基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法研究

摘 要：在區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估中引入灰色關(guān)聯(lián)計算耦合集對分析的方法，基于風(fēng)險層層傳遞的動態(tài)風(fēng)險評估計算理念，構(gòu)建了基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法，在充分考慮各評估因子之間相互不確定性的情況下，能夠提升評估結(jié)果的客觀性，使評估結(jié)果更符合評估對象在現(xiàn)實環(huán)境中的實際情況。結(jié)果表明：基于風(fēng)險矩陣的鏈?zhǔn)絺鬟f評估的結(jié)果更接近自然界的風(fēng)險分布規(guī)律，更適用于處理雷電高發(fā)區(qū)域的各類礦區(qū)評估項目。

關(guān)鍵詞：區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估；灰色關(guān)聯(lián)度分析法；風(fēng)險矩陣；鏈?zhǔn)絺鬟f

中圖分類號：P429 文獻標(biāo)志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-04

雷電是自然界中影響人類活動的嚴重災(zāi)害之一。區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估可以識別區(qū)域內(nèi)可能存在的雷電風(fēng)險，有效分析區(qū)域的雷擊風(fēng)險來源和雷電防護薄弱環(huán)節(jié)，是安全生產(chǎn)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。為進一步落實《氣象高質(zhì)量發(fā)展綱要（2022—2035年）》和《西藏自治區(qū)人民政府關(guān)于加快推進氣象高質(zhì)量發(fā)展的實施意見》，《西藏自治區(qū)防雷減災(zāi)條例》明確了為減少人民生命財產(chǎn)損失，應(yīng)依據(jù)相關(guān)法律、法規(guī)有序開展雷電災(zāi)害風(fēng)險評估。因此，研究區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法，以便更好地發(fā)揮區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估在優(yōu)化營商環(huán)境的作用，為項目選址和布局、政府決策提供科學(xué)的雷電防護策略指導(dǎo)，為全區(qū)氣象高質(zhì)量發(fā)展保駕護航。

中華人民共和國氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《雷電災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)規(guī)范》（QX/T 85—2018）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為建設(shè)工程項目選址和功能分區(qū)布局、防雷類別與防雷措施確定等提出了建設(shè)性意見。現(xiàn)行區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估工作主要采用層次分析法，對雷電風(fēng)險、地域風(fēng)險、承災(zāi)體風(fēng)險進行了定性分析，是當(dāng)前較為成熟的區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法。灰色關(guān)聯(lián)度分析法、集對分析法和風(fēng)險矩陣鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)的評估方法，在電力、水利和農(nóng)業(yè)風(fēng)險評估研究、災(zāi)害評估中的應(yīng)用已經(jīng)較為

成熟。

基于區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估的不確定性和風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)性，運用灰色關(guān)聯(lián)度分析法充分分析評估樣本與風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)特征值之間的不確定性，綜合考慮區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險系統(tǒng)中致災(zāi)因子危險性、孕災(zāi)環(huán)境差異性、承災(zāi)體暴露性、風(fēng)險管理能力和雷電防護能力5個子系統(tǒng)之間的作用關(guān)系，確定風(fēng)險矩陣元素值，構(gòu)建基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估模型。

1 基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法

1.1 集對分析法

事物都具有確定性和不確定性，它們互相聯(lián)系、互相影響并互相制約。事物的不確定性是事物的一種能動的本性，具有雙重特性，是客觀事物運動和發(fā)展的本源。鑒于不確定性的雙重特性，以及不確定性引發(fā)的復(fù)雜性認識，集對分析法在處理不確定性問題方面具有獨特的顯著特點，使用集對分析理論對不確定性理論進行處理，是一種較為科學(xué)合理的方法[1]。

集對分析法在處理不確定性問題時使用聯(lián)系度μ=a+bi+cj來描述有關(guān)確定性和不確定性的狀況和程度，即將兩個有關(guān)聯(lián)的集合A和集合B構(gòu)成集對H系統(tǒng)，對集對H進行同一性、對立性、差異性分析，將事物的確定性和不確定性作為一個系統(tǒng)加以處理。其中，a和c分別代表對事物同一和對立的兩種狀態(tài)的定量刻畫，即a表示同一性，c表示對立性，b表示介于同一和對立之間的差異性，i為差異度符號，i∈[-1，1]。當(dāng)差異度中的特性越接近所屬評價的等級時，i越接近1；當(dāng)差異度中的特性越偏離所屬評價的等級時，i越接近-1。j為對立度標(biāo)記符號，j=-1，a+b+c=1。

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)度分析法（Grey Relation Analysis，GRA），

是一種多因素統(tǒng)計分析方法。在一個灰色系統(tǒng)中，假設(shè)已知某個指標(biāo)可能與其他幾個因素“相關(guān)”，為研究該指標(biāo)與哪個因素相對關(guān)系更強，與哪個因素相對關(guān)系更弱，以此類推，將這些因素進行排序，得到一個分析結(jié)果，就可以知道該指標(biāo)與哪個因素更相關(guān)。

