一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法

摘要

本发明公开了一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，属于化工泄漏应急处置技术领域。本发明的方法包括如下步骤：1)在应急模拟演练系统内加载液氧泄漏场景；2)仿真模拟液氧泄漏事故管理操作；3)改进传统A*算法并将其嵌入应急模拟演练系统内，为人员疏散撤离规划安全性更高的逃生路径；4)演练结束后，演练成绩的综合评价。本发明以虚拟现实技术为技术依托，使工厂液氧泄漏应急处置演练成为常态化，不仅提高了员工对突发液氧泄漏事故的应急处置能力，还强化了液氧泄漏应急处置演练机制，有效降低了液氧泄漏事故发生后所带来的经济损失。

说明书

技术领域

本发明属于化工泄漏应急处置技术领域，更具体地说，涉及一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法。

背景技术

液氧储槽由于其特殊的结构和介质的理化性质，在发生液氧泄漏时存在爆炸的危险性。引发液氧储槽爆炸的原因很多，也比较复杂，但基本上可分为物理爆炸和化学爆炸。对大多数液氧爆炸的事故案例进行分析，化学爆炸和物理爆炸常常相互伴随在一起发生，其中，物理爆炸通常表现在容器爆炸上，而化学爆炸表现在液氧与有机物、金属等发生氧化反应，引起燃烧爆炸。同时，液氧储槽发生泄漏时不仅有发生爆炸的危险，而且人体长时间吸入纯度过高的氧会发生氧气中毒。氧压的高低不同对机体各种生理功能的影响也不同，如，肺型：在氧分压100～200kPa条件下，时间超过6～12h，机体开始时出现胸骨后不适感、轻咳进而胸闷、胸骨后烧灼感和呼吸困难。咳嗽加剧：严重时机体可发生肺水肿，甚至出现呼吸窘迫综合症。脑型：见于氧分压超过300kPa连续2～3h时，机体先出现面部肌肉抽动、面色苍白、眩晕、心动过速、虚脱现象，继而全身强直性抽搐、昏迷，最终呼吸衰竭而死亡。眼型：机体长期处于氧分压为60～100kPa的条件下可发生眼损伤，严重者可失明。另外，裸露的皮肤接触到液态氧还会引起冻伤。

为了提高职工以及指挥员对现场事故的应急救援与处置能力，目前化工行业主要还是通过现场应急演练来实现的。该种方式虽然可以在一定程度上是可以模拟液氧泄漏时的应急处置过程，但是该方法始终与真实情况有着明显不同，无法很好的模拟出爆炸以及人员处置不当而造成的严重后果。假若在现实生产作业中发生液氧泄漏，由于缺乏实际操作经验，救援人员往往会因巨大的心理压力或对应急处理操作不够熟悉，从而造成操作失当，甚至错误操作，进而造成更大的安全事故。此外，这种假想现场演练过程对人力、物力和财力也是极大的消耗，往往会有事倍功半的效果，因此企业实际的次数会大大受限。

经检索，中国专利申请号为：201810767122.1，申请日为：2018年7月13日，发明创造名称为：一种苯加氢装置氢气泄漏3D应急仿真模拟处置的设计方法。该申请案的步骤为：A、构建应急处置管理模块：任一角色按照苯加氢装置氢气泄漏应急演练预案中分配的指令任务，独立完成氢气泄漏的应急处置，系统对相关数据进行记录存储；B、构建评价管理模块：氢气泄漏处置仿真应急处置完成后，评价管理模块根据任务完成情况与已内置于系统的标准处理流程比对，对角色的处置情况自动给出客观评价，内容包括：处置步骤、装备使用、动作准确度、信息沟通及作业环境识别等。该申请案在一定程度上能够避免传统实地演练对正常的生产工作所造成的影响，同时，通过反复多次的仿真演练，提高了广大员工的应急预防处置能力。但是，该申请案一方面在人员疏散处置中难以快速有效确定最佳逃生路径，从而无法让用户了解熟悉各个位置的逃生路径该如何选择；另一方面，该申请案的方案一般会应用到特定化工产品泄漏时的模拟演练中，由于不同化工产品性质不相同，对应的处理操作也不相同，将该申请案的方法应用到液氧储槽泄漏应急处置时，其使用会受到一定限制。

