基于AE的化工厂有毒气体扩散应急系统的设计与实现.docx
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基于AE的化工厂有毒气体扩散应急系统的设计与实现
本科生毕业论文
（申请学士学位）
论文题目基于AE的化工厂有毒气体扩散应急系统的
设计与实现
作者姓名汤小露
所学专业名称地理信息科学
指导教师邓凯
年月日
学生：
（签字）
学号：
论文答辩日期：
年月日
指导教师：
（签字）
目录
摘要1
Abstract:
1
1引言2
1.1研究背景和意义2
1.1.1研究背景2
1.1.2研究意义2
1.2国内外研究现状3
1.2.1有毒气体扩散模型的国内外研究现状3
1.2.2有毒气体泄露事故应急的国内外研究现状4
1.3论文主要研究内容4
1.4论文技术路线4
1.5论文章节安排5
2相关原理及技术6
2.1常见毒气扩散模型6
2.2高斯烟团模型6
2.3AE组件开发技术12
3系统总体设计14
3.1设计目标14
3.2数据库设计14
3.3系统总体结构设计15
3.4系统功能模块设计16
4系统功能实现18
4.1系统主界面18
4.2地图操作功能18
4.3基本信息管理功能18
4.4应急指挥功能19
4.4.1毒气扩散模拟功能19
4.4.2疏散路径分析功能21
4.5应急信息功能22
5成果与讨论23
附录：
关键程序代码26
基于AE的化工厂有毒气体扩散应急系统的设计与实现
摘要：
随着社会经济的发展，人类生活环境的周围都分布着各种各样的化工厂。
这些化工厂要是发生有毒气体的泄露而没有采取有效的措施，将可能会对人员及财产造成极大的影响，甚至会造成毁灭性的灾难。
对气体的泄漏能够及时的做出判断，在泄漏事故还没有扩大之前及时采取措施，可以有效的避免安全事故发生。
气体扩散模型可以描述泄漏物体在大气中的扩散行为，本论文对泄漏源和气体扩散模型进行了简要介绍。
论文选择了高斯模型来对化工厂有毒气体扩散的模拟分析，实现对化工厂有毒气体的实时监控。
应用系统案例分析了一定气象条件、地理条件、泄露源强、气体类型和泄露方式下，有毒气体泄漏之后浓度的分布情况，一方面便于平时应急预案制定，又可以为即时的应急指挥给予辅助决策。
关键词：
化工厂，有毒气体，扩散模型，GIS
DesignofChemicalPlantToxicGasMonitoringandEarlyWarmingInformationSystemBasedonAE
Abstract:
Withthedevelopmentofcommunityeconomy,therearevarietiesofchemicalfactoriesaroundtheenvironmentofhumanlife.Withoutanymeasurethepoisonousgas,therewillbedamages,evenpeople’slivesoncetheoccurrencetherearetoxicandharmfulgasesinachemicalfactory.Ifwecanjudgeleakageofpoisonousgasearlier,andtakemeasuresbeforeaccidentenlarge,wecanavoidmisadventure.
Thediffusionmodelcanbeusedtodescribethediffusionbehaviorofthegasleakageinatmosphere,thetheoryofleakagesourceandgasdiffusionmodelwerebrieflyintroduced.ThepaperselectsGaussmodeltosimulateandanalyzetheleakageoftoxicandharmfulgases,whichmakesittruetomonitorthetoxictimely.Thesystemforthethree-dimensionalsimulationandvisualizationofincidentconsequence,whichcouldwellpredicttheemissionconcentrationdistributionandmakethecoverage,extentofinjuryanddevelopmenttendencyopen-and-shut,wasexploitedsuccessfully.Thesystemwasappliedforanexamplewithcontrolledconditiontoanalyzetheconcentrationdistributionaftertheincidenttookplace.Thesystemisnotjustconvenientfordrawingupcriticalsituationprearrangedplanning,butcouldoffertimelyassistantdecisionforemergencycommand.
