應用大數據加強防雷安全監管研究

摘要：

随着社會經濟發展和現代化水平的提高，雷電災害的危害程度和造成的損失也越來越大。如何加強防雷安全監管工作來減輕雷電災害引起的安全生産事故，是擺在各級氣象部門面前的重大研究課題。随着互聯網的飛速發展，數據的重要性愈發凸顯，大數據的概念應運而生。利用大數據概念，收集防雷安全監管相關數據，用“大數據”方法對各類數據進行整合開發，提升完善防雷安全監管工作。

1引言

本文利用大數據概念，收集防雷安全監管相關數據，包含基本氣象數據、安監重點單位數據、防火重點單位數據、交通道路數據、地理信息數據、雷災數據、防雷中介機構數據、預警服務對象數據等，用“大數據”方法對各類數據進行整合開發，提升完善防雷安全監管工作。針對防雷安全監管工作的現狀，通過大數據分析，查漏補差，可提升源頭治理能力、事故隐患排查治理能力，可揭示雷電事故規律，可完善防雷安全事故追責能力，可提升防雷安全預警能力，逐步提升安全監管工作能力及完善工作流程。

加強與相關安全部門合作，有效采集并整合各部門數據，完善對監管對象的全方位監管。提升對服務對象的雷電預警能力，做到“防、管”結合。在硬件方面，增設雷電監測設備，提升基礎雷電數據的觀測、采集及整合能力。軟件方面，重點整合各方面數據，開發大數據應用軟件，加強防雷安全監管工作的全面性、及時性及針對性。大數據在防雷安全監管工作中的應用研究，是監管工作的重要手段，能實現監管能力的有效提升，使防雷安全監管工作依法、科學、全面，保證監管工作的健康穩定發展。

大數據主要有三個基本方面：大數據的采集與存儲、用大數據分析方法處理數據的關聯性、大數據應用防雷安全的結論。本文也主要從這三方面講述了大數據對防雷安全監管的具體應用服務，并通過大數據分析現階段防雷安全監管工作中的不足。本文主要講述大數據挖掘分析領域中，最常用的四種數據分析方法：描述型分析、診斷型分析、預測型分析和指令型分析。本文通過大數據分析防雷安全監管工作中的現狀，查找不足和難點。補齊監管工作的短闆，增加軟硬件基礎，提升監管能力，加強監管工作的針對性和全面性。

2防雷安全大數據的采集

防雷安全相關大數據主要包括基本氣象數據、安全生産重點單位數據、地理信息數據、雷災數據、防雷檢測中介數據、服務對象數據等。

2.1 基本氣象數據

在氣象領域，對于雷暴的監測手段，分為間接監測和直接監測兩種；間接監測的方法包括了多普勒雷達、衛星雲圖、實況資料等；而直接監測手段則主要是大氣電場儀和雷電定位系統等。閃電定位儀資料、大氣電場儀資料、天氣實況資料、雷達圖、大氣雲圖等，建立基本氣象數據庫，把基本氣象數據整合進防雷安全平台，可以得到雷電基礎數據、雷暴天氣規律、本地區雷電時空規律、雷電預警信息等。

雷電的地域性特征明顯，不同地區雷電的形成機制、雷電分布特征都有較大的差距；不同時空範圍、不同經濟區域内的雷電活動均存在明顯的差異，雷電活動不僅與氣候特征息息相關，與下墊面情況及社會經濟活動也有緊密聯系。

2.1.1 閃電定位儀資料

在閃電定位系統建成前，雷電數據主要大都來源于人工氣象觀測的監測數據。氣象觀測是依靠觀測員聽到雷聲來記錄雷電的發生時間和方位。一天中隻要聽到一次雷聲即計為一個雷暴日。人工雷電觀測的優點是數據連續時間較長，在大時間跨度上可以粗略的表述區域雷電特征。人工雷電觀測的不足是影響因子較多。個人聽力差異、台站所處地形及環境、周圍台站分布情況、觀測台站類型等，都對雷電資料的準确性有較大影響。此外，雷電關鍵數據缺失嚴重，雷電次數、雷電類型、雷電密度、雷電準确位置、雷電流幅值等都是沒有辦法記錄的。2014 年中國氣象台終止了雷暴日的觀測，用自動觀測儀器替代人工觀測已是必然。江蘇省氣象局于 2005 年建設了 ADTD-1 型閃電監測定位系統，在全省閃電監測預警及雷電防護應用方面發揮了重要作用。随着閃電監測定位技術的進一步發展，江蘇省于 2012 年開始建設ADTD-2 型三維閃電監測定位系統，對原有 ADTD-1 型閃電監測定位系統進行了一次重要升級——增加了雲閃監測功能，增加了閃電高度三維定位功能等。但江蘇省閃電定位儀主要布點在各氣象觀測台站，分布不太合理，數據結果是否準确有待驗證。綜上所述，在本地區合理布點閃電定位儀，建設本地區閃電定位儀系統，對于得到本地區準确的雷電資料十分有必要。

