新型蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)在海南地區(qū)的應(yīng)用*

程 琪,張長秀,畢曉蕾

(1.中國石化銷售股份有限公司,北京 1007282.中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室,山東青島 266071)

0 引言

閃電放電過程中產(chǎn)生的大電流、強(qiáng)電磁輻射、炙熱高溫等嚴(yán)重危害著石化行業(yè)的安全生產(chǎn)[1]。隨著石油庫、加油站自動化水平的不斷提高,如計算機(jī)計量、計價、IC加油卡加油、遠(yuǎn)程申報、自動報警等電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來越普遍，每年因雷擊造成的事故明顯增加。

中國石化《加油站作業(yè)安全規(guī)范》和《加油站應(yīng)急預(yù)案》均有針對雷暴天氣下作業(yè)的詳細(xì)規(guī)定，規(guī)定在雷雨期間，不得進(jìn)行加油及裝卸油作業(yè)。但是一般情況下，作業(yè)人員無法精確掌握該區(qū)域是否會有雷電發(fā)生或者雷電發(fā)生的具體時間段，這就會造成無法合理地安排作業(yè)，從而影響企業(yè)的正常作業(yè)及工作效率[2]。

組建雷電預(yù)警網(wǎng)，對于實現(xiàn)雷電活動的實時預(yù)警、提高石油石化行業(yè)雷災(zāi)預(yù)防能力和雷雨天氣的工作效率、減少因雷災(zāi)引起的傷亡事故、促進(jìn)行業(yè)的安全生產(chǎn)等具有重要意義[3]。海南地處熱帶/亞熱帶地區(qū)，雷暴活動頻繁，是我國典型的雷擊高發(fā)區(qū)之一[4]。為提升中國石化海南省石油分公司雷電應(yīng)急響應(yīng)及預(yù)防能力，指導(dǎo)工作人員在雷雨天氣合理安排加油和卸油作業(yè)，在海南省部分加油站安裝了70余套新型雷電預(yù)警系統(tǒng)，組建了覆蓋海南省的新型蜂窩布局雷電預(yù)警網(wǎng)。

1 蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)

新型蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)主要由固態(tài)傳感器、預(yù)警主機(jī)和太陽能供電系統(tǒng)組成的雷電預(yù)警裝置、云服務(wù)器和系統(tǒng)軟件組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電腦客戶端和手機(jī)客戶端組成的數(shù)據(jù)接收終端構(gòu)成，如圖1所示。雷電預(yù)警裝置通過固態(tài)探頭對大氣環(huán)境電場進(jìn)行連續(xù)觀測并將采集到的數(shù)據(jù)信息實時傳送到預(yù)警主機(jī)中；預(yù)警主機(jī)采用無線連接方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務(wù)器端，通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行處理計算，得出本地電場的實際情況及變化趨勢，并對未來的雷電活動進(jìn)行預(yù)警；將預(yù)警信息傳遞到數(shù)據(jù)接收終端，為用戶提供及時、有效、準(zhǔn)確的雷電預(yù)警服務(wù)[5]。

圖1 雷電預(yù)警系統(tǒng)組成示意

與傳統(tǒng)機(jī)械式雷電預(yù)警系統(tǒng)相比，新型電子調(diào)制固態(tài)雷電預(yù)警探頭穩(wěn)定性好、免維護(hù)、防爆，滿足了石油庫、加油站等長期連續(xù)工作的場所的使用要求。雷電預(yù)警系統(tǒng)的服務(wù)器采用阿里云服務(wù)器，預(yù)警系統(tǒng)客戶端軟件按照使用權(quán)限和用戶不同，分為臺式機(jī)客戶端和移動客戶端兩種，用戶可在線對各個站點的預(yù)警情況進(jìn)行實時監(jiān)控。

為了實現(xiàn)對雷云運動軌跡的預(yù)測，基于無線傳輸及移動互聯(lián)技術(shù)，將單點雷電預(yù)警裝置按蜂窩布局組合成為蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)，如圖2所示。每個布局區(qū)域的預(yù)警探頭采用蜂窩布局方式，雷電預(yù)警探頭安裝后可通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行區(qū)域局部組網(wǎng)，并可擴(kuò)展進(jìn)行更高層次的組網(wǎng)。海南地區(qū)安裝的雷電預(yù)警均進(jìn)行了組網(wǎng)觀測，形成海南蜂窩布局雷電預(yù)警網(wǎng)。組網(wǎng)后的雷電預(yù)警系統(tǒng)，可根據(jù)每個時段檢測的電場強(qiáng)度判斷雷暴云的移動軌跡和實現(xiàn)雷電臨近預(yù)警。

圖2 無線蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)組網(wǎng)示意

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 預(yù)警效率現(xiàn)狀

為了探究海南地區(qū)安裝的新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的運行穩(wěn)定情況及預(yù)警有效率，根據(jù)IEC 62793-2016中對雷電預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警效率評估參數(shù)和評估方法的定義[6]，本文使用2017年的氣象部門提供的地閃定位數(shù)據(jù)，對海南地區(qū)雷電預(yù)警站點的預(yù)警效率進(jìn)行了統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結(jié)果表明海南地區(qū)雷電預(yù)警站點運行狀態(tài)穩(wěn)定，平均有效預(yù)警率達(dá)到85.5%，對有效覆蓋范圍閃電事件的預(yù)警效率可達(dá)到95%，錯誤預(yù)警率約為73%，平均可提前14 min為用戶提供有效預(yù)警。與國內(nèi)外同類雷電預(yù)警系統(tǒng)相比[7-9]，海南地區(qū)新型蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)的有效預(yù)警率和對閃電事件的預(yù)警效率處于領(lǐng)先水平，但仍存在錯誤預(yù)警率偏高的問題。

