第1章绪论
1.1引言
能源产业是国民经济稳定发展的基础保障，关系着人类社会的可持续发展。我国作为世界能源生产第一大国，目前形成了以煤、油、气、可再生能源多轮驱动的能源生产体系，在调整能源结构、提高能源效率、保证能源安全等方面取得了显著成效（周忠科和王立杰，2011）。然而，随着我国国民经济的高速发展与能源消费水平的提高，能源开采安全生产形势依然严峻，煤炭、石油、天然气等能源行业重特大事故时有发生，不利于我国经济的稳定增长。
就煤炭行业而言，近年来我国对井工煤矿加大了科技投入并进行了一系列设备升级换代，然而，鉴于我国煤炭开采地质条件的复杂性，部分煤层的瓦斯含量和地应力均大幅度增加，地热问题逐渐突出，给煤矿的冲击地压、煤与瓦斯突出、高温高热、煤层自燃等灾害的治理提出了新的挑战，煤矿安全生产形势依然不容乐观（黄继广等，2020）。
就石油天然气行业而言，天然气在开采、加工、存储、运输等过程中容易受到外界因素、设备系统故障或人工操作失误等影响，易出现诸如中毒、火灾、污染、爆炸等重特大事故，事故类型主要包括海油事故、管道泄漏事故、爆炸事故、井喷事故、火灾事故等。
针对能源行业重特大事故的危害性，如何积极、有效地预防此类安全生产事故、降低事故损失、建立健全高效的应急管理体系是我国能源行业所面临的严峻挑战。党和政府对此高度重视，党的十九大报告中明确要求：“树立安全发展理念，弘扬生命至上、安全第一的思想，健全公共安全体系，完善安全生产责任制，坚决遏制重特大安全事故，提升防灾减灾救灾能力”。《中共中央国务院关于推进安全生产领域改革发展的意见》中要求：构建国家、省、市、县四级重大危险源信息管理体系，对重点行业、重点区域、重点企业实行风险预警控制，有效防范重特大生产安全事故。到2030年实现安全生产治理体系和治理能力现代化；要提升现代信息技术与安全生产融合度，统一标准规范，加快安全生产信息化建设，构建安全生产信息化与职业健康信息化全国“一张网”。
按照《应急管理部信息化发展战略规划框架（2018-2022年）》要求，到2020年，初步形成较为完备的应急管理信息化体系，基本建成覆盖重点风险领域的感知网络、多手段融合的国家应急通信网络和北京主数据中心，计算、存储等基础设施全面云化，应急管理业务应用体系全面覆盖各类业务并在突发事件的事前、事发、事中、事后阶段发挥关键支撑作用。到2022年，实现应急管理全面感知动态监测、智能预警、扁平指挥、快速处置、精准监管、人性服务，信息化发展达到最高水平，为构建与大国应急管理能力相适应的中国现代应急管理体系提供有力支撑。国家能源局在《2020年能源工作指导意见》中指出要坚持以保障能源安全为首要任务。增强忧患意识，强化底线思维，着眼能源发展面临的内外部环境变化和风险挑战，建立健全能源供需联动等工作机制，着力补强能源供应链的短板和弱项，抓紧抓实抓细保供措施，切实提高能源安全保障能力和风险管控应对能力。工业和信息化部及应急管理部《“工业互联网+安全生产”行动计划（2021-2023）》要求增强工业安全生产的感知、监测、预警、处置和评估能力，增强安全生产的动态感知、事前预防和全局联防的能力，把安全落实到工业发展的全阶段、全过程。
因此，在国家对能源行业安全生产和可持续发展与突发事件应急响应建设高度重视的大背景下，依托物联网、大数据、云计算、人工智能、移动互联网、智能控制、地理信息系统等技术，全面构建完善的能源行业应急管理体系以及与信息化、智能化相关的应急管理系统有着重要的现实意义。
1.2应急管理体系
加快和完善应急管理体系信息化建设，进一步提高国家应对公共安全事件或事故的能力，是推进国家治理体系与应急能力现代化的迫切要求。目前，我国有大量学者致力于国家应急管理体系的构建与完善，其中，代表性学者主要有范维澄、袁宏永、钟开斌、闪淳昌等。应急管理体系是指应对突发公共事件所需的组织机构、制度、行为、资源等各种应急要素及其相互关系的总和，其实质是应对突发事件的管理能力与资源调控能力（李春祥，2012）。只有建立完善的应急管理体系，才能保证在预防、预测、预警、指挥、协调、处置、救援、评估和恢复等应急管理的各环节中，快速、高效、有序反应，防止突发公共事件的发生，减少负面影响。
我国应急管理体系的基本框架为“一案三制”，具体包括应急预案、应急管理体制、应急管理机制和应急管理法制四项内容，如图1.1所示。其中预案为前提，体制为基础，机制为关键，法制为保障，它们各自具有不同的功能定位和内涵特征，共同构成了应急管理体系不可分割的核心要素。
