新型蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)在海南地區(qū)的應用*

程 琪,張長秀,畢曉蕾

(1.中國石化銷售股份有限公司,北京 1007282.中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室,山東青島 266071)

0 引言

閃電放電過程中產(chǎn)生的大電流、強電磁輻射、炙熱高溫等嚴重危害著石化行業(yè)的安全生產(chǎn)[1]。隨著石油庫、加油站自動化水平的不斷提高,如計算機計量、計價、IC加油卡加油、遠程申報、自動報警等電子產(chǎn)品的應用越來越普遍，每年因雷擊造成的事故明顯增加。

中國石化《加油站作業(yè)安全規(guī)范》和《加油站應急預案》均有針對雷暴天氣下作業(yè)的詳細規(guī)定，規(guī)定在雷雨期間，不得進行加油及裝卸油作業(yè)。但是一般情況下，作業(yè)人員無法精確掌握該區(qū)域是否會有雷電發(fā)生或者雷電發(fā)生的具體時間段，這就會造成無法合理地安排作業(yè)，從而影響企業(yè)的正常作業(yè)及工作效率[2]。

組建雷電預警網(wǎng)，對于實現(xiàn)雷電活動的實時預警、提高石油石化行業(yè)雷災預防能力和雷雨天氣的工作效率、減少因雷災引起的傷亡事故、促進行業(yè)的安全生產(chǎn)等具有重要意義[3]。海南地處熱帶/亞熱帶地區(qū)，雷暴活動頻繁，是我國典型的雷擊高發(fā)區(qū)之一[4]。為提升中國石化海南省石油分公司雷電應急響應及預防能力，指導工作人員在雷雨天氣合理安排加油和卸油作業(yè)，在海南省部分加油站安裝了70余套新型雷電預警系統(tǒng)，組建了覆蓋海南省的新型蜂窩布局雷電預警網(wǎng)。

1 蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)

新型蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)主要由固態(tài)傳感器、預警主機和太陽能供電系統(tǒng)組成的雷電預警裝置、云服務器和系統(tǒng)軟件組成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、電腦客戶端和手機客戶端組成的數(shù)據(jù)接收終端構成，如圖1所示。雷電預警裝置通過固態(tài)探頭對大氣環(huán)境電場進行連續(xù)觀測并將采集到的數(shù)據(jù)信息實時傳送到預警主機中；預警主機采用無線連接方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到云服務器端，通過軟件系統(tǒng)進行處理計算，得出本地電場的實際情況及變化趨勢，并對未來的雷電活動進行預警；將預警信息傳遞到數(shù)據(jù)接收終端，為用戶提供及時、有效、準確的雷電預警服務[5]。

圖1 雷電預警系統(tǒng)組成示意

與傳統(tǒng)機械式雷電預警系統(tǒng)相比，新型電子調制固態(tài)雷電預警探頭穩(wěn)定性好、免維護、防爆，滿足了石油庫、加油站等長期連續(xù)工作的場所的使用要求。雷電預警系統(tǒng)的服務器采用阿里云服務器，預警系統(tǒng)客戶端軟件按照使用權限和用戶不同，分為臺式機客戶端和移動客戶端兩種，用戶可在線對各個站點的預警情況進行實時監(jiān)控。

為了實現(xiàn)對雷云運動軌跡的預測，基于無線傳輸及移動互聯(lián)技術，將單點雷電預警裝置按蜂窩布局組合成為蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)，如圖2所示。每個布局區(qū)域的預警探頭采用蜂窩布局方式，雷電預警探頭安裝后可通過系統(tǒng)軟件進行區(qū)域局部組網(wǎng)，并可擴展進行更高層次的組網(wǎng)。海南地區(qū)安裝的雷電預警均進行了組網(wǎng)觀測，形成海南蜂窩布局雷電預警網(wǎng)。組網(wǎng)后的雷電預警系統(tǒng)，可根據(jù)每個時段檢測的電場強度判斷雷暴云的移動軌跡和實現(xiàn)雷電臨近預警。

圖2 無線蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)組網(wǎng)示意

2 應用現(xiàn)狀

2.1 預警效率現(xiàn)狀

為了探究海南地區(qū)安裝的新型雷電預警系統(tǒng)的運行穩(wěn)定情況及預警有效率，根據(jù)IEC 62793-2016中對雷電預警系統(tǒng)預警效率評估參數(shù)和評估方法的定義[6]，本文使用2017年的氣象部門提供的地閃定位數(shù)據(jù)，對海南地區(qū)雷電預警站點的預警效率進行了統(tǒng)計分析。統(tǒng)計結果表明海南地區(qū)雷電預警站點運行狀態(tài)穩(wěn)定，平均有效預警率達到85.5%，對有效覆蓋范圍閃電事件的預警效率可達到95%，錯誤預警率約為73%，平均可提前14 min為用戶提供有效預警。與國內外同類雷電預警系統(tǒng)相比[7-9]，海南地區(qū)新型蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)的有效預警率和對閃電事件的預警效率處于領先水平，但仍存在錯誤預警率偏高的問題。