发明内容

1.要解决的问题

本发明的目的在于克服现有技术中对于液氧储槽泄漏时进行应急处置时，无法真实、准确模拟出事故场景，在进行模拟演练时，人员由于缺乏实际操作经验，易造成操作失当，甚至错误操作，进而造成更大的安全事故的不足，提供了一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法。采用本发明的技术方案能够有效解决上述问题，并使工厂液氧泄漏应急处置演练成为常态化，通过反复开展这种演练，及时查找现有处置预案中存在的问题，进而不断完善应急预案，有效提高应急处置预案的实用性和可操作性。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，包括如下步骤：

1)在应急模拟演练系统内加载液氧泄漏场景：通过3D建模真实还原工厂场景，且泄露区附近相应设备与工艺管线的精细度可根据实际需求达到可操作的程度；

2)仿真模拟液氧泄漏事故管理操作：在模拟的3D场景中工厂发送液氧泄漏的情况下，各个角色根据应急模拟演练系统配置好的任务流程，协同完成液氧泄漏时的应急处理操作；

3)各角色人员疏散撤离处置：应急模拟演练系统根据角色当前所在位置规划处一条安全逃生路径，各个角色完成应急处理操作后，从该安全逃生路径撤离；当演练结束后，应急模拟演练系统对各角色任务完成情况进行记录；

4)演练结束后，演练成绩的综合评价：应急模拟演练系统会对根据各角色任务完成情况、答题情况、装备使用情况和任务处理顺序对各角色完成情况进行打分，最后生成单次演练word版报告。

更进一步的，步骤3)中，首先计算出液氧储槽的爆炸能力，进而确定泄漏点的安全区域，然后采用A*算法在远离泄漏点的安全区域内进行规划逃生路径。

更进一步的，计算液氧储槽的爆炸能力的公式如下：

E

其中，E

更进一步的，泄漏点的安全区域的半径确定过程为：通过上述E

更进一步的，对A*算法的启发函数进行修改，修改后的启发函数如下：

f(n)＝g(n)+W*h(n)

其中，g(n)代表着当前所在位置与起始点之间的距离，h(n)代表的是当前所在位置与终点之间的距离，f(n)代表了对当前节点n的估价，W为权重因子，W的取值范围为W≥1。

更进一步的，考虑方向因素以及权衡距离与方向的影响，修改启发函数为：

f(n)＝g(n)+W(W

+(1-W

其中，α(n

更进一步的，步骤2)中，对液氧泄漏应急处置模拟演练采用多角色协同参与，不同角色有着不同的权限和不同的任务，导调端对演练有着宏观的控制权限，能够控制事故的发生，推送答题并监控其他角色的操作情况，同时，还能改变天气环境；其他角色接收导调端任务指令，执行具体的处置操作。

更进一步的，步骤2)中，导调端通过Unity风组件和天空盒组件来改变天气、时间以及风的方向与等级。

更进一步的，步骤2)中，导调端发送的任务指令依次为汇报现场氧气浓度、佩戴空气呼吸器、拉警戒线、测量空气中泄漏点附近氧气浓度、关闭液氧储槽上游控制阀门等操作，各角色根据任务指令进行操作，待应急处理全部完成后继续监测氧气浓度，当氧气浓度显示为19.5％-23％之间则表明堵漏成功。

更进一步的，步骤1)中应急模拟演练系统以Unity作为开发平台，3DsMax作为建模软件对工厂进行建模。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，通过虚拟现实技术建立工厂发生液氧泄漏事故的仿真场景，最大程度还原工厂突发液氧泄漏事故的真实场景，在虚拟环境中模拟液氧泄漏事故的发生、发展的过程。本发明的方法能够根据工厂员工提供的职位职责对每个角色制定出符合现实的任务，并通过各角色间互相分工协同处理，使得指挥员到实际处理人员都能充分了解熟悉在灾情发生时各自需要做出哪些应急处理，达到演练的目的，从而有效解决发生事故时，操作人员由于缺乏实际操作经验，造成操作失当，甚至错误操作，造成更大的安全事故的问题。

