考虑多米诺效应的储罐区火灾资源分配与调度计划

《Process Safety and Environmental Protection》：Resource Allocation and Dispatch Planning for Tank Farm Fires Considering Domino Effects

　　

摘要 针对化工园区储罐火灾事故中多米诺效应引发的应急资源动态需求，本文提出了一种面向应急资源调度的多阶段多目标优化模型。该模型以最小化响应时间、总调度时间和资源短缺损失为目标，考虑了资源的连续消耗特性以及潜在的事故需求。通过引入概率性需求估计来表征多米诺效应。采用Dijkstra算法确定最优运输路线，并利用NSGA-II算法求解Pareto最优解集。基于某化工园区的案例研究验证了所提方法的有效性。结果表明，该模型能够有效捕捉动态调度过程以及各目标之间的权衡关系。NSGA-II算法表现出良好的收敛性和解的多样性。此外，引入面向多米诺情景的预调度策略虽然增加了初始工作量，但显著提高了后续阶段的调度效率并减少了短缺损失，增强了系统鲁棒性。所提方法为应急资源调配与调度规划提供了理论支持和实践指导。

引言 随着化学工业的快速发展，危险化学品的储存和运输已成为全球面临的主要安全问题。在众多危险物质中，易燃液体、液化气体和深冷液体由于通常以大量库存、高压、极低温或上述条件的组合进行储存，因而风险尤为突出。一旦发生意外泄漏，这些物质可能引发池火、喷射火、蒸气云爆炸和沸腾液体扩展蒸气爆炸等严重事故场景，对人员、设备和环境构成重大威胁。

储罐区是化工园区中储存大量危险物料的关键设施。由于储罐之间间距紧密，火灾事故涉及的能量巨大，初始事故产生的热辐射、爆炸超压和碎片投射可能影响邻近储罐和设备。因此，可能触发二次事故，导致事故升级和后果放大的多米诺效应。

一旦多米诺事故发展，应急响应将变得极为困难。受影响区域扩大，资源需求迅速增加，事故演化高度不确定。因此，有效的应急资源调配与调度规划对于减轻事故后果和提升应急响应系统的韧性至关重要。

多米诺效应是储罐区和化工园区中最关键的事故升级现象之一。当初始事故产生的物理效应（如热辐射、爆炸超压或碎片冲击）触发相邻设施的一个或多个二次事故时，即发生多米诺效应。由此，事故后果逐步放大，使应急响应面临更大挑战。在此条件下，应急资源需求可能迅速且不可预测地增加，给应急决策和资源管理带来巨大压力。

储罐区火灾应急响应是一个系统性过程，包括事故检测、情况评估、应急指挥、资源调配、资源调度和现场救援作业。其中，应急资源是实施响应行动和在整个事故生命周期中维持救援效能的物质基础。在储罐区火灾应急中，应急资源通常按其主要功能分为三类：灭火资源、冷却资源和支撑资源。灭火资源主要包括灭火泡沫及相关灭火设备，用于扑灭火灾和控制燃烧储罐。冷却资源主要由水和冷却设施组成，用于降低热辐射效应并防止火灾蔓延至相邻储罐。支撑资源包括个人防护装备、医疗物资、通信设备以及维持救援作业并确保救援人员安全所需的其他物资。选择这三类资源是因为它们直接对应储罐区火灾应急响应的核心目标，即灭火、防止多米诺效应和作业支撑。

在应急响应过程中，应急资源是决定应急行动能否有效实施的关键因素。一些研究者针对重大事故响应中应急资源的高效利用做出了重要努力。许多研究专注于优化应急资源部署以提升应急响应效率。例如，Yang等人（2013）研究了考虑伤员动态演变的多资源应急救援分配问题，提出了以最大化救援效果、最小化分配成本为目标的动态优化模型。Sheu和Pan（2014）采用多阶段多目标规划模型研究了集中式应急供应网络设计，结果表明需求驱动的集中式网络在应急配送效率方面具有显著优势。Fereiduni和Shahanaghi（2017）采用多期鲁棒优化和p-鲁棒优化方法研究了应急物流网络选址分配问题，有效应对了灾难场景中的不确定性和运输中断风险。Du等人（2020）提出了应急资源预置模型，以确保研究区域内化工园区事故得到及时有效的响应。Wang等人（2023）开发了针对深海事故应急资源储存位置优化的两阶段启发式策略。Jia等人（2024）建立了优化化工园区应急资源分配的模型，通过基于人员优先级判定和事故后环境条件建立惩罚成本目标函数，旨在最大化救援成功率。

