雷电灾害风险评估系统模型与应用

王 赟，王洪祥，李 锐，王淑一

(大连市雷电防护中心，辽宁大连 116001)

雷电灾害风险评估系统模型与应用

王 赟，王洪祥，李 锐，王淑一

(大连市雷电防护中心，辽宁大连 116001)

根据IEC62305—2010的雷电灾害风险评估原理和方法，结合灾害学、模糊数学等理论，构建了单体风险评估和区域风险评估模型，分析了软件实现平台的设计和实现并介绍了相关平台模块主要功能。在应用中着重介绍了区域风险评估模型利用的相关技术和理论算法，并举例对某区域相关风险因子选取、评估过程、评估结论予以展现，结果表明区域雷电灾害风险不仅取决于自然闪电，还与孕灾环境、承灾体脆弱性和抗灾恢复能力相关。最后利用COM组件技术实现评估报告的自动化生成。

雷电灾害；单体评估；区域评估；层次分析法；COM组件技术

0 引言

雷电灾害是指由于雷击发生而造成损失或破坏的一种灾害，属于灾害学范畴。而雷击风险评估就是对这种灾害进行概率性评价，是雷电灾害学中重要研究内容之一。雷电具有很强的随机性和瞬时性[1]，这就导致对其灾害的评价困难，尤其是对某个特定区域的雷电灾害风险评估显得更加困难。当前，国内外一些研究机构已经做出了系列研究并出具了技术标准:如 IEC62305—2010[2]、 ITU-TK. 39[3]、 QX3—2000[4]、 GB/ T21714—2008[5]，这些标准都以雷击风险评估为基础，已经发展成为一套理论体系，这些理论的研究为雷击风险评估系统的建立提供了有力的技术依据。辽宁省已经安装完成的雷电监测网，积累了丰富的闪电数据，这些都为雷电灾害风险评估系统的开发提供了数据基础。

随着各地风险评估业务的开展，面临的问题也越来越多，如人工计算导致的效率低下，错误和误差较多，目前的评估方法大都是针对单体建筑物来进行风险量化计算的，对于区域性的建筑物群体，缺乏评估模型和评估方法。近年来，一些学者开始尝试研发雷击风险评估软件来实现雷击风险评估业务的自动化，以避免上述问题。如杨仲江[6]等人构建了 Struts和Hibernate模型，并编制了软件，丁旻[7]和焦雪[8]等人依据各自地区雷击风险评估工作经验，编制了适应各自地区的雷电灾害风险评估系统。但这些软件都只是基于IEC62305—2006进行开发的，风险计算过程相对简单，缺乏系统性的办公自动化管理功能，对地闪密度确定方法缺乏自动识别和客观性，很多评估软件只有单体评估，缺乏区域评估，即使有，区域评估指标权重选择也人为化，缺乏一定的客观性，且指标体系有待进一步完善。

近十年来，大连地区石油化工、临港工业、电子通讯、金融商贸、航运旅游等支柱产业不同程度的发生雷电灾害。据不完全统计，大连每年因雷击而导致的雷电灾害数百起，造成的人员伤亡和财产损失非常严重，个别年份直接经济损失达数千万元。自2011年“11.22”事件以来，大连地区对防雷工作提出了更严格的标准和更高的要求。如何有效加强雷电灾害防御，特别是对高敏感行业的雷电灾害风险评估研究工作非常必要和迫切。

1 雷电灾害风险评估模型的建立

1.1 单体风险评估模型

本软件依据IEC62305－2010来进行单体风险评估风险指标、模型的确定和建立。

式中:RX是各种风险值；R为风险总量，风险总量取决于各种风险分量；N为年预计雷击次数；P为雷击损坏概率；L为损失率，即对损坏的量化评估，包括某一确定的损坏会有什么样的后果以及损失的数量和规模的大小。

