基于NSGA-Ⅱ的化工园区无约束双目标安全规划

基于NSGA-Ⅱ的化工园区无约束双目标安全规划 基于NSGA-?的化工园区无约束双目标安 全规划 第24卷第5期 2010年l0月 高校化学工程 JournalofChemicalEngineeringofChineseUniversities NO.5,,o1.24 0ct.2010 文章编号:1003-9015(2OLO)O5-0858-07 基于NSGA.II的化工园区无约束双目标安全规划 许铭1吴宗之2多英全,魏利军,谢振华 (1.中国地质大学(北京)工程技术学院,北京100083;2.中国安全生产科学研究院,北京100012; 3.北京科技大学土木与环境工程学院,北京100083) 摘要:化工园区安全规划是一个复杂的多目标决策问题,降低潜在事故风险,保证较高经济收益是化工园区安全规 划的两个主要目标.应用多目标决策的理论方法,以潜在死亡人数最小化,工业总产值最大化为优化目标,建立了化 工园区安全规划无约束双目标优化模型.选用非劣排序遗传算法.II(NSGA.Ii)求解该模型,得出如下结论:(1)建立的 化工园区安全规划无约束双目标优化模型是可行的.(2)采用的NSGA.II算法是有效的优化方法.(3)无约束情况下, 示例中的化工园区只布置甲类,乙类易燃液体存储地块,优先布置乙类易燃液体存储地块,不布置其他类型工业用地. 关键词:非劣排序遗传算法.II(NSGA-II);化工园区;无约束双目标优化;土地利用安全规划 中图分类号:X937文献标识码:A UnconstrainedTwo?-0bjectiveLand--UseSafetyPlanningforChemicalIndustryPark Based..onNSGA..II XUMing',WUZong.zhi,DUOYingquan,WEILi-jun,XIEZhen.hua3 (1.SchoolofEngineering&Technology,ChinaUniversityofGeosciences(Bering),Beijing100083,China; 2.ChinaAcademyofSafetyScienceandTechnology,Beijing100012,China; 3.Civil&EnvironmentEngineeringSchool,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China) bstract:Land—A usesafetyplanningforchemicalindustryparkisakindofcomplexproblemof multi-objectivedecisionmaking.Reducingpotentialaccidentriskandensuringhighereconomicincomeatthe sametimearethetwomainobjectsoftheproblemwhichshouldbesolved.Inordertoachievetheminimum potentialaccidentlossoflife(PLL)andthemaximumgrossindustrialoutputvalue(GIOV),anoptimization modelofunconstrainedtwo?-objectiveland?-usesafetyplanningforchemicalindustryparkwasestablishedby usingthetheoryofmulti-objectiveoptimization,andtheproposedoptimizationmodelWassolvedbythe non-dominatedsortinggeneticalgorithm— IISGA-II).Someconclusionsweremadefromthisstudyasfollows: (1)Theestablishedoptimizationmodeloftheunconstrainedtwo-objectiveland-useplanningforchemical industryparkinthispaperisfeasible.