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高斯消元法的基本原理范文1

關鍵詞：幾率；波動理論；安全；生產力

中圖分類號：F062.4

文獻標識碼：A

文章編號：1002-2848-2008(02)-0106-05

一、引 言

關于生產力的研究多以定性研究為主，并沒有深入運用定量方法，而且安全與生產力關系的研究也很少[1]。生產力的高低并不能決定生產過程的安全程度，生產力在不斷提升，可是生產事故卻不斷發生[2]。波動性是事物普遍具有的一種動態屬性，從理工科領域到社會科學領域，都有關于波動的研究。為了找到安全與生產力之間的確切關系，本文采用理論分析的方法，構建概念，提煉模型，提出了幾率波動理論與生產力量化分析模型。幾率波動理論從解釋事故分布現象入手，在安全與生產力的關系研究方面進行了有益的嘗試。

二、基本概念

不考慮人為故意，生產系統事故的發生都是隨機的，且不可根除[3]。生產系統具有周期往復運動的特性，這種往復運動從系統開工開始，到系統回復到初始狀態結束，包含了若干工序，這些工序組成一個作業過程，此過程的事故傾向性一定，事故發生的幾率會隨著系統工序的往復運動而表現出波動特性。幾率波動理論就是依據這一思路，通過對不同工序對應的幾率波動狀況的描述，運用波動函數的特性，刻畫生產系統的生產力特征，建立安全與生產力之間的關聯。波動理論涉及許多基本概念，這些概念是構建波動理論的基石，論述波動理論必須先論述波動的相關概念，在此基礎之上提煉模型。本文借用已有的物理學振動與波的基本概念，賦予其不同的內涵，闡述其相應的理論意義。

(一)波動主體

1.諧振子。工作單元即系統，有穩定的輸入輸出，由于其波動性而稱為諧振子。工作過程可以由單個或多個作業集成。作業是可分的，一個完成的作業由一系列工序排列組合而成，也可稱為工序列。能夠完成若干工序的工作單位就類似于諧振子。工序同樣也可分的，一個完整的工序由一系列連續的動作排列組合而成。工作單元循環往復地進行作業，作業則不斷地重復著相應的工序，而工序又不斷的重復著相應的動作。這種循環往復是事故幾率穩定波動的根源，而諧振子則是形成這種循環往復的物質基礎。

2.復合振子。若干相同或者不同的工作單元可以集成起來形成一個更大的工作單元，這就是復合振子。現實中的復合過程非常復雜，存在各種相互作用，但是為了分析方便，理論總是先簡單后復雜，因此要求復合過程總是線性的。線性復合振子的振蕩輸出容易分解為不同諧振子輸出，這為數學分析打下了理論基礎。諧振子集合稱為諧振子系綜，同質諧振子復合形成純態系綜，異質諧振子復合形成混態系綜。

(二)波動空間

1.時間維度。單個諧振子的事故幾率振蕩在時間維度上的展開，形成時域內的波動，時域的幾率分布是波動理論的研究重點。

2.波動主體維度。波動主體是諧振子，諧振子是構成波動空間的基本要素。若干同質的諧振子排列起來形成波動主體維度，一個諧振子就是波動主體維度中的一個點，這些點是振蕩產生的根源，波動就在這些點之間不斷傳播。主體維度相當于物理學中的空間維度，可以出現多維情況。一般情況下，把復合振子看成一個整體，這時的主體維度仍然是一維的，如果把復合振子分解后進一步分析，那時的主體維度就是多維的。對波動主體維度的多維分解與拓展是非常復雜的，需要進一步深入研究。

3.事故維度。波動空間建立在若干維度的基礎上。事故維度是必不可少的，而且是可以拓展的，多維事故空間為研究不同事故在同一主體中的波動奠定了基礎。事故類型是通過發生機理、誘發因素、危害類別等要素進行區分的。工作單元可能出現多個事故，事故屬性各有不同，這些事故可能相互獨立也可能相互關聯。波動空間的事故維數取決于事故的類型數量，不同類型的事故互不干擾，從空間角度看就是維度正交。假設不同類型事故相互獨立，依據其類型構建正交維度，形成波動空間。幾率波動可以依據維度，分解形成正交的波動分量，同理也可依據維度合成。事故集合稱為事故系綜，同質事故復合形成純態系綜，異質事故復合形成混態系綜。

4.波動特性。幾率波動表現出三類振蕩特性，其一是諧振子振蕩，其二是行波，其三是偏振波。這三類波動的差異將在波動模型中詳細描述。

(三)波動函數

1.密度函數。幾率密度函數的積分就是幾率，其性質與概率統計中的密度函數基本相同，唯一不同的是這里的密度函數不必歸一化，就是說密度函數全域積分的值不必為1，原因在于這里的密度函數內涵了系綜信息。密度函數是不存在負值的[4]，這是經典幾率理論下的重要特性，但是當幾率之間存在干涉時，經典幾率理論不能描寫干涉現象，需要引入態函數的概念和原理。

