張靜?李瑩?于忠江?李文星

摘 要：隨著雷電對(duì)人類生命、財(cái)產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的威脅不斷增加，認(rèn)識(shí)雷電災(zāi)害，并能較為客觀、準(zhǔn)確、科學(xué)地對(duì)目標(biāo)對(duì)象的雷電災(zāi)害防護(hù)能力作出評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象現(xiàn)有防雷措施的不足并加以完善，從而降低雷電災(zāi)害引發(fā)的各類風(fēng)險(xiǎn)顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)比層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、評(píng)價(jià)研究中的應(yīng)用，得出了在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、評(píng)價(jià)中不同方法的優(yōu)劣特性及適用范圍。

關(guān)鍵詞：雷電防護(hù)能力評(píng)價(jià)；層次分析法；模糊綜合評(píng)價(jià)法

中圖分類號(hào)：S761.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）01–0-03

雷電發(fā)生時(shí)常伴有閃電和雷鳴，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電流、高溫、沖擊波、劇變的靜電場(chǎng)及高強(qiáng)度的電磁輻射等物理效應(yīng)，因此可能會(huì)造成人畜傷亡、建筑物損毀和電子設(shè)備受損等，甚至引發(fā)火災(zāi)和爆炸等次生災(zāi)害。需要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)雷電災(zāi)害，增強(qiáng)對(duì)建筑物、生產(chǎn)設(shè)備等目標(biāo)對(duì)象的雷電防護(hù)能力綜合評(píng)價(jià)意識(shí)，選用科學(xué)性、客觀性、可操作性更強(qiáng)的方式方法開(kāi)展評(píng)估、評(píng)價(jià)，完善目標(biāo)對(duì)象的現(xiàn)有雷電防護(hù)措施，增強(qiáng)雷電防護(hù)工作的針對(duì)性，有效降低或減少雷電災(zāi)害的發(fā)生。

扈海波等[1]統(tǒng)計(jì)分析了北京地區(qū)近10年的雷電監(jiān)測(cè)資料，通過(guò)層次分析法構(gòu)建了評(píng)估模型，對(duì)各個(gè)區(qū)縣行政區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估；張雷等[2]基于層次分析理論，選取孕災(zāi)環(huán)境敏感性、致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、防災(zāi)減災(zāi)能力及承災(zāi)體易損性等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析計(jì)算得出了福建省各市縣的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)值；王淑一等[3]基于層次分析法構(gòu)建了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次分析模型，并結(jié)合案例對(duì)模型的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證；而于忠江等[4]通過(guò)構(gòu)建模型量化分析了目標(biāo)對(duì)象現(xiàn)有雷電防護(hù)措施防護(hù)能力，提出了基于區(qū)間直覺(jué)模糊集的雷電防護(hù)能力評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步增強(qiáng)了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性；齊靜靜等[5]結(jié)合油氣集輸站庫(kù)特性，利用模糊綜合評(píng)價(jià)理論構(gòu)建了評(píng)估模型，對(duì)油氣集輸站庫(kù)的雷電防護(hù)能力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

對(duì)比分析層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，討論不同方法的優(yōu)劣特性和適用范圍，以期在今后的研究中更好地選擇適用于特定情況、特定目標(biāo)對(duì)象的評(píng)估、評(píng)價(jià)方法，從而增強(qiáng)雷電防護(hù)的有效性和可靠性。

1 層次分析法

1.1 概念

20世紀(jì)70年代初，美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty首先提出了層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP），其原理是將與研究對(duì)象決策有關(guān)的全部元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，然后對(duì)各層次進(jìn)行定性和定量分析，優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)、靈活、簡(jiǎn)潔[6]。

1.2 原理及步驟

在對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行決策時(shí)，可通過(guò)層次分析法的概念構(gòu)建模型解決實(shí)際問(wèn)題，基本步驟及方法如下。