(2)ThealgorithmNSGA— IIadoptedinoptimizationprocessiseffective. (3)Inthecaseofuncons仃 ainedoptimization,theresultsshowthat,inthechemicalindustryparkoftheexample inthispaper,itissuitabletolayonlythefirstclassflammableliquidstorageblocksandthesecondclass flammableliquidstorageblockswithnolayoutofotherkindsofindustries,andthelayoutofth esecondclass flammableliquidstorageblocksispriority. Keywords:non—dominatedsortinggeneticalgorithm-IIfNSGA—II);chemicalindustrypark; unconstrainedtwo—objectiveoptimization;land-usesafetyplanning 1前言 我国化工园区正处于快速发展时期.化工园区内危险物质和能量高度集中,潜在事故风险大.化工 收稿日期:2009.04.27:修订日期:2009一l1-l6. 基金项目:国家科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(2006BAK01B02);中国安全生产科学研究院基本科研项目(2008JBKYl3). 作者简介;许铭(1973-),男,甘肃秦安人.北京科技大学博士生.通讯联系人:吴宗之,E-marl:wuzongzhi@vipsina.com 第24卷第5期许铭等:基于NSGA_II的化工园区无约束双目标安全规划 园区不同于化工厂,在规划期化工园区内将引进企业的类型和数量都是不确定的,因此其危险源的类型 及数量,位置都是未知的.我国对化工厂等危险设施的布局有相关 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ,但对化工园区内如何布置化工 企业一直没有明文规定.2009年3月新颁布的《化工企业总图运输设计规范》(GB50489.2009)定义了化 工区的概念,要求按照国家有关法律法规标准规定的选址原则和安全距离,结合企业的危险特点,当地 的风向等气象条件进行化工区的总体布局.由于我国化工园区建设一直缺乏安全规划,重视实现化工园 区的经济功能,忽视其潜在的事故风险,致使化工园区潜在事故风险不断加大I".2006年7月l1日国家环 保总局对全国化工石化项目环境风险大排查行动结果显示,被排查的7555个化工石化建设项目中(总投资 近10152亿元),81%布设在江河水域,人口密集区等环境敏感区域,45%为重大风险源【2】.化工园区安全 规划是预防重大事故发生,减轻事故后果的重要措施之一I引 1996年欧盟为了贯彻执行《SEVES0II指令》关于安全规划的要求,组织法国等4个国家的9家机构 开展TLUPACS(土地利用规划和化工选址)项钔,该项目历时3年,开发了Demokritos系统用于安全规划, 但公开发表的有关LUPACS项目的文章中仅介绍了他们的思路,过程及结果,没有透露具体的优化模型 以及求解模型所用的优化算法.安全规划涉及事故风险,社会经济,环境影响,技术革新等一系列领域, 是一个多目标决策(multi.objectivedecisionmaking,MODM)问题【5J.尽管国外的研究起步较早,但由于此 类问题比较复杂,因此绝大多数国家仍然采用协商谈判机制选择令各方满意的规划 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .目前使用优化 方法研究化工厂周边安全规划问题的仅为LUPACS项目.我国1~2004年起开始研究基于区域定量风险评 价方法的危险设施安全规划问题【6】,但这些研究仅考虑如何降低事故风险,没有考虑化工园区社会经济 等其他目标.目前国内化工园区安全规划多目标优化方法的研究很少【_. 规划选址类问题属于组合优化问题,是典型的NP困难(NondeterministicallyPolynomialHard)lh7题J, 此类问题的猜想解可以在多项式时间内验证,但不能在多项式时间内求解.NP困难问题的研究,就是要 寻找一个有效的算法【引.早期在解决涉及事故风险的多目标决策问题时,首先把多目标优化问题转变为 单目标优化问题,除了需要选择适宜的优化算法外,还有一个一直存在很大争议的 问题,即如何对"人 的生命价值"进行估值,因为任何估值都无法回答"生命是无价的"这个自然命题. 由于绕不开对"人 的生命价值"估值问题,因此涉及事故风险的多目标决策问题一直是不易解决的难题l4J.LUPACS项目采 用的高效优化算法能够避开这个敏感问题,不用对"人的生命价值"进行估值,可直接进行多目标的同 时优化,可惜其优化算法不得而知.