应用大数据加强防雷安全监管研究

2019-02-19单永涛崔浩吴莹钱映月

科技与创新 2019年3期

单永涛，崔浩，吴莹，钱映月

应用大数据加强防雷安全监管研究

单永涛，崔浩，吴莹，钱映月

（无锡市气象局，江苏无锡 214100）

随着社会经济发展和现代化水平的提高，雷电灾害的危害程度和造成的损失也越来越大。如何加强防雷安全监管工作来减轻雷电灾害引起的安全生产事故，是摆在各级气象部门面前的重大研究课题。随着互联网的飞速发展，数据的重要性愈发凸显，大数据的概念应运而生。利用大数据概念，收集防雷安全监管相关数据，用“大数据”方法对各类数据进行整合开发，提升完善防雷安全监管工作。

大数据；防雷安全；雷击；互联网

1 引言

自然界每年都有几百万次闪电，雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。随着社会经济发展和现代化水平的提高，雷电灾害的危害程度和造成的损失也越来越大。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成的人员伤亡、财产损失不计其数。如何减轻雷电灾害引起的人员财产损失，是摆在各级气象部门面前的重大研究课题。随着互联网的飞速发展，特别是近年来随着物联网、云计算以及多种传感器的广泛应用，各种数据数量庞大、种类众多，数据的重要性愈发凸显，大数据的概念应运而生。大数据实现了对海量数据进行分析、挖掘、重构，启发了人们对世界、时代、发展的崭新感受和重新认知，引发了在防雷安全领域的监管思维、管理模式、行为路径、监管手段的变革。本文利用大数据概念，收集防雷安全监管相关数据，包含基本气象数据、安监重点单位数据、防火重点单位数据、交通道路数据、地理信息数据、雷灾数据、防雷中介机构数据、预警服务对象数据等，用“大数据”方法对各类数据进行整合开发，提升完善防雷安全监管工作。针对防雷安全监管工作的现状，通过大数据分析，查漏补差，可提升源头治理能力、事故隐患排查治理能力，可揭示雷电事故规律，可完善防雷安全事故追责能力，可提升防雷安全预警能力，逐步提升安全监管工作能力及完善工作流程。

加强与相关安全部门合作，有效采集并整合各部门数据，完善对监管对象的全方位监管。提升对服务对象的雷电预警能力，做到“防、管”结合。在硬件方面，增设雷电监测设备，提升基础雷电数据的观测、采集及整合能力。软件方面，重点整合各方面数据，开发大数据应用软件，加强防雷安全监管工作的全面性、及时性及针对性。大数据在防雷安全监管工作中的应用研究，是监管工作的重要手段，能实现监管能力的有效提升，使防雷安全监管工作依法、科学、全面，保证监管工作的健康稳定发展。

大数据主要有三个基本方面：大数据的采集与存储、用大数据分析方法处理数据的关联性、大数据应用防雷安全的结论。本文也主要从这三方面讲述了大数据对防雷安全监管的具体应用服务，并通过大数据分析现阶段防雷安全监管工作中的不足。本文主要讲述大数据挖掘分析领域中，最常用的四种数据分析方法：描述型分析、诊断型分析、预测型分析和指令型分析。本文通过大数据分析防雷安全监管工作中的现状，查找不足和难点。补齐监管工作的短板，增加软硬件基础，提升监管能力，加强监管工作的针对性和全面性。

2 防雷安全大数据的采集

防雷安全相关大数据主要包括基本气象数据、安全生产重点单位数据、地理信息数据、雷灾数据、防雷检测中介数据、服务对象数据等。

2.1 基本气象数据

在气象领域，对于雷暴的监测手段，分为间接监测和直接监测两种；间接监测的方法包括了多普勒雷达、卫星云图、实况资料等；而直接监测手段则主要是大气电场仪和雷电定位系统等。闪电定位仪资料、大气电场仪资料、天气实况资料、雷达图、大气云图等，建立基本气象数据库，把基本气象数据整合进防雷安全平台，可以得到雷电基础数据、雷暴天气规律、本地区雷电时空规律、雷电预警信息等。

