基于灰色關聯的風險鏈式傳遞區域雷電災害風險評估方法研究

摘 要：在區域雷電災害風險評估中引入灰色關聯計算耦合集對分析的方法，基于風險層層傳遞的動態風險評估計算理念，構建了基于灰色關聯的風險鏈式傳遞區域雷電災害風險評估方法，在充分考慮各評估因子之間相互不確定性的情況下，能夠提升評估結果的客觀性，使評估結果更符合評估對象在現實環境中的實際情況。結果表明：基于風險矩陣的鏈式傳遞評估的結果更接近自然界的風險分布規律，更適用于處理雷電高發區域的各類礦區評估項目。

關鍵詞：區域雷電災害風險評估；灰色關聯度分析法；風險矩陣；鏈式傳遞

中圖分類號：P429 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-04

雷電是自然界中影響人類活動的嚴重災害之一。區域雷電災害風險評估可以識別區域內可能存在的雷電風險，有效分析區域的雷擊風險來源和雷電防護薄弱環節，是安全生產中不可或缺的重要環節。為進一步落實《氣象高質量發展綱要（2022—2035年）》和《西藏自治區人民政府關于加快推進氣象高質量發展的實施意見》，《西藏自治區防雷減災條例》明確了為減少人民生命財產損失，應依據相關法律、法規有序開展雷電災害風險評估。因此，研究區域雷電災害風險評估方法，以便更好地發揮區域雷電災害風險評估在優化營商環境的作用，為項目選址和布局、政府決策提供科學的雷電防護策略指導，為全區氣象高質量發展保駕護航。

中華人民共和國氣象行業標準《雷電災害風險評估技術規范》（QX/T 85—2018）相關標準，為建設工程項目選址和功能分區布局、防雷類別與防雷措施確定等提出了建設性意見。現行區域雷電災害風險評估工作主要采用層次分析法，對雷電風險、地域風險、承災體風險進行了定性分析，是當前較為成熟的區域雷電災害風險評估方法。灰色關聯度分析法、集對分析法和風險矩陣鏈式傳導的評估方法，在電力、水利和農業風險評估研究、災害評估中的應用已經較為

成熟。

基于區域雷電災害風險評估的不確定性和風險鏈式傳導性，運用灰色關聯度分析法充分分析評估樣本與風險標準特征值之間的不確定性，綜合考慮區域雷電災害風險系統中致災因子危險性、孕災環境差異性、承災體暴露性、風險管理能力和雷電防護能力5個子系統之間的作用關系，確定風險矩陣元素值，構建基于灰色關聯的風險鏈式傳遞區域雷電災害風險評估模型。

1 基于灰色關聯的風險鏈式傳導雷電災害風險評估方法

1.1 集對分析法

事物都具有確定性和不確定性，它們互相聯系、互相影響并互相制約。事物的不確定性是事物的一種能動的本性，具有雙重特性，是客觀事物運動和發展的本源。鑒于不確定性的雙重特性，以及不確定性引發的復雜性認識，集對分析法在處理不確定性問題方面具有獨特的顯著特點，使用集對分析理論對不確定性理論進行處理，是一種較為科學合理的方法[1]。

集對分析法在處理不確定性問題時使用聯系度μ=a+bi+cj來描述有關確定性和不確定性的狀況和程度，即將兩個有關聯的集合A和集合B構成集對H系統，對集對H進行同一性、對立性、差異性分析，將事物的確定性和不確定性作為一個系統加以處理。其中，a和c分別代表對事物同一和對立的兩種狀態的定量刻畫，即a表示同一性，c表示對立性，b表示介于同一和對立之間的差異性，i為差異度符號，i∈[-1，1]。當差異度中的特性越接近所屬評價的等級時，i越接近1；當差異度中的特性越偏離所屬評價的等級時，i越接近-1。j為對立度標記符號，j=-1，a+b+c=1。

1.2 灰色關聯度分析法

灰色關聯度分析法（Grey Relation Analysis，GRA），

是一種多因素統計分析方法。在一個灰色系統中，假設已知某個指標可能與其他幾個因素“相關”，為研究該指標與哪個因素相對關系更強，與哪個因素相對關系更弱，以此類推，將這些因素進行排序，得到一個分析結果，就可以知道該指標與哪個因素更相關。

