高速公路雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)的構(gòu)思

吳宏 吳建欣

【摘 要】我國(guó)高速公路正處于快速發(fā)展的時(shí)期，但高速公路沿線的雷電災(zāi)害防御系統(tǒng)建設(shè)相對(duì)滯后，使現(xiàn)代交通運(yùn)輸追求的快速、高效和安全目標(biāo)，受到影響和制約。本文針對(duì)滬昆高速杭金衢段沿線存在的雷電防御能力中的短板，引入雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)，提出建設(shè)雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、雷電預(yù)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)和雷電災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)的構(gòu)思，并通過(guò)采取以非工程性或非工程性和工程性組合的雷電防御技術(shù)，有效改變目前高速公路僅依賴(lài)工程性防雷技術(shù)的現(xiàn)狀及被動(dòng)防御局面，提升主動(dòng)防御和災(zāi)后應(yīng)急能力，減少因雷電造成的直接或間接損失。

【關(guān)鍵詞】高速公路雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)

1 引言

雷電的危害具有很強(qiáng)的破壞性，主要危害途徑有直擊雷、雷電感應(yīng)、雷電波侵入和地電壓反擊等形式。從我國(guó)第一條高速公路投運(yùn)至今，高速公路沿線（含收費(fèi)所、隧道機(jī)電設(shè)施、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)路工區(qū)等區(qū)域）的弱電系統(tǒng)都不同程度地遭受雷電侵害。輕者部分設(shè)備被雷電擊壞，系統(tǒng)喪失部分功能，重者全系統(tǒng)癱瘓，全部系統(tǒng)功能盡失，造成駕駛員猝不及防，釀成重大交通事故，給交通安全帶來(lái)極大隱患。同時(shí)雷災(zāi)也給高速公路沿線的眾多施工、服務(wù)人員和駕乘人員的人身及行車(chē)安全帶來(lái)威脅。雷電氣候下的通行能力下降，不僅影響自身的經(jīng)濟(jì)效益，也產(chǎn)生不良的社會(huì)影響?，F(xiàn)代交通運(yùn)輸追求的快速、高效和安全目標(biāo)，往往受到的影響和制約。

高速公路雷電防御具有點(diǎn)多、面廣、線長(zhǎng)，既有強(qiáng)電設(shè)備，又有大量的監(jiān)控、通信、傳感等弱電設(shè)備，曠野區(qū)域往往有突出的設(shè)備點(diǎn)，電力線路往往要翻山越嶺，傳輸和控制線路往往經(jīng)常穿越復(fù)雜的地質(zhì)層面的特點(diǎn)，這些都是易遭雷擊或雷電感應(yīng)的薄弱點(diǎn)。對(duì)此，僅依靠傳統(tǒng)的工程性和被動(dòng)式防御措施難以做到經(jīng)濟(jì)、有效的防御目的。面對(duì)以上的問(wèn)題和難點(diǎn)，通過(guò)建設(shè)雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、雷災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)管理系統(tǒng)等應(yīng)用型系統(tǒng)，適時(shí)引入非工程性措施，以期達(dá)到提升高速公路雷電防御的能力。目前，國(guó)外的研究人員在利用雷達(dá)和衛(wèi)星等探測(cè)資料進(jìn)行雷電臨近預(yù)報(bào)方面做了大量深入的研究工作。例如： 美國(guó)空軍第45天氣中隊(duì)給出了以雷達(dá)為工具的雷電臨近預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則， 主要用到了最大回波強(qiáng)度及其出現(xiàn)高度、強(qiáng)回波體積、頂高等參數(shù)， 對(duì)單體雷暴、砧狀云、碎云等的云閃、地閃的預(yù)報(bào)提供了不同的規(guī)則[ 1]。 Smith 采用同步衛(wèi)星紅外云圖和美國(guó)國(guó)家閃電監(jiān)測(cè)網(wǎng)的地閃定位結(jié)果， 對(duì)兩次雷暴過(guò)程進(jìn)行了分析， 對(duì)比了云頂冷卻率超過(guò)0. 5℃/ min 的時(shí)間和首次地閃出現(xiàn)的時(shí)間， 結(jié)果表明前者比后者提前了半小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間[2]。國(guó)內(nèi)雷電監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)的研究工作也已起步，氣象、科研院校、專(zhuān)業(yè)防雷機(jī)構(gòu)等部門(mén)，在雷達(dá)、衛(wèi)星、雷電定位儀和大氣電場(chǎng)儀等監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，基于地理信息系統(tǒng)，采用多參數(shù)、多算法集成方法研究雷電預(yù)警預(yù)報(bào)技術(shù)，建立雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)。滬昆高速杭金衢段沿線已建立了覆蓋全部的閃電定位探測(cè)網(wǎng)和大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警覆蓋面達(dá)80%以上。2008年依托科技部奧運(yùn)攻關(guān)主題“奧運(yùn)會(huì)雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”，為奧帆賽場(chǎng)等重點(diǎn)區(qū)域提供雷電的區(qū)域、概率和雷電頻數(shù)等預(yù)警服務(wù)，并取得明顯效果。

