化工园区突发事件情景重构及演化研究.pdf

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1、 中图分类号： C934 单位代码： 10425 学 号 ： S13080825 化工园区突发事件情景重构及演化研究 Research on emergency scenario reconstruction and evolution of Chemical Industry Park 学科专业： 管理科学与工程 研究方向： 管理科学理论与应用 作者姓名： 俞政 指导教师： 陈晨 副教授 二 一 五 年 五 月 Research on emergency scenario reconstruction and evolution of Chemical Industry Park A The

2、sis Submitted for the Degree of Master Candidate： YU Zheng Supervisor： Chen Chen College of Economic Administration China University of Petroleum (East China) i 摘 要 近 年来 ， 国内 化工园区 突发事件 接连发生 ， 对 人民 生命财产 安全 构成 了巨大 的 威胁 。面对 化工园区 突发事件的破坏性及不确定性 ，如何有效的进行突发事件应急决策，在尽可能短的时间内控制事态、降低损失，并对以后类似事件的应急 决策 提供 支持 ， 是

3、当前应急管理领域的重要问题 。 当前 对于 突发事件 情景 及 情景 演化的研究 较多 从灾害学视角出发 ，侧重对情景中事件（链）特征的描绘 ， 缺乏对 应急 措施 及其 影响的研究 ， 且 在 情景重构 及演化分析 的完整性 方面 存在 局限性 ， 不能很好地为应急决策提供支持。 针对当前研究的不足 与局限 ，本文 依托 国家自然科学基金项目 “化工园区事故情景演化重构及应急决策研究” （ 编号 :71403293） ， 从应急决策 支持 的角度 出发 ， 依据 情景 构建、 演化 分析的思路 ， 对事件情景进行分析 。 首先 分析情景 概念及 构成要素 ， 基于 共性 知识元模型 构建 情

4、景要素 的具体表示方法，并依据要素粒度差异 运用 分层递阶的结构 对事 件 情景 重构 。 其次从宏观 机理及具体演化路径 两个 层次 分别 使用不同方法 对 情景演化 进行 分析。宏观 机理 层面 运用耗散结构理论对事件情景演化的宏观 机理 进行分析，确定 情景 演化 系统满足耗散结构理论的特征 ， 定义事件情景演化熵 概念。 对经典的布鲁塞尔器（ Brusselator）模型进行转义 、 确定化工园区 突发 事件情景演化的正负熵指标体系 ， 构建事件 情景 演化耗散结构判断模型 ， 为复杂环境下突发事件应急决策方案选择提供有效支持 。 情景具体演化路径层面， 通过 定义情景重构与系统动力学

5、模型间的转化关系 ， 依据 实例情景重构结果建立 考虑应急 措施 干扰的情景演化 SD 模型。 对模型进行 仿真实验 ，分析 应急措施对事件情景演化 的具体 路径 影响进行，为事件应急决策 提供支持 。 本文 从 化工园区突发事件情景 重 建出发， 分析突发事件 情景 演化 宏观机理及具体事件 情景 演化路径， 能够 帮助 决策者更加清晰地认知 突发事件状态及未来发展趋势 。 相关结果 可进一步运用信息化技术对规范化表示的知识建立知识库并在此基础上完成事故情景演化的计算机化推理分析。 关键词 ： 突发事件 情景 ， 共性知识元模型， 耗散结构， 系统 动力 学 ，化工园区 ii Researc

6、h on emergency scenario reconstruction and evolution of Chemical Industry Park YU Zheng（ Management science and Engineering） Directed by Assoc Prof. Chen Chen Abstract In recent years, different kinds of emergency events have occurred in chemical industry park of China, caused huge threat to securit

7、y of peoples lives and property. With strong destruction and uncertainty of emergency events in chemical industry park, how to make effective emergency decision, control situation, reduce the losses in the shortest time, and to provide the experience of emergency management for similar incidents, is

8、 an important issue in the field of emergency management. The current study of emergency scenario reconstruction and evolution research mostly start from the disaster science view, focused on descript the feature of event(chain), lacking of emergency measures, with less integrity of scenario reconst

9、ruction and evolution, which cannot well support emergency decision-making. Aiming at the deficiency and limitation of current research , this paper , supported by National Natural Science Fund Project chemical industry park accident scenario evolution reconstruction and emergency decision making re

10、search(number: 71403293), from the view of emergency decision, along the logic of . scenario reconstruction and scenario evolution, analysis the emergency scenario. Firstly, Analysis elements of scenario, specific expression method of emergency scenario and measures based on knowledge element model

