基于層次分析法的城市軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

張科杰，成 勤

（1. 湖北省防雷中心，湖北武漢 430074；2. 宜昌市氣象局，湖北宜昌 443000）

1 引言

雷電放電過(guò)程具有大峰值電流、高峰值功率、高溫、強(qiáng)電磁輻射和沖擊波等物理特性，常常對(duì)建構(gòu)筑物、電子信息設(shè)備以及人員造成不同程度的影響，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。城市軌道交通具有設(shè)備分布范圍廣、系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、電子設(shè)備多、人流量大等特點(diǎn)，雷電災(zāi)害對(duì)其造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響也越來(lái)越大。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)城市軌道交通雷電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果。李一丁[1]等以成都地鐵系統(tǒng)為例，分析地鐵系統(tǒng)及車(chē)站的防雷和接地系統(tǒng)，并就外引接地、屋面防雷、接地連接點(diǎn)間距等有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討，提出更加合理的解決方案；靳小兵[2]等結(jié)合系統(tǒng)防雷的5個(gè)要素，提出地鐵防雷主要措施和技術(shù)指標(biāo)；趙海軍[3]等對(duì)地鐵架空地線(xiàn)的雷電防護(hù)作用研究，得出地鐵架空地線(xiàn)可降低接觸網(wǎng)雷擊閃絡(luò)次數(shù)等相關(guān)結(jié)論；張血琴[4]、黃德亮[5]、孫曉東[6]等研究地鐵高架橋段接地點(diǎn)和避雷器對(duì)耐雷水平的影響，提出改善地鐵高架橋段接觸網(wǎng)耐雷水平的措施；王欣眉[7]參考相關(guān)建筑類(lèi)國(guó)家技術(shù)規(guī)范，對(duì)青島地鐵3號(hào)線(xiàn)進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；王昱[8]等結(jié)合地鐵實(shí)際，探討了人工接地網(wǎng)作為地鐵車(chē)站綜合接地系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用層次分析法，以武漢市軌道交通4號(hào)線(xiàn)二期工程為例，結(jié)合區(qū)域雷電資料、周邊環(huán)境、雷電防護(hù)措施、建筑結(jié)構(gòu)等相關(guān)特征，對(duì)城市軌道交通線(xiàn)路進(jìn)行雷擊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃分與評(píng)估。

2 資料來(lái)源與評(píng)估方法

2.1 資料來(lái)源

本文所用到的閃電資料來(lái)源于湖北省雷電定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Advanced Direction Finding on Time Difference，ADTD），該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)并記錄云地閃電發(fā)生的位置、雷電流峰值等參數(shù)。采用湖北省ADTD雷電定位系統(tǒng)2007年01月01日— 2018年12月31日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各站的雷擊大地密度、歷史雷電流峰值及平均雷電流強(qiáng)度等信息。文中涉及的相關(guān)防雷措施源于項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖及現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料。需要指出的是，本文中雷電泛指自然界中的雷電現(xiàn)象；雷擊指云層對(duì)地面放電的現(xiàn)象，即云地閃電，云內(nèi)閃電和云空閃電對(duì)地鐵建筑及內(nèi)部設(shè)備影響很小，不在本次討論范圍以?xún)?nèi)。

2.2 評(píng)估方法

影響城市軌道交通相關(guān)建構(gòu)筑物和人體遭受雷擊的因素很多，如雷擊大地密度、雷電流強(qiáng)度、建筑物防雷設(shè)施、周邊環(huán)境狀況等。層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty提出，是一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法，它特別適用于解決那些難于完全定量分析的問(wèn)題。該方法將一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)的若干層次，通過(guò)定性指標(biāo)量化方法算出層次單排序和總排序，以作為指標(biāo)、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。因此，該方法適用于城市軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，其主要步驟如下。

（1）建立遞階層次模型，將評(píng)估對(duì)象所包含的各項(xiàng)因素按照層次分析法原理分為3層：第1層為目標(biāo)層，即雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；第2層為準(zhǔn)則層，即影響雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的多方面因素；第3層為方案層，即隸屬于上一層的各因素的子因素，用于解決問(wèn)題的各種措施、方案等。

