基于改进层次分析法的雷电防护能力模糊综合评价.pdf

Oct.2023METEORHNOLOGY7552023年10 月第51卷第5期Vol.51,No.5象技科基于改进层次分析法的雷电防护能力模糊综合评价梁景峰1，2刘伟娜张静1，2冯鹤473*（1中国气象局气象干部培训学院河北分院，保定0 7 10 0 0；2 河北省信息工程学校，保定0 7 10 0 0；3河北农业大学机电工程学院，保定0 7 10 0 0；4河北省气象行政技术服务中心，石家庄0 50 0 2 1）摘要为科学评价雷电防护措施的防护能力，分析国内外多种评价方法的优劣，结合雷电防护措施的特点提出基于改进层次分析法的模糊综合评价。依据雷电防护相关技术标准和规范，综合考虑雷电环境、承载体特征、自然因素的影响，建立雷电防护能力评价指标体系。利用改进层次分析法计算各级指标的权重，采用模糊综合评价法确定雷电防护能力评价等级。运用此方法对采取多种雷电防护措施的油气集输站进行雷电防护能力评价，评价等级与实际情况和有关文献案例相符，表明该方法适用于雷电防护能力的评价。关键词雷电防护能力；改进层次分析法；模糊综合评价法；隶属矩阵；能力评价中图分类号：P429D0I:10.19517/j.1671-6345.20220319文献标识码：A引言雷电防护主要是防止和减少雷电闪击造成的物质损失和人身伤亡而采取的各种措施1，事关社会经济生产安全和人民生命财产安全。雷电灾害已被联合国“国际减灾十年”行动计划确定为最严重的10种自然灾害之一2-3，每年因雷电造成的损失数以亿计。绝大部分雷电灾害是因防护措施不到位不健全所导致。雷电防护措施和手段易受外部环境的影响，特别是一些防护设施容易出现老化和腐蚀，其防护性能下降和失效。因此，对雷电防护措施进行科学合理的评价具有极其重要的意义。目前对雷电防护措施进行综合评价的研究还不多，大多数是针对雷电防护装置检测方法和技术的研究。雷电防护装置检测研究的重点是指标的确定、参数的获取、数据的处理等4。雷电防护能力评价则更关注的是如何全面系统客观的判断已有雷电防护措施的防护能力和水平，对是否需进一步强化防护措施和提高防护水平以及如何提高防护能力提供科学依据和指导5就防护能力及风险的综合评价方法而言，国内外主要采用故障树分析法、贝叶斯网络评价法、神经网络法、失效模式分析法、肯特评分法、主分量分析法等。这些方法各具一定的优势，但也存在局限性。例如，故障树分析法的优势在于形象、清晰、逻辑性强，但难以准确确定事件的发生概率，实际运用有很大的局限6-7。贝叶斯网络评价法其评价结果的准确性受指标划分、权值分配和专家经验等主观因素的影响较大8 。而神经网络法的评价过程较为客观性，但难点是训练集的选择，对试验数据的可靠性也有严格的要求，目前没有较好的解决办法9。失效模式分析法对所有可能发生的故障原因、故障模式、故障后果进行系统地分析，并计算出风险优先数值，但以风险优先度来划分风险存在一定缺陷10 。肯特评分法的实际运用简便，但忽略了各指标的权重差异，易发生评价结果偏离实际情况。主分量分析法不仅减少了评价的工作量，还消除了评价指标的相互影响，但存在变量降低维度后的信息量保持在较高水平的要求并且要具有实际的意义12 Onttp:/气家科技中国气象局软科学研究项目（2 0 2 0 ZDIANXM02）、河北省气象局科研开发项目（2 0 zc03）、保定市科技计划项目（2 341ZF168）资助作者简介：梁景峰，男，198 0 年生，硕士，高级工程师，主要从事雷电防护技术、气象教育培训等研究，Email：596 0 10 919 q q.c o m收稿日期：2 0 2 2 年7 月2 8 日；定稿日期：2 0 2 3年2 月7 日*通信作者，Email：940 958 42 q q.c o m气象科技编辑部（CCBY-NC-ND4.0）756象第51卷技科雷电防护对象采取的防护措施是复杂多样的，这些措施作用的发挥不是孤立的，而是互相耦合的，并且具有很大的模糊性13-1。这种模糊性是客观存在的，各雷电防护措施的防护能力不能被精确量化，为较好地描述和综合评价防护能力，应引入模糊思想和数学理论15-17 。2 0 世纪6 0 年代，美国控制论专家Zadehl181第一次提出了模糊数学理论。对于客观世界中界限模糊不清且不能分割的事物可以采用模糊数学的理论解释这种不确定性。受多种因素作用影响的对象评价应该采用模糊综合评价的方法，不仅可以对主观因素和客观因素进行综合评价，而且评价结果还以向量的形式表示，能够较准确的反映评价对象的模糊特性对雷电防护措施的防护能力进行评价时，为使各评价指标的权重确定合理、计算简便，采取改进层次分析法，它是在经典层次分析法的基础上发展而来的。美国运筹学家Saaty于2 0 世纪7 0 年代首次提出了一种多目标、定性与定量相结合的评价决策方法19，即所谓的经典层次分析法。但经典层次分析法在实际运用中存在一些问题，首先在确定权重方面，采取两两指标对比的九标度（19)法构造判断矩阵，标度对应的概念比较模糊，专家的主观经验主导标度的确定，出现评价结果与实际背离的风险极大。