一种基于影响图和微观经济学的动态决策框架,用于优化坦克火灾应急决策过程

时间:2026年2月3日
来源:Journal of Loss Prevention in the Process Industries

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提出基于贝叶斯网络和影响图的危险化学品储罐区火灾动态决策框架,通过热辐射耦合效应分析确定关键储罐节点,生成多应急策略并利用影响图评估其效用,结合动态更新机制应对火灾蔓延的链式反应。案例研究表明该框架能有效优化资源配置并提升应急响应效率。

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何世乐|周建峰|伦尼尔斯·根瑟里克
广东工业大学机电工程学院,中国广州510006

摘要

本研究提出了一种基于贝叶斯网络和影响图的危险化学品储罐区火灾应急管理动态决策框架。该框架包括两个核心组成部分:初始响应策略的生成和评估。通过分析储罐之间的热辐射耦合效应,本研究引入了接近中心性指标来识别关键储罐节点,并针对这些节点制定了多种应急响应策略。为了评估这些应急响应策略,本研究使用影响图来评估每种策略的效用,并提出了一种简化的效用函数。此外,通过动态更新影响图、重新计算接近中心性以及根据火灾可能蔓延到相邻储罐的假设调整关键节点,进一步评估了多米诺效应的影响。案例研究表明,在不同的灭火和冷却效率假设下,该框架能够成功适应变化的情况,优化策略以提高应急响应的及时性和准确性。这为复杂的储罐火灾应急决策提供了一种可行的优化方法。

引言

随着化学工业的快速发展,危险化学品的储存和运输变得越来越重要,因此无法忽视。作为化工企业的重要组成部分,储罐场的火灾应急管理面临着相当大的挑战。特别是当事故产生的物理效应(如热辐射或超压)作用于储罐时,事故可能迅速蔓延到相邻储罐,引发多米诺效应,导致更严重的后果。因此,有效应对储罐火灾及其可能引发的多米诺效应已成为学术界和工业界关注的重点。
多米诺效应描述了一种连锁反应,即初始事故逐渐升级。Cozzani等人(2005年)给出的全面定义指出,当初始事故的破坏力传播到相邻设备时,会触发一个或多个次级事故,导致总体后果比初始事故本身更为严重。
关于多米诺效应风险评估的研究受到了广泛关注。Cozzani等人(2007年)通过一系列研究在优化多米诺事故的定量风险分析方法方面取得了重大进展。Cozzani和Salzano(2004年)探讨了安全措施的合理分配以减轻此类事件的影响。Zhou和Reniers(2018年)提出的模型将“热剂量”作为参数来分析多次火灾事件的影响。基于此分析,更新了故障时间,从而能够动态评估多米诺效应的传播风险。Xu等人(2023年)对应用于化工行业的定量风险分析(QRA)进行了文献综述,重点介绍了处理不确定性的方法。Chen等人(2024年)采用非线性叠加机制来评估多种危险的故障后果。Zhang等人(2024年)提出了基于代理的动态风险评估模型DRADL,用于分析城市LNG站的多米诺效应。Hu等人(2025年)使用基于蒙特卡洛模拟的方法来评估多米诺效应引起的动态风险。
在多米诺效应风险评估中,概率建模(例如事故发生和升级概率)是定量分析的关键组成部分,直接影响评估结果的可靠性。Khan和Abbasi(1998年)基于事故模型开发了一种多米诺效应概率评估方法,通过分析初始事件的影响范围和后续事件的触发条件,提出了逐步进行概率计算的框架。Necci等人(2015年)提出了一个包含多米诺效应的概率模型,研究了设备损坏阈值与后续事故概率之间的功能关系,提供了更精确的风险评估方法。Zhang等人(2019年)建立了理论模型和事件树,基于1970年至2017年的165起多米诺事故分析了初始事故概率分布和四种典型的升级模式。Zeng等人(2024年)提出了一种综合研究方法,用于预测多米诺效应事故的概率,特别考虑了协同效应对不确定性分析的影响,并根据类型和时间差异对协同效应进行了分类,并提出了一个理论模型来解决实际事件中的分析问题。Yu等人(2025年)研究了一种能够分析多层次多米诺效应的方法,涵盖了火灾和爆炸事故中的协同效应以及各种事故场景,该方法通过定量分析提高了多米诺效应概率评估的准确性。
贝叶斯理论作为一种强大的概率推理工具,在多米诺事故研究中得到了广泛应用。通过构建贝叶斯网络模型,可以动态分析多米诺效应发生的概率,从而为事故预测和风险评估提供科学依据。Khakzad(2015年)应用贝叶斯网络对多米诺事故进行了动态概率评估,分析了初始事件与次级事件之间的相互作用及其对多米诺效应的影响。随后,Khakzad等人(2017年)提出了一种基于动态贝叶斯网络的方法,用于模拟多米诺效应的空间和时间演变,并量化潜在多米诺效应中最可能的事故序列。Kamil等人(2019年)开发了一个广义随机Petri网模型来模拟时间依赖的多米诺效应事故。George和Renjith(2021年)构建了贝叶斯网络来模拟多米诺效应的传播序列,并量化了工业化学品储存区各层次的升级概率。Yu等人(2025年)开发了一个集成贝叶斯网络(BN)和直觉模糊层次分析过程(IFAHP)框架,旨在评估应急响应的可靠性并分析可能导致多米诺事故的多因素耦合效应。
在多米诺效应应急决策领域,相关研究仍然有限。Khakzad(2021年)提出了一种基于图的优化方法,利用接近中心性识别多米诺效应的最佳灭火策略,优化资源分配,简化了决策过程,无需依赖复杂的火灾传播概率。Zhou等人(2023年)提出了一种时间着色的混合Petri网(TCHPN)方法来模拟应急响应过程。该模型可以计算防止火灾进一步蔓延的概率,并优化灭火资源的分配。Khakzad等人(2024年)也提出了一种基于图的优化方法,通过接近中心性识别多米诺效应中的关键单元,优化灭火资源分配以减少火灾蔓延的风险。
关于多米诺火灾的研究主要集中在风险分析和评估、时空特征及传播模式以及多米诺效应的传播机制上。这些研究为理解火灾蔓延和风险扩展提供了必要的理论支持。然而,关于升级火灾的灭火决策研究相对有限,特别是在如何制定有效的应急响应策略以应对火灾蔓延方面。因此,需要进一步深入探索升级火灾的灭火决策方法,以提高火灾应急管理的效率和效果。本文提出了一种基于贝叶斯网络和影响图的动态应急决策框架,旨在通过识别关键节点、评估火灾传播概率并动态调整应急决策来优化资源分配。该方法考虑了不同灭火策略的有效性,即使在资源有限的情况下也能最大化应急响应效率。
研究表明,该框架能够随着火灾情况的变化及时调整决策策略,从而确保应急决策支持的有效性、灵活性和实用性。
本文的其余部分组织如下:第2节介绍了所提出的方法论,包括基于接近中心性的关键节点识别、策略生成、基于影响图的评估以及动态更新机制。第3节通过案例研究说明了该方法论,涵盖了场景设置、策略评估结果以及与传统方法的比较分析。最后,第4节总结了本文并指出了未来工作的方向。