2.態函數。態函數是非經典幾率下的重要概念，態函數為幾率干涉現象的理論解釋提供了數學基礎。態函數在時間或主體維度中某一點的強度和在該點發生事故的幾率成比例。知道了描寫系統的態函數后，就可以得出事故在時間或主體維度任意一點出現的幾率密度。態函數內涵了系統的眾多信息和特征，之所以稱其為態函數，就是因為它描寫了系統的狀態[5]。態函數一般用復函數表示，與量子力學不同的是不必歸一化，因為態函數的絕對強度是有現實意義的。如果將態函數乘上一個常數，所描寫的系統事故系綜會相應改變，這種改變會直接對事故數量產生影響。另外，物理上的強度一般都是用振幅的平方來計算，但是這里的強度則沒有固定計算方法，要根據系統的現實情況分析。

(四)波動指標

1.振幅。波動函數的振幅內涵了系統事故在時間或主體維度上的分布信息，也內涵了諧振子系綜和事故系綜的信息。振幅總是與強度聯系在一起，強度與幾率成比例，那么振幅就能表征幾率密度。總之，這是理論中最難理解、最需要深入分析和討論的地方。

2.頻率。單位時間內循環往復的次數就是波動函數的頻率。工序列由固定數量的工序組成，工序由固定數量的動作組成，完成這樣的一系列動作和工序所使用的時間也是固定的，那么工序列對應的波動函數的頻率也就恒定。頻率是系統固有的特性之一，它是系統循環往復運動效率的指標，頻率越高，系統能量越大，效率就越高。

3.波長。一個循環往復振蕩內包含的諧振子數量就是波長。大量工作單元同時開工情況下，工作單元的工序數量越小，處于同步工序的工作單元數量越大，處于兩同步工作單元之間的工作單元數量就越少，而該系統的波動函數波長就會越小。相反，工序量越大，波長越大。波長是行波或偏振波的重要指標之一，而在諧振子振蕩中不存在波長。

4.相位。波動函數在時間維度上存在相位差別，就是說同質工作單元之間的相同工序在時間維度上存在時間差。雖然工序在時間上的差異對主體維度上的定態分布沒有影響，但是這個相位不定性卻成為導致波動干涉的直接原因。振幅、頻率、波長和相位這四個指標是波動的核心，描寫系統狀態的波動函數要緊緊圍繞這四個指標來刻畫。能夠同時掌控這四個指標，就是全息。

三、波動原理

(一)理論前提

前提1：工作單元的作業單一，形成作業的工序是最基本的研究對象，不分析形成工序的動作。

前提2：工作單元的工序穩定、連續，系統狀態可以通過穩定、連續的波動函數來描寫。

前提3：工作單元之間、工作單元的不同工序之間以及事故之間都沒有交互作用。

(二)基本原理

1.統計決定性。雖然每起事故都可以找到因果關系，但是實際上對事故的發生是無法確切預言的。雖然系統的事故幾率波動具有相對的穩定性，但是并不存在因果決定性，也就不能預言系統事故發生的時間和位置。真正具有現實意義的是統計決定性。通過大量經驗數據描述系統幾率波動，從而掌握系統統計意義上的因果律和決定性，這是幾率波動理論的基本原理之一。

幾率波動反映了系統事故的統計決定性，這種決定性不是對個別具體事故的決定性。也就是說，系統遵循一定的幾率定律，而幾率本身按照因果律傳播[6]。統計決定性有兩種分類，一是經典幾率決定性，二是非經典幾率決定性，兩者的區別在于非經典狀態下幾率之間存在干涉現象。經典幾率狀態用幾率密度函數來描寫，非經典幾率狀態則用態函數來描寫。

2.振幅原理。波動函數的振幅與幾率密度之間存在穩定的關系，因為振幅決定了幾率密度。

經典幾率狀態下，幾率密度是一種波包，它的模就是振幅函數，也就是密度函數本身，可以用經驗方法從數據分析中得到。

非經典幾率狀態下，態函數描寫了系統的幾率特性，態函數的模就是其振幅，態函數的振幅與幾率密度之間存在穩定的關系，態函數的振蕩強度表征了幾率的大小與分布。在系統事故幾率波動中采用模的平方作為計算幾率的方法也只是為了解釋幾率干涉現象而遵循的最為典型的一種規則，具體計算方法的確立還需要對系統事故特征進具體分析。盡管如此，振幅決定幾率密度這個基本原理卻是始終起作用的。

3.態疊加原理。復合系統的波動函數由子系統的波動函數疊加而成。同類型事故的波動可以直接疊加，不同類型事故可以在波動空間中垂直疊加。疊加性是波動的重要特征，是定性、定量研究波動過程的重要原理。根據理論前提可知，沒有交互作用保證了疊加的線性。

經典幾率狀態下，不考慮事故發生的具體過程與機制，只著眼于幾率本身。由于不存在交互作用，其幾率沒有相干性，具備線性疊加特征，可以將子系統的幾率密度直接相加。

非經典幾率狀態下，著眼于事故發生的具體過程與機制，子系統的態函數描寫的過程疊加在一起，相互作用，發生干涉。態疊加原理包含著動態性，態函數會隨著時間演化，而態函之間的疊加關系恒定。

總之，不論是經典還是非經典幾率，不管干涉現象存在與否，態疊加原理總是幾率波動理論的基本原理之一，數學化的方法都是要建立在這個原理之上的。

(三)波動函數辨識和參數估計

辨識波動函數的途徑有兩種，一是機理模型，二是數據擬合[7]。機理模型的建立需要足夠和可靠的先驗知識，根據系統的運動方程，求解系統輸出的幾率波動函數。如果對系統非常熟悉，那么就可以直接得到波動函數。數據擬合則需要通過對大量經驗數據的分析，運用統計方法，得到經驗波動函數。

