本文選自中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2022年第4期

作者：吳琦，劉元安，聞映紅，趙明敏，王衛(wèi)民，張金寶，蘇東林

來源：重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖威脅與防護(hù)策略研究[J].中國工程科學(xué),2022,24(4):249-258.

編者按

重大基礎(chǔ)設(shè)施與國家現(xiàn)代化建設(shè)和運(yùn)行密切相關(guān)，若遭到破壞將對社會安全、經(jīng)濟(jì)安全、國防安全產(chǎn)生重大影響，因而基礎(chǔ)設(shè)施安全問題成為國家安全的核心要素之一。近年來，非核強(qiáng)電磁脈沖源生成技術(shù)逐步成熟并朝著普及化、隱蔽化方向發(fā)展，成為重大基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)實(shí)威脅類別，因此，重大基礎(chǔ)設(shè)施的電磁安全保障研究成為我國面臨的緊迫性、戰(zhàn)略性任務(wù)。

中國工程院蘇東林院士研究團(tuán)隊(duì)在中國工程院院刊《中國工程科學(xué)》2022年第4期發(fā)表《重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖威脅與防護(hù)策略研究》一文。文章以重大基礎(chǔ)設(shè)施的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅為研究對象，明確了概念內(nèi)涵并凝練了重大需求，梳理了先發(fā)國家在本領(lǐng)域所發(fā)布的國家政策、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、基礎(chǔ)研究、應(yīng)急管理等舉措；闡述了防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)體系，包括正向設(shè)計(jì)、等效試驗(yàn)評估、威脅監(jiān)測與預(yù)警等方面。在剖析我國重大基礎(chǔ)設(shè)施的非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)現(xiàn)狀及存在問題的基礎(chǔ)上，文章提出了強(qiáng)化政府領(lǐng)導(dǎo)、組織科研攻關(guān)、制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、激發(fā)企業(yè)活力、分類分階段實(shí)施防護(hù)加固、促進(jìn)人才培育、加強(qiáng)公眾培訓(xùn)等方面的基本策略。相關(guān)研究可為我國非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域建設(shè)與發(fā)展、提升國家應(yīng)對新型安全威脅能力提供基礎(chǔ)參考。

一、前言

重大基礎(chǔ)設(shè)施與國家現(xiàn)代化建設(shè)和運(yùn)行密切相關(guān)，若遭到破壞將對社會安全、經(jīng)濟(jì)安全、國防安全產(chǎn)生重大影響，因而基礎(chǔ)設(shè)施安全問題成為國家安全的核心要素之一。當(dāng)前，重大基礎(chǔ)設(shè)施的信息化、網(wǎng)絡(luò)化水平不斷提升，總體架構(gòu)變化明顯；傳感、通信、控制、數(shù)據(jù)存儲等低壓 / 弱電分系統(tǒng)在重大基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營及管理中的作用越發(fā)明顯，一旦受到干擾和破壞，直接危及基礎(chǔ)設(shè)施安全甚至社會安全與穩(wěn)定。國家重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨強(qiáng)電磁脈沖的潛在威脅，已逐漸成為各方共識。強(qiáng)電磁脈沖主要分為核電磁脈沖、非核電磁脈沖，都對電力、高速鐵路、通信等重大基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成威脅。近年來，非核電磁脈沖生成技術(shù)發(fā)展迅速并接近實(shí)用化，成為重大基礎(chǔ)設(shè)施安全方面的潛在威脅。

重大基礎(chǔ)設(shè)施具備多層次的連接關(guān)系，具有復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的基本特征，早期研究主要關(guān)注設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特征。我國110 kV及以上高壓電網(wǎng)具有較大的聚集系數(shù)、較小的路徑長度，屬于小世界網(wǎng)絡(luò)；我國高速鐵路網(wǎng)絡(luò)擁有一些關(guān)鍵集散節(jié)點(diǎn)，對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營安全起著關(guān)鍵作用，具有無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特征。因此，重大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)通常體現(xiàn)為小世界、無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)特征，對隨機(jī)故障、非關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)破壞具有較好的抵抗力，但面臨較大范圍的有意破壞或關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)故障時容易產(chǎn)生級聯(lián)失效，從而引發(fā)大規(guī)模故障。我國學(xué)者在重大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面開展了系統(tǒng)研究，就彈性電力系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃提出了具體建議。在重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖作用數(shù)值仿真、局部節(jié)點(diǎn)防護(hù)加固、局部節(jié)點(diǎn)強(qiáng)電磁脈沖輻照試驗(yàn)等方面具有一定基礎(chǔ)，為實(shí)施重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工程提供了必要的基礎(chǔ)條件。

