基于模糊數(shù)學(xué)的重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法研究*

余蜀豫，任　艷，覃彬全

(1.重慶市雷電災(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)研究中心，重慶 400000；2.重慶市防雷中心，重慶 400000；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210000)

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基于模糊數(shù)學(xué)的重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法研究*

余蜀豫1,2,3，任艷1,2，覃彬全1,2

(1.重慶市雷電災(zāi)害鑒定與防御工程技術(shù)研究中心，重慶 400000；2.重慶市防雷中心，重慶 400000；3.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210000)

摘要:科學(xué)合理的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估能有效指導(dǎo)防雷減災(zāi)工作，不過目前雷電風(fēng)險評估體系尚不完善，在某些時候不能真實地評價項目的雷電災(zāi)害風(fēng)險，比如在評估大型住宅小區(qū)、大面積的廠房等時，現(xiàn)有的評估結(jié)果不能準確地反映客觀風(fēng)險。在深入研究雷電成災(zāi)機制和重慶雷電活動規(guī)律的基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)理論，通過致災(zāi)因子、暴露性和承災(zāi)體易損性三個方面進行分析，提出重慶地區(qū)的雷電風(fēng)險評估方法。通過具體的評估驗證，該方法有較好的適用性，能更好地為防雷減災(zāi)服務(wù)，也能完善現(xiàn)有的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系。

關(guān)鍵詞:雷電災(zāi)害；風(fēng)險評估；模糊數(shù)學(xué)理論；防雷減災(zāi)；重慶地區(qū)

雷電災(zāi)害是聯(lián)合國“國際減災(zāi)十年”公布的最嚴重的10種自然災(zāi)害之一，被中國電工委員會稱為“電子時代一大公害”。重慶位于青藏高原和長江中下游平原之間過渡地帶的四川盆地的西南部，特殊的地理位置使重慶的氣候具有緯向和經(jīng)向過渡性的特點，成為雷電天氣相對活躍區(qū)和高發(fā)區(qū)[1]。重慶每年因雷擊造成的經(jīng)濟損失達數(shù)億元，人員傷亡達數(shù)十人，加強防雷減災(zāi)工作刻不容緩。

對于防雷減災(zāi)而言，應(yīng)首先開展雷電災(zāi)害評估，加強雷電災(zāi)害風(fēng)險評估研究對雷電防護工作具有指導(dǎo)意義。不過，目前雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的研究還處于起步階段，評估方法還不完善，可操作性差，參數(shù)取值大多以經(jīng)驗為主，導(dǎo)致評估結(jié)果準確性不高[2]。

雷電災(zāi)害風(fēng)險是不精確、不明確的，我們對雷電災(zāi)害的成因認識不完全，評估的信息也不完備，解決這一問題的途徑是用適當?shù)姆绞襟w現(xiàn)出評估結(jié)果的不精確性，模糊綜合評估法能較好地解決這個問題。不少文章[3-5]使用模糊評判法對雷電災(zāi)害風(fēng)險進行了研究，但在評估體系、評估指標以及隸屬度的選取和計算尚不夠完善，不能很好表現(xiàn)雷電災(zāi)害的風(fēng)險。雷電災(zāi)害風(fēng)險是一類模糊事件，在重慶地區(qū)，可以劃分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險和非常高風(fēng)險四個等級。本文從雷電災(zāi)害成災(zāi)機制入手，結(jié)合重慶地區(qū)的環(huán)境特征和雷電活動規(guī)律，選取恰當?shù)脑u估因子，通過隸屬度函數(shù)計算得到最終的雷電風(fēng)險等級。