2.2 錯誤預(yù)警率的分析

為了探究海南地區(qū)新型雷電預(yù)警系統(tǒng)錯誤預(yù)警率偏高的問題，本文選取了錯誤預(yù)警記錄數(shù)較多的某一天的預(yù)警數(shù)據(jù)，并選取了當(dāng)天的閃電定位數(shù)及雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析。由于雷達(dá)數(shù)據(jù)是每6 min一次，所以將當(dāng)天的閃電數(shù)據(jù)按照雷達(dá)數(shù)據(jù)的時間進(jìn)行了分段處理，并將分段后的閃電數(shù)據(jù)、雷達(dá)數(shù)據(jù)及預(yù)警站點信息進(jìn)行了疊加繪圖，如圖3所示。

通過分析多條錯誤預(yù)警發(fā)生時間段內(nèi)對應(yīng)的雷達(dá)數(shù)據(jù)與閃電數(shù)據(jù)的分布，得出錯誤預(yù)警發(fā)生時站點周圍的雷達(dá)回波主要有兩種情況：

圖3 海南島某一時刻雷達(dá)回波、地閃定位數(shù)據(jù)、及預(yù)警站點的疊加

a)錯誤預(yù)警發(fā)生時，站點有效覆蓋范圍內(nèi)有較強(qiáng)的雷達(dá)回波(>40 dBz)，但站點可能位于強(qiáng)雷達(dá)回波中，也可能位于回波的邊緣或強(qiáng)回波移動過后的尾部區(qū)域，錯誤預(yù)警發(fā)生前/后有有效預(yù)警發(fā)生。此類錯誤預(yù)警發(fā)生時對應(yīng)的電場，是典型的有效預(yù)警發(fā)生時的電場波形，如圖4(a)所示。此類錯誤預(yù)警的觸發(fā)可能是云中有閃電發(fā)生引起周圍大氣電場變化造成的，而本文所使用的閃電定位數(shù)據(jù)主要是針對地閃的探測[10-11]，對云閃的探測效率較低，所以導(dǎo)致了這些時間段內(nèi)雷電預(yù)警系統(tǒng)有預(yù)警發(fā)出，但沒有對應(yīng)的閃電數(shù)據(jù)。初步認(rèn)為此類錯誤預(yù)警主要是由于雷電預(yù)警系統(tǒng)對云閃造成的電場變化探測靈敏，而用來作對比分析的閃電定位資料對云閃的探測效率較低造成的，這需要進(jìn)一步的分析來驗證。

b)錯誤預(yù)警發(fā)生時，站點有效覆蓋范圍內(nèi)無明顯雷達(dá)回波出現(xiàn)，但雷電預(yù)警系統(tǒng)有預(yù)警數(shù)據(jù)發(fā)出，此類預(yù)警對應(yīng)的電場一般與典型有效預(yù)警發(fā)生時預(yù)警電場波形有比較明顯的差異，如圖4(b)所示。此類情況，可能是站點周圍有干擾信號出現(xiàn)或設(shè)備探頭出現(xiàn)誤測，產(chǎn)生虛假信號從而出現(xiàn)的錯誤預(yù)警，但該類情況出現(xiàn)概率遠(yuǎn)低于第一種情況。

基于以上分析，初步認(rèn)為海南地區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)錯誤預(yù)警率偏高的主要原因，是由于預(yù)警系統(tǒng)對云閃造成的電場變化探測靈敏，而用來作對比分析的閃電定位資料對云閃的探測效率較低造成的，但仍需要更多的數(shù)據(jù)分析來驗證。

圖4 錯誤預(yù)警發(fā)生時對應(yīng)的預(yù)警電場波形

3 結(jié)論

為提升中國石化海南省石油分公司雷電應(yīng)急響應(yīng)及預(yù)防能力，提高雷暴天氣的工作效率，減少石油石化行業(yè)因雷災(zāi)引起的傷亡事故，組建了覆蓋海南省的新型蜂窩布局雷電預(yù)警網(wǎng)，對海南地區(qū)的雷電活動進(jìn)行實時預(yù)警。通過用戶使用意見反饋及使用氣象部門提供的閃電定位數(shù)據(jù)對海南地區(qū)的新型蜂窩布局雷電預(yù)警系統(tǒng)的運行穩(wěn)定情況及預(yù)警有效率進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：海南地區(qū)已安裝的雷電預(yù)警系統(tǒng)基本均處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，預(yù)警有效率及對閃電事件的預(yù)警能力在各類預(yù)警系統(tǒng)中均處于領(lǐng)先水平，但目前仍存在錯誤預(yù)警率偏高的現(xiàn)象，初步認(rèn)為是由于預(yù)警系統(tǒng)對云閃造成的電場變化探測靈敏，而用來作對比分析的閃電定位資料對云閃的探測效率較低造成的。新型雷電預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警觸發(fā)條件仍需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，進(jìn)一步提高預(yù)警系統(tǒng)的預(yù)警效率，為海南石化行業(yè)提供更及時高效的雷電預(yù)警服務(wù)。