11、in multi-level hierarchical structure according different element size. Secondly, use different theories and methods in mechanism and path of scenario evolution analysis. Applying the theory of dissipation structure in mechanism analysis of scenario evolution , found the mechanism of scenario evolut

12、ion consistent with the characteristics of dissipative structure theory, and define the entropy of emergency scenario evolution. The Brusselator model used to express the evolution process of emergency scenario was established with positive and negative entropy index system ,which analysis of scenar

13、ios examples. Through transforming relationship between scenario reconstruction and system dynamics model, establish scenario evolution SD model considering the emergency measures interference according example scenario reconstruction results. Simulate experiment of model, analyzing scenario evoluti

14、on with different emergency measures, which support for decision-making. iii This article begin with emergency scenario reconstruction of Chemical Industry Park, analysis mechanism and path of emergency scenario evolution , which can contribute clearly emergency state and future trend of development

15、 to decision makers , support for emergency decision, which has important theoretical and practical significance. The relevant results can be further used in establishment of knowledge base , even the reasoning analysis of emergency scenarios through information technology. Keywords: emergency scena

16、rio； knowledge element model； dissipative structure； system dynamics； Chemical Industry Park iv 目 录 第 1 章 前言 . 1 1.1 研究背景与研究意义 . 1 1.1.1 研究背景 . 1 1.1.2 研究意义 . 1 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 基于情景的应急管理研究现状 . 2 1.2.2 突发事件 情景重构与演化研究 . 3 1.2.3 研究现状总结 . 4 1.3 主要研究内容 . 4 1.4 研究方法与技术路线 . 4 1.4.1 研究方法 . 4 1.4.2 技术路

17、线 . 5 第 2 章 相关理论及模型概述 . 7 2.1 共性知识元模型 . 7 2.2 耗散结构相关理论 . 7 2.2.1 熵概念 . 7 2.2.2 耗散结构理论 . 8 2.2.3 布鲁塞尔器模型 . 8 2.3 系统动力学理论 . 9 2.3.1 系统动力学的基本原理 . 9 2.3.2 系统动力学模型概述 . 9 2.3.3 系统动力学模型构建方法 . 10 第 3 章 化工园区突发事件情景重构 . 11 3.1 突发事件情景构成要素分析 . 11 3.1.1 突发事件情景的定义及特征分析 .11 3.1.2 应急措施加入情景构成要素的必要性分析 .11 3.1.3 情景的其他构

18、成要素分析 . 12 3.2 情景要素表示方法及 分层递阶 结构 . 13 3.3 情景要素层次间关联与转化关系 . 16 3.3.1 不同层次间关系 . 16 3.3.2 不同情景单元间转 化规则 . 16 第 4 章 突发事件情景演化分析 . 18 4.1 化工园区突发事件情景演化的宏观机理分析 . 18 4.1.1 化工园区突发事件情景演化与耗散结构符合性分析 . 18 v 4.1.2 化工园区突发事件情景演化中熵的定义 . 19 4.1.3 化工园区突发事件情景演化的耗散结构分析 . 19 4.2 突发事件情景演化的耗散结构判断模型构建 . 20 4.2.1 经典布鲁塞尔器模型转义 .

19、 20 4.2.2 化工园区 突发事件情景演化的正负熵指标体系 . 21 4.3 耗散结构判断模型计算 . 23 第 5 章 考虑应急措施干扰的情景演化 SD 模型 . 25 5.1 考虑应急措施干扰的情景演化 SD 模型分析 . 25 5.1.1 系统动力学在突发事件情景演化研究中的适用性分析 . 25 5.1.2 突发事件应急措施加入情景演化研究的必要性分析 . 25 5.2 考虑主体应急措施干扰的情景演化 SD 模型构建思路 . 26 5.3 情景重构模型与系统动力学模型间变量转化关系 . 26 5.4 系统动力学模型构建步骤 . 28 5.5 考虑应急措施干扰的情景演化 SD 模型构建

20、 . 28 5.5.1 实例事件概述 . 28 5.5.2 应急措施干扰的事件情 景演化路径分析 . 28 5.5.3 应急措施干扰的事件情景演化系统边界的确定 . 30 5.5.4 应急措施干扰的事件情景演化系统因果关系图 . 30 5.5.5 应急措施干扰的事件情景演化模型变量与流图说明 . 32 5.5.6 应急措施干扰的事件情景演化系统动力学模型仿真方程建立 . 35 第 6 章 实例分析 . 36 6.1 事件典型情景重构 . 36 6.1.1 事件情景描述 . 36 6.1.2 情景重构结果 . 37 6.2 实例事件情景演化耗散结构分析 . 40 6.2.1 正负熵值数据 . 4