1.2.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

梳理目標(biāo)對(duì)象的條理結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出一個(gè)層次分明的結(jié)構(gòu)模型，通常層次分為3類，由高到低分別為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層。一般情況下，構(gòu)建的遞階層次結(jié)構(gòu)中層次數(shù)不受限制，層次數(shù)通常與待研究問(wèn)題的復(fù)雜程度及需要分析的詳盡程度有關(guān)。

1.2.2 構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣

各階層中各因素在對(duì)目標(biāo)對(duì)象評(píng)價(jià)中所占的比重不同，決策者在進(jìn)行決策時(shí)會(huì)將各因素賦予不同的比例。實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)引用阿拉伯?dāng)?shù)字1～9及其對(duì)應(yīng)的倒數(shù)作為標(biāo)度定義判斷矩陣A=（aij）n×n，不同標(biāo)度數(shù)值代表了兩個(gè)因素相比，前者比后者的重要程度，每個(gè)標(biāo)度對(duì)應(yīng)的含義如下（表1）。

1.2.3 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

第一步：計(jì)算得到一致性指標(biāo)CI（consisten cyindex）。

式（1）中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

第二步：對(duì)照表格查找一致性指標(biāo)RI（表2）。

第三步：計(jì)算一致性比例CR（consistency ratio）。

計(jì)算得到一致性比例，若CR＜0.10，則認(rèn)為判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，此結(jié)果可被接受，否則要適當(dāng)修正、完善已建立的判斷矩陣，并再次進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，直到其通過(guò)檢驗(yàn)為止。

1.2.4 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

最優(yōu)方案的取得需要基于已明確各元素，尤其是方案層中各個(gè)元素對(duì)目標(biāo)對(duì)象的排序所占比重，與此同時(shí)，也要對(duì)層次的總排序進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，計(jì)算各層要素對(duì)系統(tǒng)總目標(biāo)的合成權(quán)重，通過(guò)結(jié)果對(duì)比，對(duì)所有備選方案進(jìn)行排序。

1.3 應(yīng)用

以王淑一等對(duì)大連市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的研究為例，介紹層次分析法在雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用。

1.3.1 建立雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

王淑一等在分析大連地區(qū)的環(huán)境特征和雷電活動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上，建立了包含3級(jí)遞階指標(biāo)要素層的大連地區(qū)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系：

1級(jí)指標(biāo)要素層包含3個(gè)要素：雷電活動(dòng)特征、雷電防護(hù)措施以及項(xiàng)目現(xiàn)狀。

2級(jí)指標(biāo)要素層包含13個(gè)要素：閃電強(qiáng)度、閃電密度、閃電頻度（以上對(duì)應(yīng)1級(jí)指標(biāo)要素雷電活動(dòng)特征）；接閃器、引下線、接地裝置、雷電電磁脈沖、電涌保護(hù)器、等電位連接（以上對(duì)應(yīng)1級(jí)指標(biāo)要素雷電防護(hù)措施）；地形和地貌、人員數(shù)量、固定資產(chǎn)及土壤電阻率（以上對(duì)應(yīng)1級(jí)指標(biāo)要素項(xiàng)目現(xiàn)狀）。

3級(jí)指標(biāo)要素包含29個(gè)要素：大氣電場(chǎng)儀、閃電定位儀、保護(hù)范圍、材料規(guī)格（接閃器、引下線及電涌保護(hù)器均涉及）、焊接質(zhì)量（接閃器、引下線均涉及）、接閃器防腐、間距和工藝、引下線防腐、接地形式、埋深和規(guī)格、接地電阻（接地裝置、等電位連接均涉及）、接地防施、屏蔽材料規(guī)格、屏蔽網(wǎng)格尺寸、過(guò)渡電阻、制作工藝、安裝位置、性能參數(shù)、漏流測(cè)試、運(yùn)行情況、連接狀況、等電位防腐、危險(xiǎn)性、暴露性及脆弱性，每個(gè)3級(jí)指標(biāo)要素對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)2級(jí)指標(biāo)要素，在此不一一贅述。

