化工園區(qū)區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)研發(fā)框架的形成與實(shí)現(xiàn)

金樂(lè) 周衛(wèi)華 吳昊 楊春生 王媛媛 未小文

摘 要：該文根據(jù)化工園區(qū)實(shí)施雷電提前主動(dòng)防護(hù)的應(yīng)用需求，結(jié)合IEC 62793-2016標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)內(nèi)容，梳理總結(jié)了針對(duì)化工園區(qū)等雷電高危高敏感單位的新型全電子式遠(yuǎn)近程一體化區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)路徑及解決方法，從而為在應(yīng)急管理及安全生產(chǎn)領(lǐng)域構(gòu)建以主動(dòng)式預(yù)防為先導(dǎo)的雷電防護(hù)新體系，提供了必要的技術(shù)支撐和成果保障。

關(guān)鍵詞：化工園區(qū)；區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)；雷電偵測(cè)探頭；全電子式；遠(yuǎn)近程一體化

中圖分類號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)和微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的普及，雷電造成的災(zāi)害程度和范圍日益擴(kuò)大，對(duì)各行各業(yè)都造成了顯著的破壞，經(jīng)濟(jì)社會(huì)及生態(tài)環(huán)境損失急劇增加。雷電已被聯(lián)合國(guó)國(guó)際減災(zāi)委員會(huì)確定為對(duì)人類造成最嚴(yán)重危害的十大自然災(zāi)害之一，并被國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）確定為“電子化時(shí)代的一大公害”。我國(guó)也是世界上雷暴日數(shù)最多的國(guó)家，根據(jù)氣象部門(mén)的統(tǒng)計(jì)資料，近年來(lái)我國(guó)的雷電災(zāi)害呈增多趨勢(shì)，已成為危害程度僅次于暴雨洪澇、氣象地質(zhì)災(zāi)害的第三大氣象災(zāi)害。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，各地都規(guī)劃了石油化工產(chǎn)業(yè)集聚的化工園區(qū)，園區(qū)內(nèi)的企業(yè)不同程度上都涉及“兩重點(diǎn)一重大”的范疇，隨著園區(qū)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品的品種和數(shù)量的日漸增多，其“大而全”的集中式運(yùn)營(yíng)模式使化工園區(qū)成了一個(gè)個(gè)潛在的高危區(qū)域。這些區(qū)域內(nèi)危險(xiǎn)化工工藝復(fù)雜、危險(xiǎn)化學(xué)品類雜量大、重大危險(xiǎn)源星羅棋布，其中不乏易燃易爆、有毒有害甚至放射性物質(zhì)，一旦遭受雷電災(zāi)害，就有可能引發(fā)起火爆炸、泄漏擴(kuò)散及次生災(zāi)害，從而造成重大的生命財(cái)產(chǎn)損失及生態(tài)環(huán)境破壞，對(duì)社會(huì)造成的重大影響更是難以估量。因此，在采取傳統(tǒng)的雷電保護(hù)手段的基礎(chǔ)上，采用適合化工園區(qū)應(yīng)用需求的、針對(duì)小范圍地域的綜合雷電預(yù)警系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)），輔之以根據(jù)用戶特點(diǎn)量身定制并持續(xù)完善的雷電防護(hù)預(yù)防性措施，有助于提前大幅度減弱化工園區(qū)的雷電風(fēng)險(xiǎn)后果。

1 合理確定區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域

隨著雷電災(zāi)害的不斷增加，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到防雷的重要性，并且在實(shí)踐中，采用了諸如接閃器（俗稱避雷針）、電涌保護(hù)器（SPD）、接地裝置等常規(guī)的雷電保護(hù)系統(tǒng)（LPS）。LPS遵循的是為雷電流提供快速可靠泄放通道的原理，在雷電來(lái)臨之后才觸發(fā)其事后被動(dòng)保護(hù)功能，屬于雷電的被動(dòng)式預(yù)防。然而，在很多情況下即使設(shè)置了最齊備的LPS，依然有大量的雷電損失產(chǎn)生。為此，IEC基于歐盟EN 50536—2013標(biāo)準(zhǔn)制訂頒布了《IEC 62793—2016 雷電防護(hù)-雷電預(yù)警系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱IEC標(biāo)準(zhǔn)），為雷電的主動(dòng)式預(yù)防（即事前主動(dòng)防護(hù)）提供了參考指南。

