基于正态云模型的布达拉宫雷电灾害风险评估*（安全）

基于正态云模型的布达拉宫雷电灾害风险评估*（安全）

                刘  健¹，杨仲江¹，杨  虎²，许永彬²，卢慧慧¹

    （1-南京信息工程大学大气物理学院，江苏南京210044；2．西藏自治区气象局防雷中心，西藏拉萨850000）

摘要：历史上布达拉宫曾多次遭受雷击，损失严重，确保布达拉宫的防雷安全重要而紧迫。为了有效指导布达拉宫防雷减灾工作，需要进行科学合理的雷电灾害风险评估。考虑雷电致灾机理和布达拉宫建筑实际特征，基于致灾因子、孕灾环境、承灾体和应急能力构建布达拉宫雷电灾害风险评估体系，采用正态云模型解决评价指标的不确定性和模糊性，计算不同风险等级云隶属度，评估了布达拉官雷灾风险。分析结果表明：布达拉宫雷电灾害风险评价等级属于高风险。需要提高布达拉宫雷电防护水平、提升雷灾应急能力，才能有效降低雷灾风险。

关键词：正态云模型；布达拉宫；雷电灾害；风险评估

中图分类号：X915.5  doi：10. 11731/j．issn．1673 -193x．2016. 06. 018

0  引  言

    坐落于拉萨市中心的布达拉宫集藏族古建筑艺术之大成，是举世无双的世界文化遗产。布达拉宫海拔3 756 m，最高处金顶海拔高达3 770 m，作为拉萨市区孤立高耸的建筑群，极易遭到雷电袭击。2001年布达拉宫白宫屋顶东北角一个五彩幢遭受雷击，雷电波侵入导致监控和报警设施损坏，造成直接经济损失25万余元。2012年6月19日，布达拉宫红山脚下一棵大树被雷击中断裂，部分景观灯被雷电击坏。雷电对布达拉宫的直接损害结果是造成布达拉宫建筑物、壁画、唐卡等重要文物毁坏。由于布达拉宫建筑工艺及其内部唐卡、壁画等制作工艺独特，一旦损坏将无法修复。此外，近年来到布达拉宫朝拜和旅游的人员常年处于呈饱和状态，雷电对人员生命安全也构成严重威胁。因此做好布达拉宫防雷安全工作意义重大。布达拉宫防雷安全工作的基础是合理掌握布达拉宫现有防雷安全水平，即进行布达拉宫雷电灾害风险评估，从而更加科学、经济、合理地制定雷电防护措施来保护布达拉官。

    针对灾害的风险评估，在国内外都有着广泛的研究。其中层次分析法、模糊综合评价法应用较为广泛，但是层次分析法中检验判断矩阵是否一致非常困难，计算量较大，且检验判断矩阵是否具有一致性的标准CR<0.1缺乏科学依据；模糊综合评价法计算复杂，指标矢量权重确定主观性很强。为此有学者提出了模糊层次分析法来规避单纯的层次分析法和模糊综合评价法的缺点。即便采用了模糊层次分析法，隶属函数转化为精确数值后，也会失去其模糊性。考虑雷电灾害风险指标时，既要考虑其模糊性又要考虑不确定性，仅考虑模糊性容易导致评估结果不准确。正态云模型结合定性概念与定量数据，克服了传统方法的不足，能够有效解决评估过程中模糊性和不确定性共存的问题。

    本文通过理论分析建立布达拉宫雷电灾害风险评估体系，利用正态云模型对评估因子指标进行量化，评估布达拉宫雷电灾害风险水平，为布达拉宫的雷电防护提供理论参考。

1  正态云模型

    李德毅院士提出的正态云模型通过改进正态分布和钟型隶属度函数进行定性定量转换，解决了定性概念中存在的不确定性和模糊性问题。正态云的定义如下：

    正态云具有3个数字特征：期望Ex、熵En,、超熵He，这3个特征反映定性概念和定量特性。期望Ex是最能够代表定性概念的点；熵En反映了能够代表这个定性概念的云滴的离散程度和在论域空间可被概念接受的云滴的取值范围；超熵He是熵En的熵，反映了云滴的凝聚程度。利用正向云发生器可以实现定性语言值到定量数值的转换，依据正态云的3个数字特征（Ex、En、He）产生云滴，具体算法描述如下：

    4)重复上述步骤直至产生的云滴数目达到要求。

2  雷电灾害风险评价体系建立

    根据灾害学相关理论，影响灾害风险程度的因素主要包括致灾因子、孕灾环境、承灾体和应急能力4个方面。参考IEC 62305雷电灾害评估体系和相关自然灾害评估指标体系研究，结合布达拉官雷电灾害风险的具体特征，并考虑评价指标可获取性和量化性，选取了13项独立的评价指标，建立布达拉宫雷电灾害风险评价体系，具体见图1。

    致灾因子主要为雷电环境，其主要参数是平均地闪密度、平均雷电流强度和平均雷电流陡度；孕灾环境主要考虑参数是建筑物周边土壤电阻率及周边地形起伏；承灾体风险主要分析建筑物的抗雷灾性能，主要参数是建筑特性、防雷设施设置及运行情况；应急能力主要考