1.3.2 構(gòu)造各指標(biāo)要素層的判斷矩陣

王淑一等將模型中同一級(jí)指標(biāo)要素層中的每?jī)蓚€(gè)要素分別進(jìn)行對(duì)比，建立了判斷矩陣A=（aij）n×n，且滿足要素j與要素i重要性之比為aji=1/aij。根據(jù)指標(biāo)體系中要素選取情況，每個(gè)要素層各要素分別進(jìn)行兩兩對(duì)比，1級(jí)指標(biāo)要素層形成1個(gè)判斷矩陣，2級(jí)指標(biāo)要素層形成3個(gè)判斷矩陣，3級(jí)指標(biāo)要素層形成14個(gè)判斷矩陣。

1.3.3 各指標(biāo)要素層的權(quán)重判定及一致性檢驗(yàn)

在綜合考慮歷史氣象資料、專家學(xué)者意見(jiàn)及研究經(jīng)驗(yàn)后，對(duì)模型中各級(jí)指標(biāo)要素的相對(duì)重要性進(jìn)行了判定，形成了符合層次分析法原理的判斷矩陣，處理后得到各指標(biāo)要素的權(quán)重，并通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

1.3.4 各指標(biāo)要素相對(duì)應(yīng)的總體目標(biāo)的權(quán)重判定

王淑一等利用軟件對(duì)構(gòu)建的層次模型中2級(jí)指標(biāo)要素對(duì)待評(píng)估目標(biāo)對(duì)象總目標(biāo)及其直接影響的1級(jí)指標(biāo)要素的權(quán)重對(duì)比變化進(jìn)行了繪制，并對(duì)其進(jìn)行了靈敏度分析，結(jié)果表明當(dāng)某個(gè)指標(biāo)要素的權(quán)重發(fā)生變化時(shí)，會(huì)對(duì)決策目標(biāo)要素層產(chǎn)生影響。同時(shí)，通過(guò)進(jìn)一步計(jì)算，得到了各級(jí)指標(biāo)要素對(duì)于總體評(píng)價(jià)目標(biāo)的權(quán)重分布。

2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

2.1 概念

我國(guó)學(xué)者汪培莊最早提出了模糊綜合評(píng)判這一概念，即運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)目標(biāo)對(duì)象做出綜合評(píng)價(jià)時(shí)，需要把目標(biāo)對(duì)象及能夠描述、反映該目標(biāo)對(duì)象的模糊概念作為一定的模糊集合，在此基礎(chǔ)上建立適當(dāng)?shù)碾`屬函數(shù)并進(jìn)行有關(guān)運(yùn)算和變換，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)模糊對(duì)象進(jìn)行定量分析。

2.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法的原理及步驟

利用模糊綜合評(píng)價(jià)法構(gòu)建模型對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行分析，大致可以分為以下幾個(gè)步驟：

2.2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系并確定各層次因素

確定評(píng)價(jià)對(duì)象的評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)于某評(píng)價(jià)因素U，包含n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其構(gòu)成的因素集為U=（u1，u2，…，un）。

2.2.2 確定評(píng)價(jià)集

V=（v1，v2，…，vm），每個(gè)等級(jí)可對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集。

2.2.3 構(gòu)建模糊關(guān)系隸屬矩陣

建立等級(jí)模糊集合后，要針對(duì)目標(biāo)對(duì)象的每個(gè)評(píng)價(jià)因素逐一量化，從單個(gè)因素角度來(lái)看，被評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象相對(duì)于等級(jí)模糊子集的隸屬度，得到模糊關(guān)系矩陣：

式（3）中，第i行第j列的元素rij表示待評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象的某個(gè)因素ui對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)vj模糊子集的隸屬度，即待評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象在某個(gè)因素ui方面的表現(xiàn)，是通過(guò)上述模糊關(guān)系矩陣體現(xiàn)的。

2.2.4 確定評(píng)價(jià)因素的權(quán)向量

針對(duì)待評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象建立的評(píng)價(jià)因素集中，每個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象的重要程度是不一致的，因此，需要根據(jù)各因素間的重要程度關(guān)系確定權(quán)值。