“灰色系統”概念是相對于白色系統和黑色系統而言的。顏色代表系統已知信息的多寡，白色系統代表信息量充足，黑色系統代表系統結構并不清楚，而灰色系統介于兩者之間，表示對該系統有部分了解。為了研究“灰色系統”中擬研究指標與其他指標的相關性，需要使用集對分析法，通過建立集對、設定參考序列和比較序列、歸一化處理后，計算比較序列（其他指標）與參考序列（研究指標）的灰色關聯系數，從而得到一個排序，說明其他指標與擬研究指標的關聯性程度[2]。參考序列為x0（k），比較序列為xi（k）的灰色關聯系數計算公式如下：

（1）

式（1）中，ρ為分辨系數，ρ越小，灰色關聯系數間的差異越大，區分能力越強，一般ρ=0.5。

1.3 雷電災害的風險鏈式傳導

雷電災害風險評估系統是以承災體為主體，以孕災環境中承災體價值性損失與致災因子破壞之間復雜的作用和響應關系為作用機制，具有鏈式傳遞關系的復雜系統[3]。雷電災害損失（災情）則為該作用機制下的演化結果，其鏈式傳遞如下：雷電災害風險是由致災因子危險性A、孕災環境差異性B、經承災體暴露性C、雷電防護能力D及風險管理能力E（B、C、D、E組成脆弱性）傳遞作用后，產生承災體損失風險F。防護裝置及其風險管理能力在系統中發揮著調控的作用，主要修正承災體暴露性風險、災害敏感性等級，從而降低或規避雷電災害風險，這種調控過程是鏈式傳遞的重要環節。

通過建立基于區域雷電災害風險物理成因的風險矩陣，采用由灰色關聯度分析法改進的集對分析方法評估區域雷電災害子系統的風險等級，再根據建立的風險矩陣依據風險鏈式傳遞的路徑，層層合成，完成雷電災害風險的危險性“輸入”、經脆弱性“轉換”而得到損失風險“輸出”，最終得到區域雷電災害風險等級，從而建立了基于風險鏈式傳遞機理和雷電災害風險物理成因、由危險性經脆弱性向損失風險傳遞的雷電災害風險鏈式傳遞評估方法。

2 基于灰色關聯的風險鏈式傳導雷電災害風險評估模型的構建

2.1 統計特性系數

分析集對中多種特性的同一性a、差異性b和對應性c。

2.2 計算灰色關聯系數

將求得的同一組a、b、c分為b、a和b、c兩組，計算差異性b與同一性a、差異性b與對立性c之間的灰色關聯系數ζba、ζbc。

2.3 計算聯系數并確定對比序列等級

將上述計算的灰色關聯系數ζba、ζbc進行歸一化處理，得到ζba、ζbc。將聯系數的差異度項bI按照比例分為ζ′ba×b、ζ′bc×b兩個部分，以此計算評價對象的聯系數的確定值：

μ=a+ζ′ba×b-ζ′bc×b-c（2）

將聯系數μ值轉成相對隸屬度0.5+0.5×μ并進行歸一化處理，再用屬性識別法判別等級，置信參數取0.6。

2.4 構造雷電災害風險鏈式傳導矩陣

第一步，合成承災體暴露性與雷電防護能力等級，得到承災體敏感性風險等級矩陣（表1）。

第二步，合成孕災環境與風險管理能力等級，得到承災體風險承受能力等級矩陣（表2）。

第三步，合成承災體敏感性風險等級矩陣與承災體風險承受能力等級矩陣，得到脆弱性風險矩陣（表3）。

第四步，合成致災因子危險性風險與脆弱性風險等級矩陣，得到區域雷電災害風險等級矩陣（表4）。

3 案例分析

3.1 區域雷電災害風險評估指標體系與數據來源

評估指標體系的建立是區域雷電災害風險評估過程中的關鍵環節，評估指標體系的科學性和合理性，直接決定了評估結果的可信度和適用性。為科學合理地反映區域雷電災害風險真實特征，給礦區選址和功能布局提供更有針對性的決策性建議，根據已有研究經驗，在選取指標時，遵循資料選取的系統性、代表性、可獲得性等原則，從5個要素中選擇特征指標，建立區域雷電災害風險評估指標體系。