建立科学有效的应急管理体系与机制，能够将不同类型事故灾害在应急过程中的各个不同环节组织起来，从而避免人员伤亡、财产损失和环境污染等。经过多年的努力，我国在矿山、防洪、地震、化学、消防等多个专业领域都建立了完善的应急信息管理体系和应急通信系统，其在各领域的应急救援工作中均发挥了重要的作用（王宁和王延章，2007）。能源行业应急管理体系的建设应当以体制优先为基本思路，并在理顺应急管理体制的基础上，完善相关事故救援工作流程和制度规范。
1.2.1应急预案
应急预案即在事故发生前预先制定的紧急行动方案，是指根据国家和地方政府的法律法规和各项规章制度，以本单位的历史经验、实践积累为基础，结合当地特殊的地域、政治、民俗、民族等实际情况，针对各种突发事件而事先制订的一套能切实迅速、有效、有序解决突发事件的行动计划或行动方案，从而使政府应急管理工作更为制度化、程序化，做到有法可依、有据可查。
应急预案是为了规范事故的应急管理和响应程序，明确职责，建立健全应急救援机制，从而及时、科学、有效地指挥和协调应急救援工作而制定的一套事故处置经验和处置方式的模板，以便能够最大限度地降低事故灾难造成的财产损失和人员伤亡（马莉，2014;卜创利，2015）。在应急预案中，必须要识别和评估重大危险源、事故类型、事故风险以及事故后果和影响程度，同时要明确应急管理机构的人员与职责、物资与装备、应急原则与行动等。
按照不同的责任主体，应急预案体系大致可分为国家总体应急预案、专项应急预案、部门应急预案、地方应急预案、企事业单位应急预案以及大型集会活动应急预案六个层次。其中，国家总体应急预案是国家应急管理的行动纲要，也是全国应急预案体系的总纲，为各地区各部门的预案提供了行动准则和基本思路。企事业单位应急预案（即单个企业的应急预案）又可以分成综合预案、专项预案和现场应急处置方案三类（钟开斌，2009）。目前我国已经完成了国家总体应急预案、25项专项应急预案、80项部门应急预案的编制，基本覆盖了经常发生的突发事件的主要方面。此外，我国各省（自治区、直辖市）也完成了总体应急预案编制工作，许多市、区（县）也纷纷制定了完善的应急预案（钟开斌，2020）。
应急预案要求在辨识和评估潜在重大危险、事故类型、发生可能性、发生过程、事故后果以及影响程度的基础上，对应急管理的机构与职责、人员、技术、装备、设施（备）、物资、救援行动以及指挥与协调等各项指标预先做出具体的安排，从而明确事前、事发、事中、事后的各个进程中，谁来做、怎样做、何时做以及相应的资源与策略等。具体而言，应急预案是针对潜在或即将发生的突发事件，根据政府组织管理、指挥协调应急资源和应急行动的整体计划和程序规范，迅速、有效、有序地开展应急行动。一般而言，一个完善的预案体系主要包括预案的制定管理、预案的评估管理、基于预案的辅助决策技术等内容，同时预案的制订应当具有可行性、针对性、及时性以及全面性等特点。
1.2.2应急管理体制
应急管理体制是“一案三制”的前提要素，是指为保障安全，有效预防和应对突发事件，避免并降低突发事件造成的影响，消除其对社会产生的负面影响而建立起来的以政府为核心，其他社会组织和公众共同参与的组织体系。应急管理体制作为一个开放的管理体系结构（钟开斌，2009），决定了应急管理体系的静态结构，同时规定了应急管理体系的潜在功能。针对各地区不同类型与级别的突发事件，基于应急管理体制，能够根据应急管理目标建立一套可有效运转的组织机构。《中华人民共和国突发事件应对法》第一章第四条明确规定，“国家建立统一领导、综合协调、分类管理、分级负责、属地管理为主的应急管理体制”。当前，我国的应急管理体制严格遵循统一领导、综合协调、分类管理、分级负责、属地管理为主和生产经营单位承担主体责任的基本原则，图1.2为国家安全生产应急救援组织体系架构（高广伟，2020）。
（1）统一领导：是指在应对突发事件处理各项工作过程中，必须坚持各级人民政府的统一领导，成立应急指挥机构并实行统一指挥。各级有关部门都要在应急指挥机构的领导下，依照法律、行政法规和有关规范性文件，开展各项应急与处置工作。
（2）综合协调：是指在突发事件应对过程中，参与主体是多种多样的，既有政府与相关的组成部门，也有企事业单位、基层自治组织、社会组织、公民个人以及国际援助的力量。同时必须明确有关政府和部门的主要职责，明确不同类型突发事件管理的牵头部门和单位。相应地，其他有关部门和单位提供必要的支持，最终形成各部门协同配合的工作局面。
