李光科 鞏浩波 陳 敏 張 巡 張 銳 戴應(yīng)洪

1) 重慶市地震局，重慶 401147

2) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026

引言

地震監(jiān)測是地震部門的核心任務(wù)之一，更是防震減災(zāi)事業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。而臺站是開展地震觀測的場所，是監(jiān)測預(yù)報(bào)的基本單元[1]。保證地震臺站長期正常運(yùn)行，特別是破壞性地震發(fā)生前后能產(chǎn)出穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)至關(guān)重要，同時(shí)也是發(fā)揮臺站地震災(zāi)害防御功能的堅(jiān)實(shí)保證。由于雷電會危害觀測技術(shù)系統(tǒng)，也會造成監(jiān)測工作中斷及監(jiān)測數(shù)據(jù)缺損，所以防雷工作具有重要意義[2]。

自2008年起，中國地震局在重慶、山東等省級地震局開展了臺站綜合防雷改造試點(diǎn)，試點(diǎn)完成后逐年在全國其他省市先后推行。截止2019年底，已經(jīng)在18個(gè)省局近300個(gè)臺站進(jìn)行了綜合防雷改造。近幾年來，重慶市地震局對臺站分4批次進(jìn)行了綜合防雷改造，其中2008年改造2個(gè)臺站，2012年改造8個(gè)臺站，2014年改造2個(gè)臺站，2015年改造11個(gè)臺站。臺站在改造后設(shè)備運(yùn)行總體穩(wěn)定良好，雷擊事故降低了90%以上，取得了非常好的防雷效果。相關(guān)單位也就防雷工作開展了總結(jié)，山西大同中心地震臺對防雷改造臺站的21套專業(yè)設(shè)備進(jìn)行了測試，結(jié)果表明防雷改造未對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，儀器的觀測精度、相關(guān)性、超差個(gè)數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)均正常，防雷改造取得初步成效[3]；江蘇省地震局對前兆臺站的防雷工作進(jìn)行了針對性總結(jié)，他們認(rèn)為綜合防雷措施主要應(yīng)包括4類，按照投入與產(chǎn)出效能比依次為: 地網(wǎng)建設(shè)≥綜合布線≥配電避雷≥信號避雷，并且需要因地制宜、全面考慮相關(guān)因素制定適合當(dāng)?shù)嘏_站的改造方案，方能較好地提升綜合防雷效能；安徽省地震局采取定量化數(shù)值評分方法，對臺站綜合防雷保障系統(tǒng)各構(gòu)成要素運(yùn)行實(shí)效進(jìn)行了評估，該評估方法能夠客觀的反映安徽臺網(wǎng)防雷保障系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與改造實(shí)效，為臺站防雷工作提供了可持續(xù)的技術(shù)保障與指導(dǎo)[4]。

隨著時(shí)間的推移，防雷設(shè)施會逐漸老化，設(shè)備故障率也會升高，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致臺站防雷措施的失效，而如何能快速準(zhǔn)確的評價(jià)臺站防雷總體效果，正確指導(dǎo)防雷儀器維護(hù)、設(shè)備更新、設(shè)施鞏固等工作，這需要一套全面完善的評估體系和標(biāo)準(zhǔn)。目前，地震行業(yè)雖有用于綜合防雷建設(shè)與維護(hù)管理的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DB/T 68-2017：地震臺站綜合防雷》[5]，但還沒有臺站防雷相關(guān)的效能評估體系。所以，作者利用相關(guān)項(xiàng)目開發(fā)的《重慶市測震臺網(wǎng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息化管理軟件》收集了大量數(shù)據(jù)，擬通過對數(shù)據(jù)的整理與分析，找到一套適用于地震臺站的防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)，并希望依托該標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)臺站防雷的運(yùn)行保障工作，達(dá)到節(jié)省儀器維護(hù)與更新成本，提升臺站運(yùn)行和數(shù)據(jù)質(zhì)量，鞏固防雷改造效益的目的。

