铁路雷电灾害风险评估技术的研究

2015-01-01阮小飞付茂金陈建译

铁道通信信号 2015年11期

阮小飞付茂金陈建译

雷电是自然界中一种常见的物理现象，也可成为一种灾害性天气，对人类的生命财产以及各种设备造成一定的损害。这就需要对雷电灾害以及可能造成的损失作出合理的评定和估算，预见系统可能出现的雷电风险，这就是雷电灾害风险评估。

1 雷电灾害风险评价体系理论

雷电灾害风险的评价与管理工作，是当前国际减灾防灾管理中较为先进的模式，已经成为灾害科学等学科的发展方向和研究课题。

雷电灾害的风险评估是指在一定时限范围内，对风险区遭受到雷击灾害的概率，以及可能造成的后果进行定量分析和评估。其内容主要包括2个层面：一是对发生雷击灾害可能性较大的区域，进行雷击风险的评价；二是对评估区域内发生的雷击灾害进行综合性分析。通过对雷击灾害风险进行识别、估测、评价，并以此为基础对各种防控风险的方式进行优化组合，就可有效管控雷击灾害带来的损害并且妥善处理损失，以最小的成本来获得最大的安全保障目标。

2 雷电灾害风险评估的目的及作用

就减轻雷电灾害带来的损失而言，通常有3种方式：一是加强雷灾天气的预警工作，提醒人们在雷电灾害到来之前做好相关预控措施，例如关闭各种用电设备等；二是防雷项目的建设，有利于提高建筑物的防雷能力；三是强化事故抢险救援工作的能力。我们国家虽然对雷暴的临近预警能力有了很大的提高，但是依旧处于起步阶段，对于一些特殊的公共行业来说（电力、医疗等），要求在雷暴来临之际关闭所有的电力设备有些不切实际。而目前的技术对雷电灾害救援工作来说也还不够成熟，所以进行防雷建设的就成为最重要工作，防雷措施可以大大提高建筑物的防雷击能力。

雷电风险评估是根据评估目标所在地雷电活动时空分布特征及雷电灾害特征，分析、评估、计算雷电可能导致的人员伤亡、财产损失程度与危害范围等方面的综合风险，达到优化项目选址、合理功能分区布局、确定防雷类别（等级）和最佳防雷措施，并能实时应急处理雷电灾害事故的目的。雷电风险评估是雷电防护目标实现综合雷电防护的首要程序，为科学设计、经济投资、应急处置雷害提供准确的数据，是实现预防为主，科学防雷理念的必要条件。

因此，一方面要加强雷暴灾害的预警工作，另一方面要通过对雷灾风险的研究，确定雷电灾害高发区域的范围，以此来有效地提高防雷资金的可利用效率，合理安排防雷工程的建设，根据雷电灾害风险程度依次确定最佳的防雷计划，对不同目标采用差异化的防护，使防护措施有最高的性价比，防止防雷工程的盲目性建设。

3 雷电灾害风险评估方法

雷电灾害带来的风险与其他自然灾害的风险本质相同，都是多种自然因素相互作用的结果，它往往受到某个区域自然系统、社会系统等因素的影响。在相同的区域内，因雷电造成灾害的风险机制大致相同，孕灾环境也别无二致，因此可以采用相同的风险评估办法，来表示该区域内雷电灾害风险的大小以及对比关系。

以历史气象灾害统计的相关数据为依托，采用模糊数学法、灰色系统法等数学方法，对当前的雷灾风险作出预测。当前公认评价较好的自然风险形成机制，主要包含的内容为：在某区域内发生自然灾害的风险，由自然灾害危险性（H）、暴露（E）、承灾体的易损性（V）、防灾减灾能力（C）4个风险因素相互交织而成，表达式为：R＝H·E·V·C。但是这些因素比较抽象笼统，因此需要与雷电灾害的形成机制相互结合，再采用多元分析法或者分层分析法等数学方法，对其进行量化，得出该区域的雷电灾害风险评估计算公式才可以更加准确、详细地对雷电风险进行预测，而且可操作性更强。

4 雷电灾害风险评估表达式

由于文中涉及雷电风险评估的主要研究对象是人以及建筑物，因此建筑物遭受雷击风险的通用表达式为：

式中：Rd是指建筑物遭到雷击之后所损失的风险值；N为该建筑物每年遭到雷击的次数；P为该建筑物造成破坏的几率；δ为该建筑物或者该建筑物所放物品所造成损害的量度值。

F＝NP是建筑物受到雷击损害的年平均次数，如果选取观察时间以一年计算（t＝1），那么当NP≪1时，上述通用表达式可转化为：

此外，若该建筑物使用类似避雷针等预防雷击的装置，那么建筑物遭到雷电打击的风险大小可以依据该装置的避雷效果呈现降低趋势。

5 雷电灾害风险评估系统的设计

把建筑物所受到雷击评估的流程与计算机技术相结合，设计成雷电评估数据库，进而建立雷灾风险评估系统。该系统能够对建筑物受到的雷击风电度做出快速的评估，然后依据评估的结果，以最快的速度找出有效防治雷击的措施，进而减小损失。设计的内容主要包括以下几点。

1．建立雷击灾害风险评估界面，同时要求设计数据处理窗体，存储输入、修改评估参数。

2．建立数据库，主要用于保存雷电闪击次数及损害几率等常量，在该系统运行时，能够有效、快速地对建筑物所受到的雷灾风险值进行估算，进而采取适当的防雷保护措施。

3．评估系统由很多功能不同的窗体组合在一起，每一个窗体都表示一定的功能块，所以用户可以在相关窗体下执行相应功能模块的操作。评估系统模块组成图如图1所示。

6 雷电灾害风险评估的现状和未来

雷电灾害的风险评估是自然灾害评估中重要的组成部分。由于雷电灾害无法实时进行追踪，具有瞬时出现和随机性强的特点，难以对其进行系统的评估，因此在自然灾害评估领域尚未引起足够的重视。当雷电灾害发生后只能做到灾后评估，估算出受灾具体的损失，然后为灾后重建提供一定的预算支持。因此，就研究的规模与技术层面，雷电灾害的评估还远远没有达到规模化评估的水平。由于在最近几年，雷电灾害的发生频率与规模有了很明显的增长，因此人们对雷电灾害的研究也越来越重视。但是研究的层面主要局限于防雷电设备的发明与研制，针对于雷电灾害进行规模化评估和预测方面的研究尚未形成规模化的体系。不过现今的雷电防护技术呈现出迅猛发展的态势，关于雷电的形成机理和发展过程已经形成了完整的链条。这些都为今后雷电灾害的预测和评估工作提供了有效的支撑。在未来的雷电灾害评估和预测领域的研究必将成为新的热点。