（3）分类管理：是指每一大类突发事件由相应的部门进行管理，建立一定形式的指挥机制，依托专业管理部门收集、分析、报告信息，针对不同类型的突发事件，为政府决策机构提供有价值的决策咨询和建议。
（4）分级负责：是指在各类型突发事件性质、波及范围、危害程度均不相同的情况下，应当先由当地政府负责管理，并实行分级负责。需要注意的是，对于不同级别的突发事件，需要调配的应急资源不尽相同，其中分级负责原则明确规定了各级政府在应对突发事件中的具体职责。
（5）属地管理：出现重大突发事件时，地方政府必须在第一时间内采取措施对其进行控制和处理，并第一时间向上一级单位报告，必要时可以越级报告。在出现本级政府无法应对的突发事件时，应该马上请求上级政府直接接管。
1.2.3应急管理机制
应急管理机制是“一案三制”的关键与核心要素，是指在突发事故发生和发展过程中，保证各项应急活动顺利进行的制度化及程序化的应急管理方法与措施。具体而言，应急管理机制主要包括预防准备、监测预警、应急处置与救援、恢复重建、调查评估等多个环节。《国家突发公共事件总体应急预案》中提出要形成统一指挥、反应灵敏、功能齐全、协调有序、运转高效的应急管理机制，其主要内涵如下。
（1）实质内涵：应急管理机制是一组建立在相关法律法规和部门规章制度基础上的政府应急管理工作流程，其能够展现出突发事件管理系统组织之间及组织内部的相互作用机制。
（2）外在形式：应急管理机制外在形式上体现为政府管理突发事件的职责和能力。
（3）运作流程：应急管理机制的运作流程以应急管理全过程为主线，主要包括预防与应急准备、监测与预警、应急处置与救援、恢复与重建等多个环节。
具体而言，应急管理机制的主要内容包括事前、事发、事中以及事后四个阶段，下面通过图1.3进行详细介绍。
1）事前：预防与应急准备工作
预防与应急准备工作是应急管理中防患于未然的阶段，主要体现了预防与应急并重，常态与非常态相结合的原则。在突发事件发生之前，应急管理相关机构为降低或消除突发事件发生的可能性及其带来的危害，会采取一系列风险管理行为，通过预案编制管理、宣传教育、培训演练、应急能力和脆弱性评估等，做好各项基础性、常态性的管理工作，从更基础的层面改善应急管理。预防与应急准备阶段包括社会动员机制、社会管理机制、风险防范机制、应急准备机制和宣传教育培训机制。
2）事发：监测与预警工作
监测与预警工作是预防与应急准备工作的逻辑延伸。突发事件的早发现、早报告、早预警，有效预防、减少突发事件的发生，控制、减轻或消除突发事件引起的严重社会危害的重要保障。监测与预警主要是根据有关突发事件过去和现有的数据、情报和资料，运用逻辑推理和科学预测的方法，对某些

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 应急管理体系 2
1.2.1 应急预案 3
1.2.2 应急管理体制 3
1.2.3 应急管理机制 5
1.2.4 应急管理法制 6
1.3 应急管理国内外研究现状 8
1.4 应急管理关键技术研究现状 11
1.4.1 应急管理平台信息化研究现状 12
1.4.2 应急预案研究现状 14
1.4.3 应急决策支持研究现状 17
参考文献 19
第2章 能源行业多维GIS 平台关键技术 26
2.1 GIS基础平台数据模型 26
2.1.1 数据模型概述 26
2.1.2 面向对象空间数据层次模型 27
2.1.3 复杂实体数据模型 28
2.1.4 时态空间数据模型 29
2.1.5 面向对象一体化数据模型 33
2.2 GIS基础平台数据存储技术 35
2.2.1 GIS数据存储技术概述 35
2.2.2 GIS基础平台数据存储技术研究 35
2.2.3 GIS基础平台数据存储方案设计 41
2.3 二维GIS平台软件架构 43
2.3.1 GIS软件技术体系发展 43
2.3.2 GIS基础平台系统架构分析 44
2.3.3 GIS基础平台软件总体架构 46
2.4 基于GIS技术的三维可视化平台设计 48
2.4.1 三维可视化平台研究对象与相关数据 49
2.4.2 三维可视化平台的技术框架 52
2.4.3 三维场景中的数据组织 53
2.5 基于WebGIS的地图协同服务 56
2.5.1 数据标准规范体系 57
2.5.2 时空数据管理 58
