一种基于移动终端的石化企业安全应急调度策略Word格式.docx
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3研究结果
3.1安全应急调度中移动终端的作用.......
3.1.1信息采集
3.1.2指令交互
3.1.3模型优化
3.2石化企业安全应急调度算法
3.2.1最短路径算法简介
1.1.1基于移动终端的应急调度算法
4应用案例
4.1初始化描述
4.2应急车辆调度
4.3应急人员疏散
5辦仑
参考文献
图2-1安全应急调度模型举例3
图3-1Floyd算法代码示例8
图3-2基于移动终端的应急调度算法流程11
图4-1厂区局部平面图12
图4-2厂区地图初始化13
图4-3应急车辆调度路线最终结果14
图44厂区人员分布初始化14
图4-5人员撤离路线(不考虑遒路承载能力)16
图4-6通道各组人同时到达情况17
图4-7人员疏散调度路线最终结果18
表目录
表4-1人员撤离路线(不考虑道路承载能力)15
表4-2通道各组人同时到达情况16
表4-3冲突通道先到组重新规划路线17
正文
1引言
石化企业的安全应急是指企业在突发事件的事前预防、事发应对、事中处置和善后恢复过程中,通过建立必要的应对机制,采取一系列必要措施,应用科学、技术、规划与管理等手段,保障公众生命、健康和财产安全的有关活动。
其涉及的范围很广,主要包括重大危险源管理、应急资源管理、数据采集管理、应急预案管理、信息交互管理、应急演练管理等内容m。
随着石化行业企业综合自动化能力的不断提升,为了进一步提升应急管理的效率和效用,石化行业的应急管理机制逐渐进入数字化、自动化、智能化阶段,一些大型石化企业纷纷建立自己的应急管理平台。
按照核心功能划分,应急平台可以看作由三个部分组成,分别是:
信息获取系统、应急智能系统和决策指挥系统|21。
信息获取系统主要依靠设备数据采集和人员通信上报等方式尽可能全面的收集到所有信息,包括设备运转情况,物料仓储,应急资源分布,人员部署等方面的信息;
应急智能系统是通过模型的设置,针对一些确定的预案,通过对采集信息的处理,智能自动化的执行应急措施或发布应急指令;
应急指挥系统是决策者可以根据突发事件的影响范围和信息来源,对参与应急任务的组织单位进行指派,迅速明确各单位的分工和信息处理功能,通过系统进行简短的信息定制后,给各业务单位进行分工协作,进行事件信息的采集、处理和传递。
近年来突发事件的应急智能系统引起了学者们的关注,很多学者在应急事件的应急救援、抢险路径,人员疏散等问题展开研究。
樊玲[3](2007)从天气情况、道路等级、拥堵状况出发运用层次分析法计算出到达事故发生地的最短路线。
李渊|41(2007)通过3D仿真更为准确地描述弧段的权重从而优化了应急路径的准确程度。
袁媛l5j(2008)将Dijkstra算法进行了改进,研究了灾害扩散时的应急路径选择问题。
刘杨[6]等(2009)建立了应急车辆出行前最优路径选择的多目标规划模型,模型所求得的解是综合最优路径,反映了应急车辆路径选择的目标需求。
李小龙|71(2011)考虑多种情景下选择综合满意度(运输安全性等属性)最大的路径作为最优路径来解决应急路径规划问题。
叶继红181等(2013)将蚁群算法在解决旅行商问题的思路运用于石化项目的应急路径规划,能较好地对石化项目的应急路径
规划提供参考。
石化企业厂区占地面积较大,包含的各类生产仓储运输设施具有数量大、种类多,专业强等特点。
石化企业的整个厂区通常包括工艺装置设施、辅助生产设施、公用工程设施、仓储设施、运输设施、安全应急设施和生产管理及生活服务设施等等[9]。