本文以我國重大基礎(chǔ)設(shè)施的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅為研究切入點(diǎn)，總結(jié)發(fā)達(dá)國家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，剖析我國在本領(lǐng)域的短板與瓶頸，以利于運(yùn)用后發(fā)優(yōu)勢，科學(xué)高效地解決我國在此領(lǐng)域的重大安全隱患及風(fēng)險(xiǎn)；力求從系統(tǒng)工程的視角論述實(shí)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的需求意義、發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的問題、關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而提出實(shí)施重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)基本策略。

二、重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的概念內(nèi)涵與重大需求

（一）重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)概念

重大基礎(chǔ)設(shè)施指關(guān)乎國計(jì)民生、社會運(yùn)行、國家安全的大型設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，主要涉及電力、交通、通信、金融等核心領(lǐng)域。各類重大基礎(chǔ)設(shè)施相互支撐，形成緊密交織的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。部分設(shè)施節(jié)點(diǎn)的失效容易產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，難以快速恢復(fù)功能。世界強(qiáng)國重視重大基礎(chǔ)設(shè)施安全問題，甚至成立了專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行管理。

強(qiáng)電磁脈沖指瞬態(tài)、高能量密度的電磁場與電磁波，具有瞬時功率大（峰值功率達(dá)吉瓦級）、峰值場強(qiáng)高（數(shù)萬伏 / 米）、組合波形多變（如窄帶、寬帶、超寬帶、有載波、無載波等）、頻譜范圍寬（數(shù)兆赫茲至數(shù)十千兆赫茲，見圖1）等特征。高功率微波發(fā)生器、電磁脈沖發(fā)生器等技術(shù)裝置發(fā)展迅速，投放形式拓展至機(jī)載、彈載、車載、便攜式；甚至一些簡易裝置都能產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁脈沖，對重大基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成現(xiàn)實(shí)威脅。

圖1　強(qiáng)電磁脈沖的典型頻譜特征?

注：ω表示電磁脈沖的頻率。

以高速鐵路列車為例，闡述重大基礎(chǔ)設(shè)施可能面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅（見圖2）。高速鐵路列車控制系統(tǒng)主要由車載設(shè)備、地面設(shè)備組成，通過鐵路專用移動通信系統(tǒng)（GSM-R）實(shí)現(xiàn)車地雙向數(shù)據(jù)通信；為了向列車提供控制信號傳輸通道，高速鐵路通信信號系統(tǒng)需在設(shè)備之間提供開放的無線或電氣接口。這些接口是強(qiáng)電磁脈沖進(jìn)入高速鐵路通信信號系統(tǒng)的重要耦合通道，在強(qiáng)電磁脈沖作用下列車控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)損壞而引發(fā)故障并影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》（2019年）提出，我國將統(tǒng)籌開發(fā)時速600千米級的高速磁懸浮系統(tǒng)、時速400千米級的高速鐵路。在列車運(yùn)行速度進(jìn)一步提升后，對列車控制系統(tǒng)的抗干擾能力尤其是抗強(qiáng)電磁脈沖威脅能力將提出新的更高要求。

（二）重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)需求

1. 保障國家電磁域安全

國家日益重視電磁域安全，將之列為國家安全的核心要素之一并在《中華人民共和國國防法》中予以體現(xiàn)。重大基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)工作逐步規(guī)范，《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全保護(hù)條例》將信息基礎(chǔ)設(shè)施納入重點(diǎn)保護(hù)范圍。《“十四五”國家應(yīng)急體系規(guī)劃》提出了應(yīng)急通信、應(yīng)急管理信息化建設(shè)的重點(diǎn)工程，以全面提升我國應(yīng)急通信資源調(diào)度與綜合應(yīng)用能力。

當(dāng)前，我國針對重大基礎(chǔ)設(shè)施安全采取的防護(hù)措施集中在硬件實(shí)體安全、信息網(wǎng)絡(luò)安全方面，而電磁域安全尚未明確規(guī)劃。重大基礎(chǔ)設(shè)施的電磁域威脅“看不見、摸不著”，概念相對抽象、易被各方忽視，存在被他方惡意利用的風(fēng)險(xiǎn)。惡意的強(qiáng)電磁脈沖攻擊沒有明顯征兆，已經(jīng)布局的電磁頻譜監(jiān)測站點(diǎn)缺乏有效的電磁脈沖監(jiān)測手段，可能無法對各類強(qiáng)電磁脈沖事件進(jìn)行有效取證。各類重大基礎(chǔ)設(shè)施因缺乏有效的非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證而具有脆弱性，在特殊情況下可能使我國陷入“吃啞巴虧”的不利境地。因此，需要系統(tǒng)謀劃并積極實(shí)施重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)措施，有助于扭轉(zhuǎn)不利局面并保障重大基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行安全。

2. 應(yīng)對趨于嚴(yán)峻的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅態(tài)勢

