常用雷电灾害风险防护评价方法的对比分析

张静?李莹?于忠江?李文星

摘 要：随着雷电对人类生命、财产和基础设施的威胁不断增加，认识雷电灾害，并能较为客观、准确、科学地对目标对象的雷电灾害防护能力作出评价，发现目标对象现有防雷措施的不足并加以完善，从而降低雷电灾害引发的各类风险显得尤为重要。通过对比层次分析法和模糊综合评价法在雷电灾害风险评估、评价研究中的应用，得出了在雷电灾害风险评估、评价中不同方法的优劣特性及适用范围。

关键词：雷电防护能力评价；层次分析法；模糊综合评价法

中图分类号：S761.5 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–0-03

雷电发生时常伴有闪电和雷鸣，同时会产生强大的电流、高温、冲击波、剧变的静电场及高强度的电磁辐射等物理效应，因此可能会造成人畜伤亡、建筑物损毁和电子设备受损等，甚至引发火灾和爆炸等次生灾害。需要进一步认识雷电灾害，增强对建筑物、生产设备等目标对象的雷电防护能力综合评价意识，选用科学性、客观性、可操作性更强的方式方法开展评估、评价，完善目标对象的现有雷电防护措施，增强雷电防护工作的针对性，有效降低或减少雷电灾害的发生。

扈海波等[1]統计分析了北京地区近10年的雷电监测资料，通过层次分析法构建了评估模型，对各个区县行政区域雷电灾害风险进行了评估；张雷等[2]基于层次分析理论，选取孕灾环境敏感性、致灾因子危险性、防灾减灾能力及承灾体易损性等作为评价指标，分析计算得出了福建省各市县的雷电灾害风险值；王淑一等[3]基于层次分析法构建了雷电灾害风险评估层次分析模型，并结合案例对模型的实用性进行了验证；而于忠江等[4]通过构建模型量化分析了目标对象现有雷电防护措施防护能力，提出了基于区间直觉模糊集的雷电防护能力评价方法，进一步增强了评价结果的客观性；齐静静等[5]结合油气集输站库特性，利用模糊综合评价理论构建了评估模型，对油气集输站库的雷电防护能力进行了综合评价。

对比分析层次分析法和模糊综合评价法在雷电灾害风险评估、评价中的应用，讨论不同方法的优劣特性和适用范围，以期在今后的研究中更好地选择适用于特定情况、特定目标对象的评估、评价方法，从而增强雷电防护的有效性和可靠性。

1 层次分析法

1.1 概念

20世纪70年代初，美国运筹学家Saaty首先提出了层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP），其原理是将与研究对象决策有关的全部元素分解成目标、准则、方案等层次，然后对各层次进行定性和定量分析，优点是系统、灵活、简洁[6]。

1.2 原理及步骤

在对目标对象进行决策时，可通过层次分析法的概念构建模型解决实际问题，基本步骤及方法如下。

1.2.1 建立递阶层次结构模型

梳理目标对象的条理结构，构建出一个层次分明的结构模型，通常层次分为3类，由高到低分别为目标层、准则层、方案层。一般情况下，构建的递阶层次结构中层次数不受限制，层次数通常与待研究问题的复杂程度及需要分析的详尽程度有关。

1.2.2 构造出各层次中的所有判断矩阵

各阶层中各因素在对目标对象评价中所占的比重不同，决策者在进行决策时会将各因素赋予不同的比例。实际应用中，会引用阿拉伯数字1～9及其对应的倒数作为标度定义判断矩阵A=（aij）n×n，不同标度数值代表了两个因素相比，前者比后者的重要程度，每个标度对应的含义如下（表1）。

1.2.3 层次单排序及一致性检验

第一步：计算得到一致性指标CI（consisten cyindex）。

式（1）中，λmax为判断矩阵的最大特征值。

第二步：对照表格查找一致性指标RI（表2）。

第三步：计算一致性比例CR（consistency ratio）。

计算得到一致性比例，若CR＜0.10，则认为判断矩阵通过一致性检验，此结果可被接受，否则要适当修正、完善已建立的判断矩阵，并再次进行一致性检验，直到其通过检验为止。