厂区的这些社区是被“通遒”连接和划分的,通遒是指连接“街区”,为设置全场系统性的道路、管廊、管线和进行绿化的地带,街区是指用通道分隔、
完成其特定功能的独立区域,如工艺装置区域、辅助生产区域、公用工程设施区域、储运区域和生产管理区域等。
此外石化企业厂区与厂区外部环境联系紧密,运输设施可能包括专用铁路线、道路、码头及相关的设施。
鉴于石化企业厂区结构的复杂性及石化企业对安全应急管理的高要求,当意外事故发生后,如何合理高效的进行厂区内外资源(包括人员、设备、物资)的调度尤为重要。
合理的资源调度需要明确事故抢险的最佳地点以及资源调度路线,使得消防车等应急抢险资源可以迅速抵达事故地点进行事故处理;
需要明确受伤员工所处的位置以及资源调度路线,使得救护车等应急救援资源可以迅速对受伤人员进行抢救;
需要尽可能掌握厂区中人员的分布情况,合理的为人员进行安全疏散的指引使得厂区中的员工可以迅速撤离危险区域;
需要综合考虑各类资源的调度需求,协调各类资源对道路的占用,避免冲突的事件发生;
需要尽可能动态的掌握厂区各类资源的实时信息,对调度过程实时监控并对调度策略实时优化改进;
需要尽可能让应急过程中涉及的人员了解应急调度的进度和自己的任务,使得每一名员工可以掌握更多的信息并最大限度的配合应急调度工作。
2问题描述
为了研究石化企业应急智能系统中厂区资源调度的问题,需要对厂区资源、厂区人员进行简化并建立抽象化的模型,然后明确调度的目标和约束条件,建立调度过程的仿真和决策机制的模型。
本节首先对厂区资源和人员进行抽象化的描述,在此基础上,对石化企业应急调度过程进行定义和描述,描述形式如图3-1中举例所示。
图2-1安全应急调度模型举例
2.1石化企业厂区的描述
石化企业的厂区被通道划分为若干街区,每个街区中由各类生产装置和建筑物等组成。
可以将石化企业的厂区简化为一张连接图,其中各个通路的交叉点作为连接图的顶点(V),交叉点之间的通路作为连接图中连接各个顶点的边(S),将连接图的顶点按顺序进行标号,于是石化企业的厂区可以被表示为一个邻接矩阵g的形式,其中GT/][y]=G[y][z‘],储存的是连接第i个顶点与第j个顶点的边Sy
的属性,包括边的长度L和宽度W,边的长度用来衡量人员和资源调度的路径长度以及仿真时计算人员和资源在意外事故发生后的运动位置,边的宽度用来衡量一条通路对人员或其他资源的承载能力。
特别指出的是在将移动终端采集的人员实际所处位置转换为调度模型所处位置时,是将人员由经纬度坐标表示的二维空间转向由连接图表示的一维空间。
若移动终端的经纬度坐标处于连接图某个顶点对应实际区域的坐标范围内,即处于厂区某个交叉路口,则将其转化为连接图的顶点;
若移动终端的经纬度坐标处于连接图某条边的实际坐标范围内,即处于厂区某条通路上,则将其转化为连接图边上的一点,并按实际比例得到边上的具体位置。
如图3-1例子中包含17个顶点和23条边,每条边长度和宽度(通道负载能力)的取值如图中每条边上的标注,前者为长度,后者为宽度。
此外,需要对厂区中安全应急相关的关键街区进行标注。
当有意外事故发生时,需要对事故发生地点进行标注,并根据事故的规模将其影响半径内的连接图的顶点和边从整个连接图中去掉。
工厂内应规定事故发生后的应急安全区域,以便发生重大事故时引导厂区人员向安全区域疏散,考虑到风向的影响,安全疏散区域应该分部在厂区外围各个方向,使得无论风向如何,都可以引导疏散人员向上风向方向撤离。
为了应对突发事件,厂区中常常会部署应急抢险车辆(如消防车)和应急救援车辆(如救护车),如果厂区内部没有部署,发生意外时需要从厂区外部引入相关车辆协助,此时可以将厂区各个出入口视为抢险或救援车辆的部署点。
