專利名稱：:針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法，屬于核危害控制領域。
背景技術：
：自切爾諾貝利核事故以來，核事故的災害性給世人打下了深深的烙印。當前，世界并不太平，核威脅依然存在，尤其是多次引起世人關注的朝核危機，對我國國家安全和人民健康構成了潛在的危害。核設施一旦遭到襲擊，將會造成嚴重的后果。我國作為核工業(yè)大國，同時以朝鮮為代表的周邊國家大力發(fā)展核工業(yè)，潛在的核危害引起了國家及社會各界高度重視。因此，對核事故危害的防范與控制技術研究，具有重要的戰(zhàn)略意義。核事故危害的防范與控制主要包括對核事故進行應急處置和對潛在風險進行防控。為了科學實施核事故危害的防范與控制，必須首先進行核事故危害預測，然后基于預測結果和干預水平進行預警，并根據(jù)預警信息進行應急響應，實施干預措施，達到避免或減輕輻射后果的目標，同時使核事故損失和行動代價最小。目前，我國對核事故預測預警與控制技術，均采用準靜力模式，通過實時氣象觀測數(shù)據(jù)作為基礎條件模擬風場，在此基礎上進行擴散模擬。這種方法較為成熟，但突出的問題在于準靜力模式不能進行真正意義上的預報，尤其對非靜力因素和復雜的熱力過程難以考慮，模擬預報結果與實際情況往往存在很大的差異，而且為了利用實時觀測數(shù)據(jù)作為初始場，追求模擬的時效性，造成分辨率較低，再次犧牲模擬的準確性，因此實際應用中很難滿足實際需要。我國核電站絕大多數(shù)建設在海邊或者山區(qū)，氣象場受復雜的動力和熱力過程控制，應用現(xiàn)有準靜力模式的模擬結果指導應急處置難免出現(xiàn)較大偏差。在事故應急處置中，應急力量投入過大，勢必增加應急行動代價，若應急力量投入過小，又難以到達干預目標。核事故危害預測預警時效性與準確性的矛盾和事故應急干預效果與行動代價的矛盾是本領域內的兩大技術難題。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是提出一種針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法，解決核事故危害預測預警時效性與準確性的矛盾和事故應急干預效果與行動代價的矛盾。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的?！N針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法，其步驟如下步驟一、根據(jù)核事故的位置，監(jiān)測核事故源強，并確定核事故模擬范圍。步驟二、根據(jù)步驟一得到的核事故模擬范圍，獲得核事故模擬范圍的風場、湍流量的預報結果。步驟三、根據(jù)步驟一得到的核化事故模擬范圍，獲得核化事故模擬范圍的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)。步驟四、將步驟二的風場、湍流量的預報結果與步驟三獲得的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)進行同化。步驟五、對核危害進行擴散模擬應用擴散模式，調用步驟一獲得的事故源監(jiān)測結果、步驟四獲得的氣象場以及核素數(shù)據(jù)庫，對核危害進行擴散模擬，得到核事故劑量場的時空分布。步驟六、獲得核事故預警信息根據(jù)步驟五的核危害擴散模擬結果，指導對保護目標的應急監(jiān)測，并將應急監(jiān)測結果和擴散模擬結果進行綜合分析，得出核事故的撤離范圍、服碘范圍、隱蔽范圍、撤離縱深、服碘縱深、隱蔽縱深、撤離面積、服碘面積、隱蔽面積、危害開始時間和危害持續(xù)時間等應急的關鍵技術數(shù)據(jù)。步驟七、制定核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案在步驟六對核事故后果進行預測的基礎上，制定針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案。其具體操作步驟如下第1步建立針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型核事故造成的經濟損失可分為兩個方面①核事故本身造成的損失，如因放射性物質沾染嚴重，這些地方不適應人類居住，這會造成直接的經濟或財產損失；②應對核事故時的應急行動代價造成的財產損失。兩方面的損失數(shù)學描述如公式1和公式2所示N2N3N4KAc(P,C,Μ,Τ,Ο)=^tiPi+JjTiEql+Σ^+Σ^+Σ^(1)/=1/=1=1/=1/=1其中，Pi為第i支應急分隊單位時間的成本，1彡iSNnN1為大于等于1的正整數(shù)；ti為第i支應急分隊出動人員的時間；Eqi表示第i類裝備單位時間的成本，1^i^N25N2為大于等于1的正整數(shù)；τi為第i類裝備使用的時間諷表示第i類應急消耗物質的價值，1彡i彡N3,N3為大于等于1的正整數(shù)Ji表示第i種應急通訊設備的運營成本，1^i^N4,N4為大于等于1的正整數(shù)；Ok指除前面4種行動代價之外的應急費用，1<i(K，K為大于等于1的正整數(shù);AC(P,C，Μ,Τ,0)為行動代價。NNM-NB1{s,λ,η,Bd,Pd,En)=ISjAjBd(j)+ΣΣ仏尺(人幻+ΣsiEnJ(2)/=1/=1k=li=/其中，Bd(j)為被污染的第j個區(qū)域財產聚集度，1彡j彡N，N為大于等于1的正整數(shù)；λ」為被污染的第j個區(qū)域內財產的損失系數(shù)；Sj為被污染的第j個區(qū)域的面積；Pd(j，k)為被污染的第j個區(qū)域遭受到第k級危害的人數(shù)；nk為每個k級危害的人員需要賠償?shù)馁M用(包括醫(yī)療費、撫恤金、精神賠償金等)；Enj被污染的第j個區(qū)域內單位面積的生態(tài)環(huán)境損失^Js,λ,η,Bd,Pd,En)為核事故對第j個區(qū)域內造成的財產損失。