雷电的地域性特征明显，不同地区雷电的形成机制、雷电分布特征都有较大的差距；不同时空范围、不同经济区域内的雷电活动均存在明显的差异，雷电活动不仅与气候特征息息相关，与下垫面情况及社会经济活动也有紧密联系。

2.1.1 闪电定位仪资料

在闪电定位系统建成前，雷电数据主要大都来源于人工气象观测的监测数据。气象观测是依靠观测员听到雷声来记录雷电的发生时间和方位。一天中只要听到一次雷声即计为一个雷暴日。人工雷电观测的优点是数据连续时间较长，在大时间跨度上可以粗略的表述区域雷电特征。人工雷电观测的不足是影响因子较多。个人听力差异、台站所处地形及环境、周围台站分布情况、观测台站类型等，都对雷电资料的准确性有较大影响。此外，雷电关键数据缺失严重，雷电次数、雷电类型、雷电密度、雷电准确位置、雷电流幅值等都是没有办法记录的。2014年中国气象台终止了雷暴日的观测，用自动观测仪器替代人工观测已是必然。江苏省气象局于2005年建设了ADTD-1型闪电监测定位系统，在全省闪电监测预警及雷电防护应用方面发挥了重要作用。随着闪电监测定位技术的进一步发展，江苏省于2012年开始建设ADTD-2型三维闪电监测定位系统，对原有ADTD-1型闪电监测定位系统进行了一次重要升级——增加了云闪监测功能，增加了闪电高度三维定位功能等。但江苏省闪电定位仪主要布点在各气象观测台站，分布不太合理，数据结果是否准确有待验证。综上所述，在本地区合理布点闪电定位仪，建设本地区闪电定位仪系统，对于得到本地区准确的雷电资料十分有必要。

本文以无锡市本地域三维闪电定位仪系统为例，结合仪器性能，合理布点，如图1所示。三维闪电定位仪可以进行云闪和云地闪的全闪电监测定位监测。其中，新增的云闪探测功能，不仅能够探测云闪及云闪高度，闪电定位精度和探测效率也得到提升。可全天候、长期、连续运行并记录雷电发生的时间、位置、强度和极性等指标，有利于在大范围内监测雷电的发生、发展和成灾情况，并把经过预处理的闪电数据实时地通过通讯系统送到中心数据处理站实时进行交汇处理，实现了闪电数据的实时接收，闪电数据的查询，分析，统计以及闪电数据的定时保存等多种功能，并结合本地域高程地理信息，生成实时的、可视化、可深度处理的闪电资料。闪电定位仪数据是开展雷暴预报的基础条件，对森林防火、防雷减灾、灾害调查和人工增雨等工作都有很大的促进作用，是最重要最基础的气象数据，同时也是防雷安全监管的核心数据。

2.1.2 大气电场仪数据

大气电场仪是用来测量大气电场及其变化的设备，它是利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的。当云中发生电荷分离时，地面电场将发生相应的变化，其强度与云中电荷的积累量和分布有关，因此通过测量地面大气电场的变化，可以反映出高空云层电场的变化，对发生雷击的危险性进行一定的预报。主要由电场探测探头、电场数据处理机、中心数据处理机、客户端数据显示与分析软件等组成。电场数据处理机可实时地读出当时的电场值，把电场仪测量的电场数据传送到计算机由专用软件分析处理，可以对局部地区潜在的雷暴活动及静电电击的危险性进行短期预报。