优化算法是求解化工园区安全规划多目标优化问题的技术瓶颈. 目前约有20多种求解多目标优化问题的方法,根据方法的机理可分为经典多目标优化方法和多目标 进化算法【.经典多目标优化方法把多目标优化问题转化为单目标优化问题后再进行求解,如加权法,, 约束法,目标规划法和极大极小法等【】.这些方法的缺点是要求目标函数具有良好的数学性质(连续, 可微,非凹等),且运行一次只能获得一个解.近年来,多目标进化算法在解决多目标优化问题上显示出 很大的优势,其最大特点是可以让多个目标同时优化,不要求目标函数任何数学性质,运行一次就能获 得多个解J.其中Deb等提出的非劣排序遗传算法 -II(Non-dominatedsortinggeneticalgorithm-II, NSGA.II)的鲁棒性很好I"】,本文选用NSGA.II算法来求解化工园区安全规划多目标优化模型.NSGA?II 算法详细介绍见文献[13】. 双目标优化问题是多目标优化问题的基础,只要双目标优化问题能够解决,就可以方便地把优化目 标拓展到多个目标.本文应用多目标决策理论【J】研究化工园区安全规划的优化问题. 2多目标优化问题 一 般地,对于有,.个目标的多目标优化问题(统一为最小化)可描述为,HJ: min厂(,i,正….,) s.t.舒0(f=1,2,…,) (1) (2) 高校化学工程2010年lO月 0(,==l,2,…,)(3) 式中X=(Xl,X2,...为决策向量,As)为目标向量,gf(是第,个不等式约束,hj(x)~j个等式约束. 多目标优化问题的各个子目标是相互冲突的,改善一个目标必然使其他目标变差,多目标优化问题 的最优解与单目标优化问题的最优解有着本质的区别,多目标优化问题的最优解通常称为Pareto最优解. 定义:给定一个多目标优化问题minAx),称?Q是Pareto最优解,当且仅当:?Q,满足 (()=(')),或者至少存在一个?,,={l,2,…,r},使(()=(').其中Q是可行解集. 3化工园区安全规划优化模型 3.1化工园区土地利用类型 化工园区内化工企业类型较多,这些企业的潜在事故风险与其储存使用的危险化学品的危险性以及 生产工艺危险性密不可分.危险化学品具有爆炸性,燃烧性,毒性,腐蚀性等多种危险特性,化工生产 工艺过程复杂,氧化,还原,硝化,电解,聚合,催化,裂化等工艺过程的状态条件苛刻,既有高温与 高压,又有低温和真空,生产周期长,易发生火灾,爆炸,中毒,窒息,泄漏等事故.从危险品的管理 角度,可以根据它们的危险性划分为不同土地利用类型 (1anddevelopmenttypes,LDTs),如甲类易燃液体 存储用地,乙类易燃液体存储用地,易燃气体存储用地,易燃气体生产使用用地,有毒气体生产使用用 地,其他生产用地等.每一种土地利用类型危险源的事故情景,事故后果各不相同.安全规划就是要合 理布置不同类型的企业,降低整个园区的潜在事故风险. 3.2优化目标 化工园区安全规划涉及众多目标,这些目标中经济目标无疑是主要目标之一,化工园区具有潜在的 可能导致重大事故的风险,因此降低风险也是主要目标之一.本文主要讨论这两个目标的同时优化问题. 工业总产值是反映一个化工园区经济规模的重要指标,因此以工业总产值作为优化的经济目标,优 化目标为工业总产值(GrossIndustrialOutputValue,GIOV)最大化. 定量风险评价方法计算出的个人风险是一个对应于地理坐标的风险矩阵,因此不能用个人风险直接 比较不同规划方案潜在风险的高低.本文用潜在死亡人数(PotentialLossofLife,PLL) 来表征一个规划方 案的事故风险.把一个研究区域划分为?个网格,设每个网格内个人风险相等,则每个网格的潜在死亡 人数等于该网格的个人风险乘以网格中的人数,所有网格潜在死亡人数的和即为该研究区域总的潜在死 亡人数.风险的优化目标为潜在死亡人数最小化.化工园区内每个地块的潜在死亡人数包括两部分,一 部分是自身个人风险导致的潜在死亡人数,另一部分是其他地块施加到该地块的个人风险导致的潜在死 亡人数.个人风险会随着距危险源中心的距离增大而衰减,设个人风险衰减到一定远处一个微小距离增 量内个人风险相等. 3.3无约束双目标优化模型 多目标优化问题的研究一般先进行无约束优化,取得一定经验后再扩展到有约束优化,因此本文仅 讨论无约束优化情形.设化工园区有Jv个地块,两个优化目标分别为潜在总死亡人数PLL最小化,工业 总产值GIOV最大化,建立无约束双目标优化模型如下: NN/naax,., minPLL:???sj+??巩?