陳偉 孫錄貴 歐林忠

摘要 科學(xué)合理的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能有效指導(dǎo)防雷減災(zāi)工作，傳統(tǒng)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)于因素模糊的區(qū)域無(wú)法確定參數(shù)值，不能定量評(píng)估區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)值。本文研究了基于模糊層析分析法的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，應(yīng)用層次分析法提出雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估三層指標(biāo)模型，結(jié)合模型各風(fēng)險(xiǎn)因子，利用模糊綜合算法對(duì)區(qū)域內(nèi)雷擊風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出相對(duì)應(yīng)的雷電風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。并通過(guò)實(shí)例證明，基于模糊層次分析法的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在致災(zāi)因子的選擇上更加靈活，對(duì)因素難值難以確定區(qū)域的雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有較好的適用性。

關(guān)鍵詞 雷電災(zāi)害；模糊層次分析法；區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；致災(zāi)因子

中圖分類(lèi)號(hào) P429 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）17-0180-03

Abstract Scientific and reasonable lightning disaster risk assessment can effectively guide the work of lightning protection and disaster reduction.Traditional lightning risk assessment methods can not determine parameter values for areas with ambiguous factors and can not assess regional risk values quantitatively.This paper studied the method of lightning risk assessment based on fuzzy analytic hierarchy process，and a three-layer index model of lightning risk assessment was proposed by using the analytic hierarchy process.Combined with the risk factors of the model，the fuzzy comprehensive algorithm was used to calculate the lightning risk index in the region，the corresponding lightning risk level was obtained.Finally，it was proved by examples that the regional risk assessment based on the fuzzy analytic hierarchy process was more flexible in the selection of hazard factors，and had better applicability to regional lightning risk assessment where the factor was difficult to determine.

Key words lightning disaster；fuzzy analytic hierarchy process；regional risk assessment；hazard factor

宿州市位于安徽省北部，轄1個(gè)區(qū)4個(gè)縣，常住總?cè)丝谟?59.93萬(wàn)人，地區(qū)生產(chǎn)總值（GDP）1 503.9億元，每年雷暴日最多達(dá)28 d，是全國(guó)多雷暴地區(qū)之一。近年來(lái)，隨著宿州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，雷電災(zāi)害事故頻繁發(fā)生。雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是減輕雷電災(zāi)害損失和影響程度的一種有效方法，也是雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控的基礎(chǔ)，可以為氣象部門(mén)科學(xué)制訂防雷減災(zāi)規(guī)劃、提升區(qū)域防雷減災(zāi)能力提供科學(xué)支撐。

雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)致災(zāi)因子參數(shù)是模糊的、不確定的[1]，傳統(tǒng)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)單體建（構(gòu)）筑物內(nèi)因子容易確定的情況比較有效，而對(duì)于復(fù)雜區(qū)域的評(píng)估則適用性不強(qiáng)，缺乏評(píng)估體系、系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)，很難確定區(qū)域內(nèi)的雷電風(fēng)險(xiǎn)值。

論文對(duì)基于模糊層次分析法的區(qū)域雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法進(jìn)行研究，將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)。方法建立了區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估遞階層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)分析安徽省2010—2016年閃電定位數(shù)據(jù)，對(duì)某一區(qū)域的各層次、各指標(biāo)因子風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)隸屬度函數(shù)計(jì)算得出落在各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的模糊值，根據(jù)這個(gè)模糊值的權(quán)重大小，最終得出評(píng)估對(duì)象區(qū)域的總風(fēng)險(xiǎn)值。

1 宿州市區(qū)域雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估階梯層次結(jié)構(gòu)模型建立

綜合雷電自身的放電特性、影響雷電放電的區(qū)域環(huán)境和區(qū)域內(nèi)承災(zāi)體的雷電敏感特征，選取雷電風(fēng)險(xiǎn)（H）、地域因素（E）、暴露性（D）、承災(zāi)體易損性（V） 4個(gè)主要因素構(gòu)成評(píng)估方法的評(píng)價(jià)指標(biāo)集合。根據(jù)概率論的相關(guān)知識(shí)，項(xiàng)目總風(fēng)險(xiǎn)用公式表達(dá)如下[2]：

R=H·E·D·V

根據(jù)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估遞階層次結(jié)構(gòu)模型（圖1），給出宿州市雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參數(shù)，以第1分支雷電風(fēng)險(xiǎn)的3個(gè)參數(shù)為例，給出宿州市區(qū)域雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的底層參數(shù)設(shè)定方法。

（1）雷擊大地密度。傳統(tǒng)計(jì)算雷擊大地密度的公式具體如下：

Ng=0.1×Td

式中：Td為年平均雷暴日，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)、站資料確定，單位為d/年。