IEC標(biāo)準(zhǔn)將一個(gè)雷電活動(dòng)周期依次分為初始、成長(zhǎng)、成熟、消散4個(gè)階段，并列出了不同雷電偵測(cè)原理（分為A、B、C、D 4類）可探測(cè)的不同雷電活動(dòng)階段及典型探測(cè)距離（從20 km到上千千米）。

對(duì)于一個(gè)具體用戶而言，應(yīng)根據(jù)其目標(biāo)區(qū)域（需要進(jìn)行雷電防護(hù)的區(qū)域）的范圍，合理確定監(jiān)測(cè)區(qū)域（雷電偵測(cè)探頭單點(diǎn)部署所能探測(cè)的區(qū)域）或覆蓋區(qū)域（雷電偵測(cè)探頭組網(wǎng)部署所能探測(cè)的區(qū)域）的范圍，確保后者能完全覆蓋并合理地大于前者。若后者過(guò)小，則易造成雷電提前預(yù)警的時(shí)間過(guò)晚甚至出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)，影響預(yù)防性措施的及時(shí)展開(kāi)，進(jìn)而影響雷電防護(hù)效果；若后者過(guò)大，則會(huì)增加用戶的購(gòu)置成本，并造成雷電提前預(yù)警的時(shí)間過(guò)早，從而導(dǎo)致用戶隱形成本的攀升及應(yīng)急資源的空耗。

對(duì)化工園區(qū)這樣的高危區(qū)域而言，雷電預(yù)警的提前時(shí)間控制在30 min左右是適宜的，能足以保證相關(guān)雷電防護(hù)預(yù)防性措施的充分展開(kāi)。在時(shí)速100 km以上的狂風(fēng)、暴風(fēng)或臺(tái)風(fēng)風(fēng)況下，30 min內(nèi)的雷云飄移距離為50 km以上。另?yè)?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2017年底，全國(guó)重點(diǎn)化工園區(qū)和以石油和化工為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的園區(qū)共有601家，2018年全國(guó)主要化工園區(qū)約有635家。這些化工園區(qū)占地一般為數(shù)十平方千米以上，跨度有的可達(dá)數(shù)十千米。因此，區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的合理監(jiān)測(cè)區(qū)域（或覆蓋區(qū)域）就應(yīng)在100 km的直徑范圍內(nèi)，根據(jù)化工園區(qū)的實(shí)際情況，按宜大不宜小的原則進(jìn)行適當(dāng)確定。

區(qū)域雷電預(yù)警有別于氣象雷電預(yù)報(bào)。后者屬于大范圍地域的雷電預(yù)報(bào)，是針對(duì)諸如縣、市、省乃至全國(guó)等大級(jí)別區(qū)域的大時(shí)間跨度（提前2 h～24 h）的預(yù)報(bào)，很大程度上是一種概率性質(zhì)的預(yù)報(bào)，難以滿足一個(gè)具體用戶在雷電預(yù)警的準(zhǔn)確性和時(shí)間性上的要求，對(duì)具體用戶的雷電防護(hù)不具有針對(duì)性和指導(dǎo)性，僅能起到輔助參考作用。

2 合理設(shè)計(jì)區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的偵測(cè)探頭

2.1 化工園區(qū)雷電偵測(cè)探頭的需求特性

雷電偵測(cè)探頭作為區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的“耳目”，其性能直接關(guān)系到能否滿足用戶對(duì)于預(yù)警準(zhǔn)確性、時(shí)間性和可靠性的要求。根據(jù)化工園區(qū)的地理環(huán)境特點(diǎn)及安全管理需要，將其對(duì)雷電偵測(cè)探頭的應(yīng)用需求進(jìn)行逐一梳理，形成對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)思路，并提煉出相應(yīng)的技術(shù)特性（見(jiàn)表1）。

