一种地下空间可燃气体监测动态预警分级方法及系统与流程

本发明涉及燃气安全监测技术领域，具体来说是一种地下空间可燃气体监测动态预警分级方法及系统。

背景技术：

随着我国城镇化水平的不断加快，燃气使用规模不断扩大，燃气管线长度日益增长。与此同时，由于城市地下管线错综复杂，一旦发生埋地燃气管线泄漏，气体易在周边窨井(检查井)、连通管线等地下空间聚集爆炸。地下空间爆炸可能导致突发事件往往呈现连锁性、复杂性和放大性的特点，容易引发次生、衍生灾害，地下空间爆炸致灾模式包括超压、破片、振动等，人员主要受到超压、破片影响，重要设施(单位)、受影响危险源主要受到超压、振动影响。地下空间爆炸承灾体类型一般为人员、重要基础设施(单位)、危险源等，承灾体脆弱性指地下空间爆炸伤害范围内承灾体属性，包括数量、类型等，其中，受影响重要基础设施(单位)指地下空间爆炸影响范围内大型高成本建筑或经济设施，如银行、商业区、火车站、汽车站、集市等。

地下空间爆炸可能性需要从地下空间爆炸危险性与点火概率两个角度分析。当传感器监测到燃气管线相邻地下空间的甲烷浓度达到一定阈值时会立即触发系统报警，甲烷爆炸极限为4.9％-16％(低于下限不燃烧，高于上限安静燃烧)最剧烈爆炸浓度约为9.5％。因此，直接以甲烷浓度为依据进行甲烷聚集危险性评估。

研究表明：甲烷/空气混合气体爆炸的火焰传播最大速度、最大加速及升压速率随甲烷浓度的增加先升高后降低，如图3所示。浓度在9.5％附近各项燃爆参数达到最大，此时甲烷空气的燃爆最为剧烈，燃爆危险性也最大。燃爆参数分布以9.5％为中心，并非对称分布。根据上述对甲烷空气爆炸规律的分析，定性的建立了甲烷浓度与甲烷聚集燃爆危险性之间的关系，如图3所示，危险性大小用1-10之间的数值表征，数值越小危险性越小。

通过分析受影响危险源数量，来间接评估次生灾害对承载体影响。在地下空间安装燃气传感器并将地下空间气体浓度实时上传至相关监测系统，当燃气浓度超过一定阈值后，提示相关人员快速处置，避免地下空间爆炸事故的发生是目前常见的一种方法。当城市大范围安装地下空间可燃气体监测传感器，每天地下空间报警数量将达到一定数量，有必要对报警地下空间进行分级，来实现对燃气管线相邻地下空间可燃气体聚集事件泄漏应急处置资源的高效合理调配。

现有技术中，授权公告号cn108692192b，授权公告日为2019年10月25日的中国发明专利《燃气管网相邻地下空间安全监测方法及系》，提供了一种燃气管网相邻地下空间安全监测方法及系统，该方法包括：周期性探测燃气管网相邻地下空间的气体参数信息，通过整合分析气体参数信息，获得目标气体类型；基于燃气管网相邻地下空间的分布信息、气体参数信息及目标气体类型，按照目标监测项目对燃气管网相邻地下空间进行监测。申请公布号为cn109345785a、申请公布日为2019年2月15日的中国发明专利申请《一种燃气泄漏预警及自主处置系统及方法》，公开一种燃气泄漏预警及自主处置系统及方法，该系统包括：燃气检测传感器、温度传感器、自主处置执行机构、控制器以及排风系统；所述燃气检测传感器和所述温度传感器分别与所述自主处置执行机构连接，所述自主处置执行机构与所述控制器连接，所述控制器与所述排风系统连接；所述燃气检测传感器用于检测空气中的燃气浓度；所述温度传感器用于检测空间中的温度；所述自主处置执行机构用于根据所述空气中的燃气浓度确定燃气泄漏程度；所述控制器用于根据所述燃气泄漏程度启动并控制所述排风系统的转速；所述控制器还用于根据所述温度传感器检测到的空间中的温度控制所述排风系统的启停。