(2)本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，通过将改进A*算法并将其嵌入到应急模拟演练系统中，从而制定出安全性及逃生效率更高的路径供人员疏散撤离，该路径的制定同时考虑了液氧储槽泄漏时的最大爆炸能力及逃生路径距离最短，进而能够更加准确地确定了最佳逃生路径，通过多次展开这样的模拟演练，使得工厂人员能够更加熟悉最佳逃生路径，在实际操作时，逃生更加安全。

(3)本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，通过对传统的A*算法进行优化设计，从而能够保证所有路点设置均处于液氧泄漏危险区域以外。具体的，本发明通过对A*算法的启发函数进行进一步改进，使得该算法更加适用于大型复杂场景。同时，该算法中通过加入方向因素并权衡距离与方向的影响，使得相邻的几个节点估计代价相同的机率更小，对减少非必要回溯的减少具有明显的效果，从而提高了搜索的精度也加快了搜索的进程。

(4)本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，通过采用3D建模虚拟技术，能够根据实际需求，将场景中的设备管线做得更精细的程度，达到可操作程度。同时，使用事件触发机制，将某些诸如阀门、消防水泡等绑定触发器，能够实现人物与场景物体的交互操作。通过上述优化，使得从指挥员到下级处置人员都能够在事故模拟中感受到真实发生时的事故发展过程，不断的从模拟演练中发现更好的应对措施，弥补原有处置预案的不足，实现应急预案的自优化。

(5)本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，通过反复开展模拟演练，能够使工厂液氧泄漏时的应急处置演练成为常态化。同时，还能够在每次演练结束后及时查找现有处置预案中存在的问题，进而不断完善应急预案，提高应急处置预案的实用性和可操作性。此外，本发明的模拟演练方法还采用考核来评价来提高员工参与的积极性，促使员工及时发现自己在事故处置中的不足，进而有利于进一步提高员工的应急预防处置能力。

附图说明

图1为本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法的流程示意图；

图2为本发明中改进后的A*算法流程图。

具体实施方式

针对化工行业液氧泄漏事故频发现状，目前化工行业主要还是通过现场应急演练来实现的。但是，这种假象演练方式法终与真实液氧泄漏情况存在着差异，无法很好地模拟出爆炸情景，也无法模拟出人员处置不当而带来的严重后果。此外，这种假想现场演练过程对人力、物力和财力也是极大的消耗。本发明提供了数字化液氧泄漏应急演练的解决方案，即利用三维仿真和虚拟现实技术建设数字化工厂模型，可以灵活的对液氧泄漏应急演练的各项任务、环节进行合理的配置，实现液氧泄漏应急预案的演练和培训，将液氧泄漏预案演练和培训工作常态化。具体的，如图1所示，本发明的一种液氧储槽泄漏应急处置模拟演练方法，包括如下步骤：

(1)在应急模拟演练系统内加载液氧泄漏场景

该应急模拟演练系统以Unity作为开发平台，3DsMax作为建模软件对工厂进行建模。通过3D建模真实还原工厂场景，如1500m3液氧储槽、空压机、三万制氧机空分塔、四万仪控楼等，泄露区附近相应设备与工艺管线的精细度可根据实际需求达到可操作的程度。

(2)仿真模拟液氧泄漏事故管理操作

在模拟的3D场景中工厂发送液氧泄漏的情况下，各个角色根据应急模拟演练系统配置好的任务流程，协同完成液氧泄漏时的应急处理操作。具体的应急操作过程为：本发明中对液氧泄漏应急处置模拟演练采用多角色协同参与，不同角色有着不同的权限和不同的任务。其中，导调端对演练操作过程具有着宏观的控制权限，能够控制事故的发生，推送答题并监控其他角色的操作情况。其他角色接收导调端任务指令，执行具体的处置操作。同时，导调端还能通过Unity风组件和天空盒组件来改变天气、时间以及风的方向与等级。

导调端发送的任务指令依次为汇报现场氧气浓度、佩戴空气呼吸器、拉警戒线、测量空气中泄漏点附近氧气浓度、关闭液氧储槽上游控制阀门等操作，各角色根据任务指令进行操作，待应急处理全部完成后继续监测氧气浓度，当氧气浓度显示为19.5％-23％之间则表明堵漏成功。具体的，由下级向上级汇报液氧泄漏现场情况，上级根据现场情况分配下级任务，其中疏散液氧泄漏点附近人群，在泄漏点附近拉警戒线，关闭液氧储槽控制阀，紧急停机等为主要任务。