參數估計是在波動函數辨識的基礎上，根據經驗數據對波動函數的具體參數進行估計。通常參數估計的方法很多，最為廣泛的是最小二乘法和最大似然法。

四、波動模型

(一)經典幾率

諧振子模型。諧振子模型描述了幾率波動函數在時間維度上的波動特征。單個諧振子的振蕩不存在主體維度，或者說主體維度收縮成為了一點，只具有時域振蕩特性[8]。事故維度與時間維度相互正交，形成了波動空間。諧振子代表的工作單元的事故波動特性就體現在這個波動空間中。

1.諧振子的典型幾率密度

(1)平穩密度。諧振子平穩密度是指幾率密度不隨時間變化，一直保持確定的穩定值。對于內部不存在形變、外部沒有噪聲干擾的系統，其工序列一直保持穩定，每個循環往復過程都是同質的，事故幾率密度就能保持平穩，這是理想的狀態，實際上系統內存在形變(比如機器磨損)，系統外存在噪聲(比如突發沖擊)，使得系統幾率輸出不可能總是保持平穩，幾率密度的波動是不可避免的。

(2)高斯密度。高斯密度表現為一種鐘形分布。高斯形分布表明系統在某個時刻發生事故的可能性極大，且這樣的時刻僅有一個，其他距此時刻越遠的時刻發生事故的幾率越小。這種分布說明系統不同工序列之間存在差異，系統初始狀態穩定，之后的穩定性越來越差，到極點時最不穩定，最容易發生事故，過了極點時刻之后穩定性又開始逐步回升。從系統動力學角度看，系統狀態自不穩定焦點始，至穩定焦點終，中間狀態存在極限環。

2.幾率密度疊加

(1)幾率密度疊加是波動主體疊加的結果。工作單元可以被分解成若干子單元，各子單元自成系統，有自己的事故幾率波動狀態，當各子系統的事故類型相同時，對于整個系統來說，其幾率密度就要通過各子系統的密度疊加來得到，當然各子系統之間不存在相互作用。經典幾率狀態下，波動函數都是正值，波動函數疊加就是幾率密度疊加，不會發生什么干涉。

(2)行波模型。波動在一系列諧振子之間傳播而形成行波[8]。若干工作單元同時做著各自的諧振動，其中一些工作單元必然處于工序同步狀態，因而事故幾率振蕩也同步，也就是說處于行波的倍周期位置上的諧振子相位相同，而由于工作單元數量巨大，各自的開工時間隨機分布，因而諧振子分布均勻，必然形成相應的行波。行波與諧振子振蕩的區別就在于行波的波動空間比諧振子的多了主體維度，事故會在主體維度上游動，隨機出現在不同的點上，也就是不同的工作單元上。如果工作單元數量有限，那么很難完整刻畫行波波動特征。行波模型為研究事故在不同工作單元之間的分布提供了有效的方法。行波同樣有著類似于諧振子的典型幾率密度，而且疊加方法相同。

(3)偏振波模型。波動空間中的事故維度呈現多維情況時，波動呈現出偏振特性，不同事故的幾率波動特征充分體現在偏振過程中。偏振有兩大類，一是諧振子偏振，二是行波偏振。這兩類偏振波之間的差異在于波動空中是否有波動主體維度。事故維度多于一維時就存在偏振，不同事故維度之間相互正交，沒有交互作用，波動函數可以投影到不同事故維度上，形成波動分量函數。偏振波模型為研究不同事故之間的波動關系提供了有效的方法。疊加原理對偏振波也同樣適用。

(二)非經典幾率

1.態函數與幾率密度的關系。非經典幾率狀態下的幾率密度由態函數描寫，態函數取值可正可負，幾率密度疊加由態函數疊加來實現，存在幾率干涉現象。那么，態函數與幾率密度的關系就成為非經典幾率狀態下的重要問題，如何根據態函數計算出事故在時間或者主體維度任意一點出現的幾率密度就成為理論的關鍵。

態函數描寫了系統的幾率特性，其振蕩強度表征了幾率密度，最典型的強度計算方法是平方規則，至于使用什么規則，已經不是理論要解決的問題了。物理上的態函數模的平方規則是唯象的，只能通過實驗驗證其正確性。在幾率波動理論中采用模的平方作為計算幾率密度的方法也只是為了解釋幾率干涉現象而遵循的最為典型的一種規則，具體計算方法的確立還需要對系統特征進行具體分析。幾率波動總是源于某個實量的波動。比如壓力，可能壓力與事故幾率成正比，也可能壓力的平方與事故幾率成正比，還可能是其他函數關系。因此，對于不同系統，存在不同的事故幾率計算方法。

2.幾率干涉模型。幾率存在干涉現象，這是動態幾率的重要特征。如何描寫幾率的干涉過程，這是干涉模型要解決的重要問題。幾率干涉是態疊加原理的直接結果，源于可能性的相互消漲。系統事故可能產生于不同運動過程，這些過程之間可能存在彼此削弱或彼此促進的交互作用。比如同向行駛的兩個車輛構成的系統，其中右側車輛左偏行駛，這時兩車相蹭的幾率上升，如果此時左側車輛也同步左偏行駛，兩車相蹭的幾率下降，如果左側車輛采取反向動作，同步右偏行駛，相蹭幾率則加倍上升。總之，事故幾率不是獨立的、靜態的，而是受到交互作用，或消或漲的，也就是說，事故幾率并不取決于系統內單個子系統的狀態，而是取決于各子系統狀態的相互影響。

