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基于正態(tài)云模型的布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*（安全）

                劉  健¹，楊仲江¹，楊  虎²，許永彬²，盧慧慧¹

    （1-南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044；2．西藏自治區(qū)氣象局防雷中心，西藏拉薩850000）

摘要：歷史上布達(dá)拉宮曾多次遭受雷擊，損失嚴(yán)重，確保布達(dá)拉宮的防雷安全重要而緊迫。為了有效指導(dǎo)布達(dá)拉宮防雷減災(zāi)工作，需要進(jìn)行科學(xué)合理的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估�？紤]雷電致災(zāi)機(jī)理和布達(dá)拉宮建筑實(shí)際特征，基于致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和應(yīng)急能力構(gòu)建布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，采用正態(tài)云模型解決評(píng)價(jià)指標(biāo)的不確定性和模糊性，計(jì)算不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)云隸屬度，評(píng)估了布達(dá)拉官雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。分析結(jié)果表明：布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)屬于高風(fēng)險(xiǎn)。需要提高布達(dá)拉宮雷電防護(hù)水平、提升雷災(zāi)應(yīng)急能力，才能有效降低雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：正態(tài)云模型；布達(dá)拉宮；雷電災(zāi)害；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中圖分類號(hào)：X915.5  doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 018

0  引  言

    坐落于拉薩市中心的布達(dá)拉宮集藏族古建筑藝術(shù)之大成，是舉世無(wú)雙的世界文化遺產(chǎn)。布達(dá)拉宮海拔3 756 m，最高處金頂海拔高達(dá)3 770 m，作為拉薩市區(qū)孤立高聳的建筑群，極易遭到雷電襲擊。2001年布達(dá)拉宮白宮屋頂東北角一個(gè)五彩幢遭受雷擊，雷電波侵入導(dǎo)致監(jiān)控和報(bào)警設(shè)施損壞，造成直接經(jīng)濟(jì)損失25萬(wàn)余元。2012年6月19日，布達(dá)拉宮紅山腳下一棵大樹(shù)被雷擊中斷裂，部分景觀燈被雷電擊壞。雷電對(duì)布達(dá)拉宮的直接損害結(jié)果是造成布達(dá)拉宮建筑物、壁畫(huà)、唐卡等重要文物毀壞。由于布達(dá)拉宮建筑工藝及其內(nèi)部唐卡、壁畫(huà)等制作工藝獨(dú)特，一旦損壞將無(wú)法修復(fù)。此外，近年來(lái)到布達(dá)拉宮朝拜和旅游的人員常年處于呈飽和狀態(tài)，雷電對(duì)人員生命安全也構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此做好布達(dá)拉宮防雷安全工作意義重大。布達(dá)拉宮防雷安全工作的基礎(chǔ)是合理掌握布達(dá)拉宮現(xiàn)有防雷安全水平，即進(jìn)行布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，從而更加科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理地制定雷電防護(hù)措施來(lái)保護(hù)布達(dá)拉官。

    針對(duì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在國(guó)內(nèi)外都有著廣泛的研究。其中層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用較為廣泛，但是層次分析法中檢驗(yàn)判斷矩陣是否一致非常困難，計(jì)算量較大，且檢驗(yàn)判斷矩陣是否具有一致性的標(biāo)準(zhǔn)CR<0.1缺乏科學(xué)依據(jù)；模糊綜合評(píng)價(jià)法計(jì)算復(fù)雜，指標(biāo)矢量權(quán)重確定主觀性很強(qiáng)。為此有學(xué)者提出了模糊層次分析法來(lái)規(guī)避單純的層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的缺點(diǎn)。即便采用了模糊層次分析法，隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為精確數(shù)值后，也會(huì)失去其模糊性。考慮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)時(shí)，既要考慮其模糊性又要考慮不確定性，僅考慮模糊性容易導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果不準(zhǔn)確。正態(tài)云模型結(jié)合定性概念與定量數(shù)據(jù)，克服了傳統(tǒng)方法的不足，能夠有效解決評(píng)估過(guò)程中模糊性和不確定性共存的問(wèn)題。

    本文通過(guò)理論分析建立布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，利用正態(tài)云模型對(duì)評(píng)估因子指標(biāo)進(jìn)行量化，評(píng)估布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)水平，為布達(dá)拉宮的雷電防護(hù)提供理論參考。