2 杭金衢高速公路雷電防御存在的主要問(wèn)題

（1）高速公路沿線各區(qū)域在建設(shè)時(shí)，各設(shè)施、設(shè)備的招投標(biāo)分不同專(zhuān)業(yè)、單位分別依據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范設(shè)計(jì)和施工，相互之間對(duì)整體設(shè)計(jì)確乏溝通、配合。（2）已有的防雷設(shè)施是在建設(shè)后期以整改形式進(jìn)行，采取針對(duì)性、局部性的工程性整改方式。存在對(duì)整改后再增加的其他設(shè)施無(wú)法進(jìn)行防御、或整改代價(jià)大的問(wèn)題，也即防御的統(tǒng)一性、可擴(kuò)展性弱等問(wèn)題。（3）主動(dòng)防御和災(zāi)后應(yīng)急能力弱。雷電防御需要工程性措施，但同時(shí)做好非工程性防御措施將會(huì)起到事半功倍的作用。目前此項(xiàng)工作尚未有效實(shí)施。（4）工程性措施保護(hù)范圍以外區(qū)域的人員、設(shè)施、交通安全等無(wú)法進(jìn)行有效的防御。

3 雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)的主要內(nèi)容及技術(shù)路線

本文以杭金衢高速公路沿線（含收費(fèi)所、隧道機(jī)電設(shè)施、服務(wù)區(qū)、養(yǎng)路工區(qū)等區(qū)域）的雷電主動(dòng)防御和提升雷災(zāi)后應(yīng)急能力為主要內(nèi)容，改變目前防雷工程性技術(shù)不足的現(xiàn)狀及被動(dòng)局面，減少因雷電造成的直接或間接損失。

（1）建立雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)平臺(tái)。利用雷達(dá)、衛(wèi)星、雷電定位儀和大氣電場(chǎng)儀等設(shè)施，監(jiān)測(cè)和收集實(shí)時(shí)雷電信息，整合歷年人工觀測(cè)信息和災(zāi)情調(diào)查信息，開(kāi)展沿線重點(diǎn)區(qū)域人員、設(shè)施、運(yùn)行及防雷裝置分布和整改情況等基本信息調(diào)查，基于地理信息系統(tǒng)，建立杭金衢高速公路沿線雷電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)；開(kāi)發(fā)數(shù)字化采集、組織、存儲(chǔ)、管理、分析、應(yīng)用和服務(wù)軟件，進(jìn)行雷電監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用方法的研究；運(yùn)用雷電災(zāi)害區(qū)劃技術(shù)，初步繪制杭金衢高速公路沿線閃電主要電學(xué)特征分布圖、雷暴主要移動(dòng)路徑圖等。為高速公路建設(shè)的設(shè)計(jì)、改、擴(kuò)建及提高營(yíng)運(yùn)效率等提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支撐。找出高速公路沿線及重點(diǎn)區(qū)域雷電監(jiān)測(cè)與雷電發(fā)生之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。并在此基礎(chǔ)上完成雷電空間信息的數(shù)字化采集、組織、存儲(chǔ)、管理、分析、應(yīng)用和服務(wù)等技術(shù)。

（2）通過(guò)建立雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，為指定的重點(diǎn)區(qū)域提供雷電的區(qū)域、概率和雷電頻數(shù)等預(yù)警示范服務(wù)。雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)以GIS為基礎(chǔ)，采用多資料、多參數(shù)和多算法集成的雷電臨近預(yù)警方法，結(jié)合三維空間雷暴識(shí)別、跟蹤和外推算法與決策樹(shù)算法，提供多種形式的雷電臨近預(yù)警產(chǎn)品。重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)：1）針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的技術(shù)。對(duì)于雷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為GIS平臺(tái)所認(rèn)可的柵格以及矢量數(shù)據(jù)；然后與地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的組織存儲(chǔ)與管理。在此基礎(chǔ)上整合雷電預(yù)測(cè)模式，實(shí)現(xiàn)高性能的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)雷電發(fā)生落區(qū)、頻數(shù)以及幾率的臨近預(yù)測(cè)。2）針對(duì)外推雷達(dá)回波運(yùn)動(dòng)的技術(shù)。利用“交叉相關(guān)算法”外推雷達(dá)回波的運(yùn)動(dòng)， 獲得的雷達(dá)回波在過(guò)去的移動(dòng)矢量，來(lái)外推確定回波未來(lái)的位置和形狀，從而達(dá)到預(yù)報(bào)的目的。3）針對(duì)雷電定位資料算法的技術(shù)。采用雙參數(shù)線性指數(shù)平滑方法對(duì)電場(chǎng)平均值進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)合由電場(chǎng)瞬間變化得到的近距離是否已有閃電發(fā)生及其距離范圍的估計(jì)結(jié)果，給出距離該站0～5km 和5～10km 范圍內(nèi)發(fā)生閃電的概率分級(jí)。