其次在计算量方面，判断矩阵需要进行一致性检验，如果不通过则说明不具备优先排序功能，需要从新构置，不仅违背专家意志，还需反复计算。改进层次分析法采取三标度（0 2）法构造判断矩阵，降低了主观意志对评价结果的影响，判断矩阵也不需要进行一致性检验，提高了准确度，降低了计算量，符合实际工程的要求2 0 1评价指标体系的建立建立科学合理的评价指标体系是雷电防护能力评价的前提和关键。依据建筑物防雷设计规范1建筑物电子信息系统防雷设计规范2 1通信局（站)防雷与接地工程设计规范2 2 石油化工装置防雷设计规范2 3 建筑物防雷装置检测技术规范4 通信局（站防雷装置检测技术规范2 4 爆炸和火灾危险场所防雷装置检测技术规范2 51等雷电防护相关国家技术标准与规范，综合考虑雷电环境、承载体特征、自然因素的影响，建立了雷电防护能力评价指标体系，如表1所示。表1雷电防护能力U评价指标体系Table1Evaluation index system of lightning protection ability一级是否“一票二级指标获取方式指标否决项”年预计雷击次数UI1气象资料分析接闪雷电流强度U12气象资料分析否装置U接闪器形式规格U13检测数据分析是接闪器锈蚀程度U14专家检查评定是建构筑物结构金属利用U21专家检查评定否引下线引下线间距U22检测数据分析是U2引下线形式规格U23检测数据分析是引下线腐蚀程度U24专家检查评定是接地接地体形式规格U31检测数据分析否装置U3接地电阻U32检测数据分析是等电位连接形式规格U4I检测数据分析连接U4过渡电阻U42检测数据分析否电涌保护器安装位置Us1检测数据分析否电涌保电涌保护器基本参数U52检测数据分析否护器Us连接导体规格U53检测数据分析否屏蔽与屏蔽措施U61专家检查评定布线U6布线方式U62专家检查评定否表中，接闪器形式规格U13、接闪器锈蚀程度U14、引下线间距U22、引下线形式规格U23、引下线腐蚀程度U24、接地电阻U32对整体的雷电防护能力有重大影响1.4.2 1-2 5，任何一项不符合技术规范要求则导致整体的雷电防护能力失效，因此综合评价机制中采取“一票否决项 策略。2改进层次分析法对指标权重的确定2.1建立比较矩阵由雷电防护工作经验丰富的技术专家使用0，1，2 三个标度2 6 ，对各级各类相应指标进行两两比较，根据相对重要程度确定出矩阵各元素的数值，进而建立起比较矩阵A。a11a12a1na21a22a2nA(1)anlan2am其中，a,为矩阵元素。;取值为0，表示第i指标没有第i指标重要；a,取值为1，表示第i指标与第j指标一样重要；;取值为2，表示第i指标比第j指标重要。2.2计算重要性排序指数将比较矩阵A各行元素之和作为对应指标的重要性排序指数ri。757第5期梁景峰等：基于改进层次分析法的雷电防护能力模糊综合评价nai（2)j=12.3构造判断矩阵利用重要性排序指数计算判断矩阵B的各元素bi。(ri-r,)(km-1)+1rmaxrmin(3)(rj-ri)(km-1)rmax一rminrmax其中，rmax=max(ri),rmin=min(r:),km=rmin2.4计算传递矩阵对判断矩阵B的元素b取常用对数得出传递矩阵C的各元素Ci。Ci=lgbj（4)2.5构造最优传递矩阵利用传递矩阵C的元素计算最优传递矩阵D的各元素di。d.-之n(ck一Ck)(5)nk=12.6计算拟优一致矩阵将最优传递矩阵D的元素d，作为10 的指数，计算可得拟优一致矩阵Q的各元素qi。qi=10%(6)2.7求解特征向量首先计算拟优一致矩阵Q的各行元素之积Li；L;=qi(7)-1然后求L的n次方根W；W=NL(8)最后将W，归一化处理得W：；W;=(9)W1其中，W,即为拟优一致矩阵Q的特征向量W=（W i，W，W,）的元素，也就是利用改进层次分析法得出的指标权重。特征向量W即为指标的权重向量。3模糊综合评价法对能力等级的确定3.1建立评语集根据雷电防护能力及其评价指标可能出现的评价等级建立评语集，用V表示。评语集V的等级划分越多，对应的评价等级就越精细，但计算量也越大2 7 。在权衡评价精细度和计算量的基础上，评语集V采取5个评语等级以及评语元素来表示各指标和雷电防护能力的评价等级。V=(U1,U2,U3,4,Us)=（好（G），较好（B），一般（M），较差（S），差（P）(10)其中，U1U s 为评语等级。3.2建立隶属矩阵根据雷电防护实际工作经验选取比较合适的分布形态隶属函数来建立隶属矩阵，用R表示。等差三角形分布函数能很好反映评价等级对评语元素的隶属度2 8-2 9。已有研究验证了等差值取0.2 8 具有较高的有效性和实用性30-32 1。因此，本文也取等差值为0.2 8，经计算得评价等级隶属度，如表2 所示。