圖 1 無錫市三維閃電定位儀分布

本文以無錫市本地域三維閃電定位儀系統為例，結合儀器性能，合理布點，如圖1 所示。三維閃電定位儀可以進行雲閃和雲地閃的全閃電監測定位監測。其中，新增的雲閃探測功能，不僅能夠探測雲閃及雲閃高度，閃電定位精度和探測效率也得到提升。可全天候、長期、連續運行并記錄雷電發生的時間、位置、強度和極性等指标，有利于在大範圍内監測雷電的發生、發展和成災情況，并把經過預處理的閃電數據實時地通過通訊系統送到中心數據處理站實時進行交彙處理，實現了閃電數據的實時接收，閃電數據的查詢，分析，統計以及閃電數據的定時保存等多種功能，并結合本地域高程地理信息，生成實時的、可視化、可深度處理的閃電資料。閃電定位儀數據是開展雷暴預報的基礎條件，對森林防火、防雷減災、災害調查和人工增雨等工作都有很大的促進作用，是最重要最基礎的氣象數據，同時也是防雷安全監管的核心數據。

2.1.2 大氣電場儀數據

大氣電場儀是用來測量大氣電場及其變化的設備，它是利用導體在電場中産生感應電荷的原理來測量電場的。當雲中發生電荷分離時，地面電場将發生相應的變化，其強度與雲中電荷的積累量和分布有關，因此通過測量地面大氣電場的變化，可以反映出高空雲層電場的變化，對發生雷擊的危險性進行一定的預報。主要由電場探測探頭、電場數據處理機、中心數據處理機、客戶端數據顯示與分析軟件等組成。電場數據處理機可實時地讀出當時的電場值，把電場儀測量的電場數據傳送到計算機由專用軟件分析處理，可以對局部地區潛在的雷暴活動及靜電電擊的危險性進行短期預報。

圖 2 無錫市大氣電場儀分布

大氣電場儀可以單點布置，也可以多點組網布置。對于防雷安全監管工作來說，單點布置重點企業防護的覆蓋面顯然是不夠的，對工作能力提升不夠。為了更好地加強防雷安全監管工作，儀器探測範圍必須覆蓋本地域。本文以無錫市大氣電場儀系統為例，結合儀器功能，合理布點（如圖 2 所示），實現了對無錫市本地域的全面覆蓋、對全市大氣電場變化的全方面監測。大氣電場儀探測範圍為 0～15 km，量程為﹣50～50 kV/m，誤差小于等于 5%.分析雷暴過程中地面電場的變化規律，設置多極雷電預警阈值，當電場變化超過阈值時，能發出雷電預警，預示雷電即将發生。在晴天時，大氣電場強度範圍為﹣500～500 V/m。在雷暴接近時，大氣電場強度逐漸加強，大氣強度能達到+/﹣2 kV/m。當雷暴發生時，大氣強度能達到+/﹣15 kV/m 以上。雷暴發展過程大概需要 30 min 左右，充分利用這個預警時間，觀測大氣強度變化，結合雷達圖、雲圖等其他氣象手段，可以很好地做到雷暴的預警和短時預報，有足夠的時間在雷暴來臨之前啟動緊急防禦預案，減輕危害程度，減少人員傷害危險和财産經濟損失，并積極應對災害的發生。比如，及時撤離面臨危險的人員，使一系列的應急措施進入警戒狀态。儀器可能出現誤差誤報，需大數據分析各種數據，降低誤差誤報概率，真正做到防雷安全的預警功能。

2.1.3 間接監測氣象數據

間接監測氣象數據的方法有多普勒雷達、衛星雲圖、實況資料等。間接監測氣象數據都是氣象部門内部數據，氣象數據準确及時、格式固定，可以開發利用。當雷暴天氣發生發展時，間接監測氣象數據是直接監測數據的有力支撐資料，可以系統分析整個天氣過程，觀測雷暴天氣的發生、發展、結束的全過程。比如雷暴天氣發生時氣象條件是否滿足、雷暴天氣持續時間預報、雷暴強度預測、雷暴預警等級等。