因此，核事故總損失的目標函數(shù)J為J=Ac(P，C，M，T，0)+B1(s，λ，n,Bd,Pd,En)(3)當所控制的區(qū)域內最后劑量達到某一閾值Cl^l時，核事故總損失的目標函數(shù)J達到最小的優(yōu)化控制模型為minj=min(Ac(P，C，Μ,Τ,0)+B1(s,λ，η,Bd,Pd,En))(4)s.t.d(Xj,Yj,Zj)彡dJ0,j=1，2，.··，N其中，/為第i個區(qū)域的橫坐標…為第i個區(qū)域的縱坐標&為第i個區(qū)域垂直坐標。采用罰函數(shù)法構造針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型J續(xù)=MP,C,Μ,τ,O)+B1(s,；I，η,Bd,Pd,En)+yf]w[d{xj^yj)-dJ0](5)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，Y、β為函數(shù)系數(shù)；ρ為函數(shù)變量；Y、β的取值可根據(jù)實際情況進行調整。第2步應用伴隨方法求解針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型，獲得最優(yōu)的核事故應急優(yōu)化控制方案。步驟八、將步驟七獲得的最優(yōu)的核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案提供給指揮者進行決策。有益效果①本發(fā)明應用風場、湍流量的預報結果與氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)進行同化后的氣象場對核危害進行擴散模擬，提高了擴散模擬的精度；②采用罰函數(shù)法構造針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型并應用伴隨方法求解針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型，獲得最優(yōu)的核事故應急優(yōu)化控制方案，解決了事故應急干預效果與行動代價的矛盾，將最優(yōu)控制問題的求解效率提高了兩個數(shù)量級以上。具體實施方式下面結合實施例對本發(fā)明做進一步說明。一種針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法，其步驟如下步驟一、根據(jù)核事故的位置，監(jiān)測核事故源強，并確定核事故模擬范圍；步驟二、根據(jù)步驟一得到的核事故模擬范圍，獲得核事故模擬范圍的風場、湍流量的預報結果；其具體操作步驟如下第1步應用全球尺度的背景場，作為氣象預報模式初始場，調用核事故模擬范圍的GIS數(shù)據(jù)作為邊界條件，通過多層網格嵌套，滾動并行計算，預報未來數(shù)十小時內(根據(jù)實際情況確定)核事故模擬范圍的氣象場，包括風場、湍流量、溫度場、氣壓場等；第2步將第1步得到的尺度大的模式預報結果作為初步結果，應用分辨率高的數(shù)值模式進行精確的預報，得出核事故模擬范圍的風場、湍流量的預報結果。步驟三、根據(jù)步驟一得到的核化事故模擬范圍，獲得核化事故模擬范圍的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)。步驟四、將步驟二的風場、湍流量的預報結果與步驟三獲得的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)進行同化。步驟五、對核危害進行擴散模擬應用擴散模式，調用步驟一獲得的事故源監(jiān)測結果、步驟四獲得的氣象場以及核素數(shù)據(jù)庫，對核危害進行擴散模擬，得到核事故劑量場的時空分布；其具體操作步驟如下第1步以事故地點為中心，設置擴散模擬區(qū)域的范圍，通過數(shù)據(jù)轉換引擎模塊將該經緯度轉換為擴散模擬區(qū)域內相應的平面直角坐標；[0050]第2步設置事故的功率、反應堆的類型、人員隱蔽狀況、堆芯釋放特性參數(shù)；第3步調用步驟四中獲得的風場和湍流量，計算源強的大小，然后利用隨機行走模式計算放射性煙羽的擴散過程，調用劑量計算模式，分別計算煙羽外照射、吸入內照射、地面沉積外照射，得出重水反應堆或輕水反應堆核素對人員的危害狀況。步驟六、獲得核事故預警信息根據(jù)步驟五的核危害擴散模擬結果，指導對保護目標的應急監(jiān)測，并將應急監(jiān)測結果和擴散模擬結果進行數(shù)據(jù)同化，得出核事故的撤離范圍、服碘范圍、隱蔽范圍、撤離縱深、服碘縱深、隱蔽縱深、撤離面積、服碘面積、隱蔽面積、危害開始時間和危害持續(xù)時間等應急的關鍵技術數(shù)據(jù)。步驟七、制定核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案在步驟六對核事故后果進行預測的基礎上，制定針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案。其具體操作步驟如下第1步建立針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型，如公式5所示；第2步應用伴隨方法求解針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型，獲得最優(yōu)的核事故應急優(yōu)化控制方案。步驟八、將步驟七獲得的最優(yōu)的核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案提供給指揮者進行決策。