(『).?DJL4J j=lf=landf?JI=0 maxGIOV:?N.sj (5) =1 式中PLL,GIOV分别为一个规划方案的潜在死亡人数和工业总产值,?为化工园区地块数目,珥为第 ,个地块的个人风险,鹏为第i个地块的个人风险,Df为第_,个地块的人口密度,与为第个地块的面积, cf(J『)为/R的衰减率函数,/max,为/R衰减的最远距离,S.. 为第地块中/R,衰减到处等风险的面积, G,为第,个地块的工业总产值函数. 第24卷第5期许铭等:基于NSGA-H的化工园区无约束双目标安全规划861 4实例 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 4.I概况 如图I所示,深圳某化工园区规划面积2.438km, 园区分为10个地块,南侧临江,北侧靠山,两山之间 有村庄A(11号地块),现有村民1817人,该园区是一 个外围为海洋的半岛.11个地块的面积(1ull)依次为: 23.90,33.43,22.7O,29.16,24I34,25.45,22.77, 21.53,20.07,2O.46,l4.73.当地政府拟将其规划为 图I化工园区平面图 Fig.1Planargraphofthechemicalindustrypark 仓储,化工原料加工制造的化工园区.确定每个地块的土地利用类型有7种;?甲类易燃液体存储用地; ?乙类易燃液体存储用地;?易燃气体存储用地;?易燃气体生产,使用用地:?有毒气体生产,使用 用地:?其他工业用地;?居住区用地(依次用整数1,7表示).问题是如何布置使得整个园区的潜在死 亡人数最小化,工业总产值最大化. 选取了6种工业土地利用类型常见危险物(依次为:汽油,柴油,LPG(存储),LPG(生产用),氯气, 乙二醇甲醚)进行风险和收益分析,确定的泄漏情景(LOC)有:管道小孔泄露(G1),管道全管径破裂(G2), 阀门小孔泄漏(G3),阀门中孔泄漏(G4),容器物理爆炸(G5),容器整体破裂(G6),事故后果情景(Scenarios) 有:池火(PoolFire,PF),蒸气云爆炸(VCE),闪火(FlashFire,FF),整体爆炸(WholeExplosion,WE), 沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE),有毒扩散(ToxicDiffusion,TD),居住区以商品房为对象进行分析,具 体见表1.日常管理中常把柴油按乙类易燃液体管理,因此选取柴油作为乙类易燃液体分析的对象.以 一 届政府5年任期作为规划期限,依据有关文献【及现场调研资料,计算出各类土地利用类型的有关 数据如表2所示.不同土地利用类型个人风险的衰减率拟合为随距离的平方衰减的函数,按式(6)计算: 心=/(1+c.,)(6) 式中为距第. ,种土地利用类型,,远处的个人风险,.)I『为第种土地利用类型的最大个人风险,f,为 距离第,种土地利用类型的距离,cj为第,种土地利用类型个人风险衰减的修正系数.表2中最远距离表 示超出该距离则不再考虑风险的影响. 表1土地利用类型风险分析基础数据 Table1BasicdataofriskanalysisforLD1 862高校化学工程2010年lO月 4.2染色体编码及NSGA.II算法控制参数设置 依据题意,化工园区安全规划总的规划方案有7, 问题. (1)染色体编码如图2所示.采用整数编码,1,7整 数分别代表7种土地利用类型.一条染色体共l1个基因 座,依次代表地块的编号,村庄A的人口密度小于居住 区,按居住区计算.一条染色体即表示一个规划方案. 约为2.82亿个.采用NSGA.II算法求解该优化 Blocknumber】2349】01l Chromosome 图2一条染色体的编码示意图 Fig.2Codingschematicdiagramofachromosome (2)NSGA.II算法控制参数设置.使用Matlab7.5和C++混合编程实现NSGA.II算法对该模型的无约 束优化.选择种群规模为100,使用模拟二进制交叉(SBX)算子进行交叉操作,交叉率p0.9,变量的选 择概率为0.5,使用基于参数的多项式变异算子进行变异操作,多项式概率分布指数:2O,变异率 P=0.01.为了获得较好的优化结果,在优化计算时设SBX算子的多项式概率分布指数分别为3,4, 5,每一个分别计算4次,前3次每次运行1000代,第4次运行2000代,对风险和工业总产值函数 总共评价l5O万次,然后将获得的结果汇总在一起,再按照解之间的非劣关系选择出最好的一组Pareto 最优解. 4.3优化结果 无约束优化共获得256个最优解,最优解集如图3所示.