1.2 区域风险评估模型

区域风险评估是指对某区域内的评估对象进行总体性雷电灾害风险评估。其概念模型:灾害风险＝致灾因子×脆弱性×暴露[9]。

雷电灾害风险评估是在综合考虑雷电带来的危害而导致的致灾因子、孕灾环境和承灾体的脆弱性等因素影响下进行的分析和评价。通常来说，主要由风险分析、风险源识别和风险程度评估三个方面[10]构成，风险分析主要是完成致灾因子、孕灾环境和承灾体的脆弱性等方面的分析；风险源识别主要是完成致灾因子的风险来源的确定及影响性；风险程度评估主要是完成定量的风险分量计算过程，最终得到评估结论。

2 软件设计与制作

2.1 软件设计思路和依据

本系统根据目前辽宁省雷电灾害风险评估业务流程，以服务为主体，简化工作量、业务高效化为目标，实现业务管理和流程控制，充分利用气象资料，采用多种技术手段和方法，来实现业务系统建设。

项目利用Visual Studio 2012作为开发环境，面向对象的编程语言 C＃作为开发语言，结合DevExpress美化工具控件，后台数据库采用的是SQL Sever 2010，将评估模型以算法的形式写入程序中完成各大模块设计；在C＃和SQL Sever数据库之间访问和读写操作，利用ADO.NET访问技术来实现；利用百度地图API实现WebBrowser控件加载Baidu地图进行开发，实现地图经纬度定位功能和地图网格渲染，利用Office COM组件等计算机技术，完成对评估数据及结果的文字和图片word生成。结合雷电活动时空分布、指标隶属度设置、指标权重设置、自动生成报告等功能为一体的综合雷击风险评估业务系统。

图1 雷电灾害风险评估各大模块系统图Fig.1 Modulesystemdiagramoflightningdisasterriskassessment

软件由4个业务平台，14个子系统，63个模块组成。具体组成结构如图1所示。

2.2 软件功能简介

本系统综合利用年雷暴日、闪电定位、雷电灾害等多种资料，分析研究评估地区雷暴路径，各区域闪电特征，以IEC62305－2010雷电灾害风险评估方法和基于层次分析法的区域评估模型为基础，融合多种技术算法为支撑，如《建筑物电子信息系统防雷设计规范》2012版中的建筑物电子信息系统防雷等级估算方法、《建筑物防雷设计规范》2010版中建筑物内部磁场强度和接地电阻的计算方法，利用层次分析、风险管理、模糊数学等技术方法，实现各风险因子自动计算，通过选择报告模板以及各章内容来完成自动生成报告功能。

软件由4个业务平台，14个子系统，63个模块组成，主要介绍软件四大业务平台功能。

(1)系统管理平台

主要实现基本信息设置和一系列管理功能。设置信息包括基本信息设置、评估资质设置、评估资格设置、设备仪器管理、工作进程设置、评估依据设置、角色信息设置、收费标准设置、气象资料设置、报告模板多样化设置、雷灾数据设置、区域评估设置、专家信息设置、领取资料设置、防护措施费率、数据库设置，共计16个功能模块。

(2)项目管理平台

该平台有6大模块，主要包括通知公告管理、报建项目管理、评估报告审查管理、项目查询和统计分析模块。是用于实现评估项目受理，对受理项目进行信息录入、材料整理、费用计算、业务流程追踪和项目评估报告审查管理，是评估业务系统的管理部分，及时掌握项目状态。

(3)评估业务平台

实现对评估对象的气象环境因子处理、闪电定位数据处理、雷灾数据处理、评估模型计算、评估报告自动生成。

(4)动态监测平台

能够实现评估项目公示功能，能够通过任意关键字来查询项目状态，实现统一集中管理和高效互动机制的模块化功能。

3 系统解决的关键技术

3.1 大气雷电环境精细化自动分析

本系统以气象资料、雷电灾害案例资料、闪电定位资料为背景，能够通过输入评估项目地理位置信息后，自动搜索目标位置，并以目标位置为中心，统计分析其周围大气雷电环境，能够采用时间加权算法来自动分析当地人工观测雷暴日资料与闪电定位资料，获取项目所在位置地闪密度。能够自动分析项目所在区域的历史雷灾分布情况、分析雷电流分布特征以及地闪的月、时变化规律，为项目的设计、施工以及人员活动等提供雷电防护指导。