虽然意外事故点、安全疏散区域、抢险救援点都应该以街区的形式分布在厂区中,为了便于模型计算,都将其采用连接图中距离最近的顶点替代表示。
如图3-1的举例中厂区在顶点10附近发生意外故障,其波及范围涉及11-10、12-10、8-10三条边,导致这三条通路在人员撤离时无法使用。
厂区规定的安全疏散点为1、4、13、17四个顶点,发生故障时风向为西风,应组织人员向安全点1和13方向撤离。
应急救援车辆部署在点1的位置,应急抢险车辆部署在点13的位置。
2.2石化企业人员和车辆的描述
石化企业安全应急调度的对象是人员和车辆,主要表现为应急救援车辆、应急抢险车辆,待疏散人员。
其中应急救援和抢险车辆可以配备车载移动终端,人员可以配备手持移动终端(或手机安装app)。
通过LBS的信息采集,人员和车辆在厂区连接图中的表现形式是类似的一个点,用数组来表示,但他们给予代表通路的连接图的边的负载是不同的,人员数组P的值表示某街区中所含有的人数和位置,在人员疏散的过程中假定该街区中的人员同步决策、同步移动,并从邻近的顶点出发开始疏散撤离。
车辆数组C的值表示将该车辆给予通路的负载换算成人员给予通路的负载后的人数和位置,即也可以将车辆在应急调度过程中的移动过程转换为一组人员的同步决策、同步移动问题。
人员和车辆的实际位置是通过移动终端及时上报的,系统调用模型按照一定频次对及时数据进行运算,实时优化调度结果,在案例的仿真流程中,人员和车辆的移动是通过对速度的随机取值完成的。
如图3-1举例中应急救援车辆部署在点1的位置,其对道路的负载相当于12个人,应急抢险车辆部署在点13的位置,其对遒路的负载相当于10个人,厂区中人员分布在点2、5、7、12、15五个顶点,对应的人数分别为6人、10人、12人、20人、15人。
2.3石化企业应急调度的描述
石化企业的应急调度需要完成应急抢险、应急救援和人员疏散的路径规划及指挥引导任务。
借助移动终端,应急调度模型可以动态采集实时数据,监控指令执行情况。
调度模型以一定频次的对人员和资源的调度路线进行优化,然后通过移动终端及时发出指令,使得调度路线的设定是根据现场的实时信息做出的最佳选择,并且可以第一时间直接向每个员工发布指令。
针对抢险和救援车辆的调度,智能系统应该尽量做到车辆路线最短的同时保证路线的实时畅通,不要与疏散的人员和其他障碍物发生冲突,本文主要考虑不要与疏散人员发生冲突。
针对人员疏散的调度,智能系统应该尽量做到让每个个体人员的逃生路径尽可能最短的同时考虑道路的负载能力,将人员合理引导到宽敞的通道中避免拥挤和大规模踩踏事件发生。
如图2-1的举例中,应急调度的目的是确保应急救援车辆所处的顶点1的位置与故障发生点顶点10的位置之间的最短路线保持畅通,确保应急抢险车辆所处的顶点13的位置与故障发生点顶点10的位置之间的最短路线保持畅通,应该考虑通道的承载能力对人员从2、5、7、12、15五个顶点分别撤离到两个安全点之间的路线进行动态优化,从而引导车辆进行救援和抢险,引导人员撤离危险区域。
3研究结果
3.1安全应急调度中移动终端的作用
根据石化企业安全应急调度的需求,为了提升石化企业应急调度管理的效率和效用,一方面要提升系统信息的实时采集能力和通信的实时交互能力,这取决于信息采集和通信交互方式的选择•,另一方面要提升后台基于采集信息的应急调度决策能力,这主要是通过模型优化的方式来增加系统的智能决策能力,也受制于信息采集的全面程度和及时程度。
移动终端具有服务使用的便捷性,功能集成的多样性,信息采集的全面性,通信交互的即时性等特点,将其引入安全应急调度的作用主要体现在信息采集、指令交互、模型优化三个方面。
3.1.1信息采集
通过移动终端的信息采集主要通过两种方式进行,一种是通过移动终端的内