虽然上述现有技术，能够及时发现燃气管网相邻地下空间中的安全隐患，避免大规模燃气泄漏导致，能够实现当燃气泄漏时进行自主处置，但是上述文献的燃气泄漏预警信息的分级依据按照监测系统监测到的燃气浓度值进行分级，若监测到燃气泄漏的浓度高，则判定为重度泄漏，处于较危险的梯度内；若监测到的燃气浓度较低，则判定为轻度泄漏，划分为一般泄漏梯度，此类分级方法只考虑燃气浓度一种危险特征，实际上，对于部分窨井，如窨井处于郊外，其人员车辆稀少，本身被引爆的可能性极低，爆炸对周边也无影响，此类窨井并不需要快速处置，因此单一的从燃气浓度的角度进行预警分级是不合理的，因此需要一种更加科学的预警分级方法。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于如何对地下空间可燃气体监测动态预警分级。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种地下空间可燃气体监测动态预警分级方法，包括以下步骤：

步骤一，计算地下空间爆炸可能性指标；根据燃气聚集危险性以及点火可能性计算地下空间爆炸可能性指标；所述的燃气聚集危险性采用实际运行中监测设备反馈到的燃气浓度值计算；所述的点火可能性采用人口密度影响值、环境条件影响值、地下空间类型影响值加权计算；

步骤二，计算承灾体脆弱性；计算地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性，根据社会影响修正系数对其进行修正，得到承灾体脆弱性；

步骤三，计算综合应急能力评估值；以报警地下空间距最近的消防、交警、医疗的距离进行应急能力评估，加权计算出综合应急能力评估值，并对其进行修正；

步骤四，计算预警风险度、划分等级；按照地下空间爆炸可能性指标、承灾体脆弱性及修正后的综合应急能力评估值的权重，计算预警风险度并划分风险等级。

该方法充分考虑了地下空间爆炸的多种因素，对不同地下空间做出区分，分别计算出爆炸后果，结合地下空间爆炸可能性、承载体脆弱性、应急救援能力修正因子多方影响因素给出预警信息重要度分级，根据风险度值将爆炸可能性分等级，预警等级的划分更贴合现场实际情况，这样能够更加合理的分配应急资源。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的地下空间爆炸可能性指标的计算公式如下：

其中，h表示地下空间爆炸可能性指标，ga表示燃气聚集危险性，hi表示点火概率。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的燃气聚集危险性的计算公式如下：

其中，m为燃气浓度值，实际运行中根据监测设备反馈到系统的甲烷浓度值确定燃气聚集危险性。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的点火概率计算公式如下：

hi＝h1^e1h2^e2h3^e3(3)

其中，h1表示人口密度影响值、h2表示环境条件影响值、h3表示报警地下空间类型影响值,e1,e2,e3利用专家打分法确定的h1,h2,h3权重值。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的人口密度影响值的计算公式为：

h1＝w1h11+w2h12(4)

其中，w1和w2表示利用专家打分法确定的指标的权重，h11为报警地下空间位置影响值，h12为报警时间段影响值。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性的计算公式为：

vx＝v1k1+v2k3+v3k3(5)

其中，vx为地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性，k1、k2、k3为利用专家打分法确定的v1，v2，v3对应的权重；

通过所述的社会影响修正系数来对地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性承修正可得：

v'＝evx(6)

其中，v'表示修正后的地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性；e表示社会影响修正系数；

对v'进行标准化，可以得到所述的承灾体脆弱性的计算公式为：

其中，v为承灾体脆弱性，vmax为各地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性的最大值。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的应急能力评估的公式为：

ci＝10e^-di/η(8)