考虑时间权重，将上述数值代入时序多指标决策TOPSIS中的时间权重法公式[11]:

式中:Ng为年平均地闪密度；Ng1为雷电监测网监测地闪密度；Ng2为人工观测雷暴日地闪密度；T1为雷电监测网监测年限时间；T2为人工观测雷暴日年限时间；Ng2为人工观测雷暴日计算的地闪密度。以大连市区图2.1(a)中所示位置为例，使用该种算法计算的地闪密度为:

使用这种算法可以解决闪电定位资料年限短，人工观测雷暴资料空间分辨率大的问题。其中雷电监测网监测地闪密度计算方法如下:

(1)根据评估区域中心经纬度计算得到统计区域内每个格点对应四个顶点的经纬度信息。

(2)根据格点四个顶点的经纬度数值设置数据库查询条件，统计每个格点内闪电发生次数。

(3)根据划分的闪电密度等级对每个格点进行颜色填充，并基于百度地图API开发实现图层叠加，实现密度分布展示。

3.2 实现单体评估与区域评估两种评估模型

单体风险评估模型主要是采用IEC62305－2010中的理论模型来进行架构的，这里不再重述，仅在此文中重点讲述区域评估做法。

通过对雷击灾害统计资料进行的统计分析，以及现行雷击风险评估标准的深入研究，综合雷电自身的放电特性、影响雷电放电的地域环境和承灾体对雷电的敏感特性[12]，首选对目标层的区域雷电灾害风险进行指标选择和确定。根据专家经验分别确定是由致灾因子(雷电风险)、历史灾情、孕灾环境、承灾体脆弱性和抗灾恢复力－五个指标组成。其中，致灾因子和历史灾情是建立在对多年灾害观测数据和历史灾情数据评估的基础上；孕灾环境是由周围环境决定的；承灾体脆弱性是由本身决定的；抗灾恢复能力是通过一系列描述人口－社会－经济的指标计算得到。

图2 雷电灾害风险评估系统界面Fig.2 Theinterfaceoflightningdisasterriskassessmentsystem

(1)按照前文所述方法构建区域雷击风险评估的指标体系与递阶层次结构模型[9，10]:

其中:B表示区域雷电灾害风险指数，其大小取决于各指标的大小和各分量的权重值，B越大，表示风险越高；Ri表示第i种指标的数值，本文指的是致灾因子、历史灾情、孕灾环境、承灾体脆弱性和抗灾恢复力；Wi表示第i种指标所占权重，n为区域雷电灾害风险层次指标数量，这里n＝2。各指标如表1所示。

通过权重与指标矩阵相乘，即可得到相应结论。

(2)制定每一个最低层评估指标的危险等级标准，该标准是评估过程中进行量化计算的标杆。根据每一个指标的定义及性质，定量指标的危险等级划分采用数值范围，如表2所示。而定性指标的危险等级划分采用文字描述。如表3所示。

(3)引入层次分析法对同一层次的指标进行重要程度的排序，依次计算单排序直至得出总排序。计算出各指标权重，并且该权重全部通过一致性检验，各指标权重数值如表1所示。

以其中方案层致灾因子权重计算为例进行说明，首先构造判断矩阵，其计算权重近似为0.210，0.654，0.136。然后对其进行检验，计算判断矩阵一致性指标(CI)CI＝0.00，查表判断矩阵的随机一致性指标(RI)RI＝0.52，判断矩阵的随机一致性比值(CR＝CI/RI)CR＝0.00，不大于0.1，具有完全的一致性。结果表明，方案层致灾因子权重选取科学可靠；同理计算其他层指标权重。

表1 区域雷电灾害风险评估指标权重Tab.1 Theindexweightofregionallightningdisasterriskassessment

表2 区域雷电灾害风险评估定量指标等级标准Tab.2 Thequantitativeindexgradeofregionallightningdisasterriskassessment

表3 区域雷电灾害风险评估定性指标等级标准Tab.3 Thequalitativeindexgradeofregionallightningdisasterriskassessment