Keywords:
chemicalplant;toxicgases;GIS;diffusionmodel
1引言
1.1研究背景和意义
1.1.1研究背景
有毒气体的泄漏是生活中常有的化学品事故。
近年来，经济的快速发展不仅带动了化工业发展，危险化学产品在我国工业之中也被普遍的应用，同时在生产、储运等环节又有着大量不规范行为，不可避免的导致有毒气体的泄漏事故年发生一直偏高[1]。
泄漏的介质进入大气后会伴随着周围的空气运动，产生大面积的危险区域。
在这样事故处置的过程中，要是了解到泄漏介质的影响范围和运动规律，对警戒区的营救具有重大的意义。
目前有较为完善的数学模型（例如高斯模型）可对气云的分散情况进行叙述，但其结果通常是以数据形式给出，可视性比较差，在救援中应用比较困难。
利用GIS能够较好解决以上问题，GIS能够通过综合分析和管理的地理空间数据，模拟和表达现实世界空间，以为可视化的模拟危险化工品的气体扩散情况。
1.1.2研究意义
随着国家经济的不断发展，企业工厂等经济产业集中地的聚集，也带来了许多潜在的安全风险，时刻影响着人们的生活。
化学工业地发展，生产，贮存和者使用化学品危险性种类日益增加，并转向容量的大型化。
其中气体泄漏事故是当中发生频率高的突发性的污染事故。
有毒气体的扩散不仅给大气环境造成极大的破坏，更严重影响着人们的生命与财产安全。
怎样依靠信息技术的手段，把事故监测、预报、预警、应急救援、等信息及时有效传递给城市各部门和公众，以减轻毒气扩散的损失，将事故信息及时传递到可能涉及到地区，使能够及时迅速采用规避方法将损失减到最小，关键是建立起一个有用的事故信息的管理平台和系统并且发挥效能。
基于ArcEngine化工厂的有毒气体扩散应急系统是以ArcEngine原理开发的。
ArcEngine是一个分布式、动态、交互式的地理信息系统，并由服务器和客户机（应用服务器和HTTP服务器）相连所构成的。
该平台系统具有开发效率高，运行速度快，界面简洁漂亮并容易部署等优点。
在这个突飞猛进的信息化时代里，各种信息技术的产生以及相关行业的发展，使得GIS（地理信息系统）不再是一种简单的理解地理信息的工具，并且转变为传递地理信息的媒介。
在化工厂有毒气体扩散系统应用中，GIS扮演者举足轻重的作用，使得各个部门可以得到及时有效的信息。
即使各个部门用户群体和工作职责各不相同，他们都可以利用获取的事故信息以及自己的理解来辅助本部门机构采取决策，做出实际行动来参与事故救援中。
GIS另外一个优点就是集成各种不同数据源的有效信息，将这些信息进行可视化显示从而来提高系统的实用性。
将这些信息按照GIS数据处理方法进行相应分析，得到毒气扩散可能影响范围以及造成的危害评估，从而进行相应的预防处理如人员和财产物质的转移，救灾资源的调配。
通过参考城市交通建设以及医疗卫生服务点确定最佳救援路线和接待点是人员救治中的重要任务。
1.2国内外研究现状
1.2.1有毒气体扩散模型的国内外研究现状
气体扩散研究方法包括试风洞实验法，模型法和验法。
欧美各国对气体扩散试验（如DesertTortorise试验、Maplin试验）的研究是从上世纪七十年代开始的，许多经典的扩散模型就是从这些试验数据总结而来的其中得到广泛应用的就是高斯扩散模型。
随着现场泄露扩散试验研究的展开，气体扩散模型的相关研究也相继展开。
80年代通过大型的扩散实验获取实验数据进而总结出一些扩散规律，但扩散实验对实验场地的要求较高,同时也需要耗费大量的财力物力，获得的实验数据也存在一定的误差。
近些年来，计算机快速发展以及数值计算方法促进了研究工作，新的技术和手段被应用于研究工作中。
曹春艳[2]认为国外的气体扩散模型可分为三代：
第1代气体扩散模型是以美国的高斯扩散模型为代表；第2代气体的扩散模型包含美国AERMOD（AirDispersionModeling）；第3代气体扩散模型中以英国气象局Surre大学和英国剑桥环境研究公司等机构合作研究的ADMS（AtmosphericDispersionManagementSystem）模型为代表。
