常用雷電災害風險防護評價方法的對比分析

張靜?李瑩?于忠江?李文星

摘 要：隨著雷電對人類生命、財產和基礎設施的威脅不斷增加，認識雷電災害，并能較為客觀、準確、科學地對目標對象的雷電災害防護能力作出評價，發現目標對象現有防雷措施的不足并加以完善，從而降低雷電災害引發的各類風險顯得尤為重要。通過對比層次分析法和模糊綜合評價法在雷電災害風險評估、評價研究中的應用，得出了在雷電災害風險評估、評價中不同方法的優劣特性及適用范圍。

關鍵詞：雷電防護能力評價；層次分析法；模糊綜合評價法

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

雷電發生時常伴有閃電和雷鳴，同時會產生強大的電流、高溫、沖擊波、劇變的靜電場及高強度的電磁輻射等物理效應，因此可能會造成人畜傷亡、建筑物損毀和電子設備受損等，甚至引發火災和爆炸等次生災害。需要進一步認識雷電災害，增強對建筑物、生產設備等目標對象的雷電防護能力綜合評價意識，選用科學性、客觀性、可操作性更強的方式方法開展評估、評價，完善目標對象的現有雷電防護措施，增強雷電防護工作的針對性，有效降低或減少雷電災害的發生。

扈海波等[1]統計分析了北京地區近10年的雷電監測資料，通過層次分析法構建了評估模型，對各個區縣行政區域雷電災害風險進行了評估；張雷等[2]基于層次分析理論，選取孕災環境敏感性、致災因子危險性、防災減災能力及承災體易損性等作為評價指標，分析計算得出了福建省各市縣的雷電災害風險值；王淑一等[3]基于層次分析法構建了雷電災害風險評估層次分析模型，并結合案例對模型的實用性進行了驗證；而于忠江等[4]通過構建模型量化分析了目標對象現有雷電防護措施防護能力，提出了基于區間直覺模糊集的雷電防護能力評價方法，進一步增強了評價結果的客觀性；齊靜靜等[5]結合油氣集輸站庫特性，利用模糊綜合評價理論構建了評估模型，對油氣集輸站庫的雷電防護能力進行了綜合評價。

對比分析層次分析法和模糊綜合評價法在雷電災害風險評估、評價中的應用，討論不同方法的優劣特性和適用范圍，以期在今后的研究中更好地選擇適用于特定情況、特定目標對象的評估、評價方法，從而增強雷電防護的有效性和可靠性。

1 層次分析法

1.1 概念

20世紀70年代初，美國運籌學家Saaty首先提出了層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP），其原理是將與研究對象決策有關的全部元素分解成目標、準則、方案等層次，然后對各層次進行定性和定量分析，優點是系統、靈活、簡潔[6]。

1.2 原理及步驟

在對目標對象進行決策時，可通過層次分析法的概念構建模型解決實際問題，基本步驟及方法如下。

1.2.1 建立遞階層次結構模型

梳理目標對象的條理結構，構建出一個層次分明的結構模型，通常層次分為3類，由高到低分別為目標層、準則層、方案層。一般情況下，構建的遞階層次結構中層次數不受限制，層次數通常與待研究問題的復雜程度及需要分析的詳盡程度有關。

1.2.2 構造出各層次中的所有判斷矩陣

各階層中各因素在對目標對象評價中所占的比重不同，決策者在進行決策時會將各因素賦予不同的比例。實際應用中，會引用阿拉伯數字1～9及其對應的倒數作為標度定義判斷矩陣A=（aij）n×n，不同標度數值代表了兩個因素相比，前者比后者的重要程度，每個標度對應的含義如下（表1）。

1.2.3 層次單排序及一致性檢驗

第一步：計算得到一致性指標CI（consisten cyindex）。

式（1）中，λmax為判斷矩陣的最大特征值。

第二步：對照表格查找一致性指標RI（表2）。

第三步：計算一致性比例CR（consistency ratio）。

計算得到一致性比例，若CR＜0.10，則認為判斷矩陣通過一致性檢驗，此結果可被接受，否則要適當修正、完善已建立的判斷矩陣，并再次進行一致性檢驗，直到其通過檢驗為止。

