基于层次分析法的城市轨道交通雷击风险评估研究

张科杰，成 勤

（1. 湖北省防雷中心，湖北武汉 430074；2. 宜昌市气象局，湖北宜昌 443000）

1 引言

雷电放电过程具有大峰值电流、高峰值功率、高温、强电磁辐射和冲击波等物理特性，常常对建构筑物、电子信息设备以及人员造成不同程度的影响，造成人员伤亡和经济损失。城市轨道交通具有设备分布范围广、系统自动化程度高、电子设备多、人流量大等特点，雷电灾害对其造成的经济损失和社会影响也越来越大。

近年来，国内外一些学者对城市轨道交通雷电风险进行研究，并取得了一定的研究成果。李一丁[1]等以成都地铁系统为例，分析地铁系统及车站的防雷和接地系统，并就外引接地、屋面防雷、接地连接点间距等有关问题进行探讨，提出更加合理的解决方案；靳小兵[2]等结合系统防雷的5个要素，提出地铁防雷主要措施和技术指标；赵海军[3]等对地铁架空地线的雷电防护作用研究，得出地铁架空地线可降低接触网雷击闪络次数等相关结论；张血琴[4]、黄德亮[5]、孙晓东[6]等研究地铁高架桥段接地点和避雷器对耐雷水平的影响，提出改善地铁高架桥段接触网耐雷水平的措施；王欣眉[7]参考相关建筑类国家技术规范，对青岛地铁3号线进行雷击风险评估；王昱[8]等结合地铁实际，探讨了人工接地网作为地铁车站综合接地系统的优缺点。本文采用层次分析法，以武汉市轨道交通4号线二期工程为例，结合区域雷电资料、周边环境、雷电防护措施、建筑结构等相关特征，对城市轨道交通线路进行雷击风险区划分与评估。

2 资料来源与评估方法

2.1 资料来源

本文所用到的闪电资料来源于湖北省雷电定位监测系统（Advanced Direction Finding on Time Difference，ADTD），该系统可监测并记录云地闪电发生的位置、雷电流峰值等参数。采用湖北省ADTD雷电定位系统2007年01月01日— 2018年12月31日的监测数据，统计出各站的雷击大地密度、历史雷电流峰值及平均雷电流强度等信息。文中涉及的相关防雷措施源于项目设计图及现场勘测资料。需要指出的是，本文中雷电泛指自然界中的雷电现象；雷击指云层对地面放电的现象，即云地闪电，云内闪电和云空闪电对地铁建筑及内部设备影响很小，不在本次讨论范围以内。

2.2 评估方法

影响城市轨道交通相关建构筑物和人体遭受雷击的因素很多，如雷击大地密度、雷电流强度、建筑物防雷设施、周边环境状况等。层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP），由美国运筹学家T. L. Saaty提出，是一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法，它特别适用于解决那些难于完全定量分析的问题。该方法将一个复杂的多目标决策问题作为一个系统，将目标分解为多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次，通过定性指标量化方法算出层次单排序和总排序，以作为指标、多方案优化决策的系统方法。因此，该方法适用于城市轨道交通雷击风险评估工作，其主要步骤如下。

（1）建立递阶层次模型，将评估对象所包含的各项因素按照层次分析法原理分为3层：第1层为目标层，即雷电灾害风险等级；第2层为准则层，即影响雷电灾害风险的多方面因素；第3层为方案层，即隶属于上一层的各因素的子因素，用于解决问题的各种措施、方案等。

（2）构建判断矩阵，判断矩阵表示针对上一层次某指标，将本层次与之有关的各因素之间的重要性进行两两比较；与此同时，采用1～9标度方法，对准则层中的各因素的比较进行评估打分，构建判断矩阵并通过一致性检验。