任建国等[3]觉得高斯烟团模型，高斯烟羽模型，Sutton模型，BM（BritterandMcQuaid）模型，及FEM3模型（3-DFiniteElementModel，三维有限元计算模型）等，丁信伟等[4]在综述危险性气体扩散模型时也将这几种模型作为重点进行了介绍。
近来气体扩散模型的研究一般分为两种：
一是根据扩散方程和边界条件建立新的模型；二是对现有的模型进行改进。
吴笑等[5]为了解决现有模型在动态扩散过程中的不适用性问题，往往停留在理论层面，在实际情况中的应用较少。
得到较多应用的气体扩散模型一般具有自身的局限性，成立条件过于理想化，与实际的应用环境不符，为提高模拟精度，拓宽应用范围，需对气体扩散模型进行改进。
在常用的气体扩散模型中，除高斯扩散模型具有计算简单、物理意义明显的特点外，其它模型在实际应用过程中都涉及到大量的数据分析和处理，不借助计算机程序难以完成[6]。
RegisBriant等[7]对高斯烟羽模型进行了修正并将其应用于道路交通排放气体污染物的浓度监测中,降低了模型在风速与路面不垂直的情况下的计算误差。
ArystanbekovaNK[8]用笛卡尔坐标系代替单个直角坐标系，将高斯烟羽模型应用于复合点源的浓度计算中，同时修正了烟云的有效高度。
孙东亮等[9]对液氨储罐孔洞的泄露实际工况，考虑泄露和因为泄露导致的液氨闪蒸产生压力变化和储罐许压力，修改了高斯烟团模型。
何宁[10]从事故救援的角度，提出了这种基于高斯模型的有毒气体泄露扩散方法。
张斌才等[11]通过坐标变换方法达到了基于高斯烟羽模型的多元释放模型。
蒋军成等[12]觉得高斯模型稳定条件是假设在正式场景下的难以成立，对地形因素的思考也很简化，针对上述坚信开发出了变气象条件下的改进高斯烟团叠加模型。
张梦瑶等[13]提出基于高斯扩散模型的但用于风向改变毒气扩散模型。
1.2.2有毒气体泄露事故应急的国内外研究现状
在工业革命早期，工业发达的国家就开始看重应急指挥的问题。
伴随着经济的发展与社会的进步，应急工作已成为国家危机应对重构组成部分。
特别是进入90年代以后，很多工业国家把应急工作作为维护社会的稳定，促进经济的增展，维护人民的生活水平重要工作内容[14]。
应急指挥已成为国家管理能够运行重要的支撑体系之一，都建立运行较好应急体制，包含应急的指挥法规，指挥系统，应急队伍，公民知情权，管理机构等方面，较完善应急体系，成为社会工作中的重要政策支柱[15]。
1.3论文主要研究内容
本化工厂有毒气体监视和预警信息系统基于VS2008+ArcEngine10.0开发，采用高斯烟团扩散模型。
本系统以滁州市为例，将滁州市的信息分为几个数据集，例如：
交通、化工厂、医院等等。
在地图上先找出相应的化工厂，并通过ArcGIS在滁州市的底图图上标志出来，作为本系统所要研究的基本信息点。
借助高斯烟团扩散模型对具体气象条件下与空间现象的点源毒气扩散过程有了直观，形象的模拟，体现出毒气扩散空间性，可以给应急救援工作提供直观，科学，有效的数据，为应急救援工作提供支持，从而减少因有毒气体扩散造成的经济损失。
1.4论文技术路线
论文技术路线如图1-1所示：
图1-1系统技术图
1.5论文章节安排
本文共有五个章节，各章的内容和组织如下
第一章是引言，主要论述论文的选题背景、选题依据、研究内容和大致的技术流程。
第二章是对系统开发原理及关键技术阐述，详细介绍了高斯烟团模型、ArcEngine及数据库技术。
第三章是对系统总体设计，首先要进行需求分析，将系统设计的目标展现出来以及对系统进行总体的结构体系和详细的能模块的设计。
第四章是系统功能的实现，主要对系统实现的功能进行操作展示，并贴出系统的各个功能演示图。
第五章是系统研究成果和讨论，对论文研究成果来进行总结，提出系统研究过程中存在的不足，并且对系统下一步继续研究工作有展望。
2相关原理及技术
2.1常见毒气扩散模型
（1）Sutton模型
该模型应用在物质湍流扩散的问题上，依据是凭借湍流扩散来统计理论，Sutton模型在环保领域中有了了广泛的应用。
缺点：
该模型不适合应用在可燃气体泄漏扩散，要不然会产生较大误差。
（2）IsesT3模型
IsesT3是美国EAP开发的针对工业污染物扩散模式，已经成为大多数的国家局空气评析的推荐模型，该模型在在国内的使用从上世纪末开始，主要应用研究方向包括：