1重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系

關(guān)于自然災(zāi)害形成機制，國內(nèi)外主要存在以下幾種理論：致災(zāi)因子論、孕災(zāi)環(huán)境論、承災(zāi)體及區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)論[6]。自然災(zāi)害形成就是承災(zāi)體不能適應(yīng)或者調(diào)整環(huán)境變化的結(jié)果。雷電災(zāi)害風(fēng)險同其他自然災(zāi)害風(fēng)險相同，也是多種因素相互作用的產(chǎn)物，它受到一個區(qū)域自然系統(tǒng)、社會系統(tǒng)及其組合關(guān)系的影響。在對重慶地區(qū)雷電災(zāi)害進行深入研究得出結(jié)論：一定區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險是由雷電災(zāi)害危險性(H)、暴露(E)、承災(zāi)體的易損性(V)、防災(zāi)減災(zāi)能力(C)4個風(fēng)險因素相互交鏈形成，用公式表達：R=H·E·V·C。由于4個風(fēng)險因素為比較籠統(tǒng)的抽象概念，選擇影響雷電災(zāi)害風(fēng)險的具體參數(shù)，針對重慶地區(qū)的雷電風(fēng)險評估結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估框架圖

1.1雷電災(zāi)害危險性

雷電災(zāi)害危險性是指造成雷電災(zāi)害的自然變異程度，主要是由災(zāi)變活動規(guī)模和活動頻次決定的。一般災(zāi)變強度越大，頻率越高，災(zāi)害所造成的破壞損失也越嚴重，災(zāi)害風(fēng)險也越大[7]。

對于雷電災(zāi)害來說，其危險性表現(xiàn)在閃電的發(fā)生次數(shù)、閃電的幅值大小以及閃電發(fā)生的極性、陡度。雷電的頻數(shù)和強度是雷電活動危險性最直觀的表現(xiàn)，對于中小尺度的雷暴天氣系統(tǒng)而言，以雷暴日為主的氣候氣象資料在反映雷電活動分布特征的代表性值得討論。閃電定位儀的資料具有更好的代表性，這里利用閃電定位儀資料表現(xiàn)閃電發(fā)生的頻次。雷電產(chǎn)生的電磁脈沖對現(xiàn)代微電子設(shè)備有著重要影響，從而導(dǎo)致內(nèi)部系統(tǒng)失效，雷電流的強度和陡度與這種影響有著明顯的正相關(guān)[8]。因此挑選年雷擊大地密度，閃電電流平均幅值和雷電流陡度三個因子表現(xiàn)雷電災(zāi)害的自然危險性。

1.2雷電災(zāi)害暴露性

暴露性是指可能受到危險因素威脅的所有人和財產(chǎn)。一個地區(qū)暴露于各種危險因素的人和財產(chǎn)越多，或者受災(zāi)財產(chǎn)值密度越高，可能遭受潛在損失越大，災(zāi)害風(fēng)險也就越大。

評估對象的特征性質(zhì)能在一定程度上描述暴露性，人員數(shù)量更是直接反映雷電災(zāi)害中暴露性的因子。另外，在表現(xiàn)經(jīng)濟損失時，可以使用等效財產(chǎn)這個因子。等效財產(chǎn)主要是指評估對象的經(jīng)濟價值總和以及文化價值，一般折算成貨幣表達式。

1.3承災(zāi)體易損性

也稱為脆弱性，是指雷電災(zāi)害發(fā)生時所造成的傷害或損失程度，承災(zāi)體的易損性大小，與其物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般承災(zāi)體的易損性越低，災(zāi)害損失越小[9]。

易損性是個廣泛的概念，總的來說，是指評估對象的自身結(jié)構(gòu)屬性對雷電災(zāi)害的防御能力。通過對大量建構(gòu)筑物進行實地考察和分析，易損性主要表現(xiàn)在評估對象的土壤情況、建筑周邊環(huán)境以及建筑物的特性三個方面。土壤情況是防雷接地散流的性質(zhì)的主要表現(xiàn)，可以通過土壤電阻率直接描述；建筑周邊環(huán)境主要是指在雷電環(huán)境下，有沒有導(dǎo)致雷擊概率變化的特殊因素；建筑物特性就是在雷電天氣時，其物理上的抗雷擊能力，主要包括其使用性質(zhì)、高度、結(jié)構(gòu)等。

