中国安全科学学报

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1. 面向国家需求的应急技术与管理专业人才培养体系研究

王丽, 陈文涛, 关文玲, 孙爱军

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 9-16. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.0128

摘要（394）

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PDF（pc）（3824KB）（165）

为推动高校应急技术及管理专业建设、加强应急救援人才培养,基于国家应急需求明确专业定位,从职业道德素养、理论知识体系、实践技术能力等方面,提出应急技术与管理专业人才培养模式。首先,参考《应急救援技术专业教学标准》和《应急救援员国家职业技能标准》中的职业道德要求,确定专业职业素养;其次,从应急管理预防、准备、响应、恢复(PPRR)模型出发,构建覆盖应急管理全周期的专业核心课程体系;然后,提出学训结合、政产研融合,共同推进应急技能培养和实践创新能力提升;最后,从教材建设、师资队伍、培养质量监控、人才考核体系、持续改进机制等方面,构建人才培养质量保障体系。结果表明:结合应急技术与管理专业的公共服务和社会责任属性、全周期工作内容和全灾种、多主体实际应用,构建人才培养体系,可以建立专业人才培养与实务工作需求之间的紧密联系,为培养德才兼备、理论与实践并重的应急领域高层次应用型人才提供借鉴。

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2. 煤矿事故大数据驱动的风险治理模式研究综述

王启飞, 赵逸涵, 刘帅, 刘昊霖, 孙英峰, 李成武

中国安全科学学报 2024, 34 (7): 28-37. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.07.0154

摘要（239）

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PDF（pc）（3257KB）（137）

为明确智能化风险治理在煤矿的研究进展,综合分析数据驱动的煤矿安全风险治理模式研究发展现状,评述用于煤矿安全风险评估的不同预测手段和分析模型,首先,明确智能化风险治理的概念,并检索相关文献确定分析范围;然后,从数据驱动分析方法、煤矿安全风险评估模型和煤矿大数据预测预警平台等3方面,综述事故大数据研究现状、存在的问题及发展趋势。结果表明:煤矿安全领域已基本形成数据驱动的风险分析理论和应用框架,但仍不能满足风险评估与应急管理的需求。在预警平台应用方面,已形成统一的、通用的煤矿安全生产大数据分析平台基本框架,但在生产实际中的应用和推广还远远不够。未来应从提高数据质量和融合动静态多源数据入手,构建综合风险评估模型,研判煤炭开采风险,并加强数据驱动分析在生产实际中的应用,以推动煤矿安全风险治理模式由经验主义向数据驱动转变,实现煤矿安全风险治理信息化与智能化。

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3. 基于模糊贝叶斯网络的低空无人机运行风险评估

耿增显, 陈俊宇

中国安全科学学报 2024, 34 (8): 53-60. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.08.1295

摘要（343）

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PDF（pc）（6229KB）（103）

为解决目前城市低空环境下的无人机(UAV)运行安全风险问题,利用模糊贝叶斯网络(FBN)识别和评估低空无人机运行的关键风险因素。首先,在分析低空无人机运行流程基础上,从人-机-环-管角度分析低空无人机运行过程的风险因素。随后,利用GeNIe软件构建低空无人机运行风险评估贝叶斯网络(BN),利用专家先验知识和模糊集量化分析底事件的先验概率。最后,开展单因素分析、双因素分析以及敏感性分析,并以实例验证网络可行性。研究结果表明:低空无人机运行的关键风险因素为无人机电池故障、运行航线的环境障碍物以及无人机运行监管技术;FBN反向推理分析结果显示,环境相关风险(79%)、无人机设备风险(60%)是无人机运行过程主要风险因素。

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4. 基于贝叶斯网络的危化品爆炸事故隐患关联与溯源分析

姜子建, 周荣义, 石云霄, 刘灿, 杨璧帆, 郑时求

中国安全科学学报 2024, 34 (6): 173-180. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.06.1848