五、安全與生產力的關系

(一)生產力模型

生產力是工作單元的綜合性指標，表征了其生產輸出的能力。經濟與管理領域的研究多以勞動生產率為對象，對于生產力沒有一般性定義，通用的計算方法也很難見到。本文從生產系統安全性的波動角度出發，通過對波動函數的分析，結合相應的波動指標，提出了生產力的計算模型：

生產力=工序量2×效率

工序量是工序復雜程度的最簡單、最直接的度量，其與生產力正相關，效率也與生產力正相關。一般情況下，工序量對生產力的影響要比效率大，因此采用二次關系式來表征。二次關系是最典型的，當然也可以是更高次的，但是不管采用哪種關系式，都要通過經驗方法驗證之后確定。此公式的內涵在于，生產力突出表現在工序量指標上了，這是因為工序量更能代表系統技術水平，更能體現技術創新對生產力的重要性。工序量即波長λ，效率即頻率ω，生產力ρ=λ2×ω。生產力ρ恒定時，ω=ρ[]λ2=ρ×K2，其中K=1[]λ，K即波矢。

(二)基本推論

1.不相關關系。幾率波動函數描述了系統安全性波動狀況，當振幅一定時，密度函數在時間或主體維度上的積分大小取決于積分域的大小，也就是說積分時間長度或積分主體數量相同時，事故數量也相同，而波動函數的頻率和波長卻可以不同。因此，生產效率與事故數量之間不相關，工序量與事故數量之間也不相關，顯然生產力與事故數量之間也就不相關，生產力與事故量是描述系統特征的兩個相互正交的指標。

2.不確定關系。系統生產效率或工序量確定，系統在不同周期的幾率振幅都一樣，事故出現在任意時刻或任意主置的幾率都一樣，這種狀態下的事故是最不確定、最難估計的。也就是說，生產力確定了，事故出現的時刻或位置就不確定，反之，事故出現的時刻或位置確定了，生產力就不確定。

六、討 論

(一)關于波動函數

波動函數表征了系統的事故幾率密度，并不能描寫系統運行中的因果關系。如果有人問，現在事故在這里發生了，過一會兒事故又會哪里發生呢?對于這樣的問題，幾率波動理論將不予回答，因為這是個不恰當的問題[9]。幾率波動理論反映了系統事故的統計決定性，在這個理論中不是沒有決定性，而是沒有對于個別事件的決定性。

(二)關于系統指標

要完整描述系統的特征，生產力與事故量是不可缺少的兩個指標。另外，事故的連鎖反應是幾率波動理論以后要解決的問題，事故連鎖反應就是事故危害，之所以是事故，就是因為其連鎖反應的結果有危害性，否則只能稱為事件。事故危害與事故數量相對獨立，就是說危害大小是獨立于系統生產力和事故量的又一個指標。因此，系統特征可以通過生產力、事故量和危害度這三大指標來描述。由以上三個正交指標再加上時間維度構建的四維空間就成為描述系統動態特征的前提，為進一步描寫系統運動規律奠定了基礎。

參考文獻：

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[2] 姚慶國，黃渝祥.從社會變革看我國事故頻發的管理根源[J].中國安全科學學報，2005，15(6)：40-53.

[3] 于海勇，謝駿，金智新.事故發生的三種模式探討[J].中國安全科學學報，2005，15(1)：67-70.

[4] 施雨，李耀武.概率論與數理統計應用[M].西安：西安交通大學出版社，1998.

[5] 蘇汝鏗.量子力學[M].上海：復旦大學出版社，2001.

[6] 曾謹言.量子力學導論[M].北京：北京大學出版社，1998.

[7] 俞金壽.過程控制系統和應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[8] 胡海巖.機械振動基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

高斯消元法的基本原理范文2

雷電是一種極具破壞力的自然現象，其電壓可高達數百萬伏，瞬間電流更可高達數十萬安培。千百年來，雷電所造成的破壞可謂不計其數。落雷后在雷擊中心1.5-2Km半徑的范圍內都可能產生過電壓損害線路上的設備。雷電災害如同暴雨、颶風一樣都屬于氣象(自然)災害，它與水災、干旱、刑事犯罪、交通事故統稱為影響社會安全和經濟發展的六大災害。

一般而言，雷電災害具有突發性、多樣性、復雜性、破壞性和選擇性等特點。隨著現代化高新技術產業基礎――電子技術的迅速發展和廣泛運用，雷電災害跟蹤而至，還呈現出新的特點：受災面大大擴展，特別容易侵入與高新技術最密切的領域，損失和危害程度大大增加。近年來，隨著大量的數據設備和精密儀器應用的范圍日益廣泛，雷電損害造成的事故有逐年上升的趨勢。由于通訊計算機網絡精密設備內部結構的高度集中化，使設備耐受過電壓、過電流的能力下降，更易遭受雷電破壞。輕者可造成計算機終端和通信設備的接口損壞，使通信中斷，大量信息丟失或無法傳輸；嚴重者可導致網絡主機損壞，網絡系統癱瘓，工作無法進行。計算機網絡系統易遭受雷擊損壞的設備有：MODEM(調制解調器)、ROUTER(路由器)SWITC H(交換機)、HUB、網卡、通信卡、UPS、計算機電源及主板。