高空核電磁脈沖（HEMP）對重大基礎(chǔ)設(shè)施的威脅為專業(yè)人士所熟知。20世紀(jì)60年代外國開展的一系列高空核武器試驗(yàn)，產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖影響了數(shù)千千米范圍內(nèi)的電力傳輸線，造成通信、廣播、交通等系統(tǒng)的大面積受損。《不擴(kuò)散核武器條約》生效后，世界強(qiáng)國的關(guān)注點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)向非核強(qiáng)電磁脈沖。

利用微波技術(shù)，可在重大基礎(chǔ)設(shè)施局部產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖，在一定距離內(nèi)干擾各類低壓 / 弱電設(shè)備，甚至在物理上燒毀重要的電子信息設(shè)備；高功率微波技術(shù)及其武器化方面發(fā)展迅猛，生成方式、作用機(jī)制等已有重大革新。大功率微波源不斷發(fā)展，最高載頻達(dá)數(shù)十吉赫茲，形成了常規(guī)真空器件、相對論器件、固態(tài)電子器件等大類（見圖3）。其中，相對論器件峰值輸出功率很高（可達(dá)數(shù)十吉瓦量級）；常規(guī)真空器件帶寬和功率選擇靈活，多個器件還可以進(jìn)行空間功率合成，峰值功率可到百兆瓦量級或更高；已經(jīng)涌現(xiàn)出了一些構(gòu)造簡單、成本低廉的非核強(qiáng)電磁脈沖發(fā)生裝置，潛在應(yīng)用更為靈活。非核強(qiáng)電磁脈沖攻擊事先難以預(yù)防管控，損失難以快速恢復(fù)，已成為重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的現(xiàn)實(shí)威脅。?

圖2　高速鐵路列車控制系統(tǒng)電磁干擾路徑示意圖

圖3　大功率微波源的分類

3. 合理提升公眾對電磁安全的認(rèn)知水平與危機(jī)意識

地震、火災(zāi)等災(zāi)害防范的成功經(jīng)驗(yàn)表明，相關(guān)自救知識的宣傳與演習(xí)，可以有效防止因公眾慌亂情緒而致的次生傷害及損失。為此，北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院就重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全課題開展了社會問卷調(diào)查（2021年），用于調(diào)研社會公眾對相關(guān)領(lǐng)域的了解情況，促進(jìn)電磁安全相關(guān)知識的社會普及。問卷調(diào)查共獲取有效樣本1060份，涵蓋高校、企業(yè)、科研院所等，整體上被調(diào)查者的學(xué)歷層次較高。然而，僅約1/3的被調(diào)查者了解“7·23甬溫線事故”源自雷擊效應(yīng)，不到1/5的被調(diào)查者了解美加大停電（2003年）源自地磁擾動（GMD）引發(fā)的變電器故障。可以看出，社會公眾對重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅問題的認(rèn)識水平整體偏低。

值得指出的是，問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)被調(diào)查者對電磁引發(fā)的重大基礎(chǔ)設(shè)施故障容忍度很低：約5.5%的被調(diào)查者能夠接受3 h以上的高速鐵路延誤；約8.5%的被調(diào)查者能接受3 h以上的停電；約5.1%的被調(diào)查者能接受3 h以上的通信中斷，而69.2%的被調(diào)查者不能接受任何時長的通信中斷。相關(guān)結(jié)果表明，社會公眾對電磁域威脅了解甚少，對可能引發(fā)的重大基礎(chǔ)設(shè)施故障難以接受；在普遍缺乏心理準(zhǔn)備的情況下，一旦發(fā)生相關(guān)故障，極有可能引發(fā)輿論和社會風(fēng)險(xiǎn)。

三、國外在重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面的戰(zhàn)略布局

（一）發(fā)布國家政策

美國在世界上率先啟動重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作。美國國會電磁脈沖委員會2001年正式成立，推動了覆蓋廣泛的理論分析和試驗(yàn)研究；2008年發(fā)布了10類重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的強(qiáng)電磁脈沖威脅與防護(hù)建議。2017年，美國國會完成電磁脈沖委員會重組，以全面推動強(qiáng)電磁脈沖對政治、經(jīng)濟(jì)、軍事等領(lǐng)域的影響研究；完成了體系性的研究工作，對后續(xù)科學(xué)研究深化、國家戰(zhàn)略制定極具參考價(jià)值。