图1 无锡市三维闪电定位仪分布

大气电场仪可以单点布置，也可以多点组网布置。对于防雷安全监管工作来说，单点布置重点企业防护的覆盖面显然是不够的，对工作能力提升不够。为了更好地加强防雷安全监管工作，仪器探测范围必须覆盖本地域。本文以无锡市大气电场仪系统为例，结合仪器功能，合理布点，如图2所示。实现了对无锡市本地域的全面覆盖、对全市大气电场变化的全方面监测。大气电场仪探测范围为0～15 km，量程为﹣50～50 kV/m，误差小于等于5%.分析雷暴过程中地面电场的变化规律，设置多极雷电预警阈值，当电场变化超过阈值时，能发出雷电预警，预示雷电即将发生。在晴天时，大气电场强度范围为﹣500～500 V/m。在雷暴接近时，大气电场强度逐渐加强，大气强度能达到+/﹣2 kV/m。当雷暴发生时，大气强度能达到+/﹣15 kV/m以上。雷暴发展过程大概需要30 min左右，充分利用这个预警时间，观测大气强度变化，结合雷达图、云图等其他气象手段，可以很好地做到雷暴的预警和短时预报，有足够的时间在雷暴来临之前启动紧急防御预案，减轻危害程度，减少人员伤害危险和财产经济损失，并积极应对灾害的发生。比如，及时撤离面临危险的人员，使一系列的应急措施进入警戒状态。仪器可能出现误差误报，需大数据分析各种数据，降低误差误报概率，真正做到防雷安全的预警功能。

2.1.3 间接监测气象数据

间接监测气象数据的方法有多普勒雷达、卫星云图、实况资料等。间接监测气象数据都是气象部门内部数据，气象数据准确及时、格式固定，可以开发利用。当雷暴天气发生发展时，间接监测气象数据是直接监测数据的有力支撑资料，可以系统分析整个天气过程，观测雷暴天气的发生、发展、结束的全过程。比如雷暴天气发生时气象条件是否满足、雷暴天气持续时间预报、雷暴强度预测、雷暴预警等级等。

根据中国气象局第24号令《防雷减灾管理办法》规定，地方各级气象主管机构应当组织本行政区域内的雷电监测网建设，以防御雷电灾害。有条件的气象主管机构所属气象台站可以开展雷电预报，并及时向社会发布。整合开发基本气象数据是实现目标的基础条件，对加强雷电和雷电灾害的发生机理等基础理论和防御技术等应用理论研究、防雷减灾技术和雷电监测、预警系统的研究和开发工作有重大意义。

图2 无锡市大气电场仪分布

2.2 防雷重点单位数据

2015年，中国气象局主动取消“雷电灾害风险评估”和“防雷产品测试”等4项行政审批中介服务事项。2015-10、2016-03，中国气象局又先后根据国务院要求，全面清理规范了12项气象行政审批中介服务事项，彻底切断了中介服务利益关联。为贯彻落实《国务院关于优化建设工程防雷许可的决定》精神，中国气象局下发贯彻落实通知，取消了气象部门对防雷工程专业设计、施工单位资质许可，整合防雷装置设计审核和竣工验收许可。在做好简政放权“减法”的同时，中国气象局坚持强调“放管并重”，不断强化事中事后监管，并强化“优化服务”，不断改进管理方式，确保“接”得住、“管”得好。根据文件精神，防雷安全监管主要范围为油库、气库、弹药库、化学品仓库、民用爆炸物品、烟花爆竹、石化等易燃易爆建设工程和场所；雷电易发区内的矿区、旅游景点或者投入使用的建（构）筑物、设施等需要单独安装雷电防护装置的场所，以及雷电风险高且没有防雷标准规范、需要进行特殊论证的大型项目。建立重点单位数据库是加强防雷安全“事中事后”监管工作的基础，明确监管对象的类型、范围，有利于防雷安全监管工作的顺利开展。

防雷安全监管对象类型多、主管机构分散，如何有效整合资源，实现互联互动，是建立重点单位数据库的核心工作。按照党中央、国务院决策部署，2017-05-18，国务院办公厅印发了《政务信息系统整合共享实施方案》，提出了加快推进政务信息系统整合共享、促进国务院部门和地方政府信息系统互联互通的重点任务和实施路径。建设形成覆盖全国、统筹利用、统一接入的数据共享大平台，建立物理分散、逻辑集中、资源共享、政企互联的政务信息资源大数据，构建深度应用、上下联动、纵横协管的协同治理大系统。以此为契机，防雷安全监管工作可以借助政务信息系统，采集安监、消防、住建、文保等单位的管理对象资源，结合防雷安全监管对象的类型和范围，建立重点单位数据库。实时监测重点单位信息，根据防雷重点单位的增减，及时更新数据库。