应急资源的调度同样影响应急响应中资源的有效利用。从内在结构来看，应急资源调度优化本质上是经典运输问题的特定应用，是运筹学领域一个成熟的研究主题。现有研究主要关注最小化调度时间、降低总运营成本、提高资源分配公平性等目标，以分析和优化应急资源调度问题。Hu等人（2019）综述了应急资源调度模型和算法，指出应急调度问题通常涉及多个仓库、多种资源类型、车辆、道路网络、需求预测和复杂约束，且对于NP-hard多目标问题通常采用启发式算法。Wang等人（2024）提出了一种融合移动资源路径规划与发电机、燃料运输车辆和加油站燃料交换过程模型的应急资源调度策略，从而增强了灾后电力和燃气分配系统的韧性。Ma等人（2026）提出了一种基于风险评估的区域应急供应协调框架，根据评估风险将不同工业园区分类为供应源和目的地，并确定相应的源-宿连通路线和物资流方案。

此外，为解决不确定性条件下的应急资源调度问题，许多研究开发了关注动态分配和快速响应的优化模型。Sheu（2007）提出了一种应急物流配送方法，以确保在紧急需求条件下及时交付救援物资。Tzeng等人（2007）建立了考虑运营成本与响应效率的应急资源分配多目标优化模型。Rawls和Turnquist（2010）开发了一种不确定性条件下应急供应预置的两阶段随机优化模型，强调了前瞻性资源分配对提高灾难响应效率的作用。Bozorgi-Amiri等人（2012）应用启发式算法高效求解复杂的应急资源调度问题。Najafi等人（2013）引入鲁棒多目标优化模型以应对灾害物流中的需求不确定性。Du等人（2020）开发了化工园区应急资源分配与调度优化模型，考虑了事故场景和多米诺效应，以同时支持救援作业并防止事故升级。Ke（2022）建立了设施与道路中断条件下危险化学品应急物流可靠性的两阶段鲁棒优化模型。Ye等人（2023）提出了一种基于多目标优化的石化企业应急资源响应框架，整合了灾前物资配置和灾后调度决策，并考虑了存储空间、运输能力和第三方救援力量。Wang等人（2025）构建了化工园区应急资源调度多目标优化模型，考虑了时间效率、需求覆盖和分配公平性，并使用改进的NSGA-II算法进行求解。

由于事故升级的可能性，多米诺效应事故已成为过程安全和应急管理中的重要关注点。在此类场景下，应急资源需求随事故从一个设备传播至另一个设备而动态演变，给应急决策带来巨大不确定性。因此，准确估计潜在资源需求并制定适应性调度策略对于提升应急响应效果至关重要。尽管已有大量研究探讨了应急资源调度问题，但与多米诺效应事故相关的动态需求演变尚未被充分纳入现有调度框架。

此类级联事故演化给应急响应作业引入了巨大不确定性，并显著增加了资源规划和调度决策的复杂性。因此，准确捕捉潜在多米诺情景相关的动态资源需求对于提升应急响应效果至关重要。

多米诺效应已被广泛认为是过程工业中最重要事故升级机制之一。根据Cozzani等人（2005）的研究，当初始事故的影响传播至相邻设备并触发一个或多个二次事故时，即发生多米诺效应，导致比单一初始事件更为严重的后果。

多米诺效应的发生导致事故范围扩大，改变了应急资源需求，需要相应调整调度方案。据我们所知，在多米诺效应条件下进行应急资源调度尚未被研究。为应对这一挑战，本研究开发了一种考虑多米诺效应的多阶段多目标应急资源调度模型。所提模型纳入了概率性需求估计和动态阶段性调整，并引入预调度策略以提高系统鲁棒性和响应效率。

储罐区火灾场景下的应急资源调度具有若干独特特征，包括强时间敏感性、资源连续消耗、多阶段事故演变以及由多米诺效应引起的动态调整需求。这些特征使该问题有别于传统应急物流，并推动了专门多阶段调度框架的开发。

在本研究中，资源分配指确定从不同仓库调配的应急资源数量，而资源调度指这些资源向事故现场的运输和配送过程。

章节片段

问题描述

本节描述本研究考虑的应急资源调度问题，并呈现基础运输网络表示和建模假设。其目的并非建立优化模型本身，而是界定问题背景并生成后续多阶段多目标优化模型所需的运输时间信息。对于化工园区火灾事故，应急资源的制定……

储罐区基本信息

为说明所提方法，选取某化工园区作为案例研究。该化工园区包含多家石化企业和集中储罐区。案例研究中考虑了化工园区附近的五个应急资源仓库，提供灭火、冷却和支撑资源。这些仓库通过化工园区的道路网络及其周边接入道路与储罐区相连。

结论

本研究聚焦于化工园区储罐区火灾场景中考虑受多米诺效应影响的事故演化的动态应急资源调度。本研究的贡献在于开发了一种多阶段多目标应急资源调度模型，并采用NSGA-II算法求解，以应对多米诺效应引起的动态资源需求。结果表明：（1）所提模型能够同时捕捉……

未引用参考文献（Landucci等，2015）

CRediT作者贡献声明

Genserik Reniers：写作 – 审阅与编辑、验证。

Jianfeng Zhou：写作 – 原稿撰写、监督、概念构思。

Shile He：写作 – 原稿撰写、软件、方法论。

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我们声明，我们没有任何与所提交工作相关的商业或关联利益冲突。

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