其中，ci为应急队伍的应急能力评估值，di为应急队伍距离应急抢修点的最近距离，单位为km，i为计数因子，i＝1,2,3，η为中间变量；

所述的综合应急能力评估值的计算公式如下：

cx＝c1v1+c2v2+c3v3(9)

其中，cx为综合应急能力评估值、c1为燃气抢维修能力评估值、c2为消防、交警等应急能力评估值、c3为医疗的应急救治能力评估值，v1、v2、v3分别为c1、c2、c3对应的权重；

对综合应急能力评估值cx进行修正：

c＝10-cx(10)

其中，c为修正后的综合应急能力评估值。

作为本发明技术方案的进一步改进，所述的预警风险度的计算公式如下：

r＝10h^αv^βc^γ(11)

其中，α、β、γ分别表示地下空间爆炸可能性指标、承灾体脆弱性及修正后的综合应急能力评估值的权重。

作为本发明技术方案的进一步改进，根据所述的预警风险度划分等级，具体方法为：当r∈[90，100]时为爆炸风险非常高；r∈[50，90)时为爆炸风险高；r∈[30，50)时为爆炸风险中等；r∈(1，30)时为爆炸风险低。

本发明还提供一种应用所述的地下空间可燃气体监测动态预警分级方法的系统，包括：地下空间爆炸可能性指标计算模块；用于根据燃气聚集危险性以及点火可能性计算地下空间爆炸可能性指标；所述的燃气聚集危险性采用实际运行中监测设备反馈到的燃气浓度值计算；所述的点火可能性采用人口密度影响值、环境条件影响值、地下空间类型影响值加权计算；承灾体脆弱性计算模块；用于计算地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性，根据社会影响修正系数对其进行修正，得到承灾体脆弱性；综合应急能力评估值计算模块；用于以报警地下空间距最近燃气抢修所、应急救援单位、二级及以上医疗机构的距离进行应急能力评估，加权计算出综合应急能力评估值，并对其进行修正；预警风险度、划分等级模块；用于按照地下空间爆炸可能性指标、承灾体脆弱性及修正后的综合应急能力评估值的权重，计算预警风险度并划分风险等级。

本发明的优点在于：

(1)本发明能够实现对窨井可燃气体报警信息进行分级处理，信息处理过程中综合考虑窨井内部及其周边的具体情况；该模型方法充分考虑了地下空间爆炸的多种因素，对不同地下空间做出区分，分别计算出爆炸后果，结合地下空间爆炸可能性、承载体脆弱性、应急救援能力修正因子多方影响因素给出预警信息重要度分级，根据风险度值将爆炸可能性分为4个等级，预警等级的划分更贴合现场实际情况。这样能够更加合理的分配应急资源。

(2)当监测系统发出报警信息时，即可燃气体已经在监测空间中出现聚集现象，且不同的浓度触发相应报警等级。因此，本模型实际上是从地下空间危险性、承灾体脆弱性、应急能力三个方面对报警地下空间的风险度进行分级。其中地下空间危险性包括燃气聚集危险性和点火可能性。燃气聚集危险性主要考虑现在甲烷浓度值；点火可能性考虑了报警地下空间周边人口密度、环境及地空间类型。承灾体脆弱性可应用比较成熟的地下空间爆炸损伤模型获取了相应的损伤半径。基于损伤范围，获取范围内承灾体数量并采用社会影响因子修正，以报警地下空间距最近燃气抢修所、应急救援单位、二级及以上医疗机构的距离进行应急能力评估。计算地下空间可燃气体爆炸的风险度，并进行预警信息的分级。该方法的分析结果可帮助抢修人员快速、有效的筛选出爆炸危险较高窨井，并采取相应的管理措施。