根據中國氣象局第 24 号令《防雷減災管理辦法》規定，地方各級氣象主管機構應當組織本行政區域内的雷電監測網建設，以防禦雷電災害。有條件的氣主管機構所屬氣象台站可以開展雷電預報，并及時向社會發布。整合開發基本氣象數據是實現目标的基礎條件，對加強雷電和雷電災害的發生機理等基礎理論和防禦技術等應用理論研究、防雷減災技術和雷電監測、預警系統的研究和開發工作有重大意義。

2.2 防雷重點單位數據

2015 年，中國氣象局主動取消“雷電災害風險評估”和“防雷産品測試”等 4 項行政審批中介服務事項。2015-10、2016-03，中國氣象局又先後根據國務院要求，全面清理規範了 12 項氣象行政審批中介服務事項，徹底切斷了中介服務利益關聯。為貫徹落實《國務院關于優化建設工程防雷許可的決定》精神，中國氣象局下發貫徹落實通知，取消了氣象部門對防雷工程專業設計、施工單位資質許可，整合防雷裝置設計審核和竣工驗收許可。在做好簡政放權“減法”的同時，中國氣象局堅持強調“放管并重”，不斷強化事中事後監管，并強化“優化服務”，不斷改進管理方式，确保“接”得住、“管”得好。根據文件精神，防雷安全監管主要範圍為油庫、氣庫、彈藥庫、化學品倉庫、民用爆炸物品、煙花爆竹、石化等易燃易爆建設工程和場所；雷電易發區内的礦區、旅遊景點或者投入使用的建（構）築物、設施等需要單獨安裝雷電防護裝置的場所，以及雷電風險高且沒有防雷标準規範、需要進行特殊論證的大型項目。建立重點單位數據庫是加強防雷安全“事中事後”監管工作的基礎，明确監管對象的類型、範圍，有利于防雷安全監管工作的順利開展。

防雷安全監管對象類型多、主管機構分散，如何有效整合資源，實現互聯互動，是建立重點單位數據庫的核心工作。按照黨中央、國務院決策部署，2017-05-18，國務院辦公廳印發了《政務信息系統整合共享實施方案》，提出了加快推進政務信息系統整合共享、促進國務院部門和地方政府信息系統互聯互通的重點任務和實施路徑。建設形成覆蓋全國、統籌利用、統一接入的數據共享大平台，建立物理分散、邏輯集中、資源共享、政企互聯的政務信息資源大數據，構建深度應用、上下聯動、縱橫協管的協同治理大系統。以此為契機，防雷安全監管工作可以借助政務信息系統，采集安監、消防、住建、文保等單位的管理對象資源，結合防雷安全監管對象的類型和範圍，建立重點單位數據庫。實時監測重點單位信息，根據防雷重點單位的增減，及時更新數據庫。

建立防雷重點單位數據庫，監管對象信息必須齊全、規範、及時。監管對象名稱、類型、地址、經緯度、法人、安全負責人、防雷安全主體責任落實情況、防雷檢測中介服務情況等基本信息，使監管對象精确到點、防雷安全責任落實到人，遵守防雷安全管理制度。

2.3 防雷檢測中介機構數據

2016-10-01，中國氣象局第 31 号令《雷電防護裝置檢測資質管理辦法》正式實施。其中規定國務院氣象主管機構負責全國防雷裝置檢測資質的監督管理工作。國務院氣象主管機構應當建立全國防雷裝置檢測單位信用信息、資質等級情況公示制度。省、自治區、直轄市氣象主管機構應當在本行政區域内對防雷裝置檢測單位的監督管理、信用信息等情況及時予以公布。

縣級以上地方氣象主管機構對本行政區域内的防雷裝置檢測活動進行監督檢查。根據相關規定，急需建立防雷檢測中介機構數據庫對防雷安全監督檢查提供支撐。

随着防雷檢測市場的放開，一方面，防雷中介服務機構迅速增加，防雷檢測服務歸于市場化，市場競争激烈，有效地降低了企業的安全生産成本；另一方面，随着檢測機構的大量增加，服務水平參差不齊，埋下了防雷安全隐患，加大了防雷安全監管難度。如何有效監督防雷檢測中介服務機構，也是防雷安全監管的重大課題。

氣象主管機構一方面要按照相關法律、法規、部門條例來加強防雷安全監督檢查，按制度辦事，一視同仁；另一方面，要建立防雷檢測中介服務的信用評價體系，同時，對防雷檢測單位的監督管理、信用信息等情況及時予以公布。防雷檢測中介機構數據庫不隻要需要基本信息，同時，監督管理、信用信息等也應健全。做好防雷檢測單位的監督管理工作，也是整個防雷安全管理工作的重點。