在電磁脈沖委員會的倡議下，美國國會通過了《關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)法》（2015年）。2019年，有關(guān)重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全的總統(tǒng)政策指令要求，加強(qiáng)并維護(hù)重大基礎(chǔ)設(shè)施安全、運(yùn)行、彈性恢復(fù)等能力；美國據(jù)此進(jìn)入了強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的戰(zhàn)略實(shí)施階段。美國能源部發(fā)布的《電磁脈沖彈性行動計(jì)劃》（2017年）提出，提高對強(qiáng)電磁脈沖威脅、效應(yīng)、影響的認(rèn)識水平，定位重點(diǎn)關(guān)鍵設(shè)施，開展電磁防護(hù)技術(shù)測試。美國國土安全部發(fā)布的《防范電磁脈沖和地磁擾動威脅的應(yīng)對戰(zhàn)略》（2020年）指出，需要提升電磁相關(guān)事件的快速響應(yīng)與有效恢復(fù)能力；將16類基礎(chǔ)設(shè)施納入保護(hù)范圍并指定各類基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)管理機(jī)構(gòu)，從而更好落實(shí)重大基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)的安全工作。

（二）制定產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

目前，對于重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，美國工業(yè)界仍處于分析和觀望階段。其中，電力行業(yè)相對領(lǐng)先，針對GMD威脅制定了兩套行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。北美電力可靠性公司的TPL-007-1標(biāo)準(zhǔn)要求，負(fù)責(zé)輸電的電力公司以百年一遇級GMD事件為基準(zhǔn)，評估輸電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)并制定相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃。EOP-101-1行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，電力部門優(yōu)化作業(yè)計(jì)劃、生產(chǎn)流程、辦事程序，確保降低GMD事件的影響。美國電力公司之間依據(jù)協(xié)定，可以共享變壓器和其他關(guān)鍵設(shè)備以提高電力系統(tǒng)的恢復(fù)能力。電力部門協(xié)調(diào)委員會聯(lián)合其他關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施管理部門，共同制定了《變壓器應(yīng)急運(yùn)輸指導(dǎo)法案》，在緊急情況下可通過鐵路、公路、水路等方式，快速開展大型閑置變壓器設(shè)備的調(diào)配與部署。截至目前，重大基礎(chǔ)設(shè)施的非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)要求還沒有納入相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于重大基礎(chǔ)設(shè)施的普及性和特殊性，宜采用分級防護(hù)方式實(shí)施保護(hù)，以獲得較佳的效費(fèi)比。根據(jù)重大基礎(chǔ)設(shè)施允許的失效時長，可將強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)等級分為：級別一，允許長時間服務(wù)中斷；級別二，允許服務(wù)中斷數(shù)小時；級別三，允許服務(wù)中斷數(shù)分鐘；級別四，允許服務(wù)中斷數(shù)秒鐘。

① 級別一的關(guān)鍵點(diǎn)之一是確保值班人員擁有備用電源、食品、水及其他必要供應(yīng)，以運(yùn)行和維護(hù)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)。

② 級別二需要在電源線、數(shù)據(jù)線、天線端增加電磁脈沖濾波器、電涌放電器等防護(hù)器件，無需昂貴的電磁屏蔽室，是成本效益較好的防護(hù)方法。

③ 級別三通常需要電磁屏蔽機(jī)架、電磁屏蔽室。

④ 級別四適用于直接關(guān)乎生命和財(cái)產(chǎn)安全的基礎(chǔ)設(shè)施（如核電站、醫(yī)療生命支持系統(tǒng)、空中交通管制系統(tǒng)、高速鐵路控制系統(tǒng)等），建議高頻電磁脈沖的屏蔽效果應(yīng)達(dá)到在10 GHz范圍內(nèi)提供80 dB的保護(hù)。

（三）注重基礎(chǔ)研究

美國高度重視HEMP、GMD對重大基礎(chǔ)設(shè)施的災(zāi)難性破壞作用。美國國會電磁脈沖委員會研究了強(qiáng)電磁脈沖干擾對10類基礎(chǔ)設(shè)施造成的風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為能源和通信基礎(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)等級最高。為此，美國能源部啟動了“電網(wǎng)強(qiáng)電磁脈沖作用與防護(hù)研究項(xiàng)目”（2016年），從威脅特征分析、電磁易損性、試驗(yàn)模擬、防護(hù)加固等方面開展研究；基礎(chǔ)設(shè)施的電磁防護(hù)具有高度復(fù)雜性和多學(xué)科交叉融合特點(diǎn)，相關(guān)研究主要依托橡樹嶺、洛斯·阿拉莫斯、愛達(dá)荷等國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室分析了電網(wǎng)設(shè)施在HEMP作用下的損毀效應(yīng)統(tǒng)計(jì)規(guī)律；開發(fā)了基于氮化鎵材料、響應(yīng)速度為亞納秒級的瞬態(tài)抑制二極管，擊穿電壓達(dá)6 kV。這些結(jié)果表明，美國在電網(wǎng)強(qiáng)電磁脈沖作用及防護(hù)方面走在世界前列。

歐盟通過第七框架計(jì)劃資助了重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面的研究，如高功率微波威脅防護(hù)、重大設(shè)施電磁攻擊防護(hù)策略、鐵路應(yīng)對電磁攻擊安全防護(hù)，重點(diǎn)關(guān)注高功率微波武器產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖威脅。