摘要（182）

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PDF（pc）（6750KB）（96）

为提高隐患排查工作实效,基于贝叶斯网络(BN),提出一种危化品爆炸事故隐患推理模型。首先,依据燃烧爆炸理论和专家经验,确定影响危化品爆炸的主要隐患类别,构建爆炸、泄漏超限、点火源的BN模型,并采用三角模糊数厘定隐患的先验和条件概率;然后,利用贝叶斯正向推理计算危化品爆炸发生概率,结合反向推理,查明最可能导致爆炸事故发生的隐患并追溯形成隐患的风险因素;最后,应用贝叶斯敏感性分析方法,确定影响危化品爆炸的关键隐患及事故隐患间的关联,并通过储油罐爆炸案例进行验证。研究结果表明:以因果推理方式计算出的储油罐爆炸风险概率约为4.7%;设备超压和电火花两者后验概率最大,是最可能导致储油罐爆炸的隐患,追溯其原因是未定期检查储罐或未使用防爆设备;电火花和阀门或法兰损坏是储油罐爆炸的关键隐患,事故隐患关联以致患链“阀门或法兰损坏→油品异常涌出→泄漏超限→遇火源(电火花)→发生爆炸”的形式呈现。

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5. 地铁站消防应急火灾逃生虚拟教学实证研究

杨斯雯, 代沁伶, 徐百利, 祁梦梦

中国安全科学学报 2024, 34 (6): 225-234. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.06.0258

摘要（139）

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PDF（pc）（4384KB）（93）

为探究地铁站消防应急火灾逃生教学过程中,不同学习场景对学习者学习效果的影响,发掘虚拟现实学习优势,采用调查问卷和MP160生理仪,获取纸质学习、移动端视频学习和虚拟现实学习场景下,学习者不同的行为反应数据,并处理和分析这些数据。研究结果表明:3种学习场景下,学习者的学习成绩存在显著差异,相较于移动端视频学习和纸质学习场景,虚拟现实学习场景能够促进学习者对地铁火灾逃生知识的理解,显著提高学习成绩;3种学习场景下,学习者的学习兴趣存在显著差异,虚拟现实学习场景在提升学习者对地铁火灾逃生知识的学习兴趣方面表现出显著优势;虚拟现实学习场景在生理指标方面体现出更高水平的生理唤醒。

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6. 基于改进的云模型-FMEA的油气管道风险排序

王东营, 陈小平, 刘权, 赵天浩, 闫序

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 61-68. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.1069

摘要（153）

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为解决传统故障模式和影响分析法(FMEA)存在故障优先排序不准确、风险评价主观性过强的问题,提出一种基于混合权重-云模型的油气管道故障模式风险评价方法。首先,调研并分析油气管道失效模式与原因,构建系统FMEA模型;然后,提出基于云模型与混合权重法的专家评价意见处理方法,引入博弈论的思想,降低评价结果的主观性与随机性;最后,使用多准则妥协解排序法(VIKOR)对各个失效模式风险排序,并对比传统FMEA法,验证该方法的可行性与准确性。结果表明:该方法可综合评估管线上各管段的风险因素,量化不同管段上的风险值及同一管段上的最主要的失效模式,实现管道高风险区域的有效定位及管段上风险因素排序。

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7. 系统故障演化过程中不同类对象分布的确定方法

李莎莎, 崔铁军

中国安全科学学报 2024, 34 (7): 1-7. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.07.1863

摘要（215）

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为解决系统故障中不同类对象的分布确定问题,提出一种对象分布确定方法。首先,论述系统故障演化过程的特点和对象分布;其次,给出方法流程图和实现过程;最后,实例研究50个对象6个因素构成的基础数据矩阵,得到最大训练集互相关度为0.8,测试集互相关度为1,以及最优对象标签分布(对象分布)。研究结果表明:演化过程的数据基础是对象集合;方法以无监督核谱回归(UKSR)为基础,配合K-means和互信息方法,构造随机均匀分布的对象标签集合,提出最优对象标签集合的判据;通过循环确定对象标签与对象数据相关性最大时的最优对象标签集合;集合中标签值即为最优的对象分布情况;方法克服无监督学习和非线性映射等问题,且能在无监督且非线性条件下,对系统故障演化过程中测量得到的对象进行分类,分析所有对象的类标签随演化时间的分布情况,缺点是只能用于研究二维平面表示的系统故障演化过程。