權利要求一種針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法，其特征在于其具體步驟如下步驟一、根據(jù)核事故的位置，監(jiān)測核事故源強，并確定核事故模擬范圍；步驟二、根據(jù)步驟一得到的核事故模擬范圍，獲得核事故模擬范圍的風場、湍流量的預報結果；步驟三、根據(jù)步驟一得到的核化事故模擬范圍，獲得核化事故模擬范圍的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)；步驟四、將步驟二的風場、湍流量的預報結果與步驟三獲得的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)進行同化；步驟五、對核危害進行擴散模擬應用擴散模式，調用步驟一獲得的事故源監(jiān)測結果、步驟四獲得的氣象場以及核素數(shù)據(jù)庫，對核危害進行擴散模擬，得到核事故劑量場的時空分布；步驟六、獲得核事故預警信息根據(jù)步驟五的核危害擴散模擬結果，指導對保護目標的應急監(jiān)測，并將應急監(jiān)測結果和擴散模擬結果進行綜合分析，得出核事故的撤離范圍、服碘范圍、隱蔽范圍、撤離縱深、服碘縱深、隱蔽縱深、撤離面積、服碘面積、隱蔽面積、危害開始時間和危害持續(xù)時間等應急的關鍵技術數(shù)據(jù)；步驟七、制定核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案在步驟六對核事故后果進行預測的基礎上，制定針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案；其具體操作步驟如下第1步建立針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型核事故造成的經濟損失可分為兩個方面①核事故本身造成的損失，如因放射性物質沾染嚴重，這些地方不適應人類居住，這會造成直接的經濟或財產損失；②應對核事故時的應急行動代價造成的財產損失；兩方面的損失數(shù)學描述如公式1和公式2所示<mrow><msub><mi>A</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>,</mo><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>M</mi><mo>,</mo><mi>T</mi><mo>,</mo><mi>O</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>N</mi><mn>1</mn></msub></munderover><msub><mi>t</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>P</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>N</mi><mn>2</mn></msub></munderover><msub><mi>&tau;</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>Eq</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>N</mi><mn>3</mn></msub></munderover><msub><mi>M</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><msub><mi>N</mi><mn>4</mn></msub></munderover><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>K</mi></munderover><msub><mi>O</mi><mi>k</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中，Pi為第i支應急分隊單位時間的成本，1≤i≤N1，N1為大于等于1的正整數(shù)；ti為第i支應急分隊出動人員的時間；Eqi表示第i類裝備單位時間的成本，1≤i≤N2，N2為大于等于1的正整數(shù)；τi為第i類裝備使用的時間；Mi表示第i類應急消耗物質的價值，1≤i≤N3，N3為大于等于1的正整數(shù)；Ti表示第i種應急通訊設備的運營成本，1≤i≤N4，N4為大于等于1的正整數(shù)；Ok指除前面4種行動代價之外的應急費用，1≤i≤K，K為大于等于1的正整數(shù)；Ac(P，C，M，T，O)為行動代價；<mrow><msub><mi>B</mi><mi>l</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>&lambda;</mi><mo>,</mo><mi>&eta;</mi><mo>,</mo><msub><mi>B</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><mi>En</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>s</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>&lambda;</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>B</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><msub><mi>&eta;</mi><mi>k</mi></msub><msub><mi>P</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>,</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>s</mi><mi>j</mi></msub><msub><mi>En</mi><mi>j</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>其中，Bd(j)為被污染的第j個區(qū)域財產聚集度，1≤j≤N，N為大于等于1的正整數(shù)；λj為被污染的第j個區(qū)域內財產的損失系數(shù)；sj為被污染的第j個區(qū)域的面積；Pd(j，k)為被污染的第j個區(qū)域遭受到第k級危害的人數(shù)；ηk為每個k級危害的人員需要賠償?shù)馁M用(包括醫(yī)療費、撫恤金、精神賠償金等)；Enj被污染的第j個區(qū)域內單位面積的生態(tài)環(huán)境損失；Bl(s，λ，η，Bd，Pd，En)為核事故對第j個區(qū)域內造成的財產損失；因此，核事故總損失的目標函數(shù)J為J＝Ac(P，C，M，T，O)+Bl(s，λ，η，Bd，Pd，En)(3)當所控制的區(qū)域內最后劑量達到某一閾值dj0時，核事故總損失的目標函數(shù)J達到最小的優(yōu)化控制模型為minJ＝min(Ac(P，C，M，T，O)+Bl(s，λ，η，Bd，Pd，En))(4)s.t.d(xj，yj，zj)≤dj0，j＝1，2，...