电厂脱硫后对大气环境的影响，北京机动车污染物的排放和分担率模拟，北京市宣城区的大气TSP浓度的模拟，北京市城区大气污染源的暴露效率的模拟。
缺点：
缺少考虑烟羽的特性即随着污染物排放特性以及气象条件时刻发生着变化，可使用范围小。
（3）CALPUFF模型
CALPUFF模型是扩散模型的一种，可以模拟随时间变化污染物的清除过程出以及三维流场随空间和输送转化这个区域的污染物的扩散模式分成CALMETCALPUFFCALPOST，三部分CALMET输入高空植被数据，以及气象和地形数据，并可以计算出CALPUFF需要的水平垂直风场和地面参数CALPUFF模式利用空气的污染物的排放量数据以及风场数据，计算空气污染物扩散情况CALPOST部分将CALPUFF计算结果来进行可视化处理。
缺点：
缺乏对毒气源相关参数的考虑。
2.2高斯烟团模型
（1）模型简介
高斯烟团模型是高斯扩散模型中的一种。
高斯烟团扩散模型在50年代被广泛的用来研究物质扩散浓度分布。
在平原地区，大气环境的气流，风速是趋于稳定的，三维空间中除了地表之外可以看做无边界的大容器，在这样的大气条件下进行扩散首先是沿着盛行风向来做运动，然后再向每个方向做扩散，扩散出来的粒子位移的概率是正态分布的高斯分布，这些就是高斯模型的理论基础。
由于该模型利用统计方法进行核算，适用点源扩散的物质泄漏模式。
高斯模型适用于和空气密度相近的气体种类又或者在短时间内和空气混合后和空气的密度相近的气体[16]，在实际情况中，泄露发生后气体的扩散过程比较复杂，被污染区域在地理条件、大气环境、泄露强度、气体自身理化性质等众多因素的影响下，将高斯模型应用于某些重气（如氯气、液化石油气）扩散过程在理论上也是可行的。
（2）高斯烟团模型公式
（2-1）
其中：
C——任意点污染物浓度（
）
Q——源强（单位时间污染物的排放量，
）
u——平均风速（
）
t——时间（s）
、
、
——X，Y，Z方向的扩散参数
、
、
——烟团中心坐标
（3）高斯烟团模型影响因子：
图2-1高斯烟团模型影响因子
●毒气源参数：
图2-2毒气源参数
毒气源参数的设置：
此参数的设置包括工厂信息与毒气源信息：
①.事故点信息：
事故点坐标获取、毒气泄漏口内径、泄漏口风速及泄漏出口浓速。
②.毒气源信息：
毒气名称、释放速率、排放温度及排放时间。
通过上述参数的设定及相应环境大气温度、大气压力来求出毒气排放的几何高度，为求有效排放高度提供基础。
主要公式：
实际排烟率：
（2-2）
烟气释放热率：
（2-3）
霍兰德公式：
（2-4）
几何高度公式：
（2-5）
其中：
——毒气出口流速（
）；
D——泄漏口内径（m）；
，
——泄漏口处的泄漏温度,环境温度（C）；
Q——毒气释放速率（
）；
——大气压强（k
）；
——大气扩散参数，这里取1；
——X米处的毒气含量
；
●环境参数：
图2-3环境参数图
环境参数的设置：
此参数主要包括：
实测风速，实测风速高度，环境温度，大气压强，大气稳定度，风向，安全浓度，事发地点。
通过上述及此些参数的设置，我们可求出相应的平均风速、有效源高、大气稳定度的设置及扩散参数的选取。
①.平均风速的廓线模式
大气扩散的主要原因是风的作用。
风速的廓线是随高度而变化的。
风速数学表达式被称做风速的廓线模式。
在大气的扩散中，要掌握烟囱出口处和烟囱的有效高度处的平均风速。
风速的廓线模式是由地面的风速计算算，从而采用的是，幂函数的风速的廓线模式。
幂函数的风速线模式是基于在中性层，近地层，平坦的下垫面条件下推算出来的。
这种模式的应用范围较广，可以达到300米高度甚至更高，且伴随着高度的增加而精度下降。
我国规定的《制定地方大气污染物排放标准的技术原则和方法》提供的相应计算公式如下：
a：
当
（2-6）
b：
当
（2-7）
其中：
u——烟囱出口处的环境平均风速，
；
——烟囱出口处的风速，
；
——邻近气象站的侧风仪所在的高度（
），常为10m；
——烟囱出口处的高度（m）；
m见下表2-1;
表2-1不同区域稳定类型划分标准
参数
（GB/T1301-91）
区域
稳定类型
A
B
C
D
E
F
城市