2.5.3 分布式协同更新 59
2.5.4 空间数据发布服务 60
参考文献 61
第3章 智能应急预案的自动生成 63
3.1 概述 63
3.1.1 智能应急预案的概念 63
3.1.2 智能应急预案的研究现状 63
3.1.3 智能应急预案的研究内容 64
3.2 应急预案本体与知识图谱构建 65
3.2.1 本体与知识图谱构建的理论基础 65
3.2.2 应急预案本体知识库构建 67
3.3 应急处置方案生成关键技术 68
3.3.1 基于规则的推理技术 69
3.3.2 基于案例的推理技术 70
3.4 智能应急预案生成方法和系统 71
3.4.1 基于规则推理的应急处置方法生成 71
3.4.2 基于案例推理的应急处置方法生成 72
3.4.3 应急预案的自动生成 79
参考文献 83
第4章 能源行业应急决策与风险评估模型 85
4.1 概述 85
4.2 安全隐患预测模型 85
4.2.1 基于传统统计学的自回归预测模型 86
4.2.2 基于机器学习的时间序列预测模型 86
4.2.3 基于深度学习的时间序列预测模型 93
4.3 计算流体动力学瓦斯模拟模型 96
4.3.1 传统计算流体动力学 96
4.3.2 格子玻尔兹曼模型 100
4.4 油气泄漏与扩散模型 108
4.4.1 油气泄漏扩散模型 108
4.4.2 蒸气云爆炸模型 111
4.5 事故应急避灾逃生模型 112
4.5.1 *短路径基础算法 112
4.5.2 带约束条件的*短路径算法 113
4.6 事故风险综合评价模型 115
4.6.1 风险指标体系与权重确定 116
4.6.2 风险综合评价模型 121
参考文献 124
第5章 煤矿重特大事故应急逃生支持系统 129
5.1 事故应急逃生系统需求分析 129
5.1.1 概论 129
5.1.2 系统整体架构设计 130
5.1.3 系统应用功能模块 132
5.2 应急智能引导关键技术 133
5.2.1 基于矿井火灾的避灾路线生成 133
5.2.2 基于PDR 的井下应急人员定位算法 142
5.2.3 基于电子地标的步行者导航 150
5.3 系统实现与应用 153
参考文献 155
第6章 矿山救援基地应急救援指挥平台 157
6.1 矿山应急救援指挥平台建设需求分析 157
6.1.1 概论 157
6.1.2 总体架构设计 158
6.1.3 业务功能 161
6.2 矿山应急救援指挥平台建设方案 165
6.2.1 应急救援“一张图”技术 165
6.2.2 应急救援分布式协同GIS 平台 170
6.2.3 智能应急救援流程技术 173
6.2.4 智能化应急预案技术 176
6.3 系统功能实现及应用 176
6.3.1 矿山应急救援资源管理系统 177
6.3.2 矿山应急值守管理系统 178
6.3.3 矿山应急救援指挥系统 180
6.3.4 矿山应急救援管理系统 180
参考文献 182
第7章 虚拟仿真培训演练系统 183
7.1 虚拟仿真培训演练系统框架设计 183
7.1.1 概论 183
7.1.2 系统框架总体设计 184
7.2 培训演练平台功能设计与实现 184
7.2.1 基础可视化功能 184
7.2.2 动态虚拟环境构建 187
7.2.3 虚拟仿真分析 188
7.2.4 多人协同培训功能 189
7.3 专业培训演练功能设计与实现 192
7.3.1 生产作业虚拟仿真培训 192
7.3.2 应急虚拟仿真演练 196
7.3.3 特种作业人员虚拟仿真培训 199
参考文献 203
第8章 天然气管道运输应急管理信息系统 204
8.1 应急响应系统建设需求分析与设计 204
8.1.1 概述 204
8.1.2 系统需求与危险源分析 205
8.1.3 气体泄漏事故的应急响应业务流程 207
8.2 应急响应管理信息系统建设 208
8.2.1 系统功能设计 208
8.2.2 系统数据库建设 211
8.2.3 气体扩散模型与应急响应系统的集成 214
8.2.4 气体扩散模型数据处理 219
8.3 应急响应管理信息系统的实现及应用 227
8.3.1 资源管理功能的应用与实现 227
8.3.2 事故动态模拟的实现与应用 231
8.3.3 指挥应急响应的实现与应用 233
8.3.4 三维可视化应急响应的实现与应用 235
参考文献 239