1 資料收集與分析

通過臺站綜合防雷改造和運(yùn)維工作的開展，以及相關(guān)業(yè)務(wù)軟件的運(yùn)行，可以收集到大量的防雷業(yè)務(wù)信息，其中主要分為臺站信息、防雷基礎(chǔ)信息、防雷臺站巡檢信息3類。臺站信息主要包括：經(jīng)緯度、專業(yè)設(shè)備信息、臺基巖性、場地類型、地區(qū)雷害情況等數(shù)據(jù)；防雷基礎(chǔ)信息主要包括：接閃帶與引下線、交流配電防護(hù)、通訊線路雷電保護(hù)、信號雷電防護(hù)、接地網(wǎng)、綜合布線、雷電預(yù)警系統(tǒng)、儀器設(shè)備靜電屏蔽等數(shù)據(jù)；防雷臺站巡檢信息主要包括：觀測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、接地電阻、雷害故障、設(shè)備雷擊記錄等數(shù)據(jù)。通過業(yè)務(wù)軟件對以上信息進(jìn)行匯集和整理，可進(jìn)一步總結(jié)出臺站雷擊的主要原因，分析控制防雷效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與因素，為防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

2 標(biāo)準(zhǔn)組成與構(gòu)建

由于雷電問題的復(fù)雜性，其能量巨大、破壞力極強(qiáng)、入侵危害途徑不定，想從單一環(huán)節(jié)去解決防雷問題很困難[2]，所以應(yīng)結(jié)合地震臺站的實(shí)際情況，采用綜合防雷的思路來設(shè)計(jì)效能評估方案。根據(jù)重慶市地震臺站多年的防雷運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合防雷改造內(nèi)容及運(yùn)行情況，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，確定防雷效能評估體系架構(gòu)應(yīng)由防雷基礎(chǔ)能力、設(shè)施設(shè)備年限、雷害概率和臺站巡檢4項(xiàng)構(gòu)成（圖1）。

圖1 臺站防雷效能評估體系架構(gòu)Fig. 1 Lightning protection effectiveness evaluation system of seismic station

2.1 防雷基礎(chǔ)能力

防雷基礎(chǔ)能力體現(xiàn)了一個(gè)地震臺站抗擊雷電災(zāi)害的綜合性能。當(dāng)一個(gè)臺站建設(shè)完畢后，其建筑結(jié)構(gòu)與地震設(shè)施設(shè)備耦合成為一個(gè)復(fù)合的防雷系統(tǒng)，它的防雷基礎(chǔ)能力基本確定，故衡量其性能指標(biāo)對評估防雷效能具有重要意義。根據(jù)地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《DB/T 68-2017：地震臺站綜合防雷》[5]以及運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為，防雷基礎(chǔ)能力主要由臺站的防雷設(shè)施設(shè)備、配電系統(tǒng)、布線和儀器特性等較為固有的因素決定。所以，我們根據(jù)上述因素制定了表1，以實(shí)現(xiàn)對臺站防雷基礎(chǔ)能力的量化評定，表中各項(xiàng)目分值則是根據(jù)歷年來各臺站雷擊災(zāi)損數(shù)據(jù)而獲得，主要是對雷 擊泄流通道、受損部位、薄弱環(huán)節(jié)等方面進(jìn)行綜合考慮，依據(jù)防雷貢獻(xiàn)程度進(jìn)行分值配比，占比較重的4個(gè)項(xiàng)目為：臺站布線、接地網(wǎng)、信號防雷和配電系統(tǒng)防護(hù)。

表1 臺站防雷基礎(chǔ)能力評分表Table 1 Rating sheet of lightning protection basic ability for seismic station

續(xù)表1

續(xù)表1

我們根據(jù)表1對防雷改造前各臺站防雷基礎(chǔ)能力進(jìn)行了計(jì)算，并對各臺計(jì)算分值進(jìn)行了頻數(shù)及分布驗(yàn)證分析（圖2），其中圖2a是臺站防雷基礎(chǔ)能力評分的頻數(shù)直方圖，可以看出其圖像呈現(xiàn)鐘形分布，而圖2b則是驗(yàn)證評分正態(tài)分布特性的Q-Q圖，可以看出數(shù)據(jù)點(diǎn)趨近落在y=x的直線附近，上述結(jié)果證明，該評分表在項(xiàng)目和分值上設(shè)置合理，既能較為準(zhǔn)確的計(jì)算防雷基礎(chǔ)性能，又具有較強(qiáng)的區(qū)分能力。

圖2 臺站防雷基礎(chǔ)能力評分頻數(shù)直方圖和Q-Q圖Fig. 2 Frequent histogram andQ-Q plot of lightning protection basic ability score for seismic station