結(jié)合安徽省閃電定位數(shù)據(jù)及宿州地區(qū)雷擊大地密度情況，得到雷擊大地密度等級(jí)劃分（表1）。

（2）雷電流強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)皖北地區(qū)閃電定位儀數(shù)據(jù)分析可以看出，大部分閃電的強(qiáng)度（含正閃和負(fù)閃）在15～60 kA之間。結(jié)合皖北地區(qū)閃電定位儀數(shù)據(jù)分析，運(yùn)用比例劃分法，將雷電流強(qiáng)度按照比例劃分為4個(gè)等級(jí)（表2）。

（3）雷電流陡度。雷電的平均陡度直接決定其產(chǎn)生閃電電涌的強(qiáng)弱，通常會(huì)影響附近弱電設(shè)備的正常工作，某些時(shí)候可能會(huì)造成設(shè)備故障甚至損壞，雷電流陡度正好能直觀(guān)地反映項(xiàng)目周邊的電磁環(huán)境。在現(xiàn)代防雷保護(hù)與雷電特性的基礎(chǔ)研究中，雷電流陡度具有非常重要的意義。根據(jù)閃電定位儀資料，項(xiàng)目附近雷電流陡度主要分布在0～25 kA/μs之間，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，可以將雷電流陡度劃分成4個(gè)等級(jí)（表3）。

2 基于模糊數(shù)學(xué)的層次分析評(píng)估方法

2.1 層次分析法

層次分析法是一種定性和定量結(jié)合的考慮多因子進(jìn)行決策分析的方法[3]。層次分析法的基本原理是利用層次分析法將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中的每個(gè)指標(biāo)分解為若干個(gè)有序?qū)哟?，每一個(gè)層次之間按照隸屬關(guān)系組建成一個(gè)有序的遞階層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)這些分解因子的重要性進(jìn)行對(duì)比，形成判斷矩陣，最終得出目標(biāo)因子的重要性權(quán)重。

2.1.1 構(gòu)建判斷矩陣。根據(jù)上下層因子關(guān)系（圖1）構(gòu)建目標(biāo)對(duì)象的判斷矩陣。下層因子是構(gòu)建判斷矩陣的關(guān)鍵因子，對(duì)于目標(biāo)因子而言，關(guān)鍵因子互相對(duì)比所表現(xiàn)出的重要程度不同，這對(duì)最終目標(biāo)因子的權(quán)重影響重大，并影響決策者的決策。層次分析法使用數(shù)字1—9及其倒數(shù)作為標(biāo)度[4]，從而構(gòu)成判斷矩陣，判斷矩陣標(biāo)度規(guī)則見(jiàn)表4。

2.1.2 判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。

（1）一致性指標(biāo)CI計(jì)算公式如下：

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

（2）查找平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI由表5查找得到。

（3）一致性比率CR計(jì)算公式：

判斷矩陣只有在CR<0.1時(shí)才被認(rèn)定為可以接受，否則需要重新調(diào)整判斷矩陣。

2.1.3 根據(jù)判斷矩陣計(jì)算權(quán)重向量W。層次分析法對(duì)判斷矩陣的權(quán)重向量計(jì)算方法很多，分別有幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法等[5]，本文使用特征向量法計(jì)算權(quán)重。

首先求得判斷矩陣的特征向量：IT=（x1，x2，…，xn）

再將其歸一化，得到權(quán)重向量：

2.1.4 評(píng)估模型指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果。根據(jù)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估遞階層次結(jié)構(gòu)模型，以地域風(fēng)險(xiǎn)分支為例，根據(jù)專(zhuān)家問(wèn)卷調(diào)查確定模型判斷矩陣，并運(yùn)用特征向量法計(jì)算出各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重值（表6～9）。土壤結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境、地域風(fēng)險(xiǎn)、第二層指標(biāo)的判斷矩陣CR分別為0.003 557 7、0.017 596、0.008 846、0.012 734，均通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.2 模糊數(shù)學(xué)中隸屬度和隸屬函數(shù)

風(fēng)險(xiǎn)，是不確定的，是一種模糊的概念。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的理解，不能確定地說(shuō)發(fā)生與否。因此，我們運(yùn)用隸屬度，其屬于模糊評(píng)價(jià)函數(shù)里的概念，模糊綜合評(píng)價(jià)是對(duì)受多種因素影響的事物作出全面評(píng)價(jià)的一種十分有效的多因素決策方法，其特點(diǎn)是評(píng)價(jià)結(jié)果不是絕對(duì)地肯定或否定，而是以一個(gè)模糊集合來(lái)表示。

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(huà)，隸屬函數(shù)可分為偏小型、偏大型和中間型3種。根據(jù)宿州地區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)于雷電災(zāi)害評(píng)估所選的參量，采用偏小型隸屬函數(shù)方法進(jìn)行評(píng)估計(jì)算[6]。偏小型隸屬函數(shù)如下：