2.2.5 合成模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣

通過(guò)復(fù)合運(yùn)算，可得到綜合評(píng)價(jià)結(jié)果B=A·R。

2.3 應(yīng)用

下面以齊靜靜等對(duì)油氣集輸站庫(kù)雷電防護(hù)能力模糊評(píng)價(jià)模型的研究為例，介紹模糊綜合評(píng)價(jià)法在雷電防護(hù)能力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

2.3.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)體系并確定各層次因素

確定對(duì)油氣集輸站庫(kù)進(jìn)行雷電防護(hù)能力評(píng)價(jià)所需考量的各層次因素，建立評(píng)價(jià)集，將各因素按照目標(biāo)、準(zhǔn)則、指標(biāo)3個(gè)層次建立遞階層次結(jié)構(gòu)。

2.3.2 確定評(píng)價(jià)集

按照從低到高的等級(jí)評(píng)語(yǔ)，確定了4級(jí)評(píng)語(yǔ)集。

2.3.3 構(gòu)建模糊關(guān)系隸屬矩陣

針對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)因素，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)不同等級(jí)的評(píng)判，得到模糊關(guān)系矩陣：

2.3.4 確定各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重

對(duì)已確定的因素集中的各因素通過(guò)層次分析法進(jìn)行兩兩對(duì)比，以標(biāo)度大小表征每?jī)蓚€(gè)因素間的重要程度，得到權(quán)重集A=（a1，a2，…，an）。

2.3.5 合成模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣

齊靜靜等將確定的權(quán)重與模糊關(guān)系矩陣進(jìn)行了合成運(yùn)算，得到了模糊綜合評(píng)價(jià)模型。

3 不同方法的研究結(jié)果對(duì)比分析

3.1 層次分析法

通過(guò)層次分析法對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以較好地將定性、定量?jī)煞N評(píng)估方式有機(jī)結(jié)合在一起，從一定程度上降低了雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，并為預(yù)防雷電災(zāi)害提供了有效應(yīng)對(duì)的依據(jù)。但不足的是，在對(duì)該商業(yè)大廈進(jìn)行案例驗(yàn)證的過(guò)程中，各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)要素權(quán)重通過(guò)專家打分確定，在一定程度上增加了主觀誤差，所確定的指標(biāo)要素權(quán)重的合理性還需要進(jìn)一步探討。

3.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

齊靜靜等以模糊綜合評(píng)價(jià)理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了模糊綜合評(píng)價(jià)模型，結(jié)合油氣集輸站庫(kù)的特性對(duì)其雷電防護(hù)能力進(jìn)行了等級(jí)劃分。通過(guò)對(duì)所構(gòu)建模型中合成算子的深入研究，發(fā)現(xiàn)了在模型應(yīng)用條件不同的情況下，合成算子的選取會(huì)直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性。因此，需根據(jù)研究對(duì)象的不同，合理選擇模糊綜合評(píng)價(jià)模型的合成算子，以得到評(píng)價(jià)目標(biāo)對(duì)象更為合理、準(zhǔn)確、科學(xué)的結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）基于層次分析法可將雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定性評(píng)估與定量評(píng)估有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)所構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系的客觀實(shí)用性，然而在其要素指標(biāo)權(quán)重的確定上，采用的專家打分法增加了主觀誤差。

（2）基于模糊綜合評(píng)價(jià)法更有利于對(duì)復(fù)雜區(qū)域多因素影響下的目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，但不同目標(biāo)對(duì)象可能會(huì)造成所構(gòu)建的模型相關(guān)參數(shù)發(fā)生變化，需要結(jié)合所研究目標(biāo)對(duì)象的實(shí)際情況，選取適當(dāng)?shù)暮铣伤阕?，以得到較為準(zhǔn)確、客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果。

（3）各種評(píng)估評(píng)價(jià)方法都具有一定的優(yōu)勢(shì)和適用范圍，需要根據(jù)目標(biāo)對(duì)象的特性選擇合適的方法構(gòu)建模型、解決實(shí)際問(wèn)題。

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