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8. 基于红外图像和目标检测的露天矿火灾探测技术

于海成, 田羽, 李庆健, 李新鹏, 薛国庆, 张玉华

中国安全科学学报 2024, 34 (S1): 212-218. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.S1.0031

摘要（103）

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为及时发现露天矿煤矸自燃,避免火势蔓延而造成更大损失,对于露天矿面积大、单一检测方法无法做到全方位的煤矸自燃和火灾探测,研究基于红外热成像和深度学习的露天矿自燃和火灾探测技术。首先,提出通过红外热成像和火灾图像目标识别的方法实现不同区域的自燃和火灾探测,构建露天矿煤层自燃识别与预警系统架构;然后,利用固定在露天矿地面上的热成像设备实时拍摄未发生火灾的煤矸区域的红外图像,监测煤矸温度的变化情况;最后,利用无人机机载摄像头拍摄煤层、矸石山和周边环境的照片,并基于深度学习的YOLOv8目标检测算法构建火灾探测模型,实现火焰和烟雾图像目标的检测,从而完成火灾的检测与报警。结果表明:基于热红外图像和火焰、烟雾图像识别的联合探测技术,对于火焰的检测平均精度为70.5%、烟雾的的平均识别准确率为74%,能够满足露天矿现场对于自燃和火灾的探测需求。

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9. 非平稳随机地震激励下多层框架-摇摆墙结构的响应分析

宋英华, 马建, 张远进

中国安全科学学报 2024, 34 (6): 48-56. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.06.0987

摘要（129）

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PDF（pc）（5559KB）（72）

框架-摇摆墙是一种可有效提高建筑抗震性和韧性的组合自复位结构,为充分了解其在地震下的随机响应特性,构建多自由度框架-摇摆墙结构的简化非线性方程,并利用等效线性化,基于响应的伪谐波行为假设,构建含时变参数的等效线性动力方程;基于随机平均的原理,得出控制响应幅值概率密度函数(PDF)的时间演变形式的福克-普朗克-科尔莫哥洛夫(FPK)方程,最终得出随机响应时间相关方差的一阶微分方程;并以某教学楼一榀框架为样本构建算例模型进行验证。结果表明:近似解析方法具有优异的精确度,在保证随机响应时间相关方差准确性的前提下,相对于传统的蒙特卡罗模拟(MCS)方法可提高分析的效率;在可分离形式和不可分离形式的非平稳地震动功率谱模型的结果中,随机响应方差曲线趋势与随机地震激励的形式相关,且在分段式调制非平稳谱作用下其分段点表现出很明显的不平滑现象;不同类型的随机地震激励扰动下的结果证明了此方法优异的适用性。

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10. 基于知识图谱的煤矿建设安全领域知识管理研究

许娜, 梁燕翔, 王亮, 赵丽丽, 周雪晴, 张博

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 28-35. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.0835

摘要（258）

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PDF（pc）（11650KB）（71）

为解决煤矿建设过程中数据积累存在的知识冗余现象,研究基于知识图谱(KG)的安全领域知识管理。从安全管理系统结构和安全隐患风险管理2个维度,系统化分析领域标准规范文本,界定煤矿建设安全管理领域的12类实体类型和10种关系类型,完善知识结构模式;选取领域43部标准规范为数据源,引入规则、机器学习法、深度学习法识别文本实体和关系;针对不同实体类型,提出领域知识综合方法框架,并对比分析双向长短期记忆(BiLSTM)和条件随机场(CRF)与双向编码器表示(BERT)-BiLSTM-CRF模型。研究结果表明:BERT-BiLSTM-CRF模型在准确率、召回率和F₁值方面均比BiLSTM-CRF模型高出7%,验证了所选模型的优越性和准确性;通过知识抽取、知识存储及可视化等过程,挖掘出煤矿建设安全领域不同实体类型所包含的实体和不同实体间的关系。