“灰色系統(tǒng)”概念是相對于白色系統(tǒng)和黑色系統(tǒng)而言的。顏色代表系統(tǒng)已知信息的多寡，白色系統(tǒng)代表信息量充足，黑色系統(tǒng)代表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不清楚，而灰色系統(tǒng)介于兩者之間，表示對該系統(tǒng)有部分了解。為了研究“灰色系統(tǒng)”中擬研究指標(biāo)與其他指標(biāo)的相關(guān)性，需要使用集對分析法，通過建立集對、設(shè)定參考序列和比較序列、歸一化處理后，計算比較序列（其他指標(biāo)）與參考序列（研究指標(biāo)）的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，從而得到一個排序，說明其他指標(biāo)與擬研究指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性程度[2]。參考序列為x0（k），比較序列為xi（k）的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)計算公式如下：

（1）

式（1）中，ρ為分辨系數(shù)，ρ越小，灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)間的差異越大，區(qū)分能力越強，一般ρ=0.5。

1.3 雷電災(zāi)害的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)

雷電災(zāi)害風(fēng)險評估系統(tǒng)是以承災(zāi)體為主體，以孕災(zāi)環(huán)境中承災(zāi)體價值性損失與致災(zāi)因子破壞之間復(fù)雜的作用和響應(yīng)關(guān)系為作用機制，具有鏈?zhǔn)絺鬟f關(guān)系的復(fù)雜系統(tǒng)[3]。雷電災(zāi)害損失（災(zāi)情）則為該作用機制下的演化結(jié)果，其鏈?zhǔn)絺鬟f如下：雷電災(zāi)害風(fēng)險是由致災(zāi)因子危險性A、孕災(zāi)環(huán)境差異性B、經(jīng)承災(zāi)體暴露性C、雷電防護能力D及風(fēng)險管理能力E（B、C、D、E組成脆弱性）傳遞作用后，產(chǎn)生承災(zāi)體損失風(fēng)險F。防護裝置及其風(fēng)險管理能力在系統(tǒng)中發(fā)揮著調(diào)控的作用，主要修正承災(zāi)體暴露性風(fēng)險、災(zāi)害敏感性等級，從而降低或規(guī)避雷電災(zāi)害風(fēng)險，這種調(diào)控過程是鏈?zhǔn)絺鬟f的重要環(huán)節(jié)。

通過建立基于區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險物理成因的風(fēng)險矩陣，采用由灰色關(guān)聯(lián)度分析法改進的集對分析方法評估區(qū)域雷電災(zāi)害子系統(tǒng)的風(fēng)險等級，再根據(jù)建立的風(fēng)險矩陣依據(jù)風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f的路徑，層層合成，完成雷電災(zāi)害風(fēng)險的危險性“輸入”、經(jīng)脆弱性“轉(zhuǎn)換”而得到損失風(fēng)險“輸出”，最終得到區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險等級，從而建立了基于風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f機理和雷電災(zāi)害風(fēng)險物理成因、由危險性經(jīng)脆弱性向損失風(fēng)險傳遞的雷電災(zāi)害風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f評估方法。

2 基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)雷電災(zāi)害風(fēng)險評估模型的構(gòu)建

2.1 統(tǒng)計特性系數(shù)

分析集對中多種特性的同一性a、差異性b和對應(yīng)性c。

2.2 計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

將求得的同一組a、b、c分為b、a和b、c兩組，計算差異性b與同一性a、差異性b與對立性c之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ζba、ζbc。

2.3 計算聯(lián)系數(shù)并確定對比序列等級

將上述計算的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)ζba、ζbc進行歸一化處理，得到ζba、ζbc。將聯(lián)系數(shù)的差異度項bI按照比例分為ζ′ba×b、ζ′bc×b兩個部分，以此計算評價對象的聯(lián)系數(shù)的確定值：

μ=a+ζ′ba×b-ζ′bc×b-c（2）

將聯(lián)系數(shù)μ值轉(zhuǎn)成相對隸屬度0.5+0.5×μ并進行歸一化處理，再用屬性識別法判別等級，置信參數(shù)取0.6。

2.4 構(gòu)造雷電災(zāi)害風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)矩陣

第一步，合成承災(zāi)體暴露性與雷電防護能力等級，得到承災(zāi)體敏感性風(fēng)險等級矩陣（表1）。

第二步，合成孕災(zāi)環(huán)境與風(fēng)險管理能力等級，得到承災(zāi)體風(fēng)險承受能力等級矩陣（表2）。

第三步，合成承災(zāi)體敏感性風(fēng)險等級矩陣與承災(zāi)體風(fēng)險承受能力等級矩陣，得到脆弱性風(fēng)險矩陣（表3）。

第四步，合成致災(zāi)因子危險性風(fēng)險與脆弱性風(fēng)險等級矩陣，得到區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險等級矩陣（表4）。