部分摘录

关键节点识别和策略生成

在复杂系统中,尤其是在应急决策网络中,影响图因其处理不确定性和多种策略选择的能力而被广泛用于辅助决策。然而,现有的影响图模型在处理多节点问题时经常面临目标冗余和关键节点识别不足等挑战。目标冗余是指决策过程中涉及的节点过多,导致模型复杂且冗余。

案例研究描述和结果

为了验证所提出方法的可行性,选择了一个特定的储罐场作为案例研究对象。该储罐场位于温度恒定为25°C的沿海环境,气流相对稳定,因此未考虑风速对热辐射的影响。储罐场的布局如图4所示。A1–A5号储罐为1000立方米的汽油储罐,A6–A17号为2000立方米的汽油储罐,A18–A21号为2000立方米的柴油储罐。所有储罐均配备有内部浮动顶盖。

结论

化学品储罐区的火灾可能引发多米诺效应,对整个储罐区造成潜在危害。应急响应是减轻事故损失的关键措施。如何在应急决策中实施有效的应急响应措施是一个重要问题。本研究提出了一种基于贝叶斯网络和影响图的储罐火灾应急决策框架,旨在应对这种复杂性。

CRediT作者贡献声明

伦尼尔斯·根瑟里克:撰写 – 审稿与编辑,验证。周建峰:撰写 – 原稿,方法论,概念化。何世乐:撰写 – 原稿,软件,方法论,数据整理

未引用的参考文献

Khakzad等人,2017年;Landucci等人,2015年;Yu等人,2025年。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
作者声明以下财务利益/个人关系可能被视为潜在的利益冲突:
鉴于Genserik Reniers教授担任编辑的角色,他未参与本文的同行评审,也无法获取与其同行评审相关的信息。

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