預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)路線圖

（3）運(yùn)用雷電防御非工程性防御措施理念和技術(shù)，尋找非工程性防御措施和工程性防御措施的結(jié)合點(diǎn)，重點(diǎn)解決監(jiān)控系統(tǒng)、收費(fèi)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等三大技術(shù)支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)換，研究適應(yīng)高速公路沿線非工程性防御措施相關(guān)技術(shù)、方法、管理系統(tǒng)。

（4）建立杭金衢高速公路雷電災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)，提升雷災(zāi)后應(yīng)急處理能力。依據(jù)杭金衢高速公路運(yùn)行、服務(wù)、管理的特性，以及人員密集程度、設(shè)備設(shè)施集中程度和重要性，對(duì)不同區(qū)域雷電災(zāi)害危害性進(jìn)行分析區(qū)分，建立雷電應(yīng)急響應(yīng)管理系統(tǒng)；按雷電預(yù)警信號(hào)的強(qiáng)弱、持續(xù)時(shí)間等不同進(jìn)行分類(lèi)定級(jí)，并依據(jù)杭金衢高速運(yùn)行、服務(wù)需求，該區(qū)域雷電災(zāi)害規(guī)律、危害性、重要性研究分析，制定具體的等級(jí)指標(biāo)體系；為確保雷電預(yù)警信號(hào)準(zhǔn)確、快捷、高效發(fā)布，分析杭金衢高速現(xiàn)有應(yīng)急預(yù)警發(fā)布模式的基礎(chǔ)上，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、顯示屏等多渠道發(fā)布形式，研究建立雷電預(yù)警信號(hào)自動(dòng)、高效發(fā)布平臺(tái)；結(jié)合杭金衢高速公路各職能部門(mén)的職責(zé)分解，以及高速公路運(yùn)行、服務(wù)的社會(huì)需求，研究建立杭金衢高速公路雷電災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案。以期達(dá)到雷電災(zāi)害發(fā)生前，采取各種應(yīng)對(duì)預(yù)防措施，各種預(yù)動(dòng)作有效啟動(dòng)。雷電災(zāi)害發(fā)生時(shí)，采取合適的應(yīng)急救援措施，使人員、財(cái)產(chǎn)損失減少到最小，各設(shè)施、設(shè)備最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原狀，交通恢復(fù)正常狀態(tài)。

應(yīng)急響應(yīng)管理技術(shù)路線圖

4 雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警應(yīng)用技術(shù)操作流程

5 結(jié)語(yǔ)

（1）高速公路雷電監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)由雷電監(jiān)測(cè)平臺(tái)、大氣電場(chǎng)監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、雷災(zāi)應(yīng)急管理系統(tǒng)三大系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)緊密，可實(shí)現(xiàn)從信息采集，雷電的發(fā)展和移動(dòng)趨勢(shì)判別，發(fā)布預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)雷災(zāi)應(yīng)急的組織與實(shí)施等形成完整統(tǒng)一體系。（2）引入非工程性雷電防御措施的理念，有效解決僅依靠傳統(tǒng)的工程性防御措施難以做到經(jīng)濟(jì)、有效的防御目的，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益的提升。（3）建成后的杭金衢高速公路雷電監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)與氣象、專(zhuān)業(yè)防雷機(jī)構(gòu)并網(wǎng)運(yùn)行。監(jiān)測(cè)與預(yù)警不僅可涵蓋金衢高速公路沿線及重點(diǎn)區(qū)域，還可擴(kuò)展其上、下游的廣大地區(qū)，有效提升預(yù)警的時(shí)效和準(zhǔn)確率。（4）該應(yīng)用技術(shù)在有效降低高速公路改、擴(kuò)建中防雷裝置的設(shè)計(jì)安裝成本，保障交通安全和運(yùn)營(yíng)能力的同時(shí)，還可派生出涉及運(yùn)輸安全、營(yíng)運(yùn)管理、高速公路雷電災(zāi)害區(qū)劃等關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用。

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