（2）構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣表示針對(duì)上一層次某指標(biāo)，將本層次與之有關(guān)的各因素之間的重要性進(jìn)行兩兩比較；與此同時(shí)，采用1～9標(biāo)度方法，對(duì)準(zhǔn)則層中的各因素的比較進(jìn)行評(píng)估打分，構(gòu)建判斷矩陣并通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

（3）形成雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，求評(píng)估矩陣。利用矩陣計(jì)算得出準(zhǔn)則層各因子的評(píng)估矩陣，從而進(jìn)一步得到目標(biāo)層雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣。

（4）確定因子風(fēng)險(xiǎn)評(píng)分及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（5）根據(jù)判斷矩陣確定的因子權(quán)重，可以計(jì)算評(píng)價(jià)體系中方案層各因子對(duì)目標(biāo)層雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的影響程度。

3 城市軌道交通雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 雷擊風(fēng)險(xiǎn)分析

武漢市軌道交通4號(hào)線(xiàn)二期工程從漢陽(yáng)黃金口站至武昌首義路站，連接漢陽(yáng)和武昌兩大城區(qū)，線(xiàn)路全長(zhǎng)16.711 km，其中高架線(xiàn)2.907 km，地下線(xiàn)13.551 km；設(shè)有車(chē)站13座，其中地下站11座，高架站2座。各站附近監(jiān)測(cè)到的閃電分析顯示，最大單年雷擊密度為16.88次/km2·年，發(fā)生在2011年首義路站，該年該站1 km半徑范圍內(nèi)共發(fā)生地閃回?fù)?3次，各站平均值為2.83次/km2·年。監(jiān)測(cè)到的最大雷電流強(qiáng)度為231.5 kA，平均雷電流強(qiáng)度為39.43 kA。該條線(xiàn)路沿線(xiàn)地閃回?fù)舸螖?shù)占比最高的時(shí)段為18 : 00～19 : 00，同時(shí)，該時(shí)段也是客流量最大的時(shí)段之一。

（1）對(duì)于4號(hào)線(xiàn)二期工程地下線(xiàn)路無(wú)直擊雷損害風(fēng)險(xiǎn)，地下線(xiàn)路及對(duì)應(yīng)站的風(fēng)險(xiǎn)為：①雷擊地鐵線(xiàn)路周邊建筑物或地面產(chǎn)生的雷擊電磁脈沖感應(yīng)過(guò)電壓會(huì)引起地鐵內(nèi)部電氣和電子系統(tǒng)的故障；②各出入口的鋼制棚架均為地上設(shè)施，雷擊出入口時(shí)對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生接觸電壓及在出入口附近產(chǎn)生跨步電壓的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）對(duì)于4號(hào)線(xiàn)二期工程高架站及區(qū)間，雷擊風(fēng)險(xiǎn)為：①雷電直擊造成建筑物部分結(jié)構(gòu)損害；②雷電擊中供配電設(shè)施造成配電系統(tǒng)故障；③雷擊信號(hào)控制設(shè)備造成數(shù)控系統(tǒng)故障，同時(shí)還具有與地下線(xiàn)路相同的2項(xiàng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

本次評(píng)估主要考慮人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)和公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)：人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)主要由接觸電壓和跨步電壓2部分風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成；公眾服務(wù)損失風(fēng)險(xiǎn)主要由地鐵線(xiàn)路物理?yè)p害及內(nèi)部系統(tǒng)故障損害造成地鐵停運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成。以下將利用層次分析法評(píng)估該線(xiàn)路的人員傷亡損失風(fēng)險(xiǎn)。鑒于地上站及線(xiàn)路區(qū)間和地下站及區(qū)間的風(fēng)險(xiǎn)差異，以及同類(lèi)型站的相似性，本文選取其中1個(gè)地上站和1個(gè)地下站進(jìn)行評(píng)估分析。