1.2.4 层次总排序及一致性检验

最优方案的取得需要基于已明确各元素，尤其是方案层中各个元素对目标对象的排序所占比重，与此同时，也要对层次的总排序进行一致性检验，计算各层要素对系统总目标的合成权重，通过结果对比，对所有备选方案进行排序。

1.3 应用

以王淑一等对大连市雷电灾害风险评价的研究为例，介绍层次分析法在雷电灾害风险评估中的应用。

1.3.1 建立雷电灾害风险评估指标体系

王淑一等在分析大连地区的环境特征和雷电活动规律的基础上，建立了包含3级递阶指标要素层的大连地区雷电灾害风险评估指标体系：

1级指标要素层包含3个要素：雷电活动特征、雷电防护措施以及项目现状。

2级指标要素层包含13个要素：闪电强度、闪电密度、闪电频度（以上对应1级指标要素雷电活动特征）；接闪器、引下线、接地装置、雷电电磁脉冲、电涌保护器、等电位连接（以上对应1级指标要素雷电防护措施）；地形和地貌、人员数量、固定资产及土壤电阻率（以上对应1级指标要素项目现状）。

3级指标要素包含29个要素：大气电场仪、闪电定位仪、保护范围、材料规格（接闪器、引下线及电涌保护器均涉及）、焊接质量（接闪器、引下线均涉及）、接闪器防腐、间距和工艺、引下线防腐、接地形式、埋深和规格、接地电阻（接地装置、等电位连接均涉及）、接地防施、屏蔽材料规格、屏蔽网格尺寸、过渡电阻、制作工艺、安装位置、性能参数、漏流测试、运行情况、连接状况、等电位防腐、危险性、暴露性及脆弱性，每个3级指标要素对应1个或多个2级指标要素，在此不一一赘述。

1.3.2 构造各指标要素层的判断矩阵

王淑一等将模型中同一级指标要素层中的每两个要素分别进行对比，建立了判断矩阵A=（aij）n×n，且满足要素j与要素i重要性之比为aji=1/aij。根据指标体系中要素选取情况，每个要素层各要素分别进行两两对比，1级指标要素层形成1个判断矩阵，2级指标要素层形成3个判断矩阵，3级指标要素层形成14个判断矩阵。

1.3.3 各指标要素层的权重判定及一致性检验

在综合考虑历史气象资料、专家学者意见及研究经验后，对模型中各级指标要素的相对重要性进行了判定，形成了符合层次分析法原理的判断矩阵，处理后得到各指标要素的权重，并通过一致性检验。

1.3.4 各指标要素相对应的总体目标的权重判定

王淑一等利用软件对构建的层次模型中2级指标要素对待评估目标对象总目标及其直接影响的1级指标要素的权重对比变化进行了绘制，并对其进行了灵敏度分析，结果表明当某个指标要素的权重发生变化时，会对决策目标要素层产生影响。同时，通过进一步计算，得到了各级指标要素对于总体评价目标的权重分布。

2 模糊综合评价法

2.1 概念

我国学者汪培庄最早提出了模糊综合评判这一概念，即运用模糊数学理论对目标对象做出综合评价时，需要把目标对象及能够描述、反映该目标对象的模糊概念作为一定的模糊集合，在此基础上建立适当的隶属函数并进行有关运算和变换，进而对目标模糊对象进行定量分析。

2.2 模糊综合评价法的原理及步骤

利用模糊综合评价法构建模型对目标对象进行分析，大致可以分为以下几个步骤：

2.2.1 构建评价体系并确定各层次因素

确定评价对象的评价指标，对于某评价因素U，包含n个评价指标，其构成的因素集为U=（u1，u2，…，un）。

2.2.2 确定评价集

V=（v1，v2，…，vm），每个等级可对应一个模糊子集。

2.2.3 构建模糊关系隶属矩阵

建立等级模糊集合后，要针对目标对象的每个评价因素逐一量化，从单个因素角度来看，被评价目标对象相对于等级模糊子集的隶属度，得到模糊关系矩阵：

式（3）中，第i行第j列的元素rij表示待评价目标对象的某个因素ui对评价等级vj模糊子集的隶属度，即待评价目标对象在某個因素ui方面的表现，是通过上述模糊关系矩阵体现的。