2.2 全電子式的雷電偵測(cè)探頭

IEC標(biāo)準(zhǔn)中所列的4類雷電偵測(cè)原理中，僅有A類的FSM（大氣靜電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量法）可通過(guò)對(duì)雷云起電過(guò)程的偵測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電活動(dòng)全部4個(gè)階段的探測(cè)，其探測(cè)距離可達(dá)20 km，因此尤其適用于本地雷電偵測(cè)探頭，以監(jiān)測(cè)本地上空附近生成的雷電活動(dòng)。

目前市場(chǎng)上主流的大氣靜電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x（簡(jiǎn)稱場(chǎng)強(qiáng)儀）均采用機(jī)械場(chǎng)磨式原理， 其傳感裝置主要由定片（感應(yīng)片）、動(dòng)片（接地屏蔽片）、直流電機(jī)、前置放大器、同步信號(hào)發(fā)生器等組成。當(dāng)其工作時(shí)，電機(jī)需要帶動(dòng)裸露在大氣中的動(dòng)片全天不間斷地高速旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。若遇電機(jī)故障、部件受蝕、沙塵卡軸、染污失準(zhǔn)等情形，則需要停機(jī)進(jìn)行返修換件或定期清洗，在強(qiáng)污染環(huán)境下更需要頻繁清洗，因此維護(hù)成本極大，難以保證全天候、不間斷的正常工作。

鑒于機(jī)械式場(chǎng)強(qiáng)儀存在的缺陷，采用全電子式場(chǎng)強(qiáng)儀應(yīng)是今后的潮流。全電子式場(chǎng)強(qiáng)儀是基于電荷感應(yīng)原理，采用專用電子傳感器進(jìn)行感應(yīng)電場(chǎng)的測(cè)量，并通過(guò)電場(chǎng)微分結(jié)合門(mén)限閾值等算法進(jìn)行信號(hào)處理，從而消除干擾，提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。它低功耗、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命、智能化，可以在密閉的IP67保護(hù)外殼里長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，有效克服了傳統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)儀的所有缺陷，因此完全適合化工園區(qū)使用。

2.3 遠(yuǎn)近程一體化的雷電偵測(cè)探頭

由上可知，F(xiàn)SM原理的探測(cè)范圍尚不足以覆蓋前述化工園區(qū)數(shù)十千米直徑范圍的合理區(qū)域。對(duì)此存在2種解決方案：一是將FSM偵測(cè)探頭進(jìn)行組網(wǎng)部署，使組網(wǎng)后的探測(cè)區(qū)域完全覆蓋化工園區(qū)，這就需要對(duì)探頭布點(diǎn)預(yù)先進(jìn)行選址規(guī)劃，合理規(guī)避不符合安裝要求的選點(diǎn)，避免增加用戶相應(yīng)的購(gòu)置安裝成本；二是在設(shè)備成本增加有限的前提下，就地加裝采用不同偵測(cè)原理，適合探測(cè)遠(yuǎn)程雷電活動(dòng)的遠(yuǎn)程偵測(cè)探頭。顯然，將本地偵測(cè)探頭與遠(yuǎn)程偵測(cè)探頭相結(jié)合的方案，從使用、安裝、成本、管理等方面都對(duì)用戶更為有利。

IEC標(biāo)準(zhǔn)中所列的4類雷電偵測(cè)原理中，先天就是全電子式的B類偵測(cè)原理，通過(guò)對(duì)雷電的擊穿及先導(dǎo)過(guò)程的偵測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電活動(dòng)的后3個(gè)階段的探測(cè)，其探測(cè)距離可達(dá)上百千米，因此尤其適用于遠(yuǎn)程雷電偵測(cè)探頭，以監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)程上空已經(jīng)發(fā)生的雷電活動(dòng)。

由此，基于全電子式架構(gòu)，將遠(yuǎn)近程雷電偵測(cè)探頭合二為一的一體化方案應(yīng)運(yùn)而生。為了消除兩者之間可能存在的相互影響，不降低各自的準(zhǔn)確性和可靠性，最終確定一體化探頭采用葫蘆形的上下雙腔室結(jié)構(gòu)，既新穎美觀，又便于在腔室之間采取有效地隔離措施，以保證兩者正常工作時(shí)的相對(duì)獨(dú)立性。遠(yuǎn)近程一體化的雷電偵測(cè)探頭提高了系統(tǒng)的集成度，進(jìn)一步減少了用戶的購(gòu)置、安裝及管理成本。