2.4 雷災數據

根據《中華人民共和國防雷減災管理辦法》規定，各級氣象主管機構負責組織雷電災害調查、鑒定工作。遭受雷電災害的組織和個人，應當及時向當地氣象主管機構報告，并協助當地氣象主管機構對雷電災害進行調查與鑒定。雷災數據對于本地域雷電規律研究、防雷安全隐患研究等有重大意義。雷災數據包含受災單位信息、受災建築類型、受災地理信息、人員經濟損失信息、雷災成因信息、氣象主管機構鑒定信息等。雷災數據庫是靠受災個人及組織的上報信息，氣象部門日積月累形成的。隻有在完善雷災上報制度并認真執行的情況下，數據才能完整、有效。雷災數據結合本地域地理信息，可以分析易受災區域分布、防雷設施有無安全隐患、防雷安全制度有無落實到位。通過分析雷災成因，找出防雷安全隐患點，後期加強隐患整改，以減少雷災的發生、減少人員财産損失等。

2.5 防雷安全服務對象數據

按照防雷減災工作，實行安全第一、預防為主、防治結合的原則。如何提供有效的防雷安全服務，是防雷安全的根本。通過大數據分析方法，整合防雷安全相關數據，提供雷電預警信息、對防雷安全隐患進行排查，有效減少雷災的發生、減少人員财産損失等。防雷安全服務對象數據主要包括各政府部門、重點單位安全部門等。當有雷暴天氣發生時，預警信息要主動發送到位，讓各部門做好應急預案。同時，應通過微信公衆号、互聯網等向民衆發布預警信息，及時規避雷電危害。

3大數據分析方法處理數據

本文主要講述大數據挖掘分析領域中最常用的四種數據分析方法：描述型分析、診斷型分析、預測型分析和指令型分析。通過這四種大數據分析方法來處理防雷安全相關數據，使大數據真正應用于防雷安全管理監督工作。

3.1 描述型分析

描述型分析主要描述發生了什麼，需要廣泛、精确的數據，并需要有效的可視化。

防雷安全相關大數據包括基本氣象數據、安全生産重點單位數據、地理信息數據、雷災數據、防雷檢測中介數據、服務對象數據等，這些數據都可以精确描述，都可集成地理信息做到可視化。例如，當雷暴天氣發生時，大氣電場儀觀測的數據、閃電定位儀資料、雷達圖、雲圖可以實時在地理信息系統 GIS 上顯示，雷暴影響範圍内可顯示有多少家重點單位及其精确位置。

3.2 診斷型分析

診斷型分析主要分析為什麼會發生問題。在診斷性分析中，首先需要了解與結果可能相關的因素。在對數據描述型分析的基礎上評估數據，深入數據分析，提取數據核心特征，在廣泛的數據中分析相關性。利用防雷安全相關“大數據”，轉變監管思路，加強基于數據驅動的決策及應對，加強物聯網、互聯網、雲計算于大數據技術的協作。

3.3 預測型分析

預測型分析描述可能會發生什麼問題。在預測型分析中，通常需要構建一個預測算法模型，用來預測事件發生的可能性，預測某個相關參數、預測發生的時間等。數據的多樣性和關聯度對預測結果會産生重大影響。預測算法要符合防雷安全相關規律，能對曆史事件進行驗證，預測結果要确定符合曆史事件。預測模式驗證準确後，在事件發生時，需要自動運行模式算法，确保自動描述事件的發生及結果。

3.4 指令型分析

指令型分析主要基于事件結果選擇解決措施。指令性分析并非單獨使用，是基于前三種方法分析後，分析整個事件的發生、發展、結果，決定采取何種措施，保證方案最優。

4大數據應用于防雷安全的結論

大數據要真正用于防雷安全監管，需建立防雷安全大數據平台，如圖 3 所示。大數據平台主要包括三大模塊：防雷安全相關數據采集存儲模塊，大數據分析方法、算法及程序設計模塊，防雷安全的大數據可視化平台模塊。其中，大數據可視化平台主要包括防雷安全數據查詢模塊、防雷安全執法模塊、隐患分析模塊、決策分析模塊、雷災分析模塊、雷電預警模塊、圖形圖表深度分析模塊等，貫穿防雷安全監管的整個流程。