3.2 區(qū)域雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階梯層次結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合城市軌道交通的特點(diǎn)以及當(dāng)?shù)氐睦纂娰Y料，建立城市軌道交通雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，如圖1所示。評(píng)估模型的目標(biāo)層為雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)S；準(zhǔn)則層分為雷電活動(dòng)狀況L1、軌道交通現(xiàn)有的主動(dòng)雷電防護(hù)措施L2和社會(huì)影響程度L3等L因子；方案層分為雷擊密度r1、雷電流強(qiáng)度r2、雷電活動(dòng)時(shí)間r3、直擊雷防護(hù)措施r4、雷擊電磁脈沖防護(hù)措施r5、接觸電壓和跨步電壓防護(hù)措施r6、風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所人流量r7、人員處于危險(xiǎn)環(huán)境時(shí)間r8、人員傷亡應(yīng)急措施r9、列車(chē)停運(yùn)影響人員數(shù)量r10等r因子。

圖1 城市軌道交通雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

3.3 判斷矩陣及一致性檢驗(yàn)

3.3.1 判斷矩陣

準(zhǔn)則層中的各參數(shù)在目標(biāo)衡量中占比不一定相同，為此，將同一層次的因素做兩兩比較，采用1～9標(biāo)度方法量化各因素的相對(duì)重要性，構(gòu)造出某判斷矩陣A=（aij）n×n，判斷矩陣標(biāo)度規(guī)則定義見(jiàn)表1。

表1 判斷矩陣標(biāo)度規(guī)則定義

參照評(píng)估模型，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)域雷電監(jiān)測(cè)資料、建設(shè)項(xiàng)目防雷設(shè)計(jì)方案、現(xiàn)場(chǎng)勘查數(shù)據(jù)和相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，確定S-L判斷矩陣，采用方根法計(jì)算該矩陣中各因子L1～L3權(quán)重，并經(jīng)歸一化處理得到歸一化值W0，地上站結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地上站S-L判斷矩陣

根據(jù)上表方法，同理可分別建立L1～L3與r1～r10之間的矩陣，并分別歸一化處理為W1、W2、W3表示，見(jiàn)表3。

表3 地上站L-r判斷矩陣

同理，地下站的矩陣如下：地下站S-L判斷矩陣同表2，地下站L1、L2、L3各指標(biāo)之間的矩陣，見(jiàn)表4。

表4 地下站L-r判斷矩陣

3.3.2 一致性檢驗(yàn)

一致性檢驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)各元素重要度之間的協(xié)調(diào)性，避免出現(xiàn)兩兩比較矛盾情況出現(xiàn)。對(duì)于上述計(jì)算權(quán)重的方法，當(dāng)判斷矩陣過(guò)于偏離一致性時(shí)，其可靠程度值得懷疑。因此，對(duì)于每一層次作單準(zhǔn)則排序時(shí)，均需要作一致性檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)方法如下：

（1）計(jì)算某個(gè)判斷矩陣A的最大特征值λmax，則有λmaxW'=AW'，W'為帶有偏差的相對(duì)權(quán)重向量；

（2）計(jì)算一致性指標(biāo)CI，CI=（λmax-n）/（n-1）；

（3）計(jì)算一致性比例CR，CR=CI/RI，式中，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，可查表獲得。當(dāng)CR≤0.1時(shí)，則判斷矩陣A符合一致性要求。

經(jīng)檢驗(yàn)，以上矩陣CR均遠(yuǎn)小于0.1，矩陣的一致性在被接受范圍以?xún)?nèi)。

由以上判斷矩陣分析可得到雷災(zāi)等級(jí)評(píng)估指數(shù)R：

3.4 準(zhǔn)則層各因子評(píng)估矩陣

將風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別分為高、較高、一般、較低、低5級(jí)，根據(jù)該條線(xiàn)路的雷電活動(dòng)狀況、雷電防護(hù)措施、應(yīng)急預(yù)案、人員活動(dòng)情況等資料，由多人對(duì)各r因子r1～r10進(jìn)行評(píng)價(jià)，其結(jié)果用0～1之間數(shù)值表示，取多人平均值，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 多人平均評(píng)價(jià)結(jié)果