綜上，全電子式遠(yuǎn)近程一體化的雷電偵測(cè)探頭，由于其在技術(shù)上具備一體化、耐環(huán)境、全天候、免維護(hù)、自適應(yīng)、無(wú)干擾、不間斷、零損耗等諸多特性，完全滿足化工園區(qū)用戶的應(yīng)用需求，使之能以最少的選址占地、最少的安裝施工、最少的成本費(fèi)用實(shí)現(xiàn)對(duì)化工園區(qū)合理區(qū)域內(nèi)雷電活動(dòng)的全面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 合理搭建區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)

區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)由一體化偵測(cè)探頭、數(shù)據(jù)接口單元、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理系統(tǒng)軟件、雷電防護(hù)預(yù)防性措施定制模塊及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，分為傳感層、控制層、管理層三級(jí)架構(gòu)，如圖1所示。各部分的實(shí)現(xiàn)功能如下：

一體化偵測(cè)探頭（CDS）：對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的遠(yuǎn)近程雷電活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

數(shù)據(jù)接口單元（DIU）：實(shí)時(shí)獲取與其連接的各探頭的運(yùn)行信息，并對(duì)信息進(jìn)行就地處理、存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)，根據(jù)預(yù)設(shè)條件控制就地聯(lián)動(dòng)設(shè)備的啟停。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器（DBS）：匯總與其聯(lián)網(wǎng)的各DIU的運(yùn)行信息，對(duì)所獲信息進(jìn)行分類存儲(chǔ)、綜合處理，并充當(dāng)系統(tǒng)的服務(wù)器平臺(tái)。

管理系統(tǒng)軟件（MSS）：具備雷電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及分級(jí)預(yù)警發(fā)布、預(yù)警事件及歷史數(shù)據(jù)查詢、圖表生成打印、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、雷擊事故的信息維護(hù)及對(duì)象管理等功能，并結(jié)合用戶所在區(qū)域的GIS（地理信息系統(tǒng)），使界面更加直觀友好。

雷電防護(hù)預(yù)防性措施定制模塊（PAM）：作為MSS的嵌入式模塊。用戶可根據(jù)本單位的具體情況及特點(diǎn)，組織相關(guān)專業(yè)人員參照MSS內(nèi)置的雷電防護(hù)預(yù)防性措施通用參考模板，進(jìn)行編輯修改完善，形成適合于該單位實(shí)際的分門(mén)分類分級(jí)的雷電防護(hù)預(yù)防性措施，以便在預(yù)警出現(xiàn)時(shí)下達(dá)針對(duì)性指令并予以實(shí)施。

考慮到化工園區(qū)用戶訪問(wèn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性、分散性的特點(diǎn)，在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)確定采用B/S結(jié)構(gòu)，而非C/S結(jié)構(gòu)。在被合法授權(quán)的前提下，不同用戶可在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間以瀏覽器方式登錄系統(tǒng)界面。此外，系統(tǒng)還應(yīng)支持與第三方管理平臺(tái)的互聯(lián)互通。

4 合理保障區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的信息安全

區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)作為重要的安全生產(chǎn)裝備，應(yīng)重視其運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)據(jù)安全及網(wǎng)絡(luò)安全，因此要對(duì)其安全架構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，防止因非法入侵造成的安全損失。

針對(duì)上述3層系統(tǒng)架構(gòu)，采用分層物理隔離等安全技術(shù)，以確保系統(tǒng)的安全性（見(jiàn)表2）。

需要強(qiáng)調(diào)的是，在管理層一級(jí)，對(duì)有外網(wǎng)接入需求的用戶，應(yīng)配置必要的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備、采取必要的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)手段，以構(gòu)建安全的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確保其所有內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的信息安全，防止外來(lái)入侵對(duì)安全生產(chǎn)和防雷減災(zāi)工作造成影響。