2.2 設(shè)施設(shè)備年限

設(shè)施設(shè)備年限主要體現(xiàn)在臺站內(nèi)設(shè)施和設(shè)備投入使用和運(yùn)行的時(shí)間上。因防雷設(shè)施設(shè)備使用的時(shí)間越長，其元器件越易老化，防雷能力就會變差，所以該項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)納入防雷效能評估體系中。根據(jù)臺站建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)等資料，我們制作了每個(gè)臺站設(shè)施設(shè)備的使用與更新臺賬。通過該臺賬不僅可以查詢各臺站設(shè)施設(shè)備的使用年限，還能提前定制設(shè)備更新、設(shè)施維護(hù)等計(jì)劃，在一定程度上節(jié)省了運(yùn)維成本。

2.3 雷害風(fēng)險(xiǎn)

我國年平均雷暴日25天，大部分地震臺站受雷電危害影響較大，較為嚴(yán)重的占1/4—1/3[6]。重慶市也屬多雷區(qū)，年平均雷暴日37.48天，一年中任何月份都可出現(xiàn)雷暴，以7—8月為最多[7]，所以地震臺站的雷害風(fēng)險(xiǎn)是影響防雷效能的重要因素。

雷害風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)系統(tǒng)被雷電損害的風(fēng)險(xiǎn)概率，而地震臺站與所處地區(qū)的氣候條件、地質(zhì)環(huán)境、電力線路等固有及可變因素組成了一個(gè)綜合系統(tǒng)。本標(biāo)準(zhǔn)所指的地震臺站雷害風(fēng)險(xiǎn)主要依據(jù)重慶市氣象局防雷中心編制的《重慶市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖集（2019年）》[8]評定及更新。雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃主要選取地閃密度、地閃強(qiáng)度、海拔高度、地形起伏、土壤電導(dǎo)率等因子計(jì)算雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，并將全市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分為極高、高、一般風(fēng)險(xiǎn)等級。從圖3中可以看出：重慶市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)極高區(qū)域主要分布在重慶主城區(qū)、渝西及渝東北部分地區(qū)。在重慶市地震臺網(wǎng)的44個(gè)臺站中，其中雷害極高風(fēng)險(xiǎn)占比39%，高風(fēng)險(xiǎn)占比41%，一般風(fēng)險(xiǎn)占比20%。而在防雷改造的21個(gè)臺站中，雷害極高風(fēng)險(xiǎn)占比更是高達(dá)57%，這也反映出重慶市前4批次綜合防雷改造目標(biāo)選擇合理，改造對象均是雷害風(fēng)險(xiǎn)高、儀器設(shè)備多、損失影響大的臺站。

圖3 重慶市雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖Fig. 3 Lightning hazard risk zoning map of Chongqing

另外，配備鉆孔應(yīng)變儀的臺站在觀測房附近有較深的鉆孔，鉆孔金屬套管接地電阻一般都小于臺站接地地網(wǎng)電阻，一旦地網(wǎng)上有強(qiáng)雷電，那么與鉆孔井套管接觸的探頭就極有可能成為雷電的另一泄流通道，進(jìn)而引起臺站內(nèi)觀測系統(tǒng)被雷擊損壞[9]。以巴南石龍臺為例，雖然其位于一般雷害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，但由于其鉆孔應(yīng)變儀的引雷特性，其年平均雷擊故障次數(shù)在2次以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011—2019年配備鉆孔應(yīng)變儀的臺站雷擊故障比其他臺站高62%。所以，在進(jìn)行臺站雷擊風(fēng)險(xiǎn)評估時(shí)，應(yīng)將儀器引雷特性考慮進(jìn)去，并適當(dāng)提高該臺的雷害風(fēng)險(xiǎn)評級。