表2等差值取0.2 8 时评价等级隶属度Table2Evaluation grade membership degree评语元素评价等级好较好一般较差差G1.000.720.440.160.00B0.721.000.720.440.16M0.440.721.000.720.44S0.160.440.721.000.72P0.000.160.440.721.00对表2 中评价等级隶属度进行归一化处理，即得隶属矩阵R。0.43100.31030.18970.06900.00000.2368 0.32890.23680.14470.0526R=0.13250.21690.30120.21690.13250.0526 0.14470.23680.32890.23680.00000.06900.18970.31030.4310J(11)3.3模糊综合评价首先，通过气象资料分析、检测数据分析、专家检查评定等方式确定各项指标的评价等级。根据隶属矩阵可得评价等级对应的权重向量R。G、B、M、S、P评价等级对应的权重向量分别为RRs，如表3所示。表3评价等级权重向量Table3Evaluationgrade weight vector评价等级权重向量GR,=(0.4310,0.3103,0.1897,0.0690,0.0000)BR2=（0.2 36 8,0.32 8 9,0.2 36 8,0.1447,0.0 52 6)MR=（0.132 5,0.2 16 9,0.30 12,0.2 16 9,0.132 5)SR=(0.0526,0.1447,0.2368,0.3289,0.2368)PR=(0.0000,0.0690,0.1897,0.3103,0.4310)758象第51卷技科然后，利用评价等级对应的权重向量R,和隶属矩阵R对指标进行模糊评价，得到各级中第指标的评价向量E，。E,=R,R(12)进而，利用指标的评价向量E，组成新的矩阵N和对应的权重向量W，进行模糊综合评价，得到该指标的综合评价向量E。N=(Ei,E2,.,E,)(13)E=WN(14)最终得到所有指标对雷电防护能力的综合评价向量，由最大隶属度原则确定雷电防护能力的评价等级。4雷电防护能力综合评价实例分析现以含有易燃易爆生产区、信息控制功能区、电力系统功能区等雷电防护要求高且工程复杂的油气集输站库为对象，采取改进层次分析法的模糊综合评价方法确定雷电防护能力的评价等级。具体步骤如图1所示。确定各指标的评价等级判断否“一票否决项”是否符合要求是确定专家检查评定项不同评价等级的综合评价向量计算二级指标的权重向量确定一级指标的综合评价向量计算一级指标的权重向量确定目标层的综合评价向量确定雷电防护能力的评价等级图1雷电防护能力模糊综合评价流程Fig.1HFuzzy comprehensive evaluation process oflightning protection capability专业人员或专家依据雷电防护相关技术标准与规范，通过资料分析、设备检测和性能检查等方式确定某油气集输站库雷电防护相关17 项指标的评价等级，如表4所示。其中指标“建筑物结构金属利用U21”的评价等级划分是对建筑物的钢梁、钢柱、消防梯等金属构建，以及幕墙的金属立柱和混凝土内的钢筋、钢柱等结构金属设施做自然引下线的利用情况进行合理评价。表4指标评价等级Table4Index evaluation grade是否“一票指标评价等级否决项”年预计雷击次数U11P雷电流强度U12G否接闪器形式规格U13G是接闪器锈蚀程度U14GBG是建筑物结构金属利用U21P否引下线间距U22G是引下线形式规格U23G是引下线腐蚀程度U24GBB是接地体形式规格U31G否接地电阻U32G是连接形式规格U41B否过渡电阻U42B否电涌保护器安装位置U51G否电涌保护器基本参数U52G否连接导体规格U53G否屏蔽措施U61PMM否布线方式U62MPM否任何“一票否决项 评价等级中出现“S或“P”级，则雷电防护能力的评价等级直接定为“P级。由表4可知，此油气集输站库一票否决项”评价等级均在“S级以上，符合技术规范要求。对于专家检查评定项由3位专家分别独立确定评价等级，若出现不同评价等级，则专家权重向量为（0.4,0.3,0.3）。根据表4中各位专家对接闪器锈蚀程度、引下线腐蚀程度、屏蔽措施、布线方式的不同评价等级，从表3中选取评价等级对应的权重向量，利用式（11）（14)可得专家检查评定项的综合评价向量，如表5所示。利用改进层次分析法计算雷电防护能力评价指标体系中各类二级指标的权重向量。首先根据各类二级指标相对重要性构造对应的比较矩阵A，利用式(1)（9)分别计算重要性排序指数r、构造判断矩阵B、计算传递矩阵C、构造最优传递矩阵D、计算拟优一致矩阵Q、最终得到矩阵Q的特征向量W759第5期梁景峰等：基于改进层次分析法的雷电防护能力模糊综合评价即各类二级指标的权重向量，如表6 所示。