5 合理規(guī)劃區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的組網(wǎng)部署

雖然單個(gè)一體化偵測(cè)探頭的監(jiān)測(cè)區(qū)域可基本實(shí)現(xiàn)大部分化工園區(qū)的全覆蓋，但仍需考慮到以下幾種情形：某些狹長(zhǎng)或地域形狀不規(guī)則的園區(qū)，可能存在部分區(qū)域單個(gè)探頭覆蓋不到的情況；部分靠近單個(gè)探頭監(jiān)測(cè)區(qū)域外緣的園內(nèi)區(qū)域，可能存在因預(yù)警提前時(shí)間不足導(dǎo)致雷電防護(hù)預(yù)防性措施來(lái)不及展開(kāi)的情況；由于意外因素可能存在單個(gè)探頭發(fā)生異常的情況；由于單個(gè)探頭無(wú)法預(yù)判雷云的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，一有預(yù)警則牽一發(fā)而動(dòng)全身，造成應(yīng)急能力的分散甚至空耗，增加了用戶的隱形成本，也降低了應(yīng)急資源的使用效能。但若在化工園區(qū)內(nèi)對(duì)探頭進(jìn)行合理的組網(wǎng)部署，則可很好地解決上述問(wèn)題。

如圖2所示，在目標(biāo)區(qū)域的4個(gè)界角進(jìn)行組網(wǎng)部署，4個(gè)探頭的監(jiān)測(cè)區(qū)域疊加形成了組網(wǎng)部署后的區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)覆蓋區(qū)域，涵蓋了目標(biāo)區(qū)域的周邊區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)區(qū)域完全覆蓋的基礎(chǔ)上合理擴(kuò)大，彌補(bǔ)了單個(gè)探頭的監(jiān)測(cè)區(qū)域局限，也使原處于監(jiān)測(cè)區(qū)域外緣的園內(nèi)區(qū)域有了充足的預(yù)警響應(yīng)時(shí)間，即使意外情況下個(gè)別探頭出現(xiàn)異常，也不會(huì)造成監(jiān)測(cè)真空。更重要的是，探頭組網(wǎng)部署后，通過(guò)分析各個(gè)探頭在每一時(shí)刻所獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不同，可實(shí)現(xiàn)對(duì)從遠(yuǎn)程向本地飄移雷云的當(dāng)前方位及運(yùn)動(dòng)軌跡的研判，進(jìn)而預(yù)測(cè)雷云的后續(xù)動(dòng)向，從而增強(qiáng)雷電防護(hù)的主動(dòng)權(quán)，有助于用戶提前有重點(diǎn)、有針對(duì)地合理調(diào)配應(yīng)急資源，降低雷電防護(hù)綜合成本。

6 結(jié)語(yǔ)

回顧化工園區(qū)區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)的研發(fā)歷程，課題組是在調(diào)研國(guó)內(nèi)化工園區(qū)雷電防護(hù)現(xiàn)狀及需求的基礎(chǔ)上，參考IEC標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)內(nèi)容，充分利用先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)行的一次集成創(chuàng)新和應(yīng)用創(chuàng)新的有益探索。推廣使用針對(duì)小范圍地域的區(qū)域雷電預(yù)警系統(tǒng)，并輔之以根據(jù)用戶自身特點(diǎn)量身定制的雷電防護(hù)預(yù)防性措施，有助于事前大幅降低化工園區(qū)等雷電高危高敏感單位的雷電風(fēng)險(xiǎn)后果及次生災(zāi)害的發(fā)生，提前主動(dòng)避免或減輕生命財(cái)產(chǎn)損失、生態(tài)環(huán)境破壞及社會(huì)重大影響，為應(yīng)急管理及安全生產(chǎn)領(lǐng)域的防雷減災(zāi)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)和技術(shù)保障。區(qū)域雷電預(yù)警技術(shù)作為化工園區(qū)耦合事故區(qū)域防控技術(shù)的有機(jī)組成部分，隨著其示范應(yīng)用地不斷推廣，勢(shì)必會(huì)逐步改變當(dāng)前防雷手段重“事后被動(dòng)保護(hù)”、輕“事前主動(dòng)防護(hù)”的傳統(tǒng)方式，徹底扭轉(zhuǎn)當(dāng)前防雷過(guò)程中人只能“聽(tīng)天由命，被動(dòng)挨打”、不能“準(zhǔn)確預(yù)判，主動(dòng)作為”的陳舊觀念，充分發(fā)揮人在防雷工作中的主動(dòng)性、能動(dòng)性，從而形成全員、全程、全面的全維度雷電防護(hù)新格局。

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