1.2.4 層次總排序及一致性檢驗

最優方案的取得需要基于已明確各元素，尤其是方案層中各個元素對目標對象的排序所占比重，與此同時，也要對層次的總排序進行一致性檢驗，計算各層要素對系統總目標的合成權重，通過結果對比，對所有備選方案進行排序。

1.3 應用

以王淑一等對大連市雷電災害風險評價的研究為例，介紹層次分析法在雷電災害風險評估中的應用。

1.3.1 建立雷電災害風險評估指標體系

王淑一等在分析大連地區的環境特征和雷電活動規律的基礎上，建立了包含3級遞階指標要素層的大連地區雷電災害風險評估指標體系：

1級指標要素層包含3個要素：雷電活動特征、雷電防護措施以及項目現狀。

2級指標要素層包含13個要素：閃電強度、閃電密度、閃電頻度（以上對應1級指標要素雷電活動特征）；接閃器、引下線、接地裝置、雷電電磁脈沖、電涌保護器、等電位連接（以上對應1級指標要素雷電防護措施）；地形和地貌、人員數量、固定資產及土壤電阻率（以上對應1級指標要素項目現狀）。

3級指標要素包含29個要素：大氣電場儀、閃電定位儀、保護范圍、材料規格（接閃器、引下線及電涌保護器均涉及）、焊接質量（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、屏蔽材料規格、屏蔽網格尺寸、過渡電阻、制作工藝、安裝位置、性能參數、漏流測試、運行情況、連接狀況、等電位防腐、危險性、暴露性及脆弱性，每個3級指標要素對應1個或多個2級指標要素，在此不一一贅述。

1.3.2 構造各指標要素層的判斷矩陣

王淑一等將模型中同一級指標要素層中的每兩個要素分別進行對比，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。根據指標體系中要素選取情況，每個要素層各要素分別進行兩兩對比，1級指標要素層形成1個判斷矩陣，2級指標要素層形成3個判斷矩陣，3級指標要素層形成14個判斷矩陣。

1.3.3 各指標要素層的權重判定及一致性檢驗

在綜合考慮歷史氣象資料、專家學者意見及研究經驗后，對模型中各級指標要素的相對重要性進行了判定，形成了符合層次分析法原理的判斷矩陣，處理后得到各指標要素的權重，并通過一致性檢驗。

1.3.4 各指標要素相對應的總體目標的權重判定

王淑一等利用軟件對構建的層次模型中2級指標要素對待評估目標對象總目標及其直接影響的1級指標要素的權重對比變化進行了繪制，并對其進行了靈敏度分析，結果表明當某個指標要素的權重發生變化時，會對決策目標要素層產生影響。同時，通過進一步計算，得到了各級指標要素對于總體評價目標的權重分布。

2 模糊綜合評價法

2.1 概念

我國學者汪培莊最早提出了模糊綜合評判這一概念，即運用模糊數學理論對目標對象做出綜合評價時，需要把目標對象及能夠描述、反映該目標對象的模糊概念作為一定的模糊集合，在此基礎上建立適當的隸屬函數并進行有關運算和變換，進而對目標模糊對象進行定量分析。

2.2 模糊綜合評價法的原理及步驟

利用模糊綜合評價法構建模型對目標對象進行分析，大致可以分為以下幾個步驟：

2.2.1 構建評價體系并確定各層次因素

確定評價對象的評價指標，對于某評價因素U，包含n個評價指標，其構成的因素集為U=（u1，u2，…，un）。

2.2.2 確定評價集

V=（v1，v2，…，vm），每個等級可對應一個模糊子集。

2.2.3 構建模糊關系隸屬矩陣

建立等級模糊集合后，要針對目標對象的每個評價因素逐一量化，從單個因素角度來看，被評價目標對象相對于等級模糊子集的隸屬度，得到模糊關系矩陣：

式（3）中，第i行第j列的元素rij表示待評價目標對象的某個因素ui對評價等級vj模糊子集的隸屬度，即待評價目標對象在某個因素ui方面的表現，是通過上述模糊關系矩陣體現的。

