，液化气体具有较高的压缩比，在常温下泄漏容易气化形成高浓度气团。而挥发性液体一旦变成气体，容易达到高浓度。这就使得液态（特别是液化）毒气吸入中毒的危险性甚至超过气态。
根据管道安全事故的特点，拟建立如下模型：
①气体泄漏模拟模型
根据气体泄漏的不同状态，建立和采用不同的泄漏数值模型，对可燃气体在不同成分、不同泄漏量、不同风速风向、不同温度条件等条件下的扩散规律进行模拟预测，对其蔓延趋势，发展速度、危害区域以及气云高度、气云浓度等做出预测，以便为应急决策指挥和应急预案的制定提供依据。
考虑到气体泄漏事故发生后排放源项持续时间较长（几小时至几天），故对事故后果评价采用高斯烟羽公式计算：
式中，C—位于S(0,0,Zs)的点源在接受点r(xr,yr,zr)产生的浓度。
Q--污染物释放率 ；
--烟羽抬升高度；
、 --下风距离 处的水平风向扩散参数和垂直方向扩散参数，扩散参数按有关公式计算。
烟羽模式是在烟团模式的基础上得到的(略)。据此我们可以进行以地表面为主的二维数值分析与仿真,也可进行三维空间的模拟与仿真。
②火灾动态模拟模型
根据危险源分析结果确定其可能发生的各种火灾场景，针对火灾的蔓延特点，采用专用的火灾过程数值模型对火灾的发展过程进行数值模拟，预测温度、一氧化碳浓度等物理量以及火灾烟气的蔓延规律进行分析。结果存入数据库，对预案的编制提供指导。
③人员疏散动态模拟模型
根据对可能发生的各种火灾场景、气体泄漏蔓延趋势以及危害区域的预测，一方面预测发生危险后可能导致的人员伤亡数量，同时预测出人员疏散路线途径，为预警分级和预案制定提供指导依据。
⑷事故处置决策支持子系统
该子系统是一内容翔实的事故处置预案库，是为减少事故后果而预先制定的抢险救灾方案，进行事故救援活动的行动指南。编制事故应急处置预案的目的在于：第一，发生事故后迅速控制危险源，避免事故扩大。第二，抑制突发事件，减少事故对城市居民和环境的危害。
根据管道事故特点，宜编制现场预案和应急救援方案。其特点是针对事故具体现场所存在的该类特殊危险，结合可能受其影响的周边环境情况，在详细分析的基础上，对应急救援中的各个方面做出具体、周密而细致的安排。预案具有很强的针对性和对现场具体救援活动的指导性。
预案的基本内容主要为：预案概况、预案基本要素、准备程序、基本应急程序、恢复程序等。预案的基本结构如下：
① 基本预案是应急预案的总体描述。主要阐述应急预案所要解决的紧急情况、应急的组织体系、方针、应急资源、应急的总体思路并明确各应急组织在应急准备和应急行动中的职责、以及应急预案的演练和管理等规定。
② 应急功能主要着眼于对管线突发事故响应时所要实施的紧急任务，如通讯保障、人群疏散、人员安置、伤员医疗等。应急功能设置的数量和类型主要取决于事故危险类型，以及应急的组织方式和等具体情况。比较典型的应急功能包括：接警与通知；警戒与治安；指挥与控制；警报和紧急公告；事故动态监测与评估；人群疏散；人员安置；伤员医疗；应急人员安全；消防和抢险；现场恢复等。
③ 标准操作程序是提供履行应急预案中规定的职责和任务时所需的详细指导。标准操作程序内容一般包括目的与适用范围、职责、具体任务说明或步骤，负责人，有关附件（检查表、附图表等）等。
④ 支持附件是对应急系统中有关的支持保障系统的详细描述，并提供有关的附图表。基本的支持附件包括：
通讯系统；重大危险源登记及分布图；应急机构、人员通讯联络一览表；外部机构通讯联络一览表；战术指挥图；疏散路线图；蔽护及安置场所一览表、分布图；电视台、广播电台等新闻媒体联络一览表等。
4 系统关键技术
系统关键技术使用的合理性是系统设计成功的关键所在，基于GIS的安全事故应急决策支持系统的关键技术体系构建，一是选择成熟技术，二是突出创新性，三是针对应急决策支持系统的特点，充分考虑从不同的技术层面来满足系统的要求。其主要关键技术为：
⑴ 海量数据管理技术：应急决策支持系统数据涉及到大量空间数据，各种专题属性数据，以及有关的MIS/OA的属性数据，且数据存储量都在GB级以上。采用海量数据管理技术是实现系统数据共享，保证应急决策支持系统畅通运行的重要保障。
⑵ 事故模型构建技术：针对典型事故构建事故模型，在此基础上研究其动态模拟技术，不仅可直观再现事故过程，更重要的是可以对事故发展趋势进行预测，对事故可能产生的危害进行预评估，为救援决策提供直观、可靠的依据。
⑶ 组件式GIS技术（ComGIS）：采用组件式GIS软件平台进行开发，不仅具备开发灵活、定制快捷、维护方便的特点，同时通过COM(+)技术真正实现与人机界面和数据库引擎的无缝链接。
⑷ WebGIS技术：WebGIS的跨平台、跨时空的特点，有利于应急决策的远程监控和遥控指挥，提高决策的效率和水平，是应急决策支持系统的支撑技术。
5 结束语
基于GIS的企业管道安全事故应急决策支持系统，充分利用计算机网络与技术、应用决策理论与方法，以及数据库技术，根据决策者的决策思维方式，从系统分析的角度，为决策者创造一种决策环境，在此环境下，通过动态模拟技术实现了事故过程的动态模拟仿真和事故过程动态离散事件的推理决策，并在事故应急决策的基础上，实现了事故应急救援资源优化调度。决策者可以充分利用自己的经验和知识，并在系统的引导和帮助下深入透视有关问题，作出有效决策，并通过人机交互完成最终决策。所以，基于GIS的企业管道安全事故应急决策支持系统是“数字管线”的重要环节。
从现代城市建设的角度来考虑，因管道事故时有发生，给国家和人民的生命财产造成了极大损害，使城市的公共安全存在着极大隐患，这与建设和谐稳定的社会环境与安定团结的政治局面是背道而驰的。基于GIS构建企业管道安全事故应急决策支持系统，研究管道安全核心应急技术，构筑强大的公共安全保障体系，形成对重大突发公共事件的可靠预防、全方位监测监控、快速响应、准确预测与快速预警、高效处置的运行机制与能力，切实提高保障公共安全和处置突发事件的能力，预防和减少事故灾难造成的损失，这对保障公众生命财产安全和维护社会稳定，具有重要意义。
参考文献：
1 刘功智等 国家生产安全应急救援体系分级响应和救援程序探讨 中国安全科学学报 2003
2 刘铁民等 城市安全地理信息系统设计与开发 科学出版社 2004
3 王凯全等 事故理论与分析技术 化学工业出版社 2004
4 高洪深 决策支持系统（DSS）理论．方法．案例 清华大学出版社 2005
5 王凯全等 危险化学品安全评价方法 中国石化出版社 2005
第一作者简介：司少先（1951-）男，山东莱芜人，教授级高级工程师，主要从事地理信息系统（GIS）和决策支持系统（DSS）的研究与开发。
作者通联：（250014）济南市山师东路14号；电话：0531-86950524 E-mail：jnssx@163.com