陶 鋼，任保祥，聞 鵬，龐春橋，王小峰

(南京理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 南京 210094)

無論是戰(zhàn)場的彈藥堆放，還是彈藥庫，包括各類環(huán)境，如開放區(qū)域、掩土覆蓋的軍火庫、磚體結(jié)構(gòu)、金屬建筑物、山洞及磚瓦結(jié)構(gòu)、混凝土建筑物、增強飛機庫和集裝箱等，都需要進行科學(xué)的安全評估，并用于指導(dǎo)實踐。有關(guān)這些內(nèi)容的評估方法，一直是國內(nèi)外研究人員關(guān)注的內(nèi)容。目前最科學(xué)和完整的內(nèi)容是美國的DoD 6055.00-STD等標準，它們提供了科學(xué)的評估方法[1]。本文以此為依據(jù)，編制了實用的評估軟件，可以評估不同環(huán)境下炸藥爆炸威力和作用效應(yīng)，可用于彈藥堆放及存儲安全性評估，各種特殊環(huán)境下的毀傷效應(yīng)，并指導(dǎo)各種結(jié)構(gòu)設(shè)計。程序可根據(jù)實際彈藥的TNT當(dāng)量折算出各類炸藥的毀傷效應(yīng)，開發(fā)的軟件界面友好、使用方便、信息全面。

軟件編寫的目的是以軍用炸藥和彈藥存儲和使用安全性分析和標準為基礎(chǔ)，建立基本邏輯和算法，用于炸藥危險安全性評估軟件SAFER。

該方法適用于以危險為基礎(chǔ)的炸藥安全分析，對典型武器和彈藥的安全性作出評估。

定量—距離(QD)標準作為主要方法用于設(shè)備的安全選點。QD標準只考慮炸藥量，危險區(qū)分(HD)和設(shè)備類型，以決定安全分離距離。通過在安全分析中考慮其他因素，包括活動類型、人數(shù)、建筑構(gòu)造和環(huán)境來評估操作的全部危險。最早國防部爆炸物安全委員會(DDESB)開始研究開發(fā)以爆炸物危險性為基礎(chǔ)的彈藥安全分析方法[2,3]。1997年，DDESB以危險性為基礎(chǔ)的爆炸物安全標準團隊(RBESCT)開發(fā)這種方法，最終開發(fā)出SAFER工具[4]。1999年，DDESB批準SAFER用于國防部(DoD)以試驗為基礎(chǔ)的安全分析方法[5]。2000年5月，RBESCT推出SAFER1.0版。該軟件為專業(yè)安全人員評估以彈藥危險為基礎(chǔ)的分析。在SAFER 1.0版的開發(fā)期間，得到各種試驗驗證的改進，RBESCT不斷開發(fā)后續(xù)版本。2002年5月發(fā)行SAFER2.0版，2004年12月給出擴展的試驗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，隨后以新試驗結(jié)果給予補充，直到以危險為基礎(chǔ)的炸藥地點標準補充到國防部標準(DoD 6055.00-STD)時為止。2007年5月22日推出SAFER 3.0版。

1 軟件系統(tǒng)

程序設(shè)計是采用面向?qū)ο蟮腣isual C#2008語言編制，可以生成可視化精彩的，多媒體內(nèi)容豐富的界面，可以從Web程序中操縱數(shù)據(jù)庫，并將其顯示在Web頁面上；采用了微軟的新框架，集成了GUI，圖形及多媒體功能，程序易于創(chuàng)建，便于使用。作者從過程系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，對復(fù)雜的爆炸生物創(chuàng)傷評估系統(tǒng)進行了模塊化分解，對各類爆炸生物創(chuàng)傷評估，建立了相互獨立、物理意義明確的模塊，既能夠化繁為簡，又便于不同系統(tǒng)之間的調(diào)用，并且可根據(jù)需要擴展新的模塊，以適應(yīng)不斷發(fā)展的爆炸生物創(chuàng)傷評估需要。

1.1 軟件結(jié)構(gòu)

評估軟件主要由計算程序與用戶界面組成。評估計算程序主要包含了26個子程序，分為6個功能組：場景定義、壓力和沖量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)、碎片、熱和聚合求和危險評估。其中情景定義是各功能組的評估基礎(chǔ)，通過結(jié)構(gòu)定義、暴露和炸藥質(zhì)量等基本參數(shù)得到后續(xù)評估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；超壓值、沖量等參數(shù)。其他功能組均以情景定義得到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)條件，并根據(jù)具體的需要進行修正，計算得到不同類別的產(chǎn)生危險的結(jié)果。最后通過聚合求和功能組對各個功能組產(chǎn)生的危險進行聚合計算，評估整體的不確定性。軟件組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過對計算流程的控制，實現(xiàn)目標或爆炸生物創(chuàng)傷概率的評估計算。