（四）加強(qiáng)應(yīng)急管理與培訓(xùn)

為了提升社會公眾對重大基礎(chǔ)設(shè)施可能面臨安全威脅的認(rèn)知，美國政府開展了大量的應(yīng)急響應(yīng)工作。GridEx演習(xí)每兩年舉行一次，以強(qiáng)化行業(yè)對重大基礎(chǔ)設(shè)施故障的處置能力為目標(biāo)，確保事故發(fā)生時能夠有序應(yīng)對；不僅能夠提高電力公司、管理部門的聯(lián)合應(yīng)對能力，也有利于緩解社會公眾在重大事故發(fā)生時的慌亂情緒。例如，2021年11月舉辦的GridEx Ⅵ演習(xí)，設(shè)定了“在面對來自敵對國家支持的協(xié)調(diào)攻擊時，發(fā)揮北美電力系統(tǒng)的彈性”目標(biāo)，超過450個組織，來自電力行業(yè)、管理部門、專門機(jī)構(gòu)的6500余人參加了演習(xí)。這表明，美國已經(jīng)將有組織的惡意攻擊納入重大基礎(chǔ)設(shè)施的管理范圍。

四、重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)分析

電磁防護(hù)指消除強(qiáng)電磁輻射對信息化系統(tǒng)干擾或損傷的技術(shù)手段，構(gòu)成保障重大基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)效能及生命力的理論基礎(chǔ)。基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)需要解決政策、管理、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、效益等諸多問題。我國在此領(lǐng)域的技術(shù)研究方面起步明顯偏晚、認(rèn)識普遍不深，更是需要組織力量、集中資源，扎實(shí)開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)并盡快取得突破。

（一）強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)正向設(shè)計(jì)技術(shù)

重大基礎(chǔ)設(shè)施普遍涉及芯片、電路、模塊等基礎(chǔ)器件 / 設(shè)備，在強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下呈現(xiàn)電磁易損特點(diǎn)，出現(xiàn)的錯誤和損毀效應(yīng)還可能在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳播，開展防護(hù)工作難度極大。從各類裝備的系統(tǒng)級電磁兼容及防護(hù)研制經(jīng)驗(yàn)看，實(shí)現(xiàn)重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)能力依賴正向設(shè)計(jì)技術(shù)，主要內(nèi)容包括：

① 電磁防護(hù)指標(biāo)體系，即電磁防護(hù)論證、設(shè)計(jì)與試驗(yàn)指標(biāo)體系；

② 電磁防護(hù)仿真模型，形成高保真度的系統(tǒng)模型和電磁效應(yīng)動態(tài)仿真技術(shù)；

③ 電磁防護(hù)設(shè)計(jì)方法，解決電磁頂層指標(biāo)分配問題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的智能化設(shè)計(jì)；

④ 電磁防護(hù)正向設(shè)計(jì)軟件，圍繞重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁防護(hù)需求，自主開發(fā)正向設(shè)計(jì)工具，形成設(shè)計(jì)方案并開展模型驗(yàn)證。

（二）設(shè)施級強(qiáng)電磁脈沖等效試驗(yàn)評估技術(shù)

重大基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)具有超廣域分布特性，強(qiáng)電磁脈沖與其作用的機(jī)理及規(guī)律尚未完全摸清，破壞性試驗(yàn)難以在真實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)上開展。等效試驗(yàn)評估技術(shù)用于解決上述難題，主要內(nèi)容包括：

① 電磁脈沖端口耦合特性，形成大型系統(tǒng)電磁易損性效應(yīng)模型、效果評估模型建模技術(shù)；

② 電磁脈沖在設(shè)施網(wǎng)絡(luò)中的傳播動力學(xué)，辨識電磁脈沖在電磁拓?fù)鋬?nèi)的能量耦合規(guī)律，突破基于傳播動力學(xué)的建模技術(shù)；

③ 電磁脈沖的高效生成與注入，發(fā)展在時間 / 空間 / 頻率 / 能量等各域的精確縮比模型構(gòu)建方法，實(shí)現(xiàn)電磁脈沖效應(yīng)的等效驗(yàn)證。

（三）超廣域強(qiáng)電磁脈沖威脅監(jiān)測與預(yù)警

重大基礎(chǔ)設(shè)施遍布全國各地，構(gòu)成了超廣域、多層次的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；強(qiáng)電磁脈沖作用于基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)時不留痕跡，造成設(shè)施故障時不容易厘清源頭，難以形成有效的故障修復(fù)方案。構(gòu)建高效能、低成本的電磁脈沖威脅監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，是解決上述問題的亟需方案，主要內(nèi)容包括：