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11. 基于交叉注意力的多源数据融合的气体泄漏检测

王新颖, 杨阳, 田豪杰, 陈俨, 张敏

中国安全科学学报 2024, 34 (7): 91-97. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.07.0135

摘要（203）

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PDF（pc）（2799KB）（71）

为解决单一传感器在管道气体泄漏检测时容易出现误报、漏报的问题,及时预警并反馈泄漏状况,提出一种基于交叉注意力的多源数据融合管道泄漏检测方法。首先,利用预训练的ShuffleNetV2模型提取热像仪数据的空间特征;然后,结合一维卷积神经网络(1DCNN)和双向门控循环单元(BiGRU),构建1DCNN-BiGRU模型,以提取气体传感器数据的时序特征;最后,运用交叉注意力捕获数据的时空关联性得到2个数据源的特征表示,通过残差方式进行特征连接后输入到分类层中,得到识别结果。结果表明:所构建的多源数据融合模型(SCGA)对气体识别准确率为99.22%,损失值在0~0.04内波动;与仅使用气体传感器数据的支持向量机(SVM)、1DCNN、BiGRU模型相比,准确率至少提升4.12%;与仅使用热图像传感器数据的MobileNetV3、ShuffleNetV2、ResNet18模型相比,准确率至少提升1.14%;与将时序特征和空间特征直接拼接的多源数据融合模型(SCG)相比,准确率提升1%。SCGA模型对气体识别具有较高精度。

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12. 高层建筑不同外保温立面结构火蔓延模拟研究

张颖, 黄国洪, 龙雨娇

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 122-128. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.1692

摘要（121）

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PDF（pc）（3316KB）（70）

为明确高层建筑外保温立面结构与火灾蔓延的关系,采用Pyrosim火灾仿真软件,研究不同外保温立面结构对高层建筑火蔓延的影响。结果表明:高层建筑外立面火蔓延过程中,不同外立面结构保温系统随其结构空间受限程度的增大,正面空气卷吸能力减小,热释放速率降低,但其烟囱效应显著增强、烟气流速更快,导致竖向火蔓延速度加快;铝板幕墙结构保温系统随其空气层厚度的增加,温度和烟气流速先增大后呈现较大波动;外墙保温系统性能的老化将增加高层建筑外立面火灾风险。

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13. 智能监控技术在提升公共安全中的作用及应用——评《城市公共安全保障技术》

钟莉

中国安全科学学报 2024, 34 (6): 251-252.

摘要（58）

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14. 不同岩性与断面形状的深部硬岩隧洞板裂失稳试验

李翔, 苗森, 杨博

中国安全科学学报 2024, 34 (8): 108-119. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.08.0597

摘要（440）

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PDF（pc）（31847KB）（63）

为探究岩性与断面形状对深部硬岩隧洞板裂失稳特性的影响,开展板裂失稳室内真三轴试验。首先,选择以大理岩和花岗岩为主的2种硬岩试样以及高边墙城门洞形和曲墙拱形2种实际应用中的典型断面形状试样;然后,从板裂失稳形态、剥落岩板(片)特征及板裂特征应力3方面入手,对比分析不同岩性与断面形状影响下的不同破坏特征;最后,利用数值模拟探究围岩板裂裂纹发育扩展过程中相应的位移及应力分布特征,进一步揭示深部硬岩隧洞的板裂失稳特性。结果表明:试验过程中,对于板裂失稳形态,与花岗岩相比,大理岩试样岩板剥落及张开破坏现象更为显著;与高边墙城门洞形相比,曲墙拱形试样板裂破坏涉及的断面轮廓范围更小。对于剥落岩板(片)特征,不同岩性产生不同的剥落岩板形态;与高边墙城门洞形相比,曲墙拱形试样对应的近外层剥落岩板更趋细长。对于板裂特征应力,与大理岩相比,花岗岩试样在板裂开始时的应力门槛值更高,板裂失稳演化进程更快;与曲墙拱形相比,高边墙城门洞形试样从开始出现板裂直至发生明显板裂破坏的特征应力均更高。数值模拟中的位移较大区域集中在孔洞侧壁处,距离侧壁越远,位移相对越小;切向应力集中是导致板裂发生的主要原因。