虑防雷安全知识普及水平和应急演习。

3  正态云模型分析与计算

    根据图1给出的布达拉官雷电灾害风险评价体系，可以看出雷电灾害风险评价因子具有模糊性和不确定性，因此可以利用正态云模型评估布达拉宫雷电灾害风险。评估步骤如下：

超熵通过多次试验选取。    

4)根据得到的各个指标数值特征，利用正向云发生器确定出各个指标对应不同等级的云模型隶属度，重新生成隶属度矩阵R。重复运行正向云发生器Ⅳ次，对于每次生成的不同隶属度，通过式(4)求取其平均值。

    5)完成权重集W和隶属度R矩阵之间的模糊关系转换运算，获得评价结果集曰如式(5)所示：

    6)根据最大隶属度原则，确定综合评价结果的隶属等级。

    参考相关指标划分规范、实测数值统计分析及部分相关研究结果，将布达拉宫雷灾风险的评价集分为4个等级：低、中等、较高、高。每项指标风险评价等级标准如表1所示。其中，雷电流强度和雷电流陡度的划分根据拉萨闪电定位资料并参考《建筑防雷设计规范》(GB

50057 - 2010)；地闪密度划分依据《建筑物电子信息系统防雷技术规范》( GB 50343 - 2004)；土壤电阻率的划分依据《建筑防雷设计规范》( GB 50057 - 2010)并结合拉萨地区土壤情况；建筑耐火等级划分依据《建筑防火设计规范》( GB 50016 - 2014)；建筑面积和建筑高度危险等级划分借鉴了专业工程类别和等级表；防雷装置合格率划分标准依据《防雷装置施工质量监督与验收规范》( QX/T 105 - 2009)；关键区域占比和内部文物可修复性参考了文物等级划分标准和《建筑防雷设计规范>( GB 50057 - 2010)；地形起伏度、防雷知识普及率和应急演练次数危险等级划分借鉴了相关学者研究结果22和《机关、团体、企业、事业单位消防安全管理规定》。

    根据各项指标正态云模型数字特征计算生成各风险等级云模型指标标准。以评估指标平均雷电流强度为例，中等和较高危险等级隶属度如图2所示。

    根据2009 - 2015年西藏闪电定位资料，统计以布达拉宫为中心半径5 km区域范围内的平均地闪密度、平均雷电流强度及平均雷电流陡度；选取24个测量点测量布达拉宫平均土壤电阻率；布达拉宫的建筑基本上是石、土、木混合结构，建筑防火等级属于第4级；布达拉宫属于全国重点文物保护单位，关键区域占比取100%；布达拉宫内部财产主要是以佛塔、壁画、雕塑、石碑，大多属不可修复的文物；防雷装置合格率是对布达拉宫主要宫殿的接闪、引下、接地、等电位联结、电涌保护器、电磁屏蔽进行抽样检测统计而得；布达拉宫管理

处对防雷工作高度重视，抽样调查也显示工作人员都基本了解防雷知识。根据布达拉宫各项评估值，利用正态云发生器，重复计算1 000次，计算不同风险等级的平均云隶属度。表2给出了布达拉宫各项评估指标值及平均云隶属度。

    依据步骤(5)和(6)得到布达拉宫雷电灾害评价结果集，如表3所示，依据最大隶属度原则，得出布达拉宫雷电灾害风险等级为高危险。

    布达拉宫本身建筑特性和雷电环境属性是无法进行变动的，高风险主要来源于现有防雷措施合格率和应急能力两方面。在防雷措施方面，布达拉宫屋面金属器具不能够达到接闪器应有的接闪效果；经实地勘测，大部分相关设施接地电阻超标；布达拉宫金属构件繁多，仅有一部分金属构建做了等电位连接处理；仅有部分线路近些年才采取电磁屏蔽措施。在应急能力方面，应急演练次数较少，对在雷雨天气如何疏导客流，并没有具体预案。

    假设布达拉官防雷装置合格率提升至70%，应急演练次数一年4次，重新评估后的布达拉宫雷电灾害等级为中等风险。但是由于布达拉宫独特的建筑材料、建筑工艺及地理位置，并不完全适用现代防雷的方法，也极易损坏建筑原貌，需要合理地利用布达拉宫建筑结构特征，因地制宜地做好布达拉宫雷电防护工作。

4  结论

    通过参考总结国内外自然灾害风险评估方法，建立布达拉宫雷电灾害风险评价体系，利用正态云模型进行雷灾风险评估，研究结果表明：在布达拉宫雷电灾害风险评价体系中，防雷装置合格率和建筑物耐火等级指标权重最大（0. 209和0.172），对雷灾风险评估结果影响也最大；利用正态云模型给出了布达拉宫雷电灾害风险评估结果为高风险，云隶属度为0. 446 1。

    为了合理管控布达拉宫雷电灾害风险，必须进一步加强布达拉宫雷电防护，提高防雷装置合格率。同时加强雷灾应急能力，健全灾害应急措施，消除雷电次生灾害的影响。