1  正態(tài)云模型

    李德毅院士提出的正態(tài)云模型通過(guò)改進(jìn)正態(tài)分布和鐘型隸屬度函數(shù)進(jìn)行定性定量轉(zhuǎn)換，解決了定性概念中存在的不確定性和模糊性問(wèn)題。正態(tài)云的定義如下：

    正態(tài)云具有3個(gè)數(shù)字特征：期望Ex、熵En,、超熵He，這3個(gè)特征反映定性概念和定量特性。期望Ex是最能夠代表定性概念的點(diǎn)；熵En反映了能夠代表這個(gè)定性概念的云滴的離散程度和在論域空間可被概念接受的云滴的取值范圍；超熵He是熵En的熵，反映了云滴的凝聚程度。利用正向云發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)定性語(yǔ)言值到定量數(shù)值的轉(zhuǎn)換，依據(jù)正態(tài)云的3個(gè)數(shù)字特征（Ex、En、He）產(chǎn)生云滴，具體算法描述如下：

    4)重復(fù)上述步驟直至產(chǎn)生的云滴數(shù)目達(dá)到要求。

2  雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系建立

    根據(jù)災(zāi)害學(xué)相關(guān)理論，影響災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)程度的因素主要包括致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和應(yīng)急能力4個(gè)方面。參考IEC 62305雷電災(zāi)害評(píng)估體系和相關(guān)自然災(zāi)害評(píng)估指標(biāo)體系研究，結(jié)合布達(dá)拉官雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的具體特征，并考慮評(píng)價(jià)指標(biāo)可獲取性和量化性，選取了13項(xiàng)獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，具體見(jiàn)圖1。

    致災(zāi)因子主要為雷電環(huán)境，其主要參數(shù)是平均地閃密度、平均雷電流強(qiáng)度和平均雷電流陡度；孕災(zāi)環(huán)境主要考慮參數(shù)是建筑物周邊土壤電阻率及周邊地形起伏；承災(zāi)體風(fēng)險(xiǎn)主要分析建筑物的抗雷災(zāi)性能，主要參數(shù)是建筑特性、防雷設(shè)施設(shè)置及運(yùn)行情況；應(yīng)急能力主要考

慮防雷安全知識(shí)普及水平和應(yīng)急演習(xí)。

3  正態(tài)云模型分析與計(jì)算

    根據(jù)圖1給出的布達(dá)拉官雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，可以看出雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因子具有模糊性和不確定性，因此可以利用正態(tài)云模型評(píng)估布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。評(píng)估步驟如下：

超熵通過(guò)多次試驗(yàn)選取。    

4)根據(jù)得到的各個(gè)指標(biāo)數(shù)值特征，利用正向云發(fā)生器確定出各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)不同等級(jí)的云模型隸屬度，重新生成隸屬度矩陣R。重復(fù)運(yùn)行正向云發(fā)生器Ⅳ次，對(duì)于每次生成的不同隸屬度，通過(guò)式(4)求取其平均值。

    5)完成權(quán)重集W和隸屬度R矩陣之間的模糊關(guān)系轉(zhuǎn)換運(yùn)算，獲得評(píng)價(jià)結(jié)果集曰如式(5)所示：

    6)根據(jù)最大隸屬度原則，確定綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的隸屬等級(jí)。

    參考相關(guān)指標(biāo)劃分規(guī)范、實(shí)測(cè)數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析及部分相關(guān)研究結(jié)果，將布達(dá)拉宮雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)集分為4個(gè)等級(jí)：低、中等、較高、高。每項(xiàng)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。其中，雷電流強(qiáng)度和雷電流陡度的劃分根據(jù)拉薩閃電定位資料并參考《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB

50057 - 2010)；地閃密度劃分依據(jù)《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》( GB 50343 - 2004)；土壤電阻率的劃分依據(jù)《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50057 - 2010)并結(jié)合拉薩地區(qū)土壤情況；建筑耐火等級(jí)劃分依據(jù)《建筑防火設(shè)計(jì)規(guī)范》( GB 50016 - 2014)；建筑面積和建筑高度危險(xiǎn)等級(jí)劃分借鑒了專業(yè)工程類別和等級(jí)表；防雷裝置合格率劃分標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《防雷裝置施工質(zhì)量監(jiān)督與驗(yàn)收規(guī)范》( QX/T 105 - 2009)；關(guān)鍵區(qū)域占比和內(nèi)部文物可修復(fù)性參考了文物等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)和《建筑防雷設(shè)計(jì)規(guī)范>( GB 50057 - 2010)；地形起伏度、防雷知識(shí)普及率和應(yīng)急演練次數(shù)危險(xiǎn)等級(jí)劃分借鑒了相關(guān)學(xué)者研究結(jié)果22和《機(jī)關(guān)、團(tuán)體、企業(yè)、事業(yè)單位消防安全管理規(guī)定》。