21、0 6.2.2 耗散结构判断 . 42 6.3 事件情景演化 SD 模型仿真试验 . 43 6.3.1 仿真参数设置 . 43 6.3.2 不同措施干扰下突发事件情景演化结果分析 . 43 6.4 应急措施建议 . 47 第 7 章 结论 . 49 参考文献 . 50 附 录 . 53 攻读硕士学位期间取得的学术成果 . 58 vi 致谢 . 59 中国石油大学（华东）硕士学位论文 1 第 1 章 前言 1.1 研究背景与 研究 意义 1.1.1 研究背景 近年来我国石化产业不断进行阶梯性的结构调整，规模超大型化、装置集中化的发展趋势推动各地化工园区的兴起和发展，形成了一批生产较为集中的产业中

22、心。 依据 第五届中国化工园区安全发展高级研讨会（ 2010，广东东莞）公布的数据，目前我国化工园 区 数量 已 居 世界之 首 1。 随 着 化工园区数量的增多， 保证 园区的安全 生产 成为至关重要的问题。化工园区中危险源种类多、数量大，生产工艺复杂， 使园区内突发事件涉及要素 多，不确定性强。一旦发生突发事件，多个事件间的扩散、衍生、耦合及转化关系复杂，极易诱发事件“多米诺”效应加重 事件 负面 影响。 2005 年 11 月吉林石化分公司双苯厂硝基苯精馏塔发生爆炸事故，造成工作人员伤亡及相关设备损毁 ， 同时 事故还导致大量居民被迫紧急疏散，事故处置中的消防水处理疏忽使得附近河流大面积

23、污染，下流城市出现重大水污染事件，最终污染河水流至临国引起国际纠纷 2； 2013 年 11 月青岛某输油管道发生泄漏，由于应急处置不力致使泄漏油气发生爆炸，造成重大生命财产损失，同时漏出原油污染周 边海湾，对当地生态环境影响极大 3。 因此，如何 有效应对突发事件， 控制事态发展 、 降低事件损失 ，是 当前应急管理领域的重要问题 。 化工园区突发事件危害严重，事件发生、发展和演变过程内在机理复杂，不确定性强，要求决策主体采取“情景 应对”决策范式，以事件情景为决策出发点，依据情景状态及趋势进行应急决策，实施各种 应急措施 控制 事件的发展。因此，本文拟在研究情景构成及演化的基础上，应用于突

24、发事件案例进行验证，为化工园区突发事件应急决策提供支持。 1.1.2 研究意义 （ 1）理论意义 基于多学科理论方法对突发事件情景进行研究，运用知识管理理论对突发事件情景进行完整重构。针对突发事件情景演化的复杂性，分别在宏观及具体层 面 运用耗散结构理论及系统动力学方法进行情景演化的研究，综合知识管理、 复杂适应系统（ Complex Adaptive Systems， CAS）和 系统 动力 学理论方法，丰富和扩展化工园区突发事件应急决第 1 章 前言 2 策相关研究。 （ 2）现实意义 基于知识管理中的 共性 知识元模型对情景进行重构，使用扩展的对象名、属性、属性间关系三元组形式对情景中要

25、素进行具体描绘，得到的情景重构 方法 便于情景案例库的设计 与实现，为突发事件智能决策支持提供支撑。其次，在以往情景重构及情景演化研究基础上，重点将决策主体 应急措施 加入情景研究之中，考虑 应急措施 对事件发展态势的影响，提出考虑主体 应急措施 影响的情景重构方法并对 应急措施 对情景演化的影响进行分析，分析结论可为日后进行类似的应急决策提供支持， 科学性、有效的进行应急决策 。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 基于情景的应急管理研究现状 情景作为知识管理的构成要素之一，为决策制定提供 支持 。 Degoulet（ 1995） 最早从决策特征、 知识表示 、及其对决策 支持 及 确定知识

26、假设 等 方面研究了决策系统中的知识管理 ，建立了 应用于医学决策 4的 情境、概念、计算三 层次 知识表示模型。 Millie 等（ 2003）设计 了“ Knowledge Scope” 知识管理系统，运用 在 知识库 中 保存情景 相关 信息 5。 Ahn 等（ 2005） 基于 虚拟协同工作为背景设计 并开发了 知识情景模型信息系统 6。杨涛、肖田元等（ 2004）提出以设计情景为 基础的 知识管理方法 7。祝锡永、潘旭伟等（ 2007）分析情境的概念与特点，提出了分层、 多维情境建模方法， 及相应的 情境相似性评估法， 提出 了 以 情境 为基础 的知识共享 及 重用系统的框 架 体

27、系 8。 为了适应突发事件的特点， 对应急决策提供支持 ，国内外学者提出了“情景 应对”决策模式 ，对基于“情景 应对”的应急管理问题进行了探索性研究。刘铁民教授在“ 2009年 突发事件应急管理论坛”上题为“危机型”突发事故灾难 挑战与应对的报告中指出“情景 应对”就是在对以往事件发生以及运行规律的认识和收敛的基础上，形成和制定相应的应对措施（李仕明等， 2010） 9。赵云峰 (2009)分析 非常规突发事件管理特征 ， 并 设计 了 基于“情景 应对”的非常规突发事件应急管理机制 、 方法 10。姜卉、黄钧等（ 2009）界定了突发事件应急决策中的情景概念，提出 了 情景演变的网络表达方

28、式 11。曹学艳等（ 2010） 基于情景演变规律 ，对非常规突发事件态势评估的流程 及 各阶段的 不同 功能进行分析 12。袁晓芳、田水承等（ 2011） 界定 了 非常规突发事件“情景” ，基于演变规律分析 构建 了 情景演变 的 分析模型 13。刘铁民（ 2011） 认为 应急预案体系建中国石油大学（华东）硕士学位论文 3 设应以重大突发事件情景构建为基础 ，阐述了情景构建的重要性 14。仲秋雁（ 2012）通过抽取情景共性要素及要素关系提出情景元模型，提出具体领域 中 基于知识元的情景概念模型 15。意大利学者 De Maio 等（ 2011） 认为 事故情景知识 是 应急决策系统框架

29、的信息输入主体 ，阐述了情景对应急决策的重要性 16。张辉等（ 2012） 认为 “情景 应对”型决策 应 与国家应急平台体系相融合 ，构建 开放式集成 化 研究平台 ， 以及 “数据融合 模型推演 案例推理 心理行为规律”综合集成的应急决策理论 、 方法 17。 1.2.2 突发事件 情景重构与演化研究 “情景 应对”型决策 对情景具有很强的依赖性，对于情景 自身 及演化规律的研究已经引起 相关学者的关注 ， 学者们 分别 运用多种理论方法 ， 重点 研究了单 一 事件发展机理及多事件情景演化问题。 杨文国（ 2007）指出传统经验或风险决策模式 已 不适用于发生率较低的突发事件 ，以传统

30、最小最大、最小最大后悔和相对最小最大后悔等三种决策准则，给出 相应的 情景演化决策准则及 方法 18。范泽孟、牛文元等（ 2007） 用 稳定物体受 推力 及阻力 作用下 运动规律类比研究 社会突发事件 发展机理 19。陈刚等（ 2011） 以情景演化与“ 事态 应对 ”耦合机理 构建 相应 的 “ 事态 应对” 集群决策模式，并 探讨 了预警、监视和应对子系统的协同运行 20。刘德海等（ 2012） 将政府部门 与公众的决策互动及演化分析加入传染病自然传播 SI(Susceptible and Infective)模型 中 ，基于 演化博弈理论 构建 重大突发公共卫生事件 疫情传播方程 21

31、。 实际情况中， 多数突发事件 发展过程中不只包括 单一事件，初始事件还会引起连锁反映，造成衍生事件的发生 。 这些 连带 事件的危害性同样 不容 忽视。针对事件间联系诱发，形成事件链式或网式效应的问题 ， 学者们使用多种不同的理论方法进行了研究。王建伟和荣莉莉（ 2008） 以多种 典型突发事件作为网络中的节点，并根据其连锁关系建立了 节点连接 ，分别从 网络角度 对事件进 行分析， 发现非常规突发事件网 具有小世界效应22。杨保华（ 2011） 将事件 发展演化划分为直链式、直链发散式、自循环式及发散集中式四种演化网络 。以 2008 年冰雪灾害事件 为背景，构建了事件发展演化网 23。裘

32、江南、王延章等（ 2011） 针对事件发展的不确定性，提出运用 贝叶斯网络模 型的构建事件网 24。陈之强（ 2011） 建立 构建了基于系统动力学的 SARS 疫情扩散 系统动力学 模型，并 对 扩散结果进行分析 25。 第 1 章 前言 4 1.2.3 研究现状总结 总结 上述研究文献分析，当前基于“情景 应对”的突发事件应急管理研究取得很多成果，姜卉等人对情景的定义以及仲秋雁等人对情景知识元模型的研究为本文情景重构提供了理论基础与研究方法，陈之强对于 SARS 疫情的研究为本文提供了研究经验及方法。对情景重构与演化问题，已有的研究成果大多侧重于对情景中事件的发展态势进行科学合理地描述和表达，对事件链的产生和发展变化规律进行探索，大多忽略了决策主体 应急措施