2.2 錯誤預警率的分析

為了探究海南地區(qū)新型雷電預警系統(tǒng)錯誤預警率偏高的問題，本文選取了錯誤預警記錄數(shù)較多的某一天的預警數(shù)據(jù)，并選取了當天的閃電定位數(shù)及雷達數(shù)據(jù)進行了綜合分析。由于雷達數(shù)據(jù)是每6 min一次，所以將當天的閃電數(shù)據(jù)按照雷達數(shù)據(jù)的時間進行了分段處理，并將分段后的閃電數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)及預警站點信息進行了疊加繪圖，如圖3所示。

通過分析多條錯誤預警發(fā)生時間段內對應的雷達數(shù)據(jù)與閃電數(shù)據(jù)的分布，得出錯誤預警發(fā)生時站點周圍的雷達回波主要有兩種情況：

圖3 海南島某一時刻雷達回波、地閃定位數(shù)據(jù)、及預警站點的疊加

a)錯誤預警發(fā)生時，站點有效覆蓋范圍內有較強的雷達回波(>40 dBz)，但站點可能位于強雷達回波中，也可能位于回波的邊緣或強回波移動過后的尾部區(qū)域，錯誤預警發(fā)生前/后有有效預警發(fā)生。此類錯誤預警發(fā)生時對應的電場，是典型的有效預警發(fā)生時的電場波形，如圖4(a)所示。此類錯誤預警的觸發(fā)可能是云中有閃電發(fā)生引起周圍大氣電場變化造成的，而本文所使用的閃電定位數(shù)據(jù)主要是針對地閃的探測[10-11]，對云閃的探測效率較低，所以導致了這些時間段內雷電預警系統(tǒng)有預警發(fā)出，但沒有對應的閃電數(shù)據(jù)。初步認為此類錯誤預警主要是由于雷電預警系統(tǒng)對云閃造成的電場變化探測靈敏，而用來作對比分析的閃電定位資料對云閃的探測效率較低造成的，這需要進一步的分析來驗證。

b)錯誤預警發(fā)生時，站點有效覆蓋范圍內無明顯雷達回波出現(xiàn)，但雷電預警系統(tǒng)有預警數(shù)據(jù)發(fā)出，此類預警對應的電場一般與典型有效預警發(fā)生時預警電場波形有比較明顯的差異，如圖4(b)所示。此類情況，可能是站點周圍有干擾信號出現(xiàn)或設備探頭出現(xiàn)誤測，產(chǎn)生虛假信號從而出現(xiàn)的錯誤預警，但該類情況出現(xiàn)概率遠低于第一種情況。

基于以上分析，初步認為海南地區(qū)雷電預警系統(tǒng)錯誤預警率偏高的主要原因，是由于預警系統(tǒng)對云閃造成的電場變化探測靈敏，而用來作對比分析的閃電定位資料對云閃的探測效率較低造成的，但仍需要更多的數(shù)據(jù)分析來驗證。

圖4 錯誤預警發(fā)生時對應的預警電場波形

3 結論

為提升中國石化海南省石油分公司雷電應急響應及預防能力，提高雷暴天氣的工作效率，減少石油石化行業(yè)因雷災引起的傷亡事故，組建了覆蓋海南省的新型蜂窩布局雷電預警網(wǎng)，對海南地區(qū)的雷電活動進行實時預警。通過用戶使用意見反饋及使用氣象部門提供的閃電定位數(shù)據(jù)對海南地區(qū)的新型蜂窩布局雷電預警系統(tǒng)的運行穩(wěn)定情況及預警有效率進行了分析，結果表明：海南地區(qū)已安裝的雷電預警系統(tǒng)基本均處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，預警有效率及對閃電事件的預警能力在各類預警系統(tǒng)中均處于領先水平，但目前仍存在錯誤預警率偏高的現(xiàn)象，初步認為是由于預警系統(tǒng)對云閃造成的電場變化探測靈敏，而用來作對比分析的閃電定位資料對云閃的探測效率較低造成的。新型雷電預警系統(tǒng)的預警觸發(fā)條件仍需要進行優(yōu)化調整，進一步提高預警系統(tǒng)的預警效率，為海南石化行業(yè)提供更及時高效的雷電預警服務。