再谈电磁三重威胁及对关键设施的影响

本文作者于2009 年首次使用了“三重威胁”这个术语来描述三种严重的电磁威胁，并介绍了工业装置应对空间核爆炸产生的高功率电磁脉冲，罪犯和恐怖主义者使用电磁武器产生的有意电磁脉冲，以及太阳活动产生的严重地磁风暴这三种威胁的防护方法[1]。这篇以前发表的文章指出虽然这三种严重电磁威胁都是低概率事件，但它们的影响很大以至于必须关注对关键工业资产的防护。

说句题外话，三重威胁这个术语最初起源于二十世纪初期美国足球运动员快速移动，踢及扔足球这三个动作。这个术语已经用于其它运动，甚至是在某人或某事具有产生三种独立能力的产业。将这个术语用于本文中看起来有些奇怪，但事实表明虽然这三种威胁产生的方式完全不同，但都可以用相似的方式防护[1]。

       提到防护，众所周知在日常生活中有许多由电磁干扰引起的其他问题。今天我们面对越来越多的移动发射机（例如手机，平板等）以及工作在更高频率的其他发射机，例如：WIMAX, RFID, 汽车雷达等。而且，每种计算机辅助设备的新设计都必须考虑其对于日新月异的电磁威胁的电磁兼容敏感度水平。众所周知在电磁兼容范畴，高频分量更容易通过小缝（孔）穿入设备，使到达电路板的场强水平更高。虽然电路板的电磁兼容设计已经发展了数年了，但是很有必要减小到达电路板的电磁场水平，从而使防护方案更容易控制。

由于这些原因本文作者认为需要考虑建筑物和房间对于高功率电磁脉冲及有意电磁干扰高频分量的电磁防护，这也有助于减少日常的电磁干扰威胁。而且，如果在新建筑物的建设阶段就考虑了此类防护，那么产生的附加成本只是原来的百分之几。

英国工程技术学会于2013 年2 月14日在伦敦举办了一场特别研讨会，这是自2009 年以来关于“三重威胁”最为突出的进步。在下议院国防委员会的跟进下，这个研讨会为英国的研究者提供了进一步了解这些威胁的机会[3]。Anthony Wraight 博士是活跃于英国国际电工委员会高功率电磁脉冲标准化活动的一名成员，他组织了这场研讨会，这场研讨会成功展示了三重威胁可能的影响及防护方案。本文对这场研讨会进行了总结，并为读者提供了获取附加信息的链接。

研讨会程序

标题：强电磁- 关键设施的三重威胁[2]

1 欢迎词及简介 Anthony Wraight 博士；
2 重要汇报：对关键设施的三重威胁 William Radasky 博士,metatech ；
3 空间气候- 自然电磁危害 Mike Hapgood 教授, RAL 空间；
4 地磁干扰对GB 传输网络的影响 Andrew Richards 教授，国家电网；
5 英国高电压网络上的强电磁感应电流预测 Ciarán Beggan 博士，英国地质研究；
6 有意电磁干扰源研究综述 Edl Schamiloglu 教授，新墨西哥大学；
7 有意电磁干扰- 瑞典研究，测试和脆弱易损性评估的经验 Mats B ckstr m 博士，Saab AB 及Royal 技术研究所（KTH）；
8 关键设施三重威胁的潜在含义 Colin Harper, QinetiQ ；
9 结构性项目（关键设施应对电磁袭击的增强策略）John Dawson 教授，约克大学；
10 了解和管理系统对于电磁脉冲事件的风险及反应 Andy Titley, CMC and Dr James Kimmance, Parsons Brinckerhoff ；
11 通过应用标准以防护高功率电磁脉冲及有意电磁脉冲对关键设施的干扰 Richard Hoad 教授,QinetiQ。

汇报介绍

研讨会的组织者Anthony Wraight 博士介绍了研讨会的目的，并指出研讨会以分组的形式组成，最开始的分组主要介绍三重电磁威胁。接着是关于空间气候和地磁风暴对英国高电压电网威胁的3 个汇报。然后是关于有意电磁干扰的两个汇报。接着是关于这些电磁威胁含义和制定防护及应对策略方法的汇报。最后一个汇报是与这些威胁相关的日常标准化活动。

本文作者有幸受邀做重要报告介绍三重威胁的电磁特性，关于它们产生的机理，它们的时域波形，频率成分以及它们各自的覆盖范围。我还提供了这三种威胁造成大范围电力系统瘫痪及这种情况对电力电子器件的损害，从而使系统对于此种事件恢复能力减缓的特别信息。在报告的最后，我提到大家都知道缓减这些威胁的概念，尽管以节省成本的方式设计防护方案极为重要。国际电工委员会已经制定了高功率电磁脉冲和有意电磁干扰防护的标准，研讨会后面的报告会更为详细地对其进行介绍。