圖1 軟件組成結(jié)構(gòu)

計算程序中的各個模塊是相互獨立的，這就使得軟件具有較強的擴展性，可以根據(jù)在以后的開發(fā)中的需要，繼續(xù)添加爆炸對其他生物組織的創(chuàng)傷評估模塊，例如肝臟、脾及腸胃道等創(chuàng)傷評估模塊。在以后的工作中，對各類炸藥進行試驗測試，并將實驗數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式集合起來，方便用戶訪問與操縱數(shù)據(jù)，從而使得程序在爆炸生物創(chuàng)傷評估的范圍得到拓展，具有很好的開放性。軟件的界面是基于視窗演示基礎(chǔ)設(shè)計的，集成了圖形用戶界面、圖形以及多媒體功能，使程序得到了直觀的外觀，使得用戶更快地適應(yīng)軟件操作，因此用戶界面非常友好。本軟件針對爆炸的危險程度進行分析評估，可應(yīng)用于軍事行動、工業(yè)事故及恐怖襲擊事件中爆炸的創(chuàng)傷評估。

1.2 模塊結(jié)構(gòu)與功能

爆炸事件的危險性通過可能性、后果和暴露的乘積來表達，SAFER通過計算三者的乘積來估算每年的死亡概率Pf，表示如下：

Risk=Pf=Pe*Pf|e*Ep

(1)

軟件通過26個步驟估算每年的死亡概率。軟件的架構(gòu)安排見圖1。下面對軟件的部分功能進行介紹。

1.2.1第1組:場景定義，事件和暴露分析

圖1中的步驟1～4為軟件初始條件功能組：情景定義，事件和暴露分析，包括用戶輸入，描述現(xiàn)場(PES和ES)并計算Pe，暴露和炸藥量。這些步驟的功能為使用者輸入描述重要情景的數(shù)據(jù)，有關(guān)PES(潛在爆炸位置)和ES(暴露位置)的細節(jié)。此外，這些步驟可以進行潛在爆炸地場(PES)發(fā)生概率分析Pe(事件概率)和一個人每年度暴露到一個特定PES的時間，即危險方程式(1)的第一和第三項。最后，第4步計算將用于后續(xù)步驟的爆炸量。第1功能組界面如圖2所示。

圖2 第1功能組界面

第1步：輸入炸藥數(shù)據(jù)

第1步詢問使用者，開始定義被分析的情形所需要的數(shù)據(jù)。

軟件讓使用者做下列輸入：

?位于凈炸藥重量QD(NEWQD)(磅)： (QD—量-距離，NEWQD—凈炸藥重量對于定量距離)；

?預(yù)期NEWQD(磅)；

?炸藥的危險區(qū)分(HD-Hazard Division)；

?武器類型或描述。

表1為武器描述，給出SAFER考慮的武器類型。表現(xiàn)了危險區(qū)分(HD)的武器，并提供了武器的簡短描述。

第2步：輸入PES數(shù)據(jù)，Pe數(shù)據(jù)和計算Pe

第2步包括2個步驟：① 使用者輸入用于定義情景所需要的PES數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)包括建筑物種類和建筑物類型。② 軟件得到事件的概率Pe。

PES建筑物種類作為后續(xù)步驟的輸入使用。軟件考慮的建筑物種類由RBESCT選擇，代表了大多數(shù)在DoD中包含炸藥的設(shè)施?？紤]的建筑物種類包括:

?開放的；

?操作建筑物(混凝土)；

?土地復(fù)蓋的軍火庫(ECM)；

?堅硬的飛機庫(HAS)；

?地上磚塊結(jié)構(gòu)(AGBS)；

?船；

?預(yù)先設(shè)計的金屬建筑物(PEMB)；

?國際標準組織(ISO)集裝箱；

?山洞泥土磚瓦。

PES建筑物類型用來為特定的建筑物種類區(qū)別大小和工程類型。軟件考慮的建筑物類型見表2。

表1 武器描述

表2 PES建筑物種類和類型

基于活動類型、兼容群和環(huán)境因素，軟件確定了圖3顯示的Pe數(shù)據(jù)表。根據(jù)對情形中的每個PES確定Pe。

為了使用在圖3顯示的Pe數(shù)據(jù)表，活動類型和儲藏CG用來確定未依比例的Pe。未依比例決定的Pe然后被可適用環(huán)境因素調(diào)整，得到最后的Pe。注意：在不依比例決定的Pe和環(huán)境因素中，潛在的變化在不確定模型中提出。

圖3 Pe數(shù)據(jù)