在雷電災害防御方面，縱觀人類防雷歷史，已有兩個多世紀，從建筑物防雷發展到供電防雷、電氣和電子設備防雷，現在已進入第四個階段即現代微電子設備防雷。防雷技術和產品，也隨著現代高新技術發展得到顯著發展，除傳統的避雷針引雷攔截技術外，已擁有消散削減、屏蔽隔離、抑制分流、疏導均衡等電位、優化接地泄放和雷電控測定位預警等技術，并相應研制出多種高科技的隔離裝置、信號浪涌保護器、電源浪涌保護器、高效接地防腐降阻劑等設備、器件和產品，出現了火箭與激光等人工影響雷電的裝置和雷電探測預警系統設備，這都為有效防御治理雷電災害奠定了技術和物質基礎。

雷電防護的基本理論

1、雷擊侵入設備的途徑

A、直接雷擊：是指雷電直擊在建筑物、動植物上，因電效應、熱效應和機械效應等造成建筑物等損壞以及人員的傷亡。一般防直擊雷是通過避雷裝置即接閃器(避雷針、避雷帶、避雷網、避雷線)引下線與接地裝置構成完整的電氣通路后將雷電流泄入大地。然而接閃器、引下線和接地裝置的導通只能保護建筑物本身免受直擊雷的損毀，但雷電會透過多種形式及途徑破壞電子設備。

B、感應雷擊：雷云放電時，在附近金屬導體上產生的靜電感應和電磁感應等現象稱之為感應雷擊。雷電在雷云之間或雷云對地的放電時過程中，會在附近的戶外傳輸信號線、埋地電力線、設備間連接線產生電磁感應并侵入設備，使串聯在線路中間或終端的電子設備遭到損害。感應雷雖然沒有直擊雷的猛烈，但其發生的幾率比直擊雷高得多。直擊雷只發生在雷云對地閃擊時才會對地面造成災害，而感應雷則不論雷云對地閃擊或者雷云對雷云之間閃擊，都可能發生并造成災害。此外直擊雷一次只能襲擊一個小范圍的目標，而一次雷閃擊都可以在較大的范圍內多個小局部同時產生感應雷過電壓現象并且這種感應高壓可以通過電力線、電話線等傳輸到很遠，致使雷害范圍擴大。

裝有避雷針的建筑物，可以避免雷擊損壞建筑物，但是雷擊通過避雷針的引下地線從建筑物頂端瀉放入大地或者附近發生雷擊的時候，會產生很強的電場，建筑物內的金屬物品均會產生感應電壓，這些感應電壓的高低隨著金屬形狀、距引下地線的距離和雷擊大小而變(根據IEC 61312標準，當雷擊擊中建筑物時，即使裝有避雷針，直擊雷電流的50％是通過引下線和接地系統入地，仍然會有大約50％的雷擊能量仍會分配到信號、電源系統)一旦您的電源輸入線、電話線、網絡信號線或其它電子設備的金屬引出、引入線感應到瞬間高壓，避雷針就無能為力了。感應雷擊破壞的主要對象是電子電氣設備。

C、電磁脈沖：由于雷電電流有極大峰值和陡度，在它周圍出現瞬變電磁場，處在這瞬變電磁場中的金屬導體會感應出較大的電動勢，而此瞬變電磁場，都會在空間一定的范圍內產生電磁作用，也可以是脈沖電磁波輻射，而這種空間雷電電磁脈沖波(LEMP)是在三維空間范圍里對一切電子設備發生作用。因瞬變時間極短或感應電壓很高，以致產生電火花，其電磁脈沖往往超過2.4高斯(約20KA／m)。依據GB／T2887-2000《電子計算機場地通用-規范》現代銀行、郵電、證券機房或營業柜臺普通應用微機進行貨幣存取、信息傳遞與交換，其對磁脈沖承受限度應小T800A／m，故在新機房建設或舊機房改造時應對防雷與磁屏蔽措施必須充分注意。

D、地電位反擊：建筑物的外部防雷系統(如避雷針、避雷網等)遭受直接雷擊，在接地電阻的兩端就會產生危險的過電壓，由設備的接地線、建筑物或附近的其他建筑物的外部防雷系統或其他自然接閃物(各種管道、電纜屏蔽管等)引入設備，造成設備的損壞。

2、雷擊防護的基本原理

所謂雷擊防護：就是通過合理、有效的手段將雷電流的能量盡可能的引入到大地，是疏導，而不是堵雷或消雷。一個完整的防雷系統包括兩個方面：直接雷擊的防護和感應雷擊的防護。缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潛在危險的。一般我們將其分為外部避雷和內部避雷兩部分。由避雷針(或避雷帶、避雷網)、引下線和接地系統構成外部防雷系統，主要是為了保護建筑物免受雷擊引起火災事故及人身安全事故；而內部防雷系統則是防止雷電和其它形式的過電壓侵入設備中造成損壞，這是外部防雷系統無法保證的，為了實現內部避雷，需對建筑物進出各保護區的電纜、金屬管道等安裝過電壓保護器進行保護并良好接地。