圖 3 防雷安全大數據平台流程

4.1 建立了防雷監管雙主體控制體系

雙主體是指作為防雷安全監管主體的政府和作為防雷安全責任主體的企業，可以分為企業賬戶和監管賬戶來使用平台。大數據平台可幫助企業自查自糾、自學防雷安全相關知識，了解自己的防雷安全責任落實情況。可幫助監管部門明晰企業防雷安全狀況，做到一企一檔，企業基本信息、企業防雷安全主體責任落實情況、防雷檢測報告等信息一目了然，加強執法檢查，有效地從源頭排除安全隐患，提出針對性很強的指導意見，節約人力、物力、時間。

4.2 科學、合理地建立了雷電觀測平台

通過合理的觀測儀器的選擇和布點，觀測整個雷電的生成、發展、結束全過程。采集了雷電相關的各要素，通過大數據處理，形成圖表圖形分析，并可在 GIS 地理信息系統上顯示，做到了數據可視化，大大加強了防雷決策分析和隐患分析能力，為防雷減災提供了數據支撐。

4.3 建立了科學的雷災分析模式

以前的雷災發生後，都隻能經上報了解後，通過剩磁儀測量受災地點周圍剩磁數據，大概評估受災原因。現在通過大數據分析，我們可以在第一時間得到雷災發生時的各相關數據。比如精确的雷擊時間，雷擊經緯度、高度、強度，受災地點類型，防雷設施狀況，人員經濟損失等，分析雷災的成因，排查防雷安全隐患點，通過整改，以減輕雷災造成的損失。

4.4 建立了全新的雷電預警發布系統

通過分析大氣電場數據變化，可提前預警雷電的發生，并在地理信息系統上顯示雷暴可能發生的範圍。結合其他氣象要素，可以對雷暴持續時間、強度、範圍等進行預測性的分析。做到雷暴發生前 20 min，通過預警發布系統将信息發布給雷暴範圍内的政府安全主管部門和重點企業，做好防雷應急準備。同時，在大數據平台上，把可視化的預警信息通過自媒體、微信公衆号等向公衆發布，讓民衆做好防雷準備，減少可能發生的雷擊傷害和損失。雷電預警發布系統做到了防治結合，預防為主，從源頭上加強了防雷安全監管工作。

5不足方面

5.1 防雷安全監管人員少

市、縣級需監管的企業單位衆多，工作量巨大，同時，監管人員偏少，做不到全面、細緻的監管，迫切需要将大數據應用于防雷安全監管，提高監管效率，增大監管覆蓋面。

5.2 大數據人才缺失

要想讓大數據應用于防雷安全監管，則需要大數據分析人才和大數據軟件開發人才。監管人員缺乏這些方面的知識，隻能完善各種數據的采集，規劃整體監管流程，需要結合社會公司的大數據分析、開發能力，完成整個防雷安全大數據平台的開發。

參考文獻：

［1］朱彪，曾金全.三維地閃監測數據分析與校驗［J］.氣象科技，2018，46（05）：868-874.

［2］丁旻，張淼，劉波.基于 Android 移動設備的閃電可視化功能設計與應用［J］.氣象科技，2017，45（06）：1125-1128.

［3］張豔華，焦雪，鐘穎穎，等.雷電信息處理及産品制作與發布系統［J］.氣象科技，2013，41（01）：72-77.

［4］馮民學，焦雪，韋海容，等.江蘇省雷電分布特征分析［J］.氣象科學，2009（02）：246-251.

［5］王學良，張科傑，張義軍，等.雷電定位系統與人工觀測雷暴日數統計比較［J］.應用氣象學報，2014，25（06）：741-750.

［6］王飛，張義軍，趙均壯.雷達資料在孤立單體雷電預警中的初步應用［J］.應用氣象學報，2008，19（02）：153-160.

［7］梁吉業，馮晨嬌，宋鵬.大數據相關分析綜述［J］.計算機學報，2016（01）：1-18.

［8］安徽省氣象局，廣東省氣象局，上海市氣象局，等.GB/T405—2017 雷電災害風險區劃技術指南［S］.北京：氣象出版社，2017.

［9］重慶市防雷中心，安徽省防雷中心.GB/T 309—2017 防雷安全管理規範［S］.北京：氣象出版社，2017.

［10］重慶市氣象局，廣東省氣象局，安徽省氣象局，等.GB/T400—2017 防雷安全檢查規程［S］.北京：氣象出版社，2017.

［11］浙江省氣象安全技術中心，天津市氣象災害防禦技術中心，河北省氣象行政技術服務中心，等.GX/T 103—2017 雷電災害調查技術規範［S］.北京：氣象出版社，2017.