最优解集分为三部分,第一 部分只有一个 解,即风险为零的解,此时整个园区规划为居住区.第二部分只包含乙类易燃液体 存储地块和居住区地 块,从布置1个乙类易燃液体存储地块到全部布置乙类易燃液体存储地块的各种 组合,共120个规划方 案.第三部分只包含甲类易燃液体存储地块和乙类易燃液体存储地块,共l35个规 划方案.这一部分乙 类易燃液体存储地块逐渐被甲类易燃液体存储地块替代, 险增长变快. 但是相比第二部分,工业总产值增长变慢而风 这256个最优解可以分为21种类别,图4绘制了21种 类别的部分规划方案.(O)方案全部规划为居住区,此时风险 为0,工业总产值为l1.88百亿元:(1o)方案全部为乙类易燃 液体存储地块,此时(PLL=4.06~10-4,GIOV=133.480百亿元): f2O)方案全部布置甲类易燃液体存储地块,是无约束情况下风 险最小工业总产值最大的规划方案(PLL=8.18×10,, GIOV=143.220百亿元).除了第(0),(1O),(20)方案是一个规 划方案以外,其他l8种类别的每一种包含的土地利用类型和 相应的地块数量相同,每一类别绘制了两个规划方案,分别 对应最小PLL(*.1)和最大PLL(*.2)的规划方案.可以看到, 这些规划方案都符合风险控制的规律,不同类型的地块都按 Z -. = > 0 0 PLLI10-4fatalities.a- 图3无约束优化最优解集 Fig,3Optimalsolutionsofunconsuained optimization 照使风险最小化布置,同时保证了每一个风险水平上最大的工业总产值.优化结果显示,无约束情况下, 只布置甲类,乙类易燃液体存储地块,优先布置乙类易燃液体存储地块,不布置其他类型的工业用地. 第24卷第5期许铭等:基于NSGA-II的化工园区无约束双目标安全规划 一一一 一一一一 一一一一 一一一一 一一一 一,一 一一一一 一一一一 一一一一 一一[]Productionoftoxicgas圈Productionofinflammablegas团Storageofinflammablegas口Otherindustrial 口 Storageofthefirstclassinflammableliquid[]Storageofthesecondclassinflammableliquid 叨ResidentiaI 图4部分规划方案 高校化学工程2010年1O月 5结论 化工园区安全规划是一个复杂的多目标决策问题,降低潜在事故风险,保证较高的经济收益是化工 园区安全规划的两个主要目标,选用适宜的优化算法是解决此类问题的技术瓶颈,应用多目标优化领域 的最新方法来研究此类问题具有广阔的前景.本文应用多目标决策的理论方法,以潜在死亡人数最小化, 工业总产值最大化为优化目标,建立了化工园区土地利用安全规划无约束双目标优化模型,选用 NSGA.II算法求解了该模型,得出如下结论: (1)建立的化工园区安全规划无约束双目标优化模型是可行的. (2)采用的NSGA-II算法是有效的优化算法. (3)无约束情况下,示例中的化工园区只布置甲类,乙类易燃液体存储地块,优先布置乙类易燃液 体存储地块,不布置其他类型的工业用地. 参考文献: 【1】WEILi-jun(魏利军),DUOYing—quan(多英全),YULi~ian(于立见)eta1.Researchonthemethodandprocedureofsafetyplanning forchemicalindustryparks(化工园区安全规划方法与程序研究)【ChinaSafetyScienceJournal(中国安全科学),2007, l7(9):45?51. 【2】wuZong-zhi(吴宗之).Studyoninherentsafetybasedindustrialaccidentriskmanagementmethod(基于本质安全的工业事故风险 管理方法研究)【J】.EngineeringSeience(q~国工程科学),2007,9(5):46-49. 【3】WEILi-jun(~1]军),DUOYing-quan(多英全),YULidian(于立见)eta1.Probeintothemaincontentofsafetyplanningfor chemicalindustrypark(化工园区安全规划主要内容探 讨)[J】.JournalofSafetyScienceandTechnology(~国安全生产科学技 术),2007,3(5):16-19. 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