表5专家检查评定项综合评价向量Table5Comprehensive evaluation vector of items evaluated by experts专家检查评定项评价等级评价向量权重综合评价向量G(0.2881.0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.4000U14B(0.2190,0.2577,0.2384,0.1793,0.1057)0.3000(0.2673,0.2782,0.2316,0.1507,0.0722)G(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.3000G(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.4000U24B(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.3000(0.2673,0.2782,0.2316,0.1507,0.0722)B(0.2190,0.2577,0.2384,0.1793,0.1057)0.3000P(0.0578,0.1385,0.2287,0.2870,0.2881)0.4000U61M(0.1598,0.2183,0.2437,0.2183,0.1598)0.3000(0.1190,0.1864,0.2377,0.2458,0.2111)M(0.1598,0.2183,0.2437,0.2183,0.1598)0.3000M(0.1598,0.2183,0.2437,0.2183,0.1598)0.4000U62P(0.0578,0.1358,0.2287,0.2870,0.2881)0.3000(0.1292,0.1944,0.2392,0.2389,0.1983)M(0.1598,0.2183,0.2437,0.2183,0.1598)0.3000表6 各类二级指标的比较矩阵和权重向量Table 6Comparison matrix and weight vector of the second-level index set二级指标比较矩阵拟优一致矩阵权重向量10001.00000.46710.09760.208921 002.14071.0000 0.20890.4472U11,U12,U13,U14(0.0550,0.1178,0.5638,0.2634)221210.24074.78671.00002.14072204.78672.23610.46711.00001001.00000.09760.20890.4671212210.47021.00002.14074.7867U21、U 2 2、U 2 3、U 2 4(0.0550,0.5638,0.2634,0.1178)20124.78670.46711.00002.23612002.14070.2089 0.44721.000011.00000.3333U31,U32(0.2500,0.7500)23.00001.00001/1.00000.3333UAi,U42(0.2500,0.7500)213.00001.00001001.00000.16440.4055U51,U52、U 532126.08221.00002.4662(0.1047,0.6370,0.2583)2012.46620.40551.000012/1.00003.0000U61U62(0.7500,0.2500)10.33331.0000采取模糊综合评价法确定雷电防护能力评价指标体系中一级指标综合评价向量。根据表4中指标评价等级，从表3中选取评价等级对应的权重向量，利用式(11)（12)得相应的评价向量。再结合表5的专家检查评定项综合评价向量，以及表6 中各类二级指标的权重向量，代人式（13）（14），可得一级指标的综合评价向量，如表7 所示。再次利用改进层次分析法计算雷电防护能力评价指标体系中一级指标的权重向量。构造一级指标对应的比较矩阵，再利用式（1）（9)计算一级指标的权重向量，如表8 所示。再次采取模糊综合评价法确定目标层即雷电防护能力的综合评价向量。将表7 中一级指标综合评价向量和表8 中一级指标的权重向量，代人式（13）（14），可得目标层即雷电防护能力的综合评价向量，如表9所示。根据表9中雷电防护能力的综合评价向量，由最大隶属度原则可确定该油气集输站库雷电防护能力的评价等级为B级，即“较好”等级。