該數(shù)據(jù)表用于估算每個PES年炸藥事件的概率。

第3步：輸入ES數(shù)據(jù)，暴露數(shù)據(jù)和計算暴露

使用者進一步定義情形需要的數(shù)據(jù)，定義情景需要的ES數(shù)據(jù)包括：建筑物類型、屋頂類型、玻璃類型、在ES上的玻璃百分比、ES的地板面積以及PES到ES的方位。

軟件考慮的ES玻璃類型包括：退火、雙重雜色拼做的和回火的。在ES的所有外部墻壁上識別的玻璃百分比(總玻璃面積/總墻壁面積)GP可接受值的范圍是0%～99%。如果ES是一輛車輛，軟件假設(shè)沒有飛濺的玻璃危險，而且設(shè)定玻璃百分比為0%。使用者還需要輸入使用的ES的地面面積(m2)。如果PES建筑物種類是土復(fù)蓋的軍火庫(ECM)或堅硬的飛機庫(HAS)，軟件使用者需要描述PES相對ES的方位。軟件考慮的有效方位選擇包括:正面、側(cè)面以及后面。

1.2.2第2組:壓力和沖量分量

圖1中的步驟5～8為軟件的第2功能組，該部分決定了壓力和沖量傷亡機制的效果。壓力和沖量的值以簡化Kingery-Bulmash半球形的TNT方程為基礎(chǔ)。在有PES的結(jié)構(gòu)下，軟件會對PES外面的壓力P′和沖量I′進行修正。為了完成必需的計算，軟件使用相同的對數(shù)作為爆炸效應(yīng)計算，確定一項有效重量。如果沒有PES結(jié)構(gòu)(也就是開放的)，或者如果選擇的PES是預(yù)先設(shè)計的金屬建筑物或洞形泥土磚瓦建筑物，則不需要調(diào)整。同理，軟件對有ES的情況也會進行最后壓力P″和最后沖量I″的修正。軟件由壓力和沖量的效應(yīng)考慮了人的易損性，它是肺破裂、整個身體位移或頭蓋骨破碎的函數(shù)(或3個的組合)。這些函數(shù)確定了傷亡概率為入射壓力和沖量、周圍大氣壓力和假設(shè)的人體質(zhì)量的函數(shù)。根據(jù)得到的壓力和沖量分量，通過確定傷亡概率Pf(o)，最大創(chuàng)傷概率Pmaji(o)和最小創(chuàng)傷概率Pmini(o)，軟件得到3個結(jié)果：肺破裂、整個的身體位移和頭蓋骨破碎。軟件界面如圖4所示。

圖4 壓力、沖量與損傷界面

軟件的其他部分可以對爆炸中存在的建筑物倒塌、破損，飛濺碎片的多種類型的致亡機制，過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)的傷亡機制進行計算評估，最后聚合總量級和所有致亡機制的危險，計算所需的危險程度，并評估整體的不確定性。

2 軟件的使用

本軟件具有友好的用戶界面，用戶界面以登錄系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、結(jié)果顯示與查詢系統(tǒng)為主控模塊，實現(xiàn)便利的人機對話，軟件的用戶登錄界面如圖5所示。在Windows系統(tǒng)平臺上運行此程序后，進入登入系統(tǒng)，用戶輸入正確的用戶名與密碼，程序?qū)詣犹街黧w界面，可以根據(jù)菜單查看軟件的幫助說明，能夠迅速地熟悉軟件的功能及計算流程?？筛鶕?jù)菜單或使用快捷鍵選擇爆炸環(huán)境，進入評估界面，輸入炸藥重量、武器類別，選擇PES結(jié)構(gòu)類型和ES數(shù)據(jù)等基本參數(shù)后，即可得到評估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)壓力P和沖量I。根據(jù)不同模塊的功能評估結(jié)構(gòu)響應(yīng)、碎片和熱分支造成的創(chuàng)傷程度，進而進行聚合計算得到整體的危險評估。

圖5 用戶登錄界面

3 結(jié)論

軟件具有以下特點：

1) 本軟件是基于Windows環(huán)境并采用是面向?qū)ο蟮腣isual C#語言編制，使得程序具有友好的界面和使用靈活性；

2) 軟件進行模塊化分析，建立的模塊通用性強，系統(tǒng)可重復(fù)使用相同模塊，而且在原有模塊的基礎(chǔ)上可創(chuàng)建新的模塊，具有好的可擴展性，適應(yīng)于不斷發(fā)展的、越來越復(fù)雜的爆炸威力、目標結(jié)構(gòu)和爆炸生物創(chuàng)傷評估的需要，為其進一步開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)；

3) 在本軟件的基礎(chǔ)上，有利于評估各類爆炸事件中分類選擇，爆炸物存儲的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并為研究爆炸防護結(jié)構(gòu)提供參考。