3 案例分析

3.1 區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系與數(shù)據(jù)來源

評估指標(biāo)體系的建立是區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，評估指標(biāo)體系的科學(xué)性和合理性，直接決定了評估結(jié)果的可信度和適用性。為科學(xué)合理地反映區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險真實特征，給礦區(qū)選址和功能布局提供更有針對性的決策性建議，根據(jù)已有研究經(jīng)驗，在選取指標(biāo)時，遵循資料選取的系統(tǒng)性、代表性、可獲得性等原則，從5個要素中選擇特征指標(biāo)，建立區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

3.2 基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估結(jié)果

采用相同的方法可以計算得出各行業(yè)功能區(qū)域的孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險指標(biāo)、承災(zāi)體暴露性風(fēng)險指標(biāo)和風(fēng)險管理指標(biāo)的等級，從各子區(qū)域孕災(zāi)環(huán)境與風(fēng)險等級的隸屬度（表5），各子區(qū)域承災(zāi)體暴露性與風(fēng)險等級的隸屬度（表6），各子區(qū)域風(fēng)險管理指標(biāo)與風(fēng)險等級的隸屬度（表7）通過鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)得到承災(zāi)體暴露性風(fēng)險指標(biāo)與防護裝置的合成風(fēng)險等級（表8），孕災(zāi)環(huán)境風(fēng)險指標(biāo)與風(fēng)險管理能力指標(biāo)合成風(fēng)險等級（表9），進一步計算得到承災(zāi)體風(fēng)險承受能力與承災(zāi)體敏感性的合成風(fēng)險等級（表10），最終得到由脆弱性與致災(zāi)因子危險性合成的雷電災(zāi)害風(fēng)險等級（表11）和風(fēng)險等級分布圖（圖12）。

3.3 傳統(tǒng)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估模型評估結(jié)果

采用傳統(tǒng)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估模型對區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)體系進行評估計算，各因子權(quán)重分別采用專家評分法，最終得到各行業(yè)功能分布的雷電災(zāi)害風(fēng)險等級（表12）。

4 結(jié)果與分析

從基于風(fēng)險矩陣的鏈?zhǔn)絺鬟f區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的評估結(jié)果可以看出，該礦區(qū)8個子區(qū)域的風(fēng)險分為4個等級，從高到低依次為I（極高風(fēng)險）、Ⅱ（高風(fēng)險）、Ⅲ（中風(fēng)險）、Ⅳ（低風(fēng)險），其中，極高風(fēng)險占比1/8，高風(fēng)險占比1/4，中風(fēng)險占比1/2、低風(fēng)險占比1/8，風(fēng)險等級分布比較符合正態(tài)分布形式。

為了對比分析基于灰色關(guān)聯(lián)的風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法與傳統(tǒng)評估模型的異同點，揭示風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的適用性偏向和優(yōu)缺點，將風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鲗?dǎo)區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的評估結(jié)果分別與采用專家評分法等傳統(tǒng)評估模型的評估結(jié)果進行對比分析。使用專家評分法的評估結(jié)果顯示：該礦區(qū)8個子區(qū)域的風(fēng)險分為4個等級，各風(fēng)險等級占比均相同。

通過分析兩種方法的評估結(jié)果可以看出，相較于專家評分法的傳統(tǒng)評估模型的評估結(jié)果，基于風(fēng)險矩陣的鏈?zhǔn)絺鬟f評估方法的評估結(jié)果更接近自然界的風(fēng)險分布規(guī)律。

5 結(jié)論

由于區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估是一個涉及多要素的動態(tài)變化的復(fù)雜系統(tǒng)，引入灰色關(guān)聯(lián)的概念，充分考慮各評估因子之間的相互不確定性，能夠提升評估結(jié)果的客觀性，使評估結(jié)果更符合評估對象在現(xiàn)實環(huán)境中的實際情況，提高風(fēng)險防范的適用性與合理性，為相關(guān)業(yè)務(wù)人員補充了不同形式的、科學(xué)的評估方法和手段。

基于風(fēng)險矩陣的鏈?zhǔn)絺鬟f區(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法采用灰色關(guān)聯(lián)計算耦合集對分析的方法，同時將風(fēng)險鏈?zhǔn)絺鬟f的原理引入?yún)^(qū)域雷電災(zāi)害風(fēng)險評估，建立了風(fēng)險層層傳遞的動態(tài)風(fēng)險評估計算理念和模型。相較于專家評分法的傳統(tǒng)評估模型的評估結(jié)果，基于風(fēng)險矩陣的鏈?zhǔn)絺鬟f評估的結(jié)果更接近自然界的風(fēng)險分布規(guī)律。

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收稿日期：2024-09-19

作者簡介：朱薇薇（1981—），女，重慶人，高級工程師，研究方向為雷電防御及氣象防災(zāi)減災(zāi)。