① 電磁脈沖監(jiān)測，突破低成本、小型化電磁脈沖拾取天線、采集電路、存儲方法；

② 電磁脈沖智能識別，辨識典型強(qiáng)電磁脈沖信號特征，形成智能化電磁脈沖識別分析能力；

③ 廣域電磁數(shù)據(jù)處理，通過分布式 / 集中式相結(jié)合的廣域物聯(lián)網(wǎng)等方式，形成廣域電磁脈沖態(tài)勢監(jiān)測能力；

④ 電磁脈沖威脅預(yù)警，構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施威脅預(yù)警信息傳遞及共享機(jī)制，引入人工智能、大數(shù)據(jù)預(yù)測等技術(shù)，提升電磁脈沖威脅預(yù)警能力。

五、我國重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)現(xiàn)狀及存在的問題

（一）研究力量較為分散

我國在重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全領(lǐng)域的科學(xué)研究工作相對分散，缺乏專門從事電磁安全研究的科研機(jī)構(gòu)，尚未建立相關(guān)領(lǐng)域人才培育的學(xué)科體系，國家層面的重大科技項(xiàng)目布局剛剛起步。正是由于缺少專門從事電磁安全研究的國家級科研機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致在重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力存在較大不足，設(shè)計(jì)手段、試驗(yàn)評估、決策輔助等方面的短板尤為明顯。重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全正向設(shè)計(jì)軟件、電磁安全試驗(yàn)評估理論方法、設(shè)施設(shè)備電磁安全數(shù)據(jù)庫、關(guān)鍵電路芯片電磁安全模型庫等，多為空白或存在嚴(yán)重不足。

目前，我國的行業(yè)研究院牽頭開展了一些重大基礎(chǔ)設(shè)施的雷電脈沖防護(hù)技術(shù)研究，如中國電力科學(xué)研究院有限公司、中國信息通信研究院、中國通號研究設(shè)計(jì)院等為提升電力、通信、高速鐵路等領(lǐng)域的雷電防護(hù)設(shè)計(jì)水平做出了積極貢獻(xiàn)。然而，行業(yè)研究院在電磁安全領(lǐng)域配置人員嚴(yán)重不足，加之相關(guān)業(yè)務(wù)不屬于主要工作職責(zé)，因而往往無法在本領(lǐng)域的基礎(chǔ)性、前瞻性研究中投入足夠力量。

已有的國際經(jīng)驗(yàn)表明，以國家實(shí)驗(yàn)室為核心組建“產(chǎn)學(xué)研用”一體化研究力量體系，是解決重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全科學(xué)技術(shù)問題的有效途徑。相比之下，我國在重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)方面投入不足，多學(xué)科 / 多領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)、關(guān)鍵軟硬件自主研發(fā)、重大工程實(shí)施管理等仍有較大提升空間，不足以支撐高度復(fù)雜、廣域異構(gòu)的重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)實(shí)際需要。

（二）核心防護(hù)器件相較國際一流水平有差距

核心防護(hù)器件是支撐重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的“基礎(chǔ)”，在實(shí)施基礎(chǔ)設(shè)施防護(hù)工程實(shí)踐中的費(fèi)用占比較高。未來產(chǎn)值規(guī)模發(fā)展?jié)摿捎^且科技含量較高，是國家適宜大力拓展的產(chǎn)業(yè)方向。我國在此方向擁有一定的技術(shù)儲備，可加強(qiáng)頂層規(guī)劃和資源整合以取得較快發(fā)展。

核心防護(hù)器件可分為多個等級（見圖4），相應(yīng)的電磁防護(hù)能力應(yīng)逐級提升，即滿足下一層次的電磁防護(hù)層級時應(yīng)自動滿足上一層次的電磁防護(hù)能力。

① 等級一主要面向基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵部件和備件的存儲，防止各類強(qiáng)電磁脈沖影響電磁易損器件安全。

② 等級二是提升重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全能力的高效類別，包含浪涌防護(hù)、濾波防護(hù)、不間斷電源等，可作為未來我國著重提升的產(chǎn)業(yè)內(nèi)容。

③ 等級三主要面向電路、板卡，涉及的各類瞬態(tài)抑制器件（如氣體放電管、金屬氧化物壓控電阻、瞬態(tài)電壓抑制二極管等）選擇面較寬；若面臨納秒級強(qiáng)電磁脈沖或頻率較高的高功率微波脈沖，已有器件能力存在不足，是短期內(nèi)著重提升的產(chǎn)業(yè)方向。

圖4　電磁核心防護(hù)器件的分級及相應(yīng)模組產(chǎn)品情況

注：TVS表示瞬變電壓抑制二極管；MOV表示壓敏電阻器；國外數(shù)據(jù)源自Mouser等平臺，國內(nèi)數(shù)據(jù)源自Mouser、阿里巴巴等平臺，數(shù)據(jù)采集時間為2021年12月。