置元器件的直接采集,另一种是通过与移动终端使用者实时通信,由使用者主动上报完成信息采集。
通过内置元器件的信息采集中最常用的是基于LBS(LOcatkmBasedServices)的人员地理信息的采集,可以实时得到每个使用移动终端的人员的位置分布,此外可以在移动终端中集成各类传感器来完成人员所处环境的温度、湿度等信息的采集。
通过使用者上报的信息采集方式相比于通过元器件的信息采集方式更为灵活,可以根据生产管理的需求要求使用者在特定的时间点上报仓库库存、罐区巡检结果、工作完成情况、人员疏散所处状态等信息,从而与DCS设备信息采集系统一同完善企业的各类数据。
两种信息采集方式的一个共同特点就是信息采集的频率可以很高,使得采集到的信息是实时的动态信息。
3.1.2指令交互
员工在企业的日常生产管理活动中都有自己的职责,包括处理曰常事务和应对一些突发状况。
引入移动终端,对于员工熟悉的曰常工作,移动终端可以提供内容提醒和进度查询等服务,以免员工遗漏工作或出现工作失误;
对于员工不熟悉的突发状况,移动终端可以迅速下发指令并按照应急预案中的内容指导员工完成工作或进行应急撤离。
此外,在企业生产和应急过程中,企业综合自动化后台整体掌握的信息往往要比每一名人员个体掌握的信息丰富,部分个体人员掌握的信息要比其他人员掌握的信息丰富,使用移动终端进行指令交互的一个好处是可以使员工更多的了解到整个企业所处的状态从而提高信息对称的程度以便做出最优的决策,也就是说移动终端在丰富后台信息的同时也丰富了每个员工掌握的信息。
3.1.3模型优化
企业综合自动化的应急智能系统是通过构建各类模型对数据库中的数据进行计算来反馈应急方案的,其中模型的构建和优化的效果一方面取决于模型所采用的理论方法,另一方面与系统可以采集到的信息息息相关。
系统采集到的数据越全面越及时,应急智能模型的发挥空间就越大,相应的对模型的要求也就越高,模型的规模往往就越大,逻辑往往就越复杂,模型的效果和效用可能随之提升。
本章后面的部分将以移动终端采集和交互的实时动态信息作为模型的输入,在系统存储的静态数据的基础上,针对安全应急中几种常见的情景进行调度模型的建立并举例说明。
3.2石化企业安全应急调度算法
石化企业的安全应急调度算法需要根据移动终端采集的人员和资源的位置,实时的对车辆应急救援、车辆应急抢险以及人员疏散的路线进行优化,本节首先介绍两种经典的最短路径算法,然后在此基础上提出一种基于移动终端的启发式应急调度算法。
3.2.1最短路径算法简介
寻找固定两点之间最短路径的算法比较成熟,如蚁群算法|1G1、平行最短路径搜寻算法|HI、EBSP*算法|121、Dijkstra算法|l31、Floyd1141算法等。
在单源点无负边最短路径的求解中Dijkstra算法使用的较为普遍,在求解所有点之间最短路径的过程中Floyd算法使用的较为普遍,下面分别介绍下两种算法的内容。
(1)Dijkstra算法
用G=(V,£
)来表示带权有向图,V是顶点集合,E是边的集合。
V=Su
S为已求出最短路径的顶点集合,U为没有求出最短路径的顶点集合。
a)初始时集合S只包含源点,U中包含源点外的其它点,U中的点若与源点相连,其权值为边的权值,U中的点若不与源点相连,其权值为无穷大;
b)选择U中权值最小的点k放入S中;
c)以k为中间节点,修改U中点的权值,若源点经过k到U中点的距离小于U中点的权值,则改下U中点的权值为源点经过k到该点的距离;
d)重复b和c的过程,直到所有的点均进入集合S中。
由此可见,运用Dijkstra算法对于具有n个结点的一个图,时间复杂度为0(n),计算源点到图中任意一点的最短路径非常方便。
