第七讲 计算机在安全工程领域中的应用与发展

　　《计算机在安全工程领域中的应用》是一门在安全工程领域普及应用计算机的基础知识课程，该课程简明介绍了可在安全工程领域应用的较先进的计算机算法、模型、软件和硬件等内容。随着电子信息技术的日趋发展完善，计算机已经渗入到各行各业之中。在安全工程学科领域，计算机正以其独特的优势，已经与安全管理、安全评价、风险分析预测等学科与方法广泛结合，并且推动了安全工程科学发展的进程。

课程的学科结构

　　《计算机在安全工程领域中的应用》是一门面向安全工程领域本科生的课程。该课程从安全技术与管理方面入手，运用案例教学、操作模拟实际工程项目等方法，简明介绍可在安全工程领域应用的较先进的计算机软件和硬件。同时，课程从工程项目实用角度出发，注重理论与实际相结合，通过真实的工程项目案例，使用课程中介绍的在安全工程领域应用中较为先进的软件，来模拟预测灾害危险性，培养学生解决实际问题的综合技能。

　　该课程主要介绍火灾模拟软件FDS、统计分析软件SPSS、地理信息系统GIS、虚拟现实系统VR、决策支持系统DSS。

课程对安监管理工作的指导作用

　　安全监督和管理是生产安全的重要保证，一些模拟软件如FDS、FLUENT、FLACS等，随着其模型算法的进一步完善，可作为一种研究工具，为安监管理提供技术支持。这些软件已开始解决消防中的实际火灾问题、烟气模拟过程、气体泄漏扩散及爆炸方面的模拟与应用。计算机对于灾害场景、复杂场景、实验不易模拟的场景的火灾模拟，具有更加明显的优势，可清晰直观地展现火灾场景，进行危险性判断;可对灾害过程进行模拟、对灾害后果进行判断，可为管理者、决策者提供技术支持，可从海量数据中提取高质量的信息，辅助决策者更快速、准确地作出科学决策。

课程应学习掌握的重点

　　安全管理人员在学习时应有所取舍，通过学习该课程，可了解目前在安全工程领域中所使用的主流软件，了解各自特点及应用范围。在不同的工作领域可根据需要及具体情况，对课程中介绍的某一软件进行深入的、有针对性的学习。

　　学习中应对课程中所介绍的软件有一个基本的掌握。火灾模拟软件FDS中，需掌握建立FDS的网格划分、设置系统参数、模型的建立和燃烧的描述、拉格朗日粒子PART参数组、设置水喷淋和探测器，可进行算例模拟。统计分析软件SPSS中，掌握统计描述、方差分析、相关分析、回归分析、因子分析等基本操作。地理信息系统GIS中，掌握ArcGIS的基本操作、SuperMap的基本操作。对于虚拟现实系统VR、决策支持系统DSS，也应有一个初步的认识和了解。

计算机的国际发展趋势

　　在国外，美国凭借其领先的软、硬件开发和研制的优势，在工业安全管理及数据库技术应用方面一直处于先进的地位;德国、意大利、日本等国也取得了较好的成果。在国内，安全工程领域也已经与计算机技术紧密结合，如“国际劳工局安全信息(知识)数据库及软件系统”“葛洲坝安全管理可视化系统”“国家公共安全应急平台体系”等。概括起来，计算机技术在安全科学领域中的应用主要有：安全信息数据库管理、安全分析与决策。后者主要是利用计算机准确及高速度的科学计算功能，进行安全分析、事故诊断、安全决策等任务。如建筑火灾模拟软件FDS、统计分析软件SPSS、决策支持系统DSS、地理信息系统GIS等。