六、我國重大基礎(chǔ)設(shè)施非核強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)基本策略

（一）強(qiáng)化政府領(lǐng)導(dǎo)

國家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)，需要建立國家重大基礎(chǔ)設(shè)施的頂層管理機(jī)構(gòu)，統(tǒng)籌并協(xié)調(diào)管理部門、企業(yè)、科研院所、高校和社會力量。參考相關(guān)安全領(lǐng)域的組織架構(gòu)，論證提出了國家重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全體系建議方案（見圖5）：在電磁安全領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一組織下，分設(shè)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)、應(yīng)急管理協(xié)同、協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)、專家委員會等，圍繞安全管理體系、安全技術(shù)體系、安全運(yùn)行體系三方面開展工作。

圖5　國家重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全體系

在強(qiáng)化組織及運(yùn)作的過程中，宜充分汲取發(fā)達(dá)國家的成功經(jīng)驗(yàn)，盡快補(bǔ)齊政策、管理、法律、技術(shù)等薄弱環(huán)節(jié)，支持建設(shè)覆蓋全國的應(yīng)急預(yù)警、應(yīng)急通信、應(yīng)急管理等系統(tǒng)。

（二）組織科研攻關(guān)

重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)涉及到全社會、眾多行業(yè)，需要集中優(yōu)勢力量開展科學(xué)技術(shù)問題研究。建議實(shí)施國家科技重大專項(xiàng)，采用“揭榜掛帥”等多種形式來組織科研力量，選取具有代表性和緊迫性的基礎(chǔ)設(shè)施，開展強(qiáng)電磁脈沖作用機(jī)理規(guī)律、系統(tǒng)安全架構(gòu)、關(guān)鍵薄弱區(qū)域防護(hù)、設(shè)施網(wǎng)絡(luò)級試驗(yàn)評估等核心科學(xué)技術(shù)攻關(guān)研究；探究重大基礎(chǔ)設(shè)施與生產(chǎn)、商業(yè)、金融、經(jīng)濟(jì)、居民生活等的關(guān)聯(lián)程度，明晰設(shè)施故障對社會穩(wěn)定的影響模式。

電力網(wǎng)絡(luò)、高速鐵路、移動通信等已經(jīng)成為國家“名片”，相關(guān)產(chǎn)品具有國際市場的比較優(yōu)勢，競爭力強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值占比較高，適合作為優(yōu)先開展電磁安全科學(xué)研究和技術(shù)攻關(guān)的細(xì)分領(lǐng)域。著力提升相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)設(shè)施安全等級，進(jìn)一步創(chuàng)造我國工業(yè)產(chǎn)品的良好國際形象。

（三）制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

國家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)是具體落實(shí)到各行業(yè)的工程實(shí)踐，亟需建立適應(yīng)國情的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定，關(guān)鍵在于“知己知彼”：“知己”指掌握重大基礎(chǔ)設(shè)施電磁安全的基本情況和數(shù)據(jù)，對薄弱環(huán)節(jié)、損傷閾值、損傷效應(yīng)等做到明確辨識；“知彼”即分析當(dāng)前已有的非核強(qiáng)電磁威脅源特征，預(yù)測威脅源的中長期發(fā)展趨勢，尤其是從威脅源在基礎(chǔ)設(shè)施上的作用效應(yīng)著手開展相關(guān)參數(shù)分析。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的制定還需“有所側(cè)重”。對于已有基礎(chǔ)設(shè)施的電磁防護(hù)加固，應(yīng)重點(diǎn)發(fā)展具有良好成本效益的防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)狀檢測方法；對于未來新建的重大基礎(chǔ)設(shè)施，需明確電磁防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)規(guī)范；積極探索強(qiáng)電磁脈沖威脅預(yù)警機(jī)制及響應(yīng)策略。

（四）激發(fā)企業(yè)活力

重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作是復(fù)雜的管理與工程問題，經(jīng)濟(jì)成本對工程實(shí)踐的成功與否起到關(guān)鍵作用。為了支撐重大基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工程的順利開展，宜充分激發(fā)企業(yè)活力，合理給予金融、稅收等優(yōu)惠政策；支持電磁防護(hù)核心軟件、防護(hù)模組、防護(hù)器件的自主研發(fā)，推動形成新的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)并穩(wěn)步實(shí)現(xiàn)“走出去”。

（五）分類分階段實(shí)施防護(hù)加固

依據(jù)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，開展國家重大基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)評級、關(guān)鍵重大基礎(chǔ)設(shè)施及其重要任務(wù)系統(tǒng)定位；對于高優(yōu)先級的重大基礎(chǔ)設(shè)施，優(yōu)先進(jìn)行防護(hù)加固工作。