多級分級(類)保護原則：即根據電氣、微電子設備的不同功能、受保護的程序和所屬保護區域確定防護要點作分類保護；根據雷電和操作瞬間過電壓危害的可能通道，對電源線和數據、通信線路都應做多級層保護。

A、外部無源保護：在0級保護區即外部作無源保護，主要依靠避雷針(避雷網、避雷線、避雷帶)和接地裝置。保護原理：當雷云放電接近地面時，它使地面電場發生畸變。在避雷針(線)頂部，形成局部電場強度畸變，以影響雷電先導放電的發展方向，引導雷電向避雷針(線)放電，再通過接地引下線，接地裝置將雷電流引入大地，從而使被保護物免受雷擊。這是人們長期實踐證明的有效的防直擊雷的方法。建筑物的所有外露金屬構件(管道)，都應與防雷網(帶)，良好連接。

B、內部防護

(1)電源部分防護：雷電侵害主要是通過線路侵入。對高壓部分電力局有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把

對地的電力限制到小T-6000伏(IEC62.41)。線對線之間則無法控制。所以，對380伏低壓線路應進行過電壓保護，按國家規范應分三部分：建議在高壓變壓器后端到建筑總配電盤前端的電纜內芯線兩端應對地加裝電源浪涌保護器，作一級保護；在建筑總配電盤至各樓層分配電箱之間的電纜內芯線兩端應對地加裝電源浪涌保護器，作二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應對地加裝電源浪涌保護器，作為三級保護。目的是用分流(限幅)技術即采用高吸收能量的分流設備(電涌保護器)將雷電過電壓(脈沖)的能量分流泄入大地，達到保護目的。所以，分流、等電位技術中采用防護器的品質、性能的好壞是直接關系網絡防護的關鍵，因此，選擇合格優良的電源浪涌保護器至關重要。

(2)信號部分保護：對于信息系統，應分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據所屬保護區的級別確定，精細保護要根據電子設備的敏感度來進行確定。其主要考慮的如：衛星接收系統、電話系統、網絡專線系統、監控系統、工業控制系統等。建議在所有信息系統進入樓宇的電纜線輸入端，應對地加裝信號浪涌保護器，電纜中的空線對應接地，并做好屏蔽接地，其中應注意系統設備的在線電壓、電流、傳輸速率、按口類型等，以確保系統正常的工作。

(3)接地處理：在計算機機房的建設中，一定要求有一個良好的接地系統，因所有防雷系統都需要通過接地系統把雷電流泄入大地，從而保護設備和人身安全。如果機房接地系統做得不好，不但會引起設備故障，燒壞元器件，嚴重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統來解決。一般整個建筑物的接地系統有：建筑物地網(與法拉第網相接)、電源地(要求地阻小于10歐)、邏輯地(也稱信號地)、防雷地等，有的(如：lBM)公司要求另設專用獨立地，要求地阻小T4歐(根據實際情況可能也會要求小于1歐)。然而，各地必須獨立時，如果相互之間距離達不到規范要求的話，則容易出現地電位反擊事故，因此，各接地系統之間的距離達不到規范的要求時，應盡可能連接在一起，如實際情況不允許直接連接的，可通過等電位連接器實現等電位連接。為確保系統正常工作，應每年定期用精密的地阻儀表，檢測地阻值。接地裝置由接地極與～些附件、輔助材料組成。接地裝置的選材和施工主要決定于土質結構，即土壤的地阻率p。不同層土質結構不同，因而地阻率p不同，為增加接地裝置使用效率，可使用長效降阻劑。

C、有外部防雷措施同時更需要完善內部防雷措施

我們知道外部防雷措施中的避雷設施引下線在接閃以后，會有很大的瞬變電流通過，也就是說在周圍會產生很大的瞬變電磁場(LEMP)。因此，安裝了外部避雷措施不能代替內部防雷措施。再者，避雷針的工作原理是引雷，所以在概率上來說，安裝了避雷針以后，建筑物的避雷系統遭受雷擊的可能性會增大，也就是說LEMP發生的幾率會變大，過電壓產生點的距離會縮短(引下線處)，所以安裝了外部避雷措施的含有電腦網絡控制系統的建筑物更加需要安裝內部防雷措施。

設計依據

1、依據國際電工委員會IEC標準、法國NFC標準、德國VDE標準和中國GB標準與部委頒發的設計規范的要求，該建筑物和大樓內有計算機房等設備都必須有完整完善之防護措施，保證該系統能正常運作。這包括電源供電系統、不間斷供電系統，PLC、DCS、空調設備、電腦網絡、微波通信設備等裝置應安裝防雷保護裝置。

2、《建筑物電子信息系統防雷技術規范》GB 50343-2004

為防止和減少雷電對建筑物電子信息系統造成的危害，保護人民生命和財產安全，制定本規范。

本規范適用于新建、擴建、改建的建筑物電子信息系統防雷的設計、施工、驗收、維護和管理。

本規范不適用于易燃、易爆危險環境和場所的電子信息系統防雷。

在進行建筑物電子信息系統防雷設計時，應根據建筑物電子信息系統的特點，將外部防雷措施和內部防雷措施協調統一，按工程整體要求，進行全面規劃，做到安全可行、技術先進、經濟合理。

電子信息系統的防雷必須堅持預防為主、安全第一的原則。當需要時，可在設計前對現場雷電電磁環境進行評估。

電子信息系統應采用外部防雷和內部防雷等措施進行綜合防護

電子信息系統的防雷應根據環境因素、雷電活動規律、設備所在雷電防護區和系統對雷電電磁脈沖的抗擾度、雷電事故受損程度以及系統設備的重要性，采取相應的防護措施。

建筑物電子信息系統防雷，除應符合本規范外，尚應符合國家的有關標準的規定。

3、《電子計算機機房設計規范》GB 50174-93

為使電子計算機機房設計確保電子計算機系統穩定可靠運行及保障計算機工作人員有良好的工作環境，作到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量，制定本規范。

本規范適用于陸地上新建、改建和擴建的主機房建筑面積大于或等于140M2的電子計算機機房的設計。本規范不適用于工業控制用計算機機房和微型計算機機房。

電子計算機機房設計除應執行本規范的規定外，尚應符合國家現行有關標準和規范的規定。

4、《計算站場地安全要求》GB 9361-88

本標準規定了計算站場地的安全要求。本標準適用于各類地面計算站。不建站的地面計算機房，按本標準對計算機機房的有關要求執行。

改建的計算機機房參照本標準執行。

非地面計算機機房參照本標準執行。

5、《電子計算機場地通用規范》GB／T 2887-2000

本標準規定了計算場地定義、要求、測試方法與驗收規定。

本標準適用于各類電子計算機系統的場地，其他電子設備系統的場地可參照本標準執行。

6、《雷電電磁脈沖的防護》lEC61312

本標準為建筑物內或建筑物頂部信息系統有效的雷電防護系統的設計、安裝、檢查、維護；并對裝有這系統(如電子系統)的建筑物評估LEMP屏蔽措施的效率的方法。針對現有的防雷器(SPD)應用在防雷區概念安裝上提出相關的要求。

7、《SPD電源防雷器》IEC 61643

本標準對電源防雷器用于交直流電源電路和設備上，額定電壓在1 000Va.c或1 600Vd.c.電源防雷器分級分類測試和應用。

8、《SPD通訊網絡防雷器》1EC 61644

本標準對通訊網絡防雷器用于通信信號網絡系統，這類防雷器內置過壓過流元器件，額定電壓在1 000Va.c或1 500Vd.c。電源防雷器分級分類測試和應用。

現場情況

1、現場情況說明

蒙山轉播臺位于山東省中南部山區，年雷暴日為30天，屬中雷區。且雨季區來臨時雷電活動比較頻繁，近年經常出現雷擊事件損壞設備的情況。

蒙山轉播臺的轉播系統電源線路與信號饋線，是由戶外線纜架空將線路引入室內轉播系統，因此非常容易引入感應雷電磁脈沖造成設備損壞。

從以上幾個特點不難發現，從雷電防護角度來看，蒙山轉播臺的轉播系統一般都運行于“高風險”環境下，即對于雷害風險的“暴露程度”很高，因此需要采取強有力的防護措施。其電源線路至少應采取三級雷電防護，信號線路至少應采取一級雷電防護才能達到雷電防護的要求。

2、雷擊要素分析

能夠引入電源系統與信號系統的雷電流主要有：

1)當工業控制系附近有高聳建筑物避雷針避雷帶在攔擊大電流(一般為超過40KA)先導并經引下線將雷電流引進地的過程中，會在建筑周圍空間產生很強的電磁場，此時建筑物附近的電源線路與信號線路將會感應雷電流，雷電流隨線路進入設備而導致相應設備損壞。

2)當雷雨云之間、雷雨云于大地間放電時，雷閃電流的高頻電磁場對暴露在空間內的電源線、信號線等感應出過電壓，傳至設備使之損壞。

3)雷電流引起的“地電位反擊”。建筑物附近遭直接雷擊，進地雷電流使地電位迅速升高，以電阻方式耦合之中線或地線破壞設備。

4)接地不良。設備保護地、邏輯地未與防雷接地進行良好的等電位連接.無共用地網，雷電流不能快速暢通泄放至大地。

5)操作過電壓引起的危害。這大多發生在電容性、電感性設備的起停、輸電線路的短路，產生的工業干擾或操作過電壓在電源線上會產生5000-6000V、3KA浪涌過電壓及浪涌電流，它們對線路同樣會產生很大的破壞性后果。

從以上引進的雷電流的分析中可以得出：電源系統防雷與信號網絡系統防雷中，采用DBSE技術(即分流、均壓、屏蔽、接地)等措施予以保護。

必須對電源系統與信號網絡系統的線路進行可靠、有效的防雷保護工作，并具有可靠的接地系統裝置，才能切斷限制雷電導入的途徑，有效的避免或減少雷電對設備的損害。要求

針對轉播系統的10kV高壓線路防雷；380V電源防雷；微波天線塔的防直擊雷；變壓器室防雷接地。

設計內容

系統防雷是一項綜合性工程，主要包括外部防雷和內部防雷兩個方面：

外部防雷包括：避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等，泄放入大地。

內部防雷系統是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的。主要通過在需要保護設備的前端安裝合適的避雷器即過電壓保護，使設備、線路與大地形成一個有條件的等電位體。將可能進入的雷電流阻攔在外，將因雷擊而使內部設施所感應到的雷電流得以安全泄放入地。

蒙山轉播臺的防雷設計：

蒙山轉播臺位于蒙山山頂，部分微波天線安裝于70米高的鐵塔上，比較容易遭受直擊雷，所以要考慮防直擊雷。主要因為當直擊雷擊中的建筑物時會有很強的雷電流(平均40kA左右)，對于沒有做好直擊雷防備設施的建筑物，由于電壓降分布不均勻會造成局部高電位反擊，損壞設備，甚至傷害工作人員。其次是由于強大的直擊雷電流會使機房的地電位升高到幾萬伏甚至幾十萬伏，并且通過電力系統和信號電纜的接地點反饋到其它地方，同時殃及接在電網和通信網絡上的計算機設備，這種雷擊是對計算機破壞最嚴重的―種。

目前計算機網絡系統發展越來越成熟，它們對各行各業的滲透，給我們的工作、生產和生活帶來了越來越多的便利。但由此而帶來的人類對其越來越大的依賴也是令人不安的。由于無法預測感應雷的浪涌能量有著強大的破壞能力，以及它出現的時間、位置，我們無法預知。使得我們的轉播設備、計算機電源系統、PLC、DCS控制系統、網絡信號系統處于它的直接威脅之下，造成的系統癱瘓，不僅帶來直接的設備損失，還會造成數據丟失、生產停頓等危險。為了避免因雷擊、過電壓對設備及生產帶來的損失，唯有采用合理布線、屏蔽、等電位連接、加裝電源型或信號型浪涌保護器(SPD)等有效的辦法來防護，以減少損失。

1、蒙山轉播臺的微波天線防直擊雷的保護，我們選用法國法蘭西IF3提前放電型避雷針。

具體防護措施：

根據夏天雷雨云一般從西北與西南方向形成爬坡雷云到山頂造成直擊雷事故，因此在微波天線西北與西南方向山澗處各架設1座高50米的避雷塔，塔頂安裝法蘭西IF3提前放電型避雷針。攔截由此方向形成的爬坡雷云，提前將雷電泄放入地，從而達到保護微波天線的目的。

2、蒙山轉播臺10kV電源線路防雷，選用安徽凱立科技的TBP系列TBP―B／12,7、TBP-B／12.7W2過電壓保護器做防雷保護。

具體防護措施：

■在10kV架空高壓線埋地前，采用一套安徽凱立科技的TBP系列TBP-B／12.7W2室外型過電壓保護器，安裝在10kV架空高壓線埋地前的塔架位置。

在10kV地埋高壓線進入變壓器室內，采用一套安徽凱立科技的TBP系列TBP-B／12.7室內型過電壓保護器，安裝在10kV地埋高壓線進入變壓器室內的接線端子位置。

3、蒙山轉播臺380V電源，第一級防雷保護我們選用法國Soule的PU系列PU100 400 Res、PU65 400Res單極電源浪涌保護器做防護。

具體防護措施：

■變壓器二次側380V電源進入配電箱的開關處，采用法國Soule~PU系列PU 100 400 Res單極電源浪涌保護器4片，安裝在配電箱的開關的位置。

■發電機380V電源2路；微波機架380V電源1路進入配電箱的開關處，采用法國Soule的PU系列PU65 400 Res單極電源浪涌保護器4片，安裝在配電箱的開關的位置。

蒙山轉播臺380V電源，第二級防雷保護我們選用法國SouIe的PU系列PU40400單極電源浪涌保護器做防護。

具體防護措施：

■配電室市電380V電源1路；發電機380V電源2路；經濟臺380V主備電源2路；文藝臺380V主備電源2路；人民臺380V主備電源2路；山東衛視380V主備電源2路；中央臺380V主電源1路；齊魯臺380V主電源1路；發電機房車庫380V電源1路；機房380V電源1路；值班室控制臺380V電源1路進入配電箱的開關處，采用法國Soule的PU系列PU40 400單極電源浪涌保護器4片，安裝在配電箱的開關的位置。

蒙山轉播臺380V電源，第三級防雷保護在這里我們不再設計，因部分電源設備已經裝有第三極電源浪涌保護器做防護。

4、蒙山轉播臺變壓器室接地；2個獨立避雷針接地防雷保護，我們選用華甸防雷接地材料做防雷接地保護。

具體防護措施：

1)對于蒙山轉播臺變壓器室接地要求小于4Q。

利用空闊地帶采用打井鉆孔方式，接地極使用HD-JT-1型電解離子接地極4根作接地系統。每個接地極間隔10m打孔徑150mm,深度為15米的井，即地下比較潮濕的巖石土層。采用HD-120C型電鍍銅包鋼絞線作垂直與平行連接，平行連接電鍍銅包鋼絞線距離地面為1m深，連接點采用HD-RJ型熱熔模具與HD-RR熱熔焊劑配合使用。然后使用HD-J型降阻劑按每米使用25kG，將電解離子接地極與電鍍銅包鋼絞線包裹起來，然后回填阻值較低的土壤并夯實。接地系統的外引線連接點要做好防腐處理。

2)對于蒙山轉播臺2個獨立避雷針的地接地要求小于10Ω。