(2)Floyd算法
a)定义nxn的邻接矩阵,node为图中点的数目,data[i][j]表示点i与点j之间边的长度,若不相连,则取值为正无穷,初始化i到j之间最短
距离为dist[i][j];
b)让所有边上加入中间顶点k,distm⑴与dist[i][k]+dist[k][j]中较小的值作dist[i][j]的值,完成后得到dist(k);
C)如此进行下去,当第n步完成后,得到dist⑻,dist(n)即为我们所求结果,dist(n)[i][j]表示顶点i到顶点j的最短距离;
d)用矩阵path[il[jl存储两点之间最短路径j点的前一个点,每次插入点k后对path[i][j]更新,运算结束后即可通过path[i][j]得到最短路径序列。
上述流程的代码如图3-1所示
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存储的是点i到点j的最短路线中经过的节点;
b)根据各个车辆的位置C[n][l]与事故发生点的位置fp,得到车辆运动最短路径path[(c[n][l])][fpl;
c)综合考虑移动终端上报的路况信息,^\/iJepath[C[n][l]][Jp],
计算通路承受负载的能力D0[i][j][2]与通路上各类障碍物对通路的负载M[i]fj]之差,若£
>
nU][y][2]-M[/][y]<
C[/?
][2]在地图中断开i-j
代表的边,返回a,若D()[/][./][2]-M[/]b1〉C[zt][2],根据b中得到
的最短路线通过移动终端指挥车辆运动;
d)车辆在救援抢险过程中需要往返于事故点与出发点之间,为保持车辆路线畅通,将第n辆车最短路径包含的通道的负载减去该车辆对通道的负载和通道中障碍物的负载
D,[/][;
][2]=£
()[z][y][2]-C[n]-M[/][;
],重置地图得到D,[i][j];
e)事故发生后,将事故影响范围内的通道断开,即断开点fp周围的边,D2[*][Jp]=D2[Jp][^]=^9重置地图得到D2[i][j]。
(4)人员疏散调度规划,该部分用于石化企业发生意外事故后引导人员安全疏散,具体如下:
a)运用Floyd算法备份重置地图后D2[i][j]的厂区任意两点间最短距离dist[i][j]和路径path[i][j];
b)通过移动终端LBS信息采集,明确每组人的位置,用数组P[k](k为各组人的编号)来存储每组人的位置P[k][l]和数量P[k][2],明确各个安全点的位置S[m](m为安全点的编号),比较该组人到任意安全点的距离,选取路径最短的安全点为路径终点,明确每组人
暂时的最短距离dist[P[kl[l]l[S[mll[k],和最短路径path[P[k][l]][S[m]][k];
c)按照人以2m/s的速度,预测人的运动状态,得到每组人未完成路程中进入每条边的时刻start_time[i][j][k](i,jGpath[P[k][l]][S[m]][k];
d)遍历每组人、每条边,若两组人到达同一条边的时间差不大于2s,
即|start_time[i][j][kl]-start_time[i][j][k2\\<
2s,则视为两组人
有可能同时处于该边代表的通道上,找出边上同时存在人数可能超过边的容纳上限的所有边,即找出满足£
2[/][y][2]<
P[Wl[2]+P[々2][2]+…中的i-j代表的边;
e)若不存在超限的边,跳至g,若存在超限的边i-j,对先到达超限的边的一组人重新规划最短撤离路线,方法为将超限边连接的两点视为不直接连接==对该组人重复a,b的