，N其中，xj為第i個區(qū)域的橫坐標；yj為第i個區(qū)域的縱坐標；zj為第i個區(qū)域垂直坐標；采用罰函數(shù)法構造針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型<mrow><msub><mi>J</mi><mi>new</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mi>c</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>P</mi><mo>,</mo><mi>C</mi><mo>,</mo><mi>M</mi><mo>,</mo><mi>T</mi><mo>,</mo><mi>O</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>B</mi><mi>l</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>,</mo><mi>&lambda;</mi><mo>,</mo><mi>&eta;</mi><mo>,</mo><msub><mi>B</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><msub><mi>P</mi><mi>d</mi></msub><mo>,</mo><mi>En</mi><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>&gamma;</mi><munderover><mi>&Sigma;</mi><mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mi>w</mi><mo>[</mo><mi>d</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>x</mi><mi>j</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>y</mi><mi>j</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>d</mi><mrow><mi>j</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>w</mi><mrow><mo>(</mo><mi>p</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msup><mi>p</mi><mn>2</mn></msup></mtd><mtd><mi>p</mi><mo>&GreaterEqual;</mo><mn>0</mn></mtd></mtr><mtr><mtd><msup><mi>p</mi><mn>2</mn></msup><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mo>-</mo><msup><mi>p</mi><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mi>&beta;</mi><mo>)</mo></mrow></mtd><mtd><mi>p</mi><mo>&lt;</mo><mn>0</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>其中，γ、β為函數(shù)系數(shù)；p為函數(shù)變量；γ、β的取值可根據(jù)實際情況進行調整；第2步應用伴隨方法求解針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制模型，獲得最優(yōu)的核事故應急優(yōu)化控制方案；步驟八、將步驟七獲得的最優(yōu)的核事故應急優(yōu)化控制方案提供給指揮者進行決策。專利摘要本發(fā)明涉及一種針對核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方法，屬于核危害控制領域。其步驟為①確定核事故模擬范圍；②獲得核事故模擬范圍的風場、湍流量的預報結果；③獲得核化事故模擬范圍的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)；④將步驟②的風場、湍流量的預報結果與步驟③獲得的氣象觀測網實時觀測的數(shù)據(jù)進行同化；⑤對核危害進行擴散模擬；⑥獲得核事故預警信息；⑦制定核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案；⑧將最優(yōu)的核事故損失及應急行動代價的優(yōu)化控制方案提供給指揮者進行決策。本發(fā)明提高了擴散模擬的精度并且解決了事故應急干預效果與行動代價的矛盾，將最優(yōu)控制問題的求解效率提高了兩個數(shù)量級以上。文檔編號G21D3/00GKCN101834001SQ201010146871公開日2010年9月15日申請日期2010年4月12日發(fā)明者劉峰,王永紅,符天保,趙遠,鄭啟燕,黃順祥申請人:中國人民解放軍防化指揮工程學院導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan