浅谈防雷预警信息系统

浅谈海关防雷预警信息系统摘 要：本文主要介绍防雷预警信息系统的功能、原理，并介绍了该系统在黄埔海关的具体使用状况。关键词：防雷 预警 信息 系统引言雷电灾害被联合国确定为世界最严重的十大自然灾害之一，全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。黄埔海关关区范围包括广州市东部地区及东莞市，根据广东省气象部门提供的权威数据，我关在广州所处地域平均地闪密度为 38 次/平方公里 年，我关在东莞所处地域平均地闪密度为 41 次/平方公里年。广州市大区域地闪密度图年平均雷暴日 年雷击次数 平均地闪密度（天） （次） （次/平方公里年）广州市 80 多天 27 万次 38东莞市 80 多天 10 万次 412009 年黄埔关区雷电统计数据根据以上数据分析，我关区各办公及业务现场每年平均遭受雷电侵袭达 40 次之多。尤其是每年春夏之交，雷电交加，淫雨成泽，雷击对我关的计算机设备、通信设备和监控设备等微电子类设备造成了巨大威胁。而在上世纪 90 年代，我关区内各办公场所、监管场所的建筑陈旧，绝大部分都不符合国家对建筑物防雷规范的要求。同时，关区内各类机房以及终端设备的使用场所，同样也不符合国家对电子信息系统防雷技术规范的要求。因此，这里存在着大量的防雷隐患，给雷电的入侵提供了大量的途径。雷电是一种自然现象，它的巨大能量众所周知。几个世纪以来，人类对雷击破坏性的研究、探索和采取预防的措施，已经有了一套比较成熟的理论。云中或是在云对地之间的电场强度并不是到处一样的，而是一个非常不均匀的电场，当云中电荷密集处的电场强度达到 2530KV/cm 时，就会由云向地开始先导放电，当先导通道的顶端接近地面时，可诱发迎面先导，当先导与迎面先导会合时，即形成了从云到地面的强烈电离通道，这时出现极大的电流，这就是雷电的主放电阶段，雷鸣和电闪都伴随着出现。主放电阶段存在的时间极短，约 50100ms ，主放电的过程是逆着先导通道发展的，速度约为光速的 1/201/2，主放电的电流可达数十万安，是全部雷电流的主要部分，主放电到达云端时就结束，然后云中的残余电荷经过主放电通道流下来，称为余光阶段，由于云中电阻很大，余光阶段对应电流不大（约数百安） ，但持续时间却较长（0.030.15S） 。由于云中可能同时存在着几个电荷中心向第一通道放电，因此雷电多呈多重性，每次放电相隔 600ms 到 800ms，放电的数量平均 23 次。黄埔海关防雷系统从 1997 年开始建设，一直不断地进行完善改造，部分防雷器运行时间已长达 10 年以上。虽然从总体来看大多数避雷器都在正常的工作状态，但是存在无法统一预警，部分车场地形开阔，容易发生雷击灾害，甚至发生执勤武警战士遭受雷击等意外事件，对雷雨天气下的海关监管工作造成严重影响。必须开发一套集中、稳定、高效的防雷预警系统，在雷电到来时及时预警雷击，才能消除雷击隐患，完善防雷系统，较好的保护海关人员和设备的安全。但雷电预警信息如何有效通知现场作业人员，从而进一步提高防雷预警系统应用效率，成为一个重要课题。1.系统主要功能黄埔海关防雷预警系统利用雷电预警系统能够准确侦测雷暴的产生和发展全过程，并在雷击危险来临前（不少于 30 分钟）发出警告信号的先进功能，与先进的通信系统及个人通信设备或通信网络（各种移动通讯网络和手机短信）相结合，及时将危险警告通知需求用户，使用户可以在已知的规则下及时规避可能的危险，能极大提高预警效率，进而达到防灾减灾的目的。兼顾预警监测点的控制范围（预警设备的监测范围为 1015 公里） ；监测的连续性；监测的有效性以及构网成本因素；我们初步构想雷电预警系统可在车检场附近大楼楼顶建立监测点，雷电预警系统的室内电子设备放置于大楼机房内。黄埔海关防雷预警系统通过实时监测当地空间静电场的变化，间接了解雷云电荷积累的变化，从而提前预测到雷闪发生的可能性。在建设防雷预警信息采集系统时，我处兼顾预警监测点的控制范围、监测的连续性、监测的有效性以及构网成本因素，在雷电多发的长安车检场与寮步车检场附近的办公大楼楼顶建立雷电预警系统检测点，采集静电场变化数据。在总关架设防雷预警平台服务器，收集相应数据，并做出分析和进一步处理。做出不同的响应，如发送防雷预警短信，向管理网内各类海关平台发送报警信息，实现防雷预警信息的实时共享。2.系统主要原理2.1 雷电预警原理电场是由电荷建立的，雷闪的发生来源于雷云内部的电荷累积；这样，只要能够准确检测空间静电场的的改变，就可以间接了解雷云电荷累积的变化：以在平地距地面约 1.5m 处设立的检测点为例，在一个无云天气检测到的平均场强约为 250V/m，而当场强检测值达到 2KV/m 以上时，通常意味着该地点上方雷云已经产生；如果场强持续增大至 4kV/m，发生雷闪现象的可能性就将超过 90%；雷闪发生时，场强会增大至14KV/m 以上。一般情况下，独立雷云（对流雷云）或雷云群的产生需要至少约 20 分钟。基于上述原理，只要不停地检测它所在位置的静电场场强变化，并排除/ 修正其它非雷云电场的干扰，然后反映在输出结果中并与三个场强门限相比较，以确定警报等级。因此，在第一次雷闪前，系统就已经探测到雷闪发生的可能性，并且迅速发出危险信息。从而对人员、设备提供良好的保护，降低雷击造成的损失。同时由于雷云电场的自身建立存在客观规律。通常情况下，系统的检测半径在 10 - 15 km 范围。系统使用三个危险警报分级来界定雷闪的接近程度。为了获得足够的预警效果，第一等级的场强门限应设得相应较低，第二等级将提供进一步确定信息，而第三等级将激活自动操作系统。当场强降到门限场强水平以下时，警报声将停止。 ALARM1 - 1 级警报（门限默认值为 2KV/m）雷暴形成，对雷暴的初始活动报警。 ALARM2 - 2 级警报（门限默认值为 4KV/m）雷暴逼近，对正在接近的雷暴或在本地生成的雷暴报警。 ALARM3 - 3 级警报（门限默认值为 8KV/m）雷暴即将发生，对即将在监测地发生的雷击报警。2.2 预警信息发送利用 StormDetec 系统具备网络传输功能，主机输出的数据经由猎雷者 II 监控软件把数据传输到中央监控服务器。数据的传输遵循最常用的 TCP/IP 网络协议，通过对各系统站点的 IP 地址的访问。通过海关管理网，所有的分关监测点信息将被实时传输到中心监控机房内一台部署了我关技术人员自行开发的防雷信息采集系统的计算机上，在雷暴接近时，系统将自动对防雷信息进行分类处理，根据等级的不同做出不同的警报。海关自行开发的中央监控系统主要由采集端软件，服务器端软件两部分组成。利用 StormDetec 系统具备网络传输功能，主机输出的数据经由猎雷者 II 监控软件把数据传输到中央监控服务器。数据的传输遵循最常用的 TCP/IP 网络协议，通过对各系统站点的 IP 地址的访问。通过海关管理网，所有的分关监测点信息将被实时传输到中心监控机房内一台部署了我关技术人员自行开发的防雷信息采集系统的计算机上，在雷暴接近时，系统将自动对防雷信息进行分类处理，根据等级的不同做出不同的警报。内网数据服务器内网 I P , 传数据到服务器内网 I P , 传数据到服务器内网 I P , 传数据到服务器监控系统采集端计算机通过 RS232 通信口，与 StormDetec 系统主机直接连接的；实时采集和监控电场数据和发出预警，并通过服务器内网 IP 地址把数据传到内网数据服务器上。中央监控系统服务器端通过管理网与采集端计算机连接，把从采集端采集到的数据保存在数据库使用 SQL server 2008；数据库结构 (webstorm.MDB)SITEDATA 表结构(电场值数据表)SiteInfo 表结构(站点表)系统实时监测最新发来的数据，根据数据包中的雷电值判断警报级别，当警报级别超过阈值时，及时发出警报信息，利用短信平台WebService，根据 StormDetec 系统可以在雷暴发展的不同阶段发出三级警报短信，但从实际情况出发，我们认为在系统发出第二级警报后用户仍有充足的行动时间，因此我们考虑的警报发送流程如下：系统一级警报：专职监测人员立即就位，由接收到警报起三小时内不得离开岗位。系统二级警报 ：监测人员立即确认并连续两次向用户发送报警信息（该信息应由系统设为最高优先级予以发送） 。系统三级警报：同上系统警报解除：监测系统确认危险已解除后，连续两次向用户发送报警解除信息。为避免在雷电天气开始和结束时，防雷设备接收的雷电记录在阈值附近徘徊进而导致系统短时间内向用户发送大量警报信息和解除警报信息的情况，系统设计了可自定义的警报信息与解除警报信息最小间隔时间，一般这个时间设定为 1 小时。3.关键的技术及创新点该系统是将海关科技在基础建设上累计的应用经验与国际先进防雷技术向结合。在此过程中，运用的多项关键技术极具特色与创新。黄埔海关防雷工预警系统的关键技术在于通过考察大气电场场强变化，运用雷电损害风险评估的计算方法，定量地确定雷电发生可能性，预测雷电灾害的来临。围绕着雷击造成电子设备过电压的主要成因，并排除/ 修正其它非雷云电场的干扰，然后反映在输出结果中并与三个场强门限相比较，以确定警报等级。利用短信平台动态发送防雷预警信息，及时、高效地通知监管场所工作人员雷电灾害的来临，防患于未然。为了确保海关监管场所安全，避免不必要的经济损失，加强防雷预警信息应用的制度建设，制定相关防雷标准。防雷预警系统充分利用海关管理网和短信平台优势，通过实时监测当地空间静电场的变化，间接了解雷云电荷积累的变化，从而提前预测到雷闪发生的可能性，在建设防雷预警信息采集系统时，我处兼顾预警监测点的控制范围、监测的连续性、监测的有效性以及构网成本因素，采集静电场变化数据。在总关架设防雷预警平台服务器，制定防雷预警信息规范，收集相应数据，利用中央监控程序及时、准确、高效地做出分析。4.项目经济效益或社会效益情况系统于 2011 年 11 月底陆续完成，在寮步车场和长安车场运行良好，显示这是一套功能齐全、设计完善的防雷预警功能体系，该系统运行稳定、高效，而防雷工程规范管理也落实到位，取得切实成效。系统达到建设目标。该系统大大提高了海关对雷电灾害的预警能力，为监管场所创造了一套安全、可靠、优质、高效的雷电灾害预警系统，提供了可持续发展的基础保障，经初步验证，取得的效益巨大：经济效益巨大。防雷预警系统启用至今，成功地抵御了雷电的侵害，有效地保护了海关信息系统。各类电子设备的雷击受损率也大幅度下降。仅计算机终端设备一项，系统启用后，下降 2040 ；近三年，随着工程进一步深入建设，由于供电线路感应雷电而造成设备损坏故障几乎降为零。网络和通信设备方面每年挽回大量经济损失。应用效益显著。现场科室设置了管理电脑，可实时显示当前的警报状态。针对不在办公室的现场工作人员，建立短信通知机制。发生三级警报后，系统向指定的手机号码发送告警短信。当告警消除、当地气象条件稳定后，系统发出告警解除短信，以便现场恢复正常工作。系统推广至今，已分别为长安车检场和寮步车检场发出三级预警信息 16 和 29次，共发送短信 1600 余条。期间，未再发生人员因雷击受伤的情况。防雷预警系统与“信息系统安全运行平台”对接。生成告警后，预警系统会将告警信息通过数据接口发送到安全运行平台，便于运维人员掌握现场情况，及时发现告警情况社会效益明显。工程大大地改善了全关区防雷预警效率，减少了以往因电信、雷雨等外部原因导致的业务中断，大大减少了因雷电灾害对通关效率造成的影响，提升了海关为社会经济服务的质量。结语本文浅谈了我关防雷预警信息系统的一些功能和原理，由于水平所限，这套系统还有很多地方可以改进，界面不够人性化等。希望在今后的工作中能够继续完善，并为海关防雷工作作出更多贡献。（责任编辑： ）参考文献：1 张友生. 系统分析师. 北京: 清华大学出版社, 2010.