（3）形成雷电灾害风险评估模型，求评估矩阵。利用矩阵计算得出准则层各因子的评估矩阵，从而进一步得到目标层雷电灾害风险评估矩阵。

（4）确定因子风险评分及风险等级判定标准，确定风险等级。

（5）根据判断矩阵确定的因子权重，可以计算评价体系中方案层各因子对目标层雷电灾害风险的影响程度。

3 城市轨道交通雷击风险评估

3.1 雷击风险分析

武汉市轨道交通4号线二期工程从汉阳黄金口站至武昌首义路站，连接汉阳和武昌两大城区，线路全长16.711 km，其中高架线2.907 km，地下线13.551 km；设有车站13座，其中地下站11座，高架站2座。各站附近监测到的闪电分析显示，最大单年雷击密度为16.88次/km2·年，发生在2011年首义路站，该年该站1 km半径范围内共发生地闪回击53次，各站平均值为2.83次/km2·年。监测到的最大雷电流强度为231.5 kA，平均雷电流强度为39.43 kA。该条线路沿线地闪回击次数占比最高的时段为18 : 00～19 : 00，同时，该时段也是客流量最大的时段之一。

（1）对于4号线二期工程地下线路无直击雷损害风险，地下线路及对应站的风险为：①雷击地铁线路周边建筑物或地面产生的雷击电磁脉冲感应过电压会引起地铁内部电气和电子系统的故障；②各出入口的钢制棚架均为地上设施，雷击出入口时对人体会产生接触电压及在出入口附近产生跨步电压的风险。

（2）对于4号线二期工程高架站及区间，雷击风险为：①雷电直击造成建筑物部分结构损害；②雷电击中供配电设施造成配电系统故障；③雷击信号控制设备造成数控系统故障，同时还具有与地下线路相同的2项雷击风险。

本次评估主要考虑人身伤亡风险和公众服务损失风险：人身伤亡风险主要由接触电压和跨步电压2部分风险构成；公众服务损失风险主要由地铁线路物理损害及内部系统故障损害造成地铁停运的风险构成。以下将利用层次分析法评估该线路的人员伤亡损失风险。鉴于地上站及线路区间和地下站及区间的风险差异，以及同类型站的相似性，本文选取其中1个地上站和1个地下站进行评估分析。

3.2 区域雷电风险评估阶梯层次结构模型

结合城市轨道交通的特点以及当地的雷电资料，建立城市轨道交通雷电灾害风险评估模型，如图1所示。评估模型的目标层为雷电灾害风险等级S；准则层分为雷电活动状况L1、轨道交通现有的主动雷电防护措施L2和社会影响程度L3等L因子；方案层分为雷击密度r1、雷电流强度r2、雷电活动时间r3、直击雷防护措施r4、雷击电磁脉冲防护措施r5、接触电压和跨步电压防护措施r6、风险场所人流量r7、人员处于危险环境时间r8、人员伤亡应急措施r9、列车停运影响人员数量r10等r因子。

图1 城市轨道交通雷电风险评估模型

3.3 判断矩阵及一致性检验

3.3.1 判断矩阵

准则层中的各参数在目标衡量中占比不一定相同，为此，将同一层次的因素做两两比较，采用1～9标度方法量化各因素的相对重要性，构造出某判断矩阵A=（aij）n×n，判断矩阵标度规则定义见表1。

表1 判断矩阵标度规则定义

参照评估模型，根据项目区域雷电监测资料、建设项目防雷设计方案、现场勘查数据和相关统计数据，确定S-L判断矩阵，采用方根法计算该矩阵中各因子L1～L3权重，并经归一化处理得到归一化值W0，地上站结果见表2。

表2 地上站S-L判断矩阵

根据上表方法，同理可分别建立L1～L3与r1～r10之间的矩阵，并分别归一化处理为W1、W2、W3表示，见表3。

表3 地上站L-r判断矩阵

同理，地下站的矩阵如下：地下站S-L判断矩阵同表2，地下站L1、L2、L3各指标之间的矩阵，见表4。

表4 地下站L-r判断矩阵

3.3.2 一致性检验

一致性检验的目的是检验各元素重要度之间的协调性，避免出现两两比较矛盾情况出现。对于上述计算权重的方法，当判断矩阵过于偏离一致性时，其可靠程度值得怀疑。因此，对于每一层次作单准则排序时，均需要作一致性检验，其检验方法如下：