2.2.4 確定評價因素的權向量

針對待評價目標對象建立的評價因素集中，每個因素對評價目標對象的重要程度是不一致的，因此，需要根據各因素間的重要程度關系確定權值。

2.2.5 合成模糊綜合評價結果矩陣

通過復合運算，可得到綜合評價結果B=A·R。

2.3 應用

下面以齊靜靜等對油氣集輸站庫雷電防護能力模糊評價模型的研究為例，介紹模糊綜合評價法在雷電防護能力評價中的應用。

2.3.1 構建評價體系并確定各層次因素

確定對油氣集輸站庫進行雷電防護能力評價所需考量的各層次因素，建立評價集，將各因素按照目標、準則、指標3個層次建立遞階層次結構。

2.3.2 確定評價集

按照從低到高的等級評語，確定了4級評語集。

2.3.3 構建模糊關系隸屬矩陣

針對每個評價因素，分別對應4個不同等級的評判，得到模糊關系矩陣：

2.3.4 確定各評價因素的權重

對已確定的因素集中的各因素通過層次分析法進行兩兩對比，以標度大小表征每兩個因素間的重要程度，得到權重集A=（a1，a2，…，an）。

2.3.5 合成模糊綜合評價結果矩陣

齊靜靜等將確定的權重與模糊關系矩陣進行了合成運算，得到了模糊綜合評價模型。

3 不同方法的研究結果對比分析

3.1 層次分析法

通過層次分析法對目標對象進行雷電災害風險評估，可以較好地將定性、定量兩種評估方式有機結合在一起，從一定程度上降低了雷電災害風險，并為預防雷電災害提供了有效應對的依據。但不足的是，在對該商業大廈進行案例驗證的過程中，各層次評價指標要素權重通過專家打分確定，在一定程度上增加了主觀誤差，所確定的指標要素權重的合理性還需要進一步探討。

3.2 模糊綜合評價法

齊靜靜等以模糊綜合評價理論為基礎，構建了模糊綜合評價模型，結合油氣集輸站庫的特性對其雷電防護能力進行了等級劃分。通過對所構建模型中合成算子的深入研究，發現了在模型應用條件不同的情況下，合成算子的選取會直接影響評價結果的有效性。因此，需根據研究對象的不同，合理選擇模糊綜合評價模型的合成算子，以得到評價目標對象更為合理、準確、科學的結果。

4 結論

（1）基于層次分析法可將雷電災害風險的定性評估與定量評估有機結合，增強所構建的評價體系的客觀實用性，然而在其要素指標權重的確定上，采用的專家打分法增加了主觀誤差。

（2）基于模糊綜合評價法更有利于對復雜區域多因素影響下的目標對象進行綜合評價，但不同目標對象可能會造成所構建的模型相關參數發生變化，需要結合所研究目標對象的實際情況，選取適當的合成算子，以得到較為準確、客觀的評價結果。

（3）各種評估評價方法都具有一定的優勢和適用范圍，需要根據目標對象的特性選擇合適的方法構建模型、解決實際問題。

參考文獻

[1] 扈海波，王迎春，熊亞軍.基于層次分析模型的北京雷電災害風險評估[J].自然災害學報，2010，19（1）：104-109.

[2] 張雷，涂慰云，李天誠，等.基于層次分析法的福建省雷電災害風險區劃[J].武夷學院學報，2017，36（9）：53-59.

[3] 王淑一，鄒善勇，王囝囝.大連市雷電災害風險評估體系指標量化方法[J].氣象科技，2016，44（3）：510-516.

[4] 于忠江，郝雪明，梁景峰，等.基于區間直覺模糊集的雷電防護能力評價[J].電瓷避雷器，2021（1）：56-62.

[5] 齊靜靜，李家寧，尹志清，等.油氣集輸站庫雷電防護能力模糊評價模型研究[J].電瓷避雷器，2019（6）：49-54.

[6] 鄧雪，李家銘，曾浩健，等.層次分析法權重計算方法分析及其應用研究[J].數學的實踐與認識，2012，42（7）：93-100.