2.2.4 确定评价因素的权向量

针对待评价目标对象建立的评价因素集中，每个因素对评价目标对象的重要程度是不一致的，因此，需要根据各因素间的重要程度关系确定权值。

2.2.5 合成模糊综合评价结果矩阵

通过复合运算，可得到综合评价结果B=A·R。

2.3 应用

下面以齐静静等对油气集输站库雷电防护能力模糊评价模型的研究为例，介绍模糊综合评价法在雷电防护能力评价中的应用。

2.3.1 构建评价体系并确定各层次因素

确定对油气集输站库进行雷电防护能力评价所需考量的各层次因素，建立评价集，将各因素按照目标、准则、指标3个层次建立递阶层次结构。

2.3.2 确定评价集

按照从低到高的等级评语，确定了4级评语集。

2.3.3 构建模糊关系隶属矩阵

针对每个评价因素，分别对应4个不同等级的评判，得到模糊关系矩阵：

2.3.4 确定各评价因素的权重

对已确定的因素集中的各因素通过层次分析法进行两两对比，以标度大小表征每两个因素间的重要程度，得到权重集A=（a1，a2，…，an）。

2.3.5 合成模糊综合评价结果矩阵

齐静静等将确定的权重与模糊关系矩阵进行了合成运算，得到了模糊综合评价模型。

3 不同方法的研究结果对比分析

3.1 层次分析法

通过层次分析法对目标对象进行雷电灾害风险评估，可以较好地将定性、定量两种评估方式有机结合在一起，从一定程度上降低了雷电灾害风险，并为预防雷电灾害提供了有效应对的依据。但不足的是，在对该商业大厦进行案例验证的过程中，各层次评价指标要素权重通过专家打分确定，在一定程度上增加了主观误差，所确定的指标要素权重的合理性还需要进一步探讨。

3.2 模糊综合评价法

齐静静等以模糊综合评价理论为基础，构建了模糊综合评价模型，结合油气集输站库的特性对其雷电防护能力进行了等级划分。通过对所构建模型中合成算子的深入研究，发现了在模型应用条件不同的情况下，合成算子的选取会直接影响评价结果的有效性。因此，需根据研究对象的不同，合理选择模糊综合评价模型的合成算子，以得到评价目标对象更为合理、准确、科学的结果。

4 结论

（1）基于层次分析法可将雷电灾害风险的定性评估与定量评估有机结合，增强所构建的评价体系的客观实用性，然而在其要素指标权重的确定上，采用的专家打分法增加了主观误差。

（2）基于模糊综合评价法更有利于对复杂区域多因素影响下的目标对象进行综合评价，但不同目标对象可能会造成所构建的模型相关参数发生变化，需要结合所研究目标对象的实际情况，选取适当的合成算子，以得到较为准确、客观的评价结果。

（3）各种评估评价方法都具有一定的优势和适用范围，需要根据目标对象的特性选择合适的方法构建模型、解决实际问题。

参考文献

[1] 扈海波，王迎春，熊亚军.基于层次分析模型的北京雷电灾害风险评估[J].自然灾害学报，2010，19（1）：104-109.

[2] 张雷，涂慰云，李天诚，等.基于层次分析法的福建省雷电灾害风险区划[J].武夷学院学报，2017，36（9）：53-59.

[3] 王淑一，邹善勇，王囝囝.大连市雷电灾害风险评估体系指标量化方法[J].气象科技，2016，44（3）：510-516.

[4] 于忠江，郝雪明，梁景峰，等.基于区间直觉模糊集的雷电防护能力评价[J].电瓷避雷器，2021（1）：56-62.

[5] 齐静静，李家宁，尹志清，等.油气集输站库雷电防护能力模糊评价模型研究[J].电瓷避雷器，2019（6）：49-54.

[6] 邓雪，李家铭，曾浩健，等.层次分析法权重计算方法分析及其应用研究[J].数学的实践与认识，2012，42（7）：93-100.