2.4 臺站巡檢

臺站巡檢是定期對各臺站防雷技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行的巡視檢查，目的是查看臺站防雷環(huán)境，掌握防雷設(shè)施設(shè)備、地震專業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并對接地電阻、交流與配電等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)收集。巡檢的內(nèi)容主要依據(jù)臺站防雷基礎(chǔ)能力評分表（表1）中的評分項(xiàng)目，考慮到實(shí)地運(yùn)維工作特點(diǎn)對表1中的子項(xiàng)進(jìn)行了簡化，并重點(diǎn)抽取了容易發(fā)生動態(tài)變化的項(xiàng)目來制作巡檢專用的臺站防雷運(yùn)行狀況調(diào)查表。調(diào)查表中主要包含了接閃器與引下線檢測、接地網(wǎng)檢測、交流配電線路檢測、電源與信號防雷器檢測、雷電預(yù)警器檢測等附表，同時(shí)為了減輕巡檢人員工作量和降低時(shí)間成本，將上述附表的評價(jià)方式設(shè)置為優(yōu)、良、中、差4個(gè)定性等次的模式。臺站的巡檢數(shù)據(jù)不僅記錄了防雷能力的動態(tài)變化，還可以幫助正確評價(jià)當(dāng)前的整體防雷效能。所以，周期性的臺站巡檢非常必要，對發(fā)現(xiàn)的問題可以進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)與整改，這是防止雷害損失的有效手段。

3 評估標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)

我們利用防雷效能評估體系的4個(gè)組成部分來構(gòu)建評估模型，模型公式為：

式中，臺站防雷效能評估得分由評估體系的4個(gè)組成部分共同決定，各部分的系數(shù)表征了其對評估得分的貢獻(xiàn)和權(quán)重。其中基礎(chǔ)信息得分由表1計(jì)算得到；設(shè)施設(shè)備年限得分是依據(jù)設(shè)施和設(shè)備的安裝運(yùn)行臺賬計(jì)算使用時(shí)限，最后做歸一化處理得出綜合評分；雷害概率得分則是根據(jù)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，將重慶地區(qū)劃分為極高、高、一般風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)等級，各臺站依據(jù)所處風(fēng)險(xiǎn)等級被賦予3個(gè)等次的分值；最新巡檢得分主要是根據(jù)最近一次臺站巡檢記錄的臺站防雷運(yùn)行狀況調(diào)查表來評分，根據(jù)調(diào)查表中各評價(jià)項(xiàng)目的定性等次，分別賦予相應(yīng)分值，最后計(jì)算得到臺站的最新巡檢得分。

而模型公式中系數(shù)的求解則屬于線性反演問題，可以由臺站歷年積累的防雷業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)求解。我們收集了2010—2015年防雷改造之前的雷害運(yùn)維數(shù)據(jù)，對雷害次數(shù)和觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行綜合評判后得到實(shí)際的防雷效能得分，并將此得分作為系數(shù)反演的臺站防雷效能評估得分初值。

利用以上數(shù)據(jù)，即可構(gòu)造反演矩陣方程：

方程具體形式形如：

式（2）中，d代表臺站防雷效能評估得分列向量，G矩陣為線性算子，由防雷評估體系的4個(gè)組成部分構(gòu)成，模型參數(shù)m即為待求的系數(shù)列向量。式（3）是式（2）的具體展開形式，各符號的下標(biāo)代表臺站序號，stan代表第n個(gè)臺站的防雷效能評估得分，J代表基礎(chǔ)信息得分，S代表設(shè)施設(shè)備年限得分，L代表雷害概率得分，X代表臺站最新巡檢得分。

在反演計(jì)算中，最小二乘法的目標(biāo)是求誤差最小平方和，而考慮到模型的實(shí)際意義，誤差最小平方和結(jié)果往往并不理想，故我們需要尋找最優(yōu)化解決方法。我們共采用了3種方法進(jìn)行參數(shù)反演：最小二乘法、非負(fù)最小二乘法和約束條件最小二乘法，圖4為參數(shù)擬合情況。從擬合結(jié)果可看出：最小二乘法，雖然數(shù)據(jù)擬合度高，且擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)殘差?。埐疃稊?shù)：144），但求得的系數(shù)帶有負(fù)值，與實(shí)際情況不符，無實(shí)際意義；采用非負(fù)最小二乘法（殘差二范數(shù)：260），雖然避免了參數(shù)為負(fù)的情況，但部分參數(shù)結(jié)果為0，亦無實(shí)際意義；而采用約束條件的最小二乘方法能得到更好的結(jié)果，因其利用約束條件和迭代過程優(yōu)化了反演過程，在最優(yōu)容差范圍內(nèi)求得了參數(shù)向量，并盡可能的擬合實(shí)際數(shù)據(jù)和降低殘差（殘差二范數(shù)：538），較為真實(shí)的還原了評估得分模型中各組成部分的系數(shù)。