    根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)正態(tài)云模型數(shù)字特征計(jì)算生成各風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)云模型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。以評(píng)估指標(biāo)平均雷電流強(qiáng)度為例，中等和較高危險(xiǎn)等級(jí)隸屬度如圖2所示。

    根據(jù)2009 - 2015年西藏閃電定位資料，統(tǒng)計(jì)以布達(dá)拉宮為中心半徑5 km區(qū)域范圍內(nèi)的平均地閃密度、平均雷電流強(qiáng)度及平均雷電流陡度；選取24個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量布達(dá)拉宮平均土壤電阻率；布達(dá)拉宮的建筑基本上是石、土、木混合結(jié)構(gòu)，建筑防火等級(jí)屬于第4級(jí)；布達(dá)拉宮屬于全國(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)單位，關(guān)鍵區(qū)域占比取100%；布達(dá)拉宮內(nèi)部財(cái)產(chǎn)主要是以佛塔、壁畫(huà)、雕塑、石碑，大多屬不可修復(fù)的文物；防雷裝置合格率是對(duì)布達(dá)拉宮主要宮殿的接閃、引下、接地、等電位聯(lián)結(jié)、電涌保護(hù)器、電磁屏蔽進(jìn)行抽樣檢測(cè)統(tǒng)計(jì)而得；布達(dá)拉宮管理

處對(duì)防雷工作高度重視，抽樣調(diào)查也顯示工作人員都基本了解防雷知識(shí)。根據(jù)布達(dá)拉宮各項(xiàng)評(píng)估值，利用正態(tài)云發(fā)生器，重復(fù)計(jì)算1 000次，計(jì)算不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的平均云隸屬度。表2給出了布達(dá)拉宮各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)值及平均云隸屬度。

    依據(jù)步驟(5)和(6)得到布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害評(píng)價(jià)結(jié)果集，如表3所示，依據(jù)最大隸屬度原則，得出布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高危險(xiǎn)。

    布達(dá)拉宮本身建筑特性和雷電環(huán)境屬性是無(wú)法進(jìn)行變動(dòng)的，高風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于現(xiàn)有防雷措施合格率和應(yīng)急能力兩方面。在防雷措施方面，布達(dá)拉宮屋面金屬器具不能夠達(dá)到接閃器應(yīng)有的接閃效果；經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，大部分相關(guān)設(shè)施接地電阻超標(biāo)；布達(dá)拉宮金屬構(gòu)件繁多，僅有一部分金屬構(gòu)建做了等電位連接處理；僅有部分線路近些年才采取電磁屏蔽措施。在應(yīng)急能力方面，應(yīng)急演練次數(shù)較少，對(duì)在雷雨天氣如何疏導(dǎo)客流，并沒(méi)有具體預(yù)案。

    假設(shè)布達(dá)拉官防雷裝置合格率提升至70%，應(yīng)急演練次數(shù)一年4次，重新評(píng)估后的布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害等級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)。但是由于布達(dá)拉宮獨(dú)特的建筑材料、建筑工藝及地理位置，并不完全適用現(xiàn)代防雷的方法，也極易損壞建筑原貌，需要合理地利用布達(dá)拉宮建筑結(jié)構(gòu)特征，因地制宜地做好布達(dá)拉宮雷電防護(hù)工作。

4  結(jié)論

    通過(guò)參考總結(jié)國(guó)內(nèi)外自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系，利用正態(tài)云模型進(jìn)行雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，研究結(jié)果表明：在布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系中，防雷裝置合格率和建筑物耐火等級(jí)指標(biāo)權(quán)重最大（0. 209和0.172），對(duì)雷災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果影響也最大；利用正態(tài)云模型給出了布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為高風(fēng)險(xiǎn)，云隸屬度為0. 446 1。

    為了合理管控布達(dá)拉宮雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，必須進(jìn)一步加強(qiáng)布達(dá)拉宮雷電防護(hù)，提高防雷裝置合格率。同時(shí)加強(qiáng)雷災(zāi)應(yīng)急能力，健全災(zāi)害應(yīng)急措施，消除雷電次生災(zāi)害的影響。