2重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的參數(shù)設(shè)計

許多標準和規(guī)范中都運用雷暴日來反映雷電活動的強度，不過雷暴日在一定程度上不能真實地展現(xiàn)雷電活動，有條件的地區(qū)應(yīng)該配合雷電探測儀的觀測數(shù)據(jù)綜合分析雷電活動情況。重慶地區(qū)從2007年開始架設(shè)ADTD閃電定位系統(tǒng)，通過多年觀測，重慶地區(qū)的平均雷擊大地密度為4.9次/(a·km2)。通過統(tǒng)計后，將雷擊大地密度分成四個等級，如表1所示。

表1　雷擊大地密度等級劃分

通過對重慶地區(qū)閃電定位儀閃電數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以看出大部分閃電的強度(含正閃和負閃)在15～40 kA，根據(jù)電氣-幾何模型公式可以計算出，第一、第二、第三類防雷建筑物及露天堆場對應(yīng)得到保護的最小雷電流幅值分別是5.4 kA、10.1 kA、15.8 kA和34.5 kA，也就是說當雷電流幅值小于上述幅值時，在接閃器保護范圍內(nèi)被保護物體，有可能遭受直擊雷的危害。再結(jié)合重慶地區(qū)雷電強度分布，可以將雷電流強度的危險分成四個等級，如表2所示。

表2　雷電流強度等級劃分

閃電產(chǎn)生的電磁效應(yīng)通常會影響附近的弱電設(shè)備正常工作，某些時候可能造成設(shè)備故障甚至損壞，雷電流陡度正好能直觀地反映電磁效應(yīng)的大小。最新研究結(jié)果表明[10]，輸電線路的雷擊事故除了與雷電流幅值有關(guān)，還與雷電流的最大陡度密不可分。在現(xiàn)代防雷保護與雷電特性基礎(chǔ)研究中，雷電流的陡度具有重要的意義。統(tǒng)計重慶地區(qū)閃電定位儀數(shù)據(jù)，可以將雷電流陡度的分成四個等級，如表3所示。

表3　雷電流陡度等級劃分

一般情況下，雷電的危害主要表現(xiàn)為對人員生命的威脅和財產(chǎn)損失，IEC62305在此基礎(chǔ)上繼續(xù)細分出文化損失和公共服務(wù)中斷損失，但由于實際操作中文化和公共服務(wù)難以量化取值，采取經(jīng)驗值又不具有客觀性，可以將文化價值等值于財產(chǎn)，視為廣義的財產(chǎn)。這里，評估的重點還是人員生命和財產(chǎn)，因此用常年活動的人員數(shù)量和評估對象的經(jīng)濟文化的等效貨幣價值來表征承災(zāi)體的暴露性，通過對重慶地區(qū)近5年來新建項目進行大量調(diào)研，可以將人員數(shù)量和等效財產(chǎn)分成四個等級，如表4、表5所示。

表4　人員數(shù)量等級劃分

表5　等效財產(chǎn)等級劃分

承災(zāi)體的易損性是雷電災(zāi)害風(fēng)險評估里面最復(fù)雜也是最重要的一方面，雷電通過電阻、電感等耦合機制影響評估對象[11]，造成人員傷亡、物理損壞、內(nèi)部系統(tǒng)失效，由于不同的環(huán)境、不同屬性的評估對象，雷電成災(zāi)機制也不相同，具體環(huán)境下量化分析也很難進行。我們選取雷電災(zāi)害風(fēng)險評估中建構(gòu)筑物最重要的幾個屬性參數(shù)進行量化分析，地形地貌、土壤電阻率和建筑物的特性是承災(zāi)體易損性的重要表現(xiàn)，在大多數(shù)雷電成災(zāi)機理分析中能較好反映對雷電災(zāi)害的抵御能力。