圖4 評估公式參數(shù)擬合Fig. 4 Parameter fitting of evaluation formula

從參數(shù)反演結(jié)果（表2）可看出：對防雷評估影響最大的是最新巡檢得分，這也意味著控制臺站防雷效能是當(dāng)前防雷系統(tǒng)中各要素的綜合防護(hù)狀態(tài)。在獲得臺站防雷效能評估得分公式后，即可在每次臺站巡檢后對各臺站的防雷效能做出較為準(zhǔn)確的評價(jià)。

表2 評估公式的參數(shù)反演結(jié)果Table 2 The parameter inversion results of evaluation formula

4 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用

根據(jù)得到的防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)和公式，我們計(jì)算得到了2018—2019年的防雷效能評估結(jié)果（圖5），圖中偏紅區(qū)縣的臺站防雷效能評估得分較低，偏綠則得分較高。我們可以通過臺站實(shí)際雷擊故障次數(shù)及觀測質(zhì)量影響對比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)評估得分較高的臺站均未遭受雷擊，而評分較低的巫山、石柱等區(qū)縣臺站分別有2—3次雷擊故障或儀器損壞，這說明防雷效能評估得分較為準(zhǔn)確的反應(yīng)了臺站的防雷能力。下一步防雷工作的重點(diǎn)目標(biāo)將針對效能評估得分較低的臺站，根據(jù)臺站巡檢以及運(yùn)維記錄，對防雷技術(shù)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行加強(qiáng)，對故障和失效的設(shè)施設(shè)備進(jìn)行維修或更換。

圖5 2018—2019年防雷效能評估結(jié)果Fig. 5 Lightning protection effectiveness evaluation results for 2018—2019

5 結(jié)論

本研究根據(jù)重慶市地震局綜合防雷改造項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了適用于地震臺站的防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)。本著綜合防雷的思想構(gòu)建評價(jià)體系，通過相關(guān)軟件收集防雷工作的大量數(shù)據(jù)，采用約束條件最小二乘方法獲得了評估公式。防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)在重慶地震臺站的實(shí)踐應(yīng)用表明：該評估體系能較為全面的涵蓋臺站防雷的各項(xiàng)控制要素，不僅包含了防雷基礎(chǔ)信息、雷害風(fēng)險(xiǎn)等臺站固有信息，還包含了臺站巡檢、設(shè)施設(shè)備年限等動態(tài)數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)信息通過評估公式聯(lián)合在一起，綜合反映出一個(gè)地震臺站的實(shí)際防雷效能。工作人員既可以利用效能評估從總體上了解各臺站的綜合防雷能力，確定未來的工作目標(biāo)；又能從細(xì)節(jié)入手，利用評估模型找到臺站防雷系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，通過維護(hù)維修等手段及時(shí)加強(qiáng)臺站防雷能力。當(dāng)然，本文提出的防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)，是根據(jù)近幾年重慶地區(qū)防雷改造項(xiàng)目的數(shù)據(jù)而獲得，標(biāo)準(zhǔn)的完備性和適用性還有待后續(xù)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充和驗(yàn)證。而想要保持一套標(biāo)準(zhǔn)或體系的生命力，則需要定期對其進(jìn)行復(fù)審和修訂[10]，以不斷保持標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)性、協(xié)調(diào)性和合理性。

防雷效能評估標(biāo)準(zhǔn)的建立實(shí)質(zhì)上是防雷工作的體系化、信息化和標(biāo)準(zhǔn)化，評估標(biāo)準(zhǔn)的使用實(shí)現(xiàn)了對重慶市地震臺站防雷工作的動態(tài)跟蹤監(jiān)視，提升了防雷日常管理與運(yùn)維效率，鞏固了防雷改造效益。希望本評估標(biāo)準(zhǔn)的使用能夠推動地震行業(yè)防雷技術(shù)規(guī)范的應(yīng)用與發(fā)展，進(jìn)而為防震減災(zāi)事業(yè)提供有力保障。

致謝

衷心感謝中國地震局地殼應(yīng)力研究所趙剛研究員對本研究的指導(dǎo)和幫助。