建立防雷重点单位数据库，监管对象信息必须齐全、规范、及时。监管对象名称、类型、地址、经纬度、法人、安全负责人、防雷安全主体责任落实情况、防雷检测中介服务情况等基本信息，使监管对象精确到点、防雷安全责任落实到人，遵守防雷安全管理制度。

2.3 防雷检测中介机构数据

2016-10-01，中国气象局第31号令《雷电防护装置检测资质管理办法》正式实施。其中规定国务院气象主管机构负责全国防雷装置检测资质的监督管理工作。国务院气象主管机构应当建立全国防雷装置检测单位信用信息、资质等级情况公示制度。省、自治区、直辖市气象主管机构应当在本行政区域内对防雷装置检测单位的监督管理、信用信息等情况及时予以公布。

县级以上地方气象主管机构对本行政区域内的防雷装置检测活动进行监督检查。根据相关规定，急需建立防雷检测中介机构数据库对防雷安全监督检查提供支撑。随着防雷检测市场的放开，一方面，防雷中介服务机构迅速增加，防雷检测服务归于市场化，市场竞争激烈，有效地降低了企业的安全生产成本；另一方面，随着检测机构的大量增加，服务水平参差不齐，埋下了防雷安全隐患，加大了防雷安全监管难度。如何有效监督防雷检测中介服务机构，也是防雷安全监管的重大课题。

气象主管机构一方面要按照相关法律、法规、部门条例来加强防雷安全监督检查，按制度办事，一视同仁；另一方面，要建立防雷检测中介服务的信用评价体系，同时，对防雷检测单位的监督管理、信用信息等情况及时予以公布。防雷检测中介机构数据库不只要需要基本信息，同时，监督管理、信用信息等也应健全。做好防雷检测单位的监督管理工作，也是整个防雷安全管理工作的重点。

2.4 雷灾数据

根据《中华人民共和国防雷减灾管理办法》规定，各级气象主管机构负责组织雷电灾害调查、鉴定工作。遭受雷电灾害的组织和个人，应当及时向当地气象主管机构报告，并协助当地气象主管机构对雷电灾害进行调查与鉴定。雷灾数据对于本地域雷电规律研究、防雷安全隐患研究等有重大意义。雷灾数据包含受灾单位信息、受灾建筑类型、受灾地理信息、人员经济损失信息、雷灾成因信息、气象主管机构鉴定信息等。雷灾数据库是靠受灾个人及组织的上报信息，气象部门日积月累形成的。只有在完善雷灾上报制度并认真执行的情况下，数据才能完整、有效。雷灾数据结合本地域地理信息，可以分析易受灾区域分布、防雷设施有无安全隐患、防雷安全制度有无落实到位。通过分析雷灾成因，找出防雷安全隐患点，后期加强隐患整改，以减少雷灾的发生、减少人员财产损失等。

2.5 防雷安全服务对象数据

按照防雷减灾工作，实行安全第一、预防为主、防治结合的原则。如何提供有效的防雷安全服务，是防雷安全的根本。通过大数据分析方法，整合防雷安全相关数据，提供雷电预警信息、对防雷安全隐患进行排查，有效减少雷灾的发生、减少人员财产损失等。防雷安全服务对象数据主要包括各政府部门、重点单位安全部门等。当有雷暴天气发生时，预警信息要主动发送到位，让各部门做好应急预案。同时，应通过微信公众号、互联网等向民众发布预警信息，及时规避雷电危害。

3 大数据分析方法处理数据

本文主要讲述大数据挖掘分析领域中最常用的四种数据分析方法：描述型分析、诊断型分析、预测型分析和指令型分析。通过这四种大数据分析方法来处理防雷安全相关数据，使大数据真正应用于防雷安全管理监督工作。

3.1 描述型分析

描述型分析主要描述发生了什么，需要广泛、精确的数据，并需要有效的可视化。

防雷安全相关大数据包括基本气象数据、安全生产重点单位数据、地理信息数据、雷灾数据、防雷检测中介数据、服务对象数据等，这些数据都可以精确描述，都可集成地理信息做到可视化。例如，当雷暴天气发生时，大气电场仪观测的数据、闪电定位仪资料、雷达图、云图可以实时在地理信息系统GIS上显示，雷暴影响范围内可显示有多少家重点单位及其精确位置。