　　SPSS软件在重大灾害事故分析研究中，在对灾害数据的处理阶段，可发挥强大的统计分析功能。社会学统计软件包SPSS(Statistical Package for the Social Science)是世界著名的统计分析软件之一，其强大的统计分析与数据准备功能，方便的图表展示功能可对数据进行分析处理。在使用事件树、故障树对事故进行系统可靠性分析时，也有软件可帮助用户方便灵活地添加顶上事件、基本事件、逻辑门等图形符号，建立事件树、故障树，并对其进行定量分析，给出分析结果。计算机对于复杂场景、实验不易模拟的场景的火灾模拟具有更加明显的优势。火灾模拟软件FDS的源代码是开放的，使用者可免费下载，根据自己的需要修改源代码，使软件具有更强的针对性。FDS的易用性强，对输入参数的要求相对简单，对计算资源要求较低，模拟结果可方便地实现可视化输出。该软件通过流体力学模型、燃烧模型、辐射传播模型、边界条件、固相模型和装置、喷雾模型这6大特点，发挥其强大的模拟计算功能，通过数值方法求解Navier-Stokes方程来分析灾害动态过程。此类软件工具因为有着良好的技术文献的支持及后来人的不断完善，可靠性越来越高，应用范围也越来越广。FDS已成为目前火灾风险评估领域应用最广泛的场模拟软件。火灾场景的模拟是为实验的设计、相关参数的设定等提供必要的支持，更有针对性地进行实验，以达到更好的实验效果。

　　对于烟气等流体的模拟过程，可使用FLUENT商业软件。FLUENT软件是目前市场上最流行的CFD软件，用来模拟从不可压缩到可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转捩与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流等方面有着广泛的应用。

　　对于气体泄漏扩散及爆炸方面的模拟及应用，可采用泄漏爆炸软件FLACS进行。由于许多海上与陆地工厂的几何复杂性，气体爆炸行为的复杂性需要通过运行详细的CFD分析，使用FLACS才能精确评估。FLACS可进行包括风冷指数分析的通风研究、扩散分析、最危险状况爆炸分析、爆炸概率分析、冲击波传播、连锁事故的潜在可能性、优化布局设计减压、气体检测系统优化、爆炸响应分析。

　　在对重大灾害应急救援、资源配置方面，计算机也发挥着重要作用。地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)是一种采集、存储、管理、分析、建模、显示与应用地理信息的计算机系统，是分析和处理海量地理数据的通用技术。该系统由早期的计算机辅助地图制图技术发展成为一门涉及到地理学、地图学、测量学、地球科学、计算机科学等领域的交叉学科，并已逐步走向产业化和社会化，广泛应用于人口、资源与环境的规划、管理和决策，成为现代社会信息基础设施建设中的重要组成部分。在计算机软、硬件的支持下，它可对地学中的空间数据按地理坐标或空间位置进行各种处理，对数据实行有效管理，研究各种空间实体及其相互关系。如在消防救援中，GIS可以显示出救援道路状况、消防装备配备等信息，并能根据道路的实际状况，调整救援路线等，为救援提供清晰直观的技术支持。

　　在对重大灾害的自身特征、应急救援、资源配置等方面进行研究之后，可将信息集成，建立决策支持系统(Decision Support System,简称DSS)。DSS是在传统的管理信息系统理论基础上发展起来的一门适用于不同领域的、概念和技术都是全新的信息系统发展分支，也是目前发展最为迅速的一个分支。由于决策问题的复杂性、解决方案的不确定性和处理时间的紧迫性，决策者比以往更加需要计算机系统的辅助，从海量数据中提取出高质量的信息，来作出快捷、准确的决策。城市公共安全应急平台的建立，可在很大程度上解决应急救援中所遇到的问题。

　　上述计算机在安全工程科学中的应用，都需要人机交互界面，对于非计算机专业人员来说，人机交互界面的障碍如何克服、如何轻松自如地操作计算机，是近年研究的一项热门课题，已成为国际发展的趋势。目前，虚拟现实技术已成为计算机相关领域中继多媒体技术、Internet网络技术之后关注及研究、开发与应用的热点，也是目前发展最快的一项多学科综合技术。在虚拟现实系统(Virtual Reality，简称VR)中，关于建模的工具软件有很多，有常用的、较为通用的建模软件，还有专门为虚拟现实、视景仿真、声音仿真等专用建模工具。

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