附图说明

图1为本发明实施例的一种地下空间可燃气体监测动态预警分级方法概述图；

图2为本发明实施例的一种地下空间可燃气体监测动态预警分级方法的流程图；

图3为甲烷聚集危险性与甲烷浓度的关系曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

实施例一

如图1所示，一种地下空间可燃气体监测动态预警分级方法包括以下步骤：

步骤一，计算地下空间爆炸可能性指标；所述的地下空间爆炸可能性指标的计算公式如下：

其中，h表示地下空间爆炸可能性指标，ga表示燃气聚集危险性，hi表示点火概率。

(1)所述的燃气聚集危险性的计算公式如下：

其中，m为燃气浓度值，实际运行中根据监测设备反馈到系统的甲烷浓度值确定燃气聚集危险性。

(2)所述的点火概率计算公式如下：

hi＝h1^e1h2^e2h3^e3(3)

其中，h1表示人口密度影响值、h2表示环境条件影响值、h3表示报警地下空间类型影响值，e1,e2,e3利用专家打分法确定的h1,h2,h3权重值，优选地，e1＝0.6,e2＝0.25,e3＝0.15。

1)人口密度影响值

a)根据人口密度分级标准进行评分

人口密度影响值h1主要考虑报警地下空间位置影响值h11和报警时间段影响值h12，这是由于不同位置和时间人口密度分布有所不同，地下空间环境周边人员活动频率对燃气泄漏的点火概率会有影响，当周边人员分布密集、活动频繁时，点火概率增大，反之概率减少，人口密度影响值h1的计算采用实时人口密度来保证模型算法的准确性。

表1人口密度分级标准

b)根据报警地下空间位置和报警时间段综合进行评分

当无法获取此数据时，可根据可以用土地用途来表征人群密度，土地用途又可以根据报警地下空间的地理位置获取，因此将报警地下空间的位置分为重大赛事活动区、商业区、城市居民区、郊区、半农村、农村、十字路口，报警地下空间位置影响值h11取值见表2所示。

表2报警地下空间位置影响值h11分值取值表

报警时间段影响值h12分为工作日、节假日和重大活动期间三大类。按照人员活动频次将工作日分为上下班高峰时段、工作时间段和夜间时间段。节假日和重大活动时间分为白天和夜间两个时间段。根据《2019年度中国主要城市交通分析报告》，上下班时间段为7:00-9:00和17:00-19:00，工作时间段为9:00-17:00，夜间为19:00-次7:00。同时定义白天时间为7：00-19：00；各报警时间段影响值h12的取值见表3。

表3报警时间段影响值h12分值取值表

注：如果某时间段有多种分类，按照分值最高的进行取值。

此时，人口密度影响值h1的计算公式为：

h1＝w1h11+w2h12(4)

其中，w1和w2表示利用专家打分法确定各指标的权重，w1和w2和为1,推荐为0.5，0.5。

2)环境条件影响值

环境条件中的降雨能影响点火的难易、降雪覆盖报警地下空间盖孔防止火源进入被点燃，二者都是影响点火难易的因素，故环境条件h2包括当前窨井所在区域是否降雨和是否降雪，环境条件影响值h2的具体分值设置见表4。

表4环境条件影响值分值取值表

3)地下空间类型影响值

某些窨井自身存在点火源，一旦可燃气体聚集爆炸风险较高。如城市电力线路在输送电能时会散热影响点火概率的因素，故报警地下空间类型分为电力井和非电力井，地下空间类型影响值h3的具体分值设置见表5。

表5地下空间类型影响值具体评分准则

步骤二：计算承灾体脆弱性；

运用综合预测分析模型，对致灾模式影响范围进行计算，统计致灾模式潜在影响范围内人员数量v1、重要基础设施(单位)数量v2、危险源数量v3，则地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性的计算公式为：

vx＝v1k1+v2k3+v3k3(5)

其中，vx为地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性，k1、k2、k3为利用专家打分法确定的v1，v2，v3对应的权重，k1、k2、k3权重推荐为0.5，0.3，0.2。

社会影响修正系数是指地下空间发生爆炸后造成的相关负面影响，爆炸所处位置的重要性也极大影响了爆炸的后果，即爆炸产生的社会影响，在学校、医院、政府部门等附近发生爆炸会带来更大的恐慌，用e表示，该值可根据地下空间50m范围内建筑物的类型和用途选取，具体如表6所示。