3.2 基于灰色關聯的風險鏈式傳導區域雷電災害風險評估結果

采用相同的方法可以計算得出各行業功能區域的孕災環境風險指標、承災體暴露性風險指標和風險管理指標的等級，從各子區域孕災環境與風險等級的隸屬度（表5），各子區域承災體暴露性與風險等級的隸屬度（表6），各子區域風險管理指標與風險等級的隸屬度（表7）通過鏈式傳導得到承災體暴露性風險指標與防護裝置的合成風險等級（表8），孕災環境風險指標與風險管理能力指標合成風險等級（表9），進一步計算得到承災體風險承受能力與承災體敏感性的合成風險等級（表10），最終得到由脆弱性與致災因子危險性合成的雷電災害風險等級（表11）和風險等級分布圖（圖12）。

3.3 傳統區域雷電災害風險評估模型評估結果

采用傳統區域雷電災害風險評估模型對區域雷電災害風險評估指標體系進行評估計算，各因子權重分別采用專家評分法，最終得到各行業功能分布的雷電災害風險等級（表12）。

4 結果與分析

從基于風險矩陣的鏈式傳遞區域雷電災害風險評估方法的評估結果可以看出，該礦區8個子區域的風險分為4個等級，從高到低依次為I（極高風險）、Ⅱ（高風險）、Ⅲ（中風險）、Ⅳ（低風險），其中，極高風險占比1/8，高風險占比1/4，中風險占比1/2、低風險占比1/8，風險等級分布比較符合正態分布形式。

為了對比分析基于灰色關聯的風險鏈式傳導區域雷電災害風險評估方法與傳統評估模型的異同點，揭示風險鏈式傳導區域雷電災害風險評估方法的適用性偏向和優缺點，將風險鏈式傳導區域雷電災害風險評估方法的評估結果分別與采用專家評分法等傳統評估模型的評估結果進行對比分析。使用專家評分法的評估結果顯示：該礦區8個子區域的風險分為4個等級，各風險等級占比均相同。

通過分析兩種方法的評估結果可以看出，相較于專家評分法的傳統評估模型的評估結果，基于風險矩陣的鏈式傳遞評估方法的評估結果更接近自然界的風險分布規律。

5 結論

由于區域雷電災害風險評估是一個涉及多要素的動態變化的復雜系統，引入灰色關聯的概念，充分考慮各評估因子之間的相互不確定性，能夠提升評估結果的客觀性，使評估結果更符合評估對象在現實環境中的實際情況，提高風險防范的適用性與合理性，為相關業務人員補充了不同形式的、科學的評估方法和手段。

基于風險矩陣的鏈式傳遞區域雷電災害風險評估方法采用灰色關聯計算耦合集對分析的方法，同時將風險鏈式傳遞的原理引入區域雷電災害風險評估，建立了風險層層傳遞的動態風險評估計算理念和模型。相較于專家評分法的傳統評估模型的評估結果，基于風險矩陣的鏈式傳遞評估的結果更接近自然界的風險分布規律。

參考文獻

[1] 吳丹，汪麗娜.基于集對分析法的珠三角氣候變化研究[J].熱帶地貌，2019，40（2）：3-7.

[2] 羅毅，李昱龍.基于熵權法和灰色關聯分析法的輸電網規劃方案綜合決策[J].電網技術，2013，37（1）：77-81.

[3] 董濤，王振龍，金菊良，等.基于風險矩陣和五元減法集對勢的區域旱災風險鏈式傳遞診斷評估方法[J].災害學， 2020，35（4）：222-227.

收稿日期：2024-09-19

作者簡介：朱薇薇（1981—），女，重慶人，高級工程師，研究方向為雷電防御及氣象防災減災。