2.3 基于模糊數(shù)學(xué)的層次分析法合成運(yùn)算公式

應(yīng)用模糊變換的合成運(yùn)算公式為：

經(jīng)過(guò)多層計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，再采用適當(dāng)?shù)募訖?quán)平均處理，得到以下計(jì)算公式[7]：

3 區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的應(yīng)用

評(píng)估對(duì)象是宿州市云陽(yáng)新能源發(fā)電有限公司埇橋區(qū)謝集鄉(xiāng)宣楊村20 MW地面光伏電站項(xiàng)目，總占地面積40.258 2 hm2，為宿州市首家規(guī)模較大的光伏發(fā)電項(xiàng)目，也是宿州市委、市政府重大招商引資項(xiàng)目。電站依山而建，具有地形因素復(fù)雜、占地面積廣、太陽(yáng)能電池組件數(shù)量規(guī)模較大等特征，傳統(tǒng)雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法很難給出單個(gè)組件或幾個(gè)逆變器件的風(fēng)險(xiǎn)值[8]，特別是一些重要參數(shù)難以定性分析，在對(duì)光伏電站的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中作用已捉襟見(jiàn)肘。項(xiàng)目區(qū)域劃分俯視圖如圖2所示。

以項(xiàng)目東區(qū)為例，東區(qū)位于高程約為81.2 m的山坡南側(cè)，區(qū)域2以崎嶇山路為基本準(zhǔn)線(xiàn)，沿路設(shè)有編號(hào)為2-4～2-17共14臺(tái)逆變?cè)O(shè)備箱。

區(qū)域1：以東區(qū)區(qū)域2以北部分為1個(gè)評(píng)估區(qū)域，平均高程約為58.4 m。區(qū)域2：沿著東區(qū)中線(xiàn)附近，修有1條山路，沿路設(shè)有14臺(tái)逆變?cè)O(shè)備。區(qū)域3：以東區(qū)區(qū)域2以南部分為1個(gè)評(píng)估區(qū)域，平均高程約為15 m。

分析項(xiàng)目各個(gè)區(qū)域內(nèi)的雷電風(fēng)險(xiǎn)、地域風(fēng)險(xiǎn)、暴露性和承載體風(fēng)險(xiǎn)[9]，根據(jù)獲取的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，將區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值分為4個(gè)等級(jí)，分別是Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)，每個(gè)等級(jí)的綜合評(píng)價(jià)用b表示，b的區(qū)間為[0，7]。按等間距劃分法，Ⅰ級(jí)為低風(fēng)險(xiǎn)，綜合評(píng)價(jià)0≤風(fēng)險(xiǎn)值<2；Ⅱ級(jí)為中風(fēng)險(xiǎn)，綜合評(píng)價(jià)2≤風(fēng)險(xiǎn)值<4；Ⅲ級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)，綜合評(píng)價(jià)4≤風(fēng)險(xiǎn)值<6；Ⅳ級(jí)為強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)，綜合評(píng)價(jià)6≤風(fēng)險(xiǎn)值<8。

根據(jù)上述的區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)隸屬度，結(jié)合最終計(jì)算得到Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)的隸屬度b1、b2、b3、b4、b5，則根據(jù)綜合評(píng)價(jià)F=1×b1+3×b2+5×b3+7×b4，求出區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3的F值，分別為3.581 5、3.479 3、2.953 0。

因此，評(píng)估的3個(gè)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)均處于危險(xiǎn)等級(jí)Ⅱ級(jí)（中風(fēng)險(xiǎn)）。其中，區(qū)域1（上坡上沿光伏電池板區(qū)）雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最高，區(qū)域3（上坡下沿光伏電池板區(qū)）雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)最低[10-11]。

4 結(jié)論

區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有靈活方便、條理清晰、選取因素廣泛全面等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，在評(píng)估類(lèi)似光伏電站等面積大、影響因素多且雜的對(duì)象時(shí)，基于模糊數(shù)學(xué)的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法表現(xiàn)出了很強(qiáng)的適用性[12-13]，將來(lái)可以推廣到更加廣泛的場(chǎng)合。但是，由于其對(duì)參數(shù)的選取經(jīng)驗(yàn)性較強(qiáng)，還沒(méi)有明確的標(biāo)準(zhǔn)予以統(tǒng)一，受評(píng)估人員經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的限制較強(qiáng)，往往也會(huì)影響其客觀(guān)性，需要更加深入地研究區(qū)域評(píng)估在參數(shù)因子選取方面的科學(xué)規(guī)律性[14]，完善相關(guān)評(píng)估準(zhǔn)則，讓評(píng)估更加規(guī)范、科學(xué)。

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