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.30
乡间
0.07
0.07
0.10
0.15
0.25
0.25
②.泄漏源的有效高度（烟云抬升高度）
泄漏源的有效高度是泄漏气体气云基本上形成水平状气云中心的时候离地的高度。
事实上，泄漏源的有效高度是等于泄漏烟云抬升的高度加上泄漏源的几何高度。
影响烟云的抬升高度因素有许多，包括：
泄漏气体初始速度和方向，泄露直径，大气压强及环境，初始温度，环境温度及大气稳定度。
有效源高：
——泄漏源几何架高；
其中，
——烟云抬升高度。
实验表明，泄漏源抬升高度可以借助以下公式进行近似计算：
式中：
——气云释放速度（
）；
——泄漏出口直径（m）；
V——环境风速（
）；
③.大气稳定度划分
根据云况，云量，太阳辐射状况和地面风速等常规气象资料，可以将大气划分为A、B、C、D、E、F六个等级。
其中A——极不稳定，B——不稳定，C——微不稳定，D——中性，E——微稳定，F——稳定。
表2-2大气稳定度分类
高度10m风速
v/（
）
白天（太阳辐射）
夜晚（云景）
强
中
弱
多云
无云
<2
A
A-B
B
E
F
2-3
A-B
B
C
E
F
3-5
B-C
B-C
C
D
E
5-6
C-D
C-D
D
D
D
>6
D
D
D
D
D
我国修订了国家标准（GB/T13201-91），规定了相应的技术相应路线为：
根据位置，时间确定，日倾角，太阳高度角，利用天气条件等来划分辐射的等级，然后借助风速以及辐射等级来确定大气的稳定度。
如下图：
太阳高度角
（地理纬度，倾角）
辐射等级稳定度
（加地面风）
云量
图2-4大气稳定度的推导
表2-3为大气稳定度的等级
总云量/低云量
夜间
太阳高度角
15<
≤35
35<
≤65
>65
<4/≤4
-2
-1
+1
+2
+3
5—7/≤4
-1
0
+1
+2
+3
≥8/≤4
-1
0
0
+1
+1
≥7/5—7
0
0
0
0
+1
≥8/≥8
0
0
0
0
0
表2-4太阳辐射登记划分
地面风速
/
太阳辐射等级
+3
+2
+1
0
-1
-2
≤1.9
A
A～B
B
D
E
F
2～2.9
A～B
B
C
D
E
F
3～4.9
B
B～C
C
D
E
E
5～5.9
C
C～D
D
D
D
D
≥6
C
D
D
D
D
D
④.扩散系数的选取
与排放高度有关的扩散参数（
；
）
国际原子能机构（IAEA）根据原联邦德国于利希核中心和卡尔斯鲁厄核中心在气象铁塔上惊醒的高架放示踪实验数据，推荐一个适用于大粗糙度和高架源（
≈1m）的弥散系数公式（如下表），借助此来计算出得到相应的扩散参数。
由下表可知，当知道污染烟气排放的有效高度和排放时的大气稳定度时，可查出回归系数
、
、
、
用于计算相应的扩散系数
、
；
表2-5不同距离的扩散范围
释放
高度
回归系数
扩散范围
A
B
C
D
E
F
50m
1.503
0.876
0.659
0.640
0.801
1.294
0.833
0.823
0.807
0.784
0.754
0.718
0.151
0.127
0.165
0.215
0.264
0.241
1.219
1.108
0.996
0.885
0.774
0.662
100m
0.170
0.324
0.466
0.504
0.411
0.253
1.296
1.025
0.866
0.818
0.882
1.057
0.051
0.070
0.137
0.265
0.487
0.717
1.317
1.151
0.985
0.818
0.652
0.486
180m
0.671
0.415
0.232
0.208
0.345
0.671
0.903
0.903
0.903
0.903
0.903
0.903
0.0245
0.0330
0.104
0.307
0.546
0.484
0.500
1.320
0.997
0.734
0.557
0.500
（4）核心算法步骤
图2-5模型核心算法流程
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