（1）计算某个判断矩阵A的最大特征值λmax，则有λmaxW'=AW'，W'为带有偏差的相对权重向量；

（2）计算一致性指标CI，CI=（λmax-n）/（n-1）；

（3）计算一致性比例CR，CR=CI/RI，式中，RI为平均随机一致性指标，可查表获得。当CR≤0.1时，则判断矩阵A符合一致性要求。

经检验，以上矩阵CR均远小于0.1，矩阵的一致性在被接受范围以内。

由以上判断矩阵分析可得到雷灾等级评估指数R：

3.4 准则层各因子评估矩阵

将风险级别分为高、较高、一般、较低、低5级，根据该条线路的雷电活动状况、雷电防护措施、应急预案、人员活动情况等资料，由多人对各r因子r1～r10进行评价，其结果用0～1之间数值表示，取多人平均值，结果见表5。

表5 多人平均评价结果

由矩阵乘法的性质可知，各r因子r1～r10权重的矩阵与其评价的乘积即为评估所需的各指数矩阵，经过计算得到，准则层的评估矩阵R为：

则系统雷电等级评估指数矩阵C可以表示为：

经过归一化处理后结果为：

3.5 评价结果

3.5.1r因子权重影响程度排序

根据表2～表4中各r因子r1～r10对城市轨道交通的影响程度，归一化处理后，结果见表6。

从表6可以看出，地上站和地下站的核心风险均为雷击大地密度和雷电流强度。不同点是，在防雷措施主动防御方面，地上站的防护核心是直击雷防护，地下站的防护核心为雷击接触电压和跨步电压的防护，其原因在于，地上站和线路暴露与大气之中，其结构遭受雷击的可能性较大，直击雷能直接破坏部分建筑结构及供配电、信号线路，当人员处于非直击雷防护区时，人体也有遭受雷击风险；对地下线路而言，与外界接触部位为出入口等建筑，同时这些建筑周边人流量很大，当雷雨天气发生时，出入口周边常常处于潮湿状态，而通常出入口采用钢构或钢混结构，金属构件直接作为接闪装置和引下线，在这些装置附近的人们可能受到接触电压和跨步电压的危害。

表6 各r因子影响程度及排名

3.5.2 雷击风险评估得分

在此，对各等级都按百分制给分，定义风险等级加权值高风险等级对应的分数为90分，较高对应80分，一般对应60分，较低对应45分，低对应30分，即风险等级加权值ST=（90 80 60 45 30）。计算归一化处理后系统雷电等级评估指数C与对应等级风险等级乘积后的得分，则系统的总得分F可表示为：F=C·ST。

当最终得分大于等于80分时定义为高风险级别，70～79分定义为较高风险级别，60～69分定义为一般风险级别，45～59分为较低风险级别，低于45分为低风险级别。

经过计算，得出地上站最终得分为60.07分，为一般风险级别；地下站得分为48.54分，为较低风险级别。

4 结论与讨论

（1）由于城市轨道交通具有线路长，跨越区域广等特点，各站的雷击大地密度年分布及密度分布具有不均匀性，各站在设计施工及后期维护时，应结合当站的雷电资料，可达到安全和经济效益最优的效果。

（2）本次评估的样本既有地上站也有地下站，为目前国内地铁建设的典型样本，评估得出地上站防雷风险等级为一般风险级别，地下站为较低风险级别。

（3）从方案层各因子的影响排名来看，不论是地上站还是地下站，雷击大地密度和雷电流强度均是影响评价结果的2个重要因素；不同之处在于，地上站防护核心是直击雷防护，地下站防护核心为雷击接触电压和跨步电压的防护。

（4）影响雷击事故的因素较多，层次分析法能对多种因子做定量分析，解决了各层次之间的因子分配权重等问题，采用多人评分的方式可有效降低人为误差，但不能完全消除误差，如何进一步精细化的开展雷击风险评估工作，为下一步研究的方向。