(4)将各指标定性或定量规律找寻出来，参考蒋勇军，况明生等人[15]的一些分级方法，笔者采用等距离分级，将指标分为5级，极低(I)、低(II)、中(III)、高(IV)、较高(V)。

(5)基于上述每个指标的风险等级，为了统一评价标准，分别将各等级I、II、III、IV、V赋值为20、40、60、80及100。将所有指标按此方法进行量化处理，分别乘以各自权重，并进行加权求和。

(6)在此基础上，利用C＃作为开发工具，结合GIS工具组件，SQL Sever作为后台数据库，采用模块化方法进行程序设计将评估模型以算法的形式写入程序中，进行各区域风险值计算。

以某项目为例，数据输入过程如图3所示。

根据上述数据进行前文所述评估模型计算，综合评估结果可知，评估区域雷击风险评估的综合评价得分为54.65，大于40分，小于60分，结合区域雷击风险评估分级标准表可知评估区综合等级为第Ⅲ级，为中等风险。图4为方案层各指标影响比例。

图3 数据录入窗口Fig.3 Thewindowofdataentry

图4 方案层各指标影响比例Fig.4 Theinfluencepercentageofevaluationindexesinschemelayer

最后，依据各指标值和风险结果得出各区域评价得分，完成区域等级划分与着色，如表4和图5所示。

表4 区域雷电灾害风险评估得分Tab.4 Theevaluationvalueofregionallightning disasterriskassessment

图5 区域雷电灾害风险评估Fig.5 Theexampleofregionallightning disasterriskassessment

4 结语

本文从模型构建、功能介绍、特点对系统软件分别进行了论述，该系统能够完成不同行业、场所及阶段的雷击风险评估，为加快推进雷击风险评估工作奠定基础。软件的开发是针对评估业务的实际需求编制的。软件是集业务管理、报告制作、风险防控于一体的办公自动化平台。

(1)采用最新标准IEC62305－2010来构建单体评估模型和指标体系。

(2)系统能够自动定位并计算地闪密度，地闪密度的计算方法采取的是时间权重法，比单一利用人工观测雷暴日或闪电定位资料更加合理、科学，有效解决了人工观测数据误差大、闪电定位数据时间短的问题。

(3)在基于层次分析法的基础上构建了区域评估模型，引入历史雷灾数据，完成了单体评估到区域评估的转变，实现了多种评估方式。

(4)创新性使用word与评估软件自动结合的方式，只要录入数据，可自动生成文本报告。

(5)评估人员操作界面清晰，模块化设计，兼容性强，组合灵活，适用于不同地区业，不同阶段的风险评估，具有很强的适用性和推广前景。

[1] 杨超.江苏省雷电灾害风险研究[D].南京:南京信息工程大学，2009.

[2] IEC62305－2，2010.Protection against lightning-Part 2:Risk management[S].IEC，2010.

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M odel and Application of Lightning Risk Assessment System

Wang Yun，Wang Hongxiang，LIRui，Wang Shuyi
(Lightning Protection Center in Dalian，Dalian，116001)

According to principles and methods of lightning risk assessment in IEC 62305－2010 Lightning Protection，and combing with relatedmethods in disaster science and fuzzymathematics theory，it built a regional risk assessment and single risk assessment model，analyzed the design of software platform and implementation，introduced main function modules related platform，and introduced themain function of relevant p latform module.In the app lication，the related technology and theory algorithm of regional risk assessment mode was emphasized，showing an examp le of a regional risk assessment associated with selection factors，assessment process and assessment conclusion.The results showed that，the regional lightning disaster risk depended not only on the natural lightning，but also with the disaster pregnant environment，vulnerability and disaster recovery capability.Finally，the assessment reportwas automatically generated by using COM component technology.

lightning disaster；single assessment；regional assessment；AHP；COM component technology

P

:A

:1673－8047(2015)02－0028－08

2015－01－07

辽宁省气象局项目(201318)；大连市气象局项目(DLQK2014014)

:王赟(1982－)，女，硕士，工程师，主要从事雷电风险评估研究。