此评价等级与文献33 的评价结果一致，也与760象第51卷科技表7 一级指标综合评价向量Table7Comprehensive evaluation vector of the first-level index一级指标二级指标二级指标评价向量权重一级指标综合评价向量U11(0.0578,0.1385,0.2287,0.2870,0.2881)0.0550U12(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.1178UI(0.2699,0.2765,0.2295,0.1499.0.0743)U13(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.5638U14(0.2673,0.2782,0.2316,0.1507,0.0722)0.2634U21(0.0578,0.1385,0.2287,0.2870,0.2881)0.0550U22(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.5638U2(0.2729,0.2778.0.2291,0.1481,0.0722)U23(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.2634U24(0.2673,0.2782,0.2316,0.1507,0.0722)0.1178U31(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.2500U：(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)U32(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.7500U41(0.2190,0.2577,0.2384,0.1793,0.1057)0.2500U4(0.2190,0.2577,0.2384.0.1793,0.1057)U42(0.2190,0.2577,0.2384,0.1793,0.1057)0.7500U51(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.1047UsU52(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.6370(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385.0.0578)U53(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.2583U61(0.1190,0.1864,0.2377,0.2458,0.2111)0.7500U6(0.1216,0.1884,0.2381.0.2441,02079)U62(0.1292,0.1944,0.2392,0.2389,0.1983)0.2500表8 一级指标的比较矩阵和权重向量Table8Comparison matrix and weight vector of the first-level index set一级指标比较矩阵权重向量120022010022221 122Ui、U 2、U 3、U 4,U 5、U 6(0.1406,0.0739,0.3621,0.3621,0.0393,0.0220)2211220000120O00O1表9目标层综合评价向量Table 9Comprehensive evaluation vector of target layer目标层一级指标一级指标综合评价向量权重目标层综合评价向量UI(0.2699,0.2765,0.2295,0.1499,0.0743)0.1406U2(0.2729,0.2778,0.2291,0.1481,0.0722)0.0739U;(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.3621U(0.2557,0.2720,0.2326,0.1579,0.0818)U(0.2190,0.2577,0.2384.0.1793,0.1057)0.3621Us(0.2881,0.2870,0.2287,0.1385,0.0578)0.0393U6(0.1216,0.1884,0.2381,0.2441,0.2079)0.0220该油气集输站库目前采取的雷电防护措施能满足基本要求但需进一步完善的实际情况相吻合。根据评价过程和结果看，可从建筑物结构金属利用、空间屏蔽和布线方式等方面来改进雷电防护措施，提高防护能力和水平。5结论（1)对雷电防护措施进行分析并依据相关技术标准与规范，综合考虑雷电环境、承载体特征、自然因素的影响，建立了雷电防护能力评价指标体系。(2)将改进层次分析法和模糊综合评价法相结761梁景峰等：基于改进层次分析法的雷电防护能力模糊综合评价第5 期合，不仅较经典层次分析法能更精准的确定指标权重，还能更客观地反映雷电防护能力指标的模糊性。（3)基于改进层次分析法的雷电防护能力模糊综合评价，尽可能避免了主观判断产生的误差，使评价结果更合理和客观（4)使用该方法对某油气集输站库雷电防护能力进行评价，得出的结果与实际情况和有关文献案例相符，表明该方法的可行性和准确性。参考文献林维勇，黄友根，焦兴学，等.GB50057一2 0 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