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15. 多孔材料对泄爆管道LPG爆炸抑制效应的影响研究

关文玲, 矦逸飞, 任常兴, 董呈杰, 张网

中国安全科学学报 2024, 34 (6): 82-89. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.06.1139

摘要（126）

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PDF（pc）（6006KB）（62）

为探究多孔材料对泄爆管道液化石油气(LPG)爆炸传播特性的影响特征,采用自主搭建的气体爆炸测试平台,分析不同厚度及孔隙度的碳化硅多孔材料对火焰传播特性和爆炸超压的影响。结果表明:安装多孔材料可有效阻止泄爆管道中LPG爆炸火焰的传播;随着多孔材料孔隙度和厚度的增加,LPG火焰的传播距离、传播速度和强度均减小,其中,材料孔隙度对阻火效果的影响更大;同时多孔材料可降低泄爆管道中LPG的最大爆炸超压,当材料安装位置后端气体未被引燃时,增加多孔材料的孔隙度和厚度,材料前端(PT1、PT2)的最大爆炸超压增大,材料后端(PT3)的最大爆炸超压接近于静态破膜压力。材料孔隙度和厚度的阻火效应表明:在工程应用中,当材料强度达标后,应优先考虑增加材料的孔隙度来进行阻火。

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16. 管制员个体工作负荷多维量化研究

王莉莉, 顾秋丽

中国安全科学学报 2024, 34 (6): 1-9. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.06.1562

摘要（317）

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PDF（pc）（2017KB）（60）

为提高空管系统高效运行,聚焦管制员个体工作负荷建立量化模型;首先设计试验采集一线16名区域管制员的岗前与岗后各项指标数据,根据测试数据变化,选择出敏感变量,描述个体工作负荷;其次建立包含心理感知负荷、生理反应负荷与脑力工作负荷3个维度的综合评估指标体系,构建管制员个体工作负荷指数模型;然后通过熵权-客观组合法求解个体工作负荷指数最优权重,最终得出管制员个体工作负荷量化模型;最后进一步根据管制员个体工作负荷综合指数进行K-Means聚类分析,结果表明:管制员因个体不同岗后工作负荷存在差异。依据个体工作负荷指数大小,管制员可分为3类,A类管制员数量占总人数50%,岗后个体工作负荷增长最小;B类管制员数量占总人数43.75%,岗后负荷增长居中;C类管制员数量占总人数6.25%,岗后负荷增长最大,与教员对管制员能力的评分结果一致。

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17. 基于改进YOLO-V5算法的烟火检测方法

张明振, 段江忠, 梁肇伟, 郭俊杰, 柴大山

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 155-161. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.1050

摘要（185）

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PDF（pc）（13361KB）（57）

为减少自然环境中云、水雾、沙尘、灯光、日出、日落等干扰因素对烟雾、火焰目标检测准确性的影响,提出一种基于改进YOLO-V5算法的烟火检测算法。采用现场采集和网络爬取的方法获取烟雾、火焰目标图像和干扰类图像数据集,均衡学习训练样本,提高模型泛化能力;使用加权双向特征金字塔网络(BiFPN)替换原有的特征金字塔网络(FPN)+路径聚合网络(PAN)结构,对目标进行多尺度特征融合,加强模型特征融合能力;同时,运用距离交并比(DIoU)非极大值抑制(NMS)替代原有的NMS,加快检测框损失函数收敛速度,加强模型推理能力。结果表明:改进后的算法准确率为79.2%,召回率为68.6%,平均精度均值(mAP)为74.2%,误报率(FPR)为12.8%;相比于原YOLO-V5算法,改进后的算法准确率、召回率、mAP分别提高1.9%、0.9%、2.7%,检测识别FPR降低3.7%。