过程,若该组人的新路线dist_new[P[k][l]][S[m]][k]与原路线dist[P[k][l]][S[m]][k]相比,行走距离小于有冲突的路径的长度dist[i][j],将新路径作为该组人的最短路线,其他组人路线不变,若大于有冲突的路径的长度dist[i][j],各组人均按原路线行走,不对人员拥挤情况作出调整;
0若新路线依旧引起某条边超限,重复e,若三次重新规划路线依旧引起某条边超限,停止重新规划,选择初始最短路径作为该组人的撤离路线;
g)明确每一组人的撤离路线,通过移动端实时下发撤离命令,引导人员按应急调度模型计算的结果进行撤离;
h)明确每组人员的撤离路线,每隔2s采集人员的位置,并将人员转移至运动方向的最近的节点,若某组人正运动在连接终点的边上,则已经对该组人完成应急疏散指挥,对没有完成撤离的各组人重复b、c、d、e、f、g的过程;
i)对每组人都完成应急疏散指挥后,人员疏散指挥结束。
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图3-2基于移动终端的应急调度算法流程
4应用案例
本节选取某厂区平面图作为研究对象,对厂区地理状况进行初始化描述,再依次展示基于移动终端的应急车辆调度和人员疏散调度算法极其效果。
4.1初始化描述
如图4-1所示,以某厂区局部平面图为例,对基于移动终端的安全应急调度方案进行展示,对厂区平面图进行初始化,明确厂区地图的节点和边(边的长度和宽度)。
厂区地图初始化结果用图4-2进行展示,共有58个节点,93条边,节点用中括号和数字表示,边的长度用小括号和数字表示,具体数值如图中所示。
厂区中的干路用紫色粗线表示,假定其承受负载的能力为20(本案例中承载能力的单位均为10人),厂区中的支路用黑色细线表示,假定其承受负载的能力为12,厂区四周的路线用蓝色粗线表示,假定其承受负载的能力为15。
对厂区车辆的位置进行初始化,如图3-5所示。
厂区中没有准备应急抢险和救援车辆,将厂区的3号点作为应急车辆的入口,54号点作为抢险车辆的入口。
某时刻28号点发生事故引起火灾,图中用火苗图标对事故地点进行标注,该事故可能引起更大规模的灾害,需要进行应急救援和应急抢险工作,并对全场员工进行安全疏散,此时风向为西风,人员需要向上风向方向撤离,根据应急预案选取21号点和53
图4-2厂区地图初始化
4.2应急车辆调度
对应急救援车辆和应急抢险车辆进行厂区内的路径规划,对储存的地图初始化数据进行运算,得到应急救援车辆从3号点到事故28号点的最短路线为3->
4->
5->
6->
7->
28,应急抢险车辆从54号点到事故28号点的最短路线为54->
48->
40->
45->
36->
29->
28,移动终端上报在通道7-28上停有一辆大型铲车,应急预案中标注其对道路的负载为9,使得救援车辆无法顺利通过7-28这条边(如图3-6中红色实线),在地图中断开这条边重新计算救援车辆的最短路线为:
3-:
4-:
5-〉6-〉7-:
8-:
28。
通过移动终端指引救援和抢险车辆通过上述两条路径进行救援和抢险工作,救援车辆往返于3号点和28号点之间,抢险车辆往返于54号点和28号点之间,如图4-3中绿色实线所示。
通过移动终端的上报,将通道的承载能力减去通遒中障碍物对通遒的负载作为通遒的真实承载能力。
为了使得车辆经过的路线可以保证时刻畅通,让疏散人员不会干扰救援抢险车辆的工作,将地图中车辆路线包含的全部的边的承载能力的值减去车对通道的负载的值(假设为5),作为后续人员疏散问题的初始地图。
发生事故后,事故点周围的通道不能
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