大量雷擊統(tǒng)計資料和實驗研究證明，雷擊點和雷擊部位是有一定規(guī)律的[12]。地形地貌正是反映環(huán)境中導(dǎo)致雷擊概率變化的因子，結(jié)合相關(guān)國家標準，將地形地貌分成四個等級，如表6所示。

表6　周邊環(huán)境等級劃分

土壤電阻率是決定接地體電阻的重要因素，良好的接地能及時有效地將強大的雷電流泄放流入大地，減少雷電造成的危害。同時，較低的土壤電阻率能快速有效地釋放擊中周圍其他位置的雷電流，在區(qū)域內(nèi)土壤電阻率沒有明顯水平分層的情況下，土壤電阻率是反映泄放雷電流能力的重要因子，結(jié)合重慶地區(qū)土壤情況，將土壤電阻率分成四個等級，如表7所示。

表7　土壤電阻率等級劃分

3基于模糊數(shù)學(xué)的雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法

利用模糊集表述方法推斷出來的風(fēng)險結(jié)論，稱為模糊風(fēng)險。建立模糊評判模型主要涉及以下三個要素[13]。

建筑物的屬性是承災(zāi)體易損性重要表現(xiàn)，建筑物的高度、占地面積和結(jié)構(gòu)屬性是反映承災(zāi)體在雷電環(huán)境下易損性的直觀因子，當然建筑物的內(nèi)部設(shè)施設(shè)備情況、布線結(jié)構(gòu)、地面類型等也都是反映易損性的重要因子，但這些因子很難在實際操作中取值，在定義這些因子的等級大小時也缺乏相應(yīng)的理論支撐。建筑物的高度和占地面積決定了在相同雷電環(huán)境下，雷電直接擊中或者影響的概率大小，結(jié)構(gòu)屬性是直接反映建筑物抵御雷電影響的因子，但是結(jié)構(gòu)屬性是個廣泛的概念，涉及很多方面，在現(xiàn)場勘查和數(shù)據(jù)量化時都有不小困難，這里使用建筑物的使用性質(zhì)作為結(jié)構(gòu)屬性的代表，通過對重慶地區(qū)近5年來新建項目進行大量調(diào)研，結(jié)合相關(guān)國家法規(guī)，可以將建筑物高度、占地面積和使用性質(zhì)分成四個等級，如表8、表9、表10所示：

(1)因素集U；

(2)決斷集V；

(3)單因素判斷關(guān)系。

重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標教多且復(fù)雜，因此使用三級模糊綜合評判模型。大致步驟如下：

(1)構(gòu)建評估體系的因素集U

U={u1,u2,…,un}。

(1)

(2)確定指標的決斷集V

V={v1,v2,…,vn}。

(2)

決斷集即為評估指標的等級，它們是確定指標隸屬度的的參考標準，一般為分界值。

表8　占地面積等級劃分

表9　建筑物高度等級劃分

表10　使用性質(zhì)等級劃分

(3)建立m個評價因素的權(quán)重分配向量A

評價因素集中的每個因素在“評價目標”中有不同的地位，即各評價因素在綜合評價中占有不同的比重，稱為權(quán)重值，確定權(quán)重值的方法有很多，比如專家咨詢法，層次分析法等。目前大多數(shù)的權(quán)重值法都屬于主觀判斷，雷電的具體成災(zāi)機理目前還不能很好地解釋[14]，對于重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估中各層的評價因素權(quán)重值采取均分的方式，這樣可以避免不成熟的人為觀念導(dǎo)致某一個評價因素過多地影響最后的評估結(jié)果。

(4)建立綜合評價矩陣R

對評估參數(shù)的最底層指標建立一個從U到V的模糊映射，第i個指標的評判隸屬度向量為R=[ri1,ri2,…,rim]，則具有m個評估指標的隸屬度矩陣為：

(3)