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18. 扁平大空间船舶火灾烟气控制试验研究

李森, 王少鹏, 林锦, 陆守香, 李倩, 陈国庆

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 162-167. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.0252

摘要（122）

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PDF（pc）（1801KB）（57）

为有效控制扁平大空间船舶火灾烟气蔓延,研究大尺度火灾过程中的油池质量损失速率、舱室温度分布、隔热效率和烟气控制效果。利用尺寸为30 m×24 m×2.3 m的模拟舱,在0.35、0.55和0.70 m等3种不同挡烟垂壁高度和机械通风条件下开展试验。结果表明:挡烟垂壁高度增加,油池质量损失速率峰值减小;挡烟垂壁高度对舱室上层烟气温度的影响比对下层气体温度的影响更明显,1.4 m以上空间温度峰值明显下降,而1.4 m以下空间温度峰值无明显变化。顶棚平均温度和隔热效率随挡烟垂壁高度增加而下降。随挡烟垂壁高度增加,火源区与非火源区同时控烟模式隔热效率从28.2%提升至50.8%,火源区单独控烟模式隔热效率从29.4%提升至54.7%。

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19. 城市关联基础设施多层网络韧性评估模型

陈长坤, 王思琪, 孙凤琳, 余荣付

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 204-213. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.1355

摘要（183）

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PDF（pc）（11103KB）（57）

为了探究城市基础设施系统关联关系对城市韧性的影响,采用理论分析和python模拟相结合的方法研究城市关联基础设施系统在扰动下的韧性变化过程。首先,基于韧性机制和多层网络理论,构建城市关联基础设施网络;然后,探究在功能关联下,城市关联基础设施网络受到3种外界扰动后的级联失效过程,并基于基础设施系统机能曲线法,构建城市关联基础设施网络韧性评估模型;最后,以湖南省中部偏北某县作为研究对象进行实例研究。结果表明:关联网络中电力节点的聚类系数明显高于整体平均水平;通信网络的抵御能力和恢复能力是5类基础设施网络中最强的,韧性水平也最高;随着网络中节点失效概率增大和网络层数的增加,整体关联基础设施网络及其子网络的可靠性逐渐降低;网络效率在介数恢复策略下恢复至较高水平时间较短,说明对此基础设施网络使用介数恢复策略更为合适。

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20. 水凝胶对三元锂电池热失控抑制效果研究

刘淳元, 张国维, 杨林, 欧阳晨亮, 张作睿

中国安全科学学报 2024, 34 (5): 186-194. DOI: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2024.05.0104

摘要（161）

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为快速有效扑灭锂离子电池火灾,解决灭火时间长、耗水量大等消防领域关注的难题,探究水凝胶灭火剂对大容量锂离子电池热失控的抑制效果。首先,借助环境扫描电镜,分析水凝胶在高温下微观结构的变化;然后,搭建锂电池燃烧试验平台,开展水凝胶灭火试验;最后,以车用135 Ah方形铝壳三元锂电池组为试验对象,采用电加热的方法诱导其发生热失控,探究水凝胶对锂电池的降温抑制效果。结果表明:水凝胶受热后,内部孔状结构被破坏,有利于其黏附在物体表面持续降温;使用水凝胶灭火降温时,电池表面最大降温速率是水的2倍,水凝胶喷放结束后,锂电池温度回升速率较为缓慢,升温速率仅为水的一半;与水相比,水凝胶延缓相邻电池发生热失控的时间更长,这可以为救援逃生带来更长的安全时间。

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