表6社会影响修正系数e

通过社会影响修正系数来对地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性承修正可得：

v'＝evx(6)

其中，v'表示修正后的地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性；e表示社会影响修正系数。

对v'进行标准化，可以得到承灾体脆弱性的计算公式为：

其中，v为承灾体脆弱性，vmax为各地下空间爆炸直接影响承灾体脆弱性的最大值。

步骤三，计算综合应急能力评估值；

以报警地下空间距最近燃气抢修所、应急救援单位、二级及以上医疗机构的距离来表征应急队伍应急反应能力，应急队伍包括燃气抢修队、消防、交警及医疗单位等；将燃气抢修队应急抢修能力评估值记为c1、消防、交警的应急能力评估值记为c2、医疗的应急救治能力评估值记为c3。

则各应急队伍的应急抢修能力评估值的计算公式为：

ci＝10e^-di/η(8)

其中，ci为各应急队伍的应急抢修能力评估值，di为各应急队伍距离应急抢修点的最近距离，单位为km，i为计数因子，i＝1,2,3，η为中间变量，优选地，η值取4。

综合应急能力评估值的计算公式如下：

cx＝c1v1+c2v2+c3v3(9)

其中，cx为综合应急能力评估值、c1为消防的应急抢修能力评估值、c2为交警的应急能力评估值、c3为医疗的应急救治能力评估值，v1、v2、v3分别为c1、c2、c3对应的权重，优选地，v1、v2、v3分别取值为0.5、0.3、0.2。

对综合应急能力评估值cx进行修正：

c＝10-cx(10)

其中，c为修正后的综合应急能力评估值。

步骤四，计算预警风险度、划分等级；

所述的预警风险度r的计算公式如下：

r＝10h^αv^βc^γ(11)

其中，α、β、γ分别表示地下空间爆炸可能性指标、承灾体脆弱性及修正后的综合应急能力评估值的权重，优选地α、β、γ分别为0.4、0.4、0.2。

根据预警风险度划分风险分级，优选地，当r∈[90，100]时为爆炸风险非常高(红色)；r∈[50，90)时为爆炸风险高(橙色)；r∈[30，50)时为爆炸风险中等(黄色)；r∈(1，30)时为爆炸风险低(蓝色)。

本实施例的技术方案能够实现对窨井可燃气体报警信息进行分级处理，信息处理过程中综合考虑窨井内部及其周边的具体情况；该模型方法充分考虑了地下空间爆炸的多种因素，对不同地下空间做出区分，分别计算出爆炸后果，结合地下空间爆炸可能性、承载体脆弱性、应急救援能力修正因子多方影响因素给出预警信息重要度分级，根据风险度值将爆炸可能性分为4个等级，预警等级的划分更贴合现场实际情况。这样能够更加合理的分配应急资源。

当监测系统发出报警信息时，即可燃气体已经在监测空间中出现聚集现象，且不同的浓度触发相应报警等级。因此，本模型实际上是从地下空间危险性、承灾体脆弱性、应急能力三个方面对报警地下空间的风险度进行分级。其中地下空间危险性包括燃气聚集危险性和点火可能性。燃气聚集危险性主要考虑现在甲烷浓度值；点火可能性考虑了报警地下空间周边人口密度、环境及地空间类型。承灾体脆弱性可应用比较成熟的地下空间爆炸损伤模型获取了相应的损伤半径。基于损伤范围，获取范围内承灾体数量并采用社会影响因子修正，以报警地下空间距最近燃气抢修所、应急救援单位、二级及以上医疗机构的距离进行应急能力评估。计算地下空间可燃气体爆炸的风险度，并进行预警信息的分级。该方法的分析结果可帮助抢修人员快速、有效的筛选出爆炸危险较高窨井，并采取相应的管理措施。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。