(5)選擇合成算法，進行綜合評價

模糊綜合評判結(jié)果是決斷集V上的一個模糊子集，應(yīng)用模糊變換的合成運算公式為：

B=W·R=(w1,w2,…,wn)·

(4)

隸屬函數(shù)是模糊集合的支柱，模糊集合完全由隸屬函數(shù)所刻畫，根據(jù)重慶地區(qū)的實際情況，對于雷電災(zāi)害評估所選的參量，經(jīng)過相應(yīng)統(tǒng)計后可以看出，大部分隸屬函數(shù)可采用K次拋物線型分布處理，偏小型、偏大型和中間型的K次拋物線型分布分別對應(yīng)重慶地區(qū)雷電風(fēng)險的四個級別：

偏小型：

(5)

偏大型：

(6)

中間型：

(7)

得到綜合評價結(jié)果，使用常見的最大隸屬度原則會損失較多有用信息，這里采用適當?shù)募訖?quán)平均處理[15]，最后得到下面的公式：

F=1×b1+3×b2+5×b3+7×b4。

(8)

4重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的應(yīng)用

評估項目為某生物化工有限公司8 000 t/a對苯二酚(一期2 000 t/a)及30萬t/a硫磺制酸(一期10萬t/a)生產(chǎn)建設(shè)項目。分析項目所在地雷電環(huán)境、地形地貌特征、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、受體易損性等，對土壤進行采樣，提取相關(guān)參數(shù)，計算隸屬度，最后得到：

表11　該項目雷電風(fēng)險隸屬度

最后經(jīng)過加權(quán)平均處理，可以看出本評估項目雷電災(zāi)害風(fēng)險處于高風(fēng)險級別。然后深入分析該項目不同因子對雷電災(zāi)害風(fēng)險的影響程度，可以辨識雷電災(zāi)害風(fēng)險的主要來源，如圖2所示。

可以直觀地看出對于該評估項目，暴露在雷電環(huán)境中的財產(chǎn)和人員數(shù)量是雷電災(zāi)害風(fēng)險主要影響因子，次要影響因子為該雷電流強度、雷擊大地密度等。

圖2　各因子對雷電災(zāi)害風(fēng)險的影響

5結(jié)論

(1) 針對該項目同時使用IEC62305-2和專家調(diào)查打分法進行雷電災(zāi)害風(fēng)險評估，結(jié)果同上述評估結(jié)果基本相同。另外，通過對不同類型的建構(gòu)筑物(群)進行多種雷電災(zāi)害風(fēng)險評估，對比其結(jié)果，可以看出基于模糊數(shù)學(xué)的重慶地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法在評價重慶地區(qū)雷電風(fēng)險時具有很好的客觀性和實用性，可以作為IEC62305-2評估標準以外的補充方法，在分析雷電各風(fēng)險來源時有著較好的指導(dǎo)意義。

(2)利用模糊數(shù)學(xué)的雷電風(fēng)險評估更加具有針對性，分析條理性也更加合理，可以適應(yīng)于更廣泛的場合。目前的不足是在層與層間的關(guān)系計算還是運用經(jīng)驗計算公式，參數(shù)的選取尚沒有統(tǒng)一標準，需要更加深入地研究雷電災(zāi)害的形成規(guī)律，完善相關(guān)參數(shù)的選擇，使評估結(jié)果更加科學(xué)合理。

參考文獻：

[1]李家啟,覃彬全，陳宏，等.開縣“5·23”重大雷電災(zāi)害事故分析[J].氣象科技，2007，35(Supp.1)：48-51.

[2]余蜀豫.雷電風(fēng)險評估方法和參數(shù)研究及實踐[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2012.

[3]程向陽，謝五三，王凱，等.雷電災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃方法研究及其在安徽省的應(yīng)用[J].氣象科學(xué)，2012,32(1):80-85.

[4]袁湘玲，王振會，肖穩(wěn)安，等.雷電災(zāi)害潛在與現(xiàn)實易損性分析及區(qū)劃研究——以黑龍江省為例[J].災(zāi)害學(xué)，2011，26(1)：20-25.