由矩陣乘法的性質(zhì)可知，各r因子r1～r10權(quán)重的矩陣與其評(píng)價(jià)的乘積即為評(píng)估所需的各指數(shù)矩陣，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到，準(zhǔn)則層的評(píng)估矩陣R為：

則系統(tǒng)雷電等級(jí)評(píng)估指數(shù)矩陣C可以表示為：

經(jīng)過(guò)歸一化處理后結(jié)果為：

3.5 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.5.1r因子權(quán)重影響程度排序

根據(jù)表2～表4中各r因子r1～r10對(duì)城市軌道交通的影響程度，歸一化處理后，結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可以看出，地上站和地下站的核心風(fēng)險(xiǎn)均為雷擊大地密度和雷電流強(qiáng)度。不同點(diǎn)是，在防雷措施主動(dòng)防御方面，地上站的防護(hù)核心是直擊雷防護(hù)，地下站的防護(hù)核心為雷擊接觸電壓和跨步電壓的防護(hù)，其原因在于，地上站和線(xiàn)路暴露與大氣之中，其結(jié)構(gòu)遭受雷擊的可能性較大，直擊雷能直接破壞部分建筑結(jié)構(gòu)及供配電、信號(hào)線(xiàn)路，當(dāng)人員處于非直擊雷防護(hù)區(qū)時(shí)，人體也有遭受雷擊風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)地下線(xiàn)路而言，與外界接觸部位為出入口等建筑，同時(shí)這些建筑周邊人流量很大，當(dāng)雷雨天氣發(fā)生時(shí)，出入口周邊常常處于潮濕狀態(tài)，而通常出入口采用鋼構(gòu)或鋼混結(jié)構(gòu)，金屬構(gòu)件直接作為接閃裝置和引下線(xiàn)，在這些裝置附近的人們可能受到接觸電壓和跨步電壓的危害。

表6 各r因子影響程度及排名

3.5.2 雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估得分

在此，對(duì)各等級(jí)都按百分制給分，定義風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)加權(quán)值高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)為90分，較高對(duì)應(yīng)80分，一般對(duì)應(yīng)60分，較低對(duì)應(yīng)45分，低對(duì)應(yīng)30分，即風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)加權(quán)值ST=（90 80 60 45 30）。計(jì)算歸一化處理后系統(tǒng)雷電等級(jí)評(píng)估指數(shù)C與對(duì)應(yīng)等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)乘積后的得分，則系統(tǒng)的總得分F可表示為：F=C·ST。

當(dāng)最終得分大于等于80分時(shí)定義為高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，70～79分定義為較高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，60～69分定義為一般風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，45～59分為較低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，低于45分為低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出地上站最終得分為60.07分，為一般風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別；地下站得分為48.54分，為較低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

4 結(jié)論與討論

（1）由于城市軌道交通具有線(xiàn)路長(zhǎng)，跨越區(qū)域廣等特點(diǎn)，各站的雷擊大地密度年分布及密度分布具有不均勻性，各站在設(shè)計(jì)施工及后期維護(hù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合當(dāng)站的雷電資料，可達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的效果。

（2）本次評(píng)估的樣本既有地上站也有地下站，為目前國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)的典型樣本，評(píng)估得出地上站防雷風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一般風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，地下站為較低風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

（3）從方案層各因子的影響排名來(lái)看，不論是地上站還是地下站，雷擊大地密度和雷電流強(qiáng)度均是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的2個(gè)重要因素；不同之處在于，地上站防護(hù)核心是直擊雷防護(hù)，地下站防護(hù)核心為雷擊接觸電壓和跨步電壓的防護(hù)。

（4）影響雷擊事故的因素較多，層次分析法能對(duì)多種因子做定量分析，解決了各層次之間的因子分配權(quán)重等問(wèn)題，采用多人評(píng)分的方式可有效降低人為誤差，但不能完全消除誤差，如何進(jìn)一步精細(xì)化的開(kāi)展雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，為下一步研究的方向。