按照重大基礎(chǔ)設(shè)施所處的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)等不同階段，制定基礎(chǔ)設(shè)施的防護(hù)加固計(jì)劃。對于新建的基礎(chǔ)設(shè)施，建議依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證；對于已有的基礎(chǔ)設(shè)施，可以與設(shè)施維護(hù)、大修過程相結(jié)合，主要針對重要的任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行加固。

建議統(tǒng)籌分析關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施所需電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、人員支持系統(tǒng)的特點(diǎn)，規(guī)劃并建設(shè)覆蓋全國的專網(wǎng)系統(tǒng)，保持極端條件下重大基礎(chǔ)設(shè)施的彈性。

（六）促進(jìn)人才培育

國家重大基礎(chǔ)設(shè)施的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)工作跨越工學(xué)、數(shù)學(xué)、管理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科門類，需要跨學(xué)科、綜合性人才，而目前我國具備相關(guān)知識的人力資源較為缺乏。接受專門培育的電磁安全人才，需要具備深厚的數(shù)理基礎(chǔ)；系統(tǒng)開設(shè)電磁類專業(yè)課程，需要良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)條件、科研實(shí)踐平臺。

從目前掌握的情況看，除少數(shù)“雙一流”建設(shè)高校和建設(shè)學(xué)科外，眾多高校的電磁類專業(yè)課程學(xué)時數(shù)量大幅縮減，“教師難教、學(xué)生難學(xué)”成為普遍現(xiàn)象，導(dǎo)致人才培養(yǎng)數(shù)量和質(zhì)量不容樂觀。因此，亟需在已有的學(xué)科體系中積極探索并盡快形成電磁安全專門人才培育體系，適時組建電磁安全學(xué)科。

（七）加強(qiáng)公眾培訓(xùn)

居民的日常生活依賴于完好的重大基礎(chǔ)設(shè)施，基礎(chǔ)設(shè)施的重大故障必然嚴(yán)重影響居民的生活和生產(chǎn)活動。建議充分汲取地震應(yīng)急避險(xiǎn)工作的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，從“事前”“事中”“事后”三個維度加強(qiáng)社會公眾的知識培訓(xùn)以合理提升風(fēng)險(xiǎn)意識；如若出現(xiàn)相關(guān)極端事件，盡量減少社會公眾的恐慌情緒。

可綜合采用各種方式來加強(qiáng)公眾培訓(xùn)工作，設(shè)立“基礎(chǔ)設(shè)施安全日”，開展各類緊急情況下的演習(xí)，穩(wěn)步提升社會公眾的認(rèn)知、應(yīng)急、自救能力。

七、結(jié)語

本文分析了重大基礎(chǔ)設(shè)施面臨的非核強(qiáng)電磁脈沖威脅，結(jié)合國情提出了針對性的防護(hù)策略建議；研究內(nèi)容涉及電力、交通、通信等類別的基礎(chǔ)設(shè)施，覆蓋面較為寬泛，在未來重大工程實(shí)踐中應(yīng)科學(xué)實(shí)施以促進(jìn)穩(wěn)健發(fā)展。電力能源供給一直是保障各類重大基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行的共性關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可視為重大基礎(chǔ)設(shè)施的“基礎(chǔ)”；在能源轉(zhuǎn)型背景下，電力系統(tǒng)的開放性、復(fù)雜性不斷提升，潛在極端事件威脅下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)急劇增大。因此，可率先開展電力系統(tǒng)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)示范工程，將有效應(yīng)對非核強(qiáng)電磁脈沖威脅極端事件作為示范工程建設(shè)的核心目標(biāo)。

在實(shí)施過程中，可依托部分新建基礎(chǔ)設(shè)施開展試驗(yàn)驗(yàn)證，同時積極吸納社會力量和資本參與，盡快解決其中的科學(xué)問題、技術(shù)問題、工程問題；及時總結(jié)以形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，逐步向已有設(shè)施推廣應(yīng)用。在相關(guān)基礎(chǔ)理論和技術(shù)攻關(guān)方面，前瞻性布局非核強(qiáng)電磁脈沖的威脅源特性、傳播規(guī)律、作用機(jī)理研究，掌握強(qiáng)電磁脈沖作用下的電力系統(tǒng)薄弱節(jié)點(diǎn)與敏感設(shè)備；明晰電磁敏感傳播路徑與影響規(guī)律，預(yù)測電力系統(tǒng)可能遇到的強(qiáng)電磁脈沖攻擊模式及規(guī)模等級；研制電磁防護(hù)元器件、模塊和裝置，掌握電力系統(tǒng)中易損器件 / 板卡 / 設(shè)備的快速恢復(fù)技術(shù)。

作者介紹

蘇東林，電磁兼容領(lǐng)域?qū)＜遥袊こ淘涸菏俊?/p>

主要從事電磁安全、電磁兼容和電磁環(huán)境效應(yīng)、電磁場與微波技術(shù)方面的研究。

編輯：黃飛

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