需要说明的是，液氧出现泄漏时，会形成局部高富氧聚集区，该区域容易发生爆炸危险；根据相关资料显示发生液氧泄漏时一般以三十米为半径划定隔离区。所以针对以上情况，系统模拟广播一条“立即停止一切明火作业或可能导致静电火花的作业活动”消息，且模拟人员放置警戒线时提示在泄漏点三十米外放置。模拟紧急救助氧中毒人员是将伤员立即送往自然通风口处并对其进行人工呼吸，等待救护车和医疗人员的来临。此外，由于液氧的沸点为-183℃，人体一旦接触到液氧极易发生严重的冻伤事故。此外液氧泄漏会造成局部空气中的氧气浓度变高，当空气中氧气浓度高于23.5％时为富氧状态此时易产生火灾，当氧气浓度高于40％时可能引发人体氧中毒。所以在模拟巡检人员操作处置泄漏前，必须模拟佩戴劳保手套、空气呼吸器和防护服，以此让参演人员了解记住此步骤达到模拟演练培训的效果。

(3)各角色人员疏散撤离处置

针对液氧泄漏事故中工人紧急处理不得当以及逃离路线不安全问题，本发明提出了一种更注重安全和效率的改进A*算法并将其嵌入到应急模拟演练系统中。该系统能够根据角色当前所在位置规划处一条安全逃生路径，在各个角色完成应急处理操作后，从该安全逃生路径撤离。当整个演练结束后，应急模拟演练系统会对各角色任务完成情况进行记录。

需要说明的是，采用传统A*算法对逃生路径进行设计时，并未考虑到场景的复杂性以及在具体实际环境中更应被考虑的安全因素，在标准A*算法获得的路径中，使得较多路点处于液氧泄漏危险区里，难以直接应用于实际问题中。为了更好地解决实际问题，需要对标准A*算法进行改进。在传统A*算法的启发函数中g(n)为从起始点开始沿着已计算出的最佳路径移动到点n的实际代价，对于每个点而言沿着已计算出的路径移动该代价函数的值是固定不变的，唯一影响候选点值的是h(n)，该函数表示的是候选点n到目标点的估计代价，当该函数越接近实际代价路径越接近最佳路径。同时针对液氧泄漏的实际问题不仅要考虑路径的长短还需要考虑路径的安全性。

综上所述，针对液氧泄漏的具体情况对A*算法改进的思路主要有三点：第一点是该算法必须在远离泄漏点的安全区域内进行搜索；第二点针对工厂复杂的地形对A*算法的启发函数进行修改；第三点是为了使得启发函数中h(n)估计代价更接近与实际代价而对启发函数进行修改。具体的，结合对液氧泄漏的实际因素考虑，在灾难发生时通过寻路算法找寻最佳逃生路径时应避开危险区域，根据爆破能力计算公式

E

上述公式可计算泄漏若发生爆炸产生的能量。其中，E

考虑液氧泄漏的危险区域，对A*算法的启发函数进行修改，修改后的启发函数如下：

f(n)＝g(n)+W*h(n)

其中，g(n)代表着当前所在位置与起始点之间的距离，h(n)代表的是当前所在位置与终点之间的距离，f(n)代表了对当前节点n的估价，W为权重因子，W的取值范围优选为W≥1，具体取值需根据实际情况而定。

更优化的，本发明还考虑了方向因素以及权衡距离与方向的影响，加快搜索进程，进一步修改启发函数为：

f(n)＝g(n)+W(W

+(1-W

其中，α(n

改进后的A*算法流程图如图2所示，其具体过程为：首先建立表并将地形信息以坐标的形式存入表中，建立close表和open表，分别存储当前节点周围已遍历的八个子节点及其到估计值和已走过的节点。先将起始点存于open表中，对open表中最新加入元素的周围八个子节点遍历，并计算出每个子节点的估价值，对比close表，若该表中无欲加入的子节点则将其存于close表中，如果有该点则更新该子节点的信息；再对close表中所有元素排序取出估价值最小的节点存于open表中。并重复以上操作直至到达终点即获得了最优路径。