3.2 诊断型分析

诊断型分析主要分析为什么会发生问题。在诊断性分析中，首先需要了解与结果可能相关的因素。在对数据描述型分析的基础上评估数据，深入数据分析，提取数据核心特征，在广泛的数据中分析相关性。利用防雷安全相关“大数据”，转变监管思路，加强基于数据驱动的决策及应对，加强物联网、互联网、云计算于大数据技术的协作。

3.3 预测型分析

预测型分析描述可能会发生什么问题。在预测型分析中，通常需要构建一个预测算法模型，用来预测事件发生的可能性，预测某个相关参数、预测发生的时间等。数据的多样性和关联度对预测结果会产生重大影响。预测算法要符合防雷安全相关规律，能对历史事件进行验证，预测结果要确定符合历史事件。预测模式验证准确后，在事件发生时，需要自动运行模式算法，确保自动描述事件的发生及结果。

3.4 指令型分析

指令型分析主要基于事件结果选择解决措施。指令性分析并非单独使用，是基于前三种方法分析后，分析整个事件的发生、发展、结果，决定采取何种措施，保证方案最优。

4 大数据应用于防雷安全的结论

大数据要真正用于防雷安全监管，需建立防雷安全大数据平台，如图3所示。大数据平台主要包括三大模块：防雷安全相关数据采集存储模块，大数据分析方法、算法及程序设计模块，防雷安全的大数据可视化平台模块。其中，大数据可视化平台主要包括防雷安全数据查询模块、防雷安全执法模块、隐患分析模块、决策分析模块、雷灾分析模块、雷电预警模块、图形图表深度分析模块等，贯穿防雷安全监管的整个流程。

4.1 建立了防雷监管双主体控制体系

双主体是指作为防雷安全监管主体的政府和作为防雷安全责任主体的企业，可以分为企业账户和监管账户来使用平台。大数据平台可帮助企业自查自纠、自学防雷安全相关知识，了解自己的防雷安全责任落实情况。可帮助监管部门明晰企业防雷安全状况，做到一企一档，企业基本信息、企业防雷安全主体责任落实情况、防雷检测报告等信息一目了然，加强执法检查，有效地从源头排除安全隐患，提出针对性很强的指导意见，节约人力、物力、时间。

图3 防雷安全大数据平台流程

4.2 科学、合理地建立了雷电观测平台

通过合理的观测仪器的选择和布点，观测整个雷电的生成、发展、结束全过程。采集了雷电相关的各要素，通过大数据处理，形成图表图形分析，并可在GIS地理信息系统上显示，做到了数据可视化，大大加强了防雷决策分析和隐患分析能力，为防雷减灾提供了数据支撑。

4.3 建立了科学的雷灾分析模式

以前的雷灾发生后，都只能经上报了解后，通过剩磁仪测量受灾地点周围剩磁数据，大概评估受灾原因。现在通过大数据分析，我们可以在第一时间得到雷灾发生时的各相关数据。比如精确的雷击时间，雷击经纬度、高度、强度，受灾地点类型，防雷设施状况，人员经济损失等，分析雷灾的成因，排查防雷安全隐患点，通过整改，以减轻雷灾造成的损失。

4.4 建立了全新的雷电预警发布系统

通过分析大气电场数据变化，可提前预警雷电的发生，并在地理信息系统上显示雷暴可能发生的范围。结合其他气象要素，可以对雷暴持续时间、强度、范围等进行预测性的分析。做到雷暴发生前20 min，通过预警发布系统将信息发布给雷暴范围内的政府安全主管部门和重点企业，做好防雷应急准备。同时，在大数据平台上，把可视化的预警信息通过自媒体、微信公众号等向公众发布，让民众做好防雷准备，减少可能发生的雷击伤害和损失。雷电预警发布系统做到了防治结合，预防为主，从源头上加强了防雷安全监管工作。