[5]劉平英，楊榮建，李兆華，等.喀斯特地貌景區(qū)雷擊風(fēng)險分析-以云南石林為例[J].災(zāi)害學(xué)，2013,28(2)：156-160.

[6]黃崇福.自然災(zāi)害風(fēng)險評價理論與實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2006:2-45.

[7]張繼權(quán)，李寧.主要氣象災(zāi)害風(fēng)險評價與管理的數(shù)量化方法及其應(yīng)用[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.

[8]楊仲江，余蜀豫，程斌.暫態(tài)電流和電位抬升對雷電風(fēng)險參數(shù)Pc的影響[J].科技導(dǎo)報，2011，29(26)：57-60.

[9]張繼權(quán)，岡田憲夫，多多納裕一.綜合自然災(zāi)害風(fēng)險管理-全面整合模式與中國戰(zhàn)略選擇[J].自然災(zāi)害學(xué)報,2006，15(10): 29-37.

[10]王巨豐，齊沖，車詒穎，等.雷電流最大陡度及幅值的頻率分布[J].中國電機工程學(xué)報，2007，27(3)：106-109.

[11]許穎，劉繼，馬宏達，等.建(構(gòu))筑物雷電保護[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010.

[12]戈爾德.雷電[M].北京：電力工業(yè)出版社，1983.

[13]梁保松，曹殿立.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[14]Luis E Gallego, Oscar Duarte. Lightning risk assessment using fuzzy logic [J].Journal of Electrostatics, 2004(60):233-239.

[15]江高.模糊層次綜合評價法及其應(yīng)用[D].天津：天津大學(xué)，2005.

張穎超，王璐，熊雄，等. 基于SPA的福建省抗臺風(fēng)減災(zāi)能力評估[J].災(zāi)害學(xué), 2015,30(2):85-88. [Zhang Yingchao,Wang Lu，Xiong Xiong, et al. Evaluation of typhoon disaster prevention and mitigation ability in Fujian province based on set pair analysis[J]. Journal of Catastrophology, 2015,30(2)：85-88.]

Research on the Lightning Risk Assessment Method forChongqing Based on Fuzzy Mathematics

Yu Shuyu1, 2, 3, Ren Yan1, 2and Qin Binquan1, 2

(1.ChongqingEngineeringResearchCenterofLightningDisastersIdentificationandPrevention,

Chongqing400000,China; 2.ChongqingLightningProtectionCenter,Chongqing400000,China; 3.Institueof

AtmosphericPhysics,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,China)

Abstract:Reasonable and scientific lightning disaster risk assessment can effectively reduce losses caused by lightning, but at present the lightning risk assessment system is not perfect, sometimes it cannot well evaluate actual lightning disaster risks. For some certain occasions, IEC62305-2 standard dose not well reflect the true lightning risk, such as large-scale residential district, a large area factory, etc. In these cases, on the basis of in-depth study on the mechanism of lightning disaster, the lightning risk can be analyzed by three aspects of hazard, exposure and vulnerability of hazard bearing body. By AHP and fuzzy mathematics theory, the lightning risk assessment formula for Chongqing region is obtained. Through the lightning risk assessment method specific assessment verification shows that this method has better applicability and can better serve lightning protection and disaster reduction in Chongqing region, and it can be a good supplement for IEC62305-2 lightning risk assessment.

Key words:lightning disaster; risk assessment; fuzzy mathematic theory; lightning protection; Chongqing area

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.014

中圖分類號：X43；P429

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2015)02-0075-05

作者簡介：余蜀豫(1987-)，男，重慶開縣人，碩士，研究方向為雷電物理及雷電災(zāi)害風(fēng)險評估. E-mail：meysy@163.com

基金項目：重慶市科技平臺與基地建設(shè)(cstc2013pt-gc00001)

收稿日期：2014-10-20修回日期：2014-11-27