(4)演练结束后，演练成绩的综合评价

应急模拟演练系统中构建有仿真处置评价模块，该模块会会根据各角色任务完成情况、答题情况、装备使用情况和任务处理顺序对各角色完成情况进行打分，最后生成单次演练word版报告。一方面，便于管理者在每次演练结束后及时查找现有处置预案中存在的问题，进而不断完善应急预案，提高应急处置预案的实用性和可操作性。另一方面，可以提高员工参与的积极性，促使员工及时发现自己在事故处置中的不足，进而有利于进一步提高员工的应急预防处置能力。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1所示，1500m

1)三维仿真演练客户端启动，选择“重大危险源应急演练(单人)”。仿真演练开始。

2)基于事故模拟和场景模块，画面中显示进入演练状态。

3)角色选取：根据液氧生产现状进行角色设置，选取导演。在虚拟三维场景中通过虚拟通讯设备实现角色间对话以及指令的传送等。

4)仿真应急操作：基于角色模块、事故模拟和场景模块，导演获得系统真实模拟的1500m

导演进行紧急救援，依次为汇报现场氧气浓度、佩戴空气呼吸器、拉警戒线、测量空气中泄漏点附近氧气浓度、关闭液氧储槽上游控制阀门等操作，待应急处理全部完成后继续监测氧气浓度。

5)基于应急处理和场景模块，在导演完成全部救援动作后，画面中显示“现场液氧停止泄露”界面；

场景模块四合一检测仪显示泄漏点附近检测氧气浓度显示为19.5％-23％之间为正常。该模块相关控制动作与动作之间以及动作与其他模块具有顺控关联。

导演通过四合一检测仪测得液氧泄漏处周围的氧气浓度超标，导演关闭泄漏处上游控制阀门，几分钟场景模块四合一报检测仪显示氧气浓度显示为19.5％-23％之间，表明堵漏成功。

6)在处理完所有操作后，系统根据演练的角色当前所在位置规划处一条安全逃生路径，用于角色完成救援后逃生。

7)液氧泄漏应急演练的评价。

系统通过参与人员任务完成情况，如必要步骤完成情况，答题准确度等对液氧泄漏三维应急仿真演练参与人员进行评价。评价完成后自动生成Word文档，文档中包括所有演练信息，角色的任务完成情况，评分情况等。通过评分文档可以促使员工及时发现自己在事故处置中的不足，提高其应急预防处置能力。

实施例2

1500m

1)三维仿真演练客户端启动，选择“重大危险源应急演练”。仿真演练开始。具体过程同实施例1。

2)基于事故模拟和场景模块，画面中显示：同实施例1。

3)角色选取：根据液氧生产现状进行角色设置，选取导演，巡检人员，中控人员，医疗人员等。在虚拟三维场景中通过虚拟通讯设备实现角色间对话以及指令的传送等。

4)仿真应急操作：基于角色模块、事故模拟和场景模块，导演获得系统真实模拟的1500m

中控人员向调度中心汇报险情并请求启动应急预案等级，依次为接收巡检人员发来的现场情况、协调调度各巡检人员、拍下紧急停车按钮、控制工艺参数、拨打救援电话；

巡检人员进行紧急救援，依次为汇报现场氧气浓度、佩戴空气呼吸器、拉警戒线、测量空气中泄漏点附近氧气浓度、关闭液氧储槽上游控制阀门等操作，待应急处理全部完成后继续监测氧气浓度。

5)基于应急处置和场景模块，在巡检人员和中控人员完成全部救援动作后，场景模块出现信息与实施例1不同的有：

场景模块1500m

在看见泄漏处有伤员后中控立即模拟拨打120救援电话，且其中一名巡检模拟将伤员背至通风处。在巡检关闭阀门后液氧持续泄漏，此时巡检需通知中控人员，中控立即模拟按下紧急停机按钮从而取得第二次堵漏成功的效果。

6)在处理完所有操作后，系统根据演练的角色当前所在位置规划处一条安全逃生路径，用于角色完成救援后逃生。

7)液氧泄漏应急演练的评价。该实施例的“任务完成情况得分”团队总得分低于实施例1，同时对巡检人员的遗漏动作进行记录并得出各参演人员的个人成绩。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。