来自RAL 空间的Mike Hapgood 教授总结了由太阳引起的空间气候，包括各种关于太阳爆发的漂亮图像。他还回顾了许多太阳活动的历史性例子，以及这些活动对地球的影响；他认为这些事件能够让我们更好的理解太阳活动。他还强调常见的媒体对我们的理解没有帮
助，因为通常在这些带电颗粒到达地球之前，这些媒体就开始大肆宣传太阳活动的可能性。虽然在这种太阳活动周期中的太阳事件产生了一些地球束缚效应，但这些效应还是相对较小的。这导致公众认为太阳威胁言过其实。不幸的是我们知道曾经发生过严重的风暴，而且总有一天会再次发生。Hapgood 教授指出尽管大众媒体有自身的困难，但是科学团体准确估计下次来临的风暴，并为关键设置提供状态提醒是极为重要的。

来自英国国家电网的Andrew Richards 博士以讨论地磁风暴来到地球所产生的各种效应的形式开始了他的报告。然后他讨论了时变地磁场怎样耦合到高压线，严重情况时可能使变压器产生问题，其中包括：磁通泄露，电压不稳定，交流波形失真，以及可能的灾难性损害。他还总结了对地磁风暴影响国家电网高电压网络的研究成果，该高电压网络包括1400 多个变压器。他们根据变压器的设计种类，年龄和在各种地磁场景下观察到高水平地磁感应电流的可能性，将每个变压器的风险进行分类。他以总结他们将来在运行和工程缓减方面的计划结束了他的报告。

接下来，来自英国地质研究的Ciarán Beggan 博士介绍了在英国高电压网络中产生的高地磁感应电流，并对这些事件进行了计算。他指出计算地球电场的过程主要取决于磁场随时间的变化率（水平分量）及当地的土壤导电率。他们的方法主要在频域解决问题，这需要对时变磁场进行傅里叶分析。这个英国电网的模型是以最初的模型和最近更为详细的计算模型为基础的。采用这些模型从可能的观点考虑了许多将来可能发生的风暴的极端情况。他还描述了高功率电磁脉冲延迟分量（E3）所产生的可能效应，并总结由于它的脉冲宽度较短，因此它更可能产生快速功率阻塞，而不是对众多的变压器产生损害。

接下来的系列汇报主要关于有意电磁脉冲，Edl Schamiloglu 教授谈到了有意电磁干扰研究方面的进展。他综述了产生高功率微波并能为有意电磁脉冲武器供电的窄带源。他还从峰值功率与工作频率的关系方面讨论了不同类型窄带源的特性。他还讨论了从1940 年到现
在此类源的峰值功率能力的增加。他的报告的最后部分是关于产生体积更小的源的最新进展，主要关注于有意电磁干扰对工业设施的威胁。

接下来Mats B ckstr m 博士陈述了有意电磁干扰威胁民用基础设施的背景，总结了瑞典国防委员会在过去25年内对有意电磁干扰进行的广泛研究。他提到辐射和传导威胁都包括窄带和宽带波形。而且他还讨论了前门（例如频带内天线）和后门（通过非有意路径）耦合作用问题。他还回顾了一些过去数年内在瑞典进行的敏感度研究，评估了典型工业电子的性能。在他的报告结束部分他推荐将来团体应该研究有意电磁干扰对完整系统的影响，而不仅仅限于设备的特定模块。

接下来的三个报告覆盖了这些强电磁场的含义，来自QinetiQ 的Colin Harper 先生通过描述评估三重威胁作用现代社会功能的方式开始了他的报告。他回顾了由美国电磁脉冲委员会开展的一些工作以及处理这些严重电磁威胁的相关美国国会法案。他接着谈到由于运行需要复杂的通信能力，智能电网轻易就成为罪犯袭击的对象。在他的报告最后部分，他感到需要考虑许多因素，包括有意电磁干扰源的技术能力，它们的成本，以及根据其用途划分的效应类型。需要这些信息从而为每种情况确定适当的防护水平。

来自约克大学的John Dawson 的报告介绍了关于关键设施应对电磁袭击的增强策略的欧盟新项目。这是一个三年的项目，从2012 年7 月开始，于2015 年6 月完成。这个项目有12 个参与者及许多最终用户参加。项目的目标是：融合有意电磁干扰的现有研究；分析对于关键设施的风险；评估防护及探测方法；为最终用户和政策制定者提供指南，并在项目中与最终用户互动。

来自CMC 和Parsons Brinckerhoff 的Andrew Titley先生和James Kimmance 博士，各自陈述了他们关于评估和管理社会严重风险的观点。他们指出为了正确评估特定威胁的风险，理解本质，可能性，后果及不确定性极为重要。他们还讨论了“新兴风险”这个术语，新兴风险与那些我们可以通过频率和后果轻易识别的风险是不同的。使用新兴这个术语是由于这些风险与新技术和社会新依赖相关。缺乏数据和统计是这些新兴风险的一个特性，这造成了估计发生的频率和后果强度的困难。他们还讨论了不确定度的重要性，以及它们影响我们评估风险能力的方式。他们的汇报还包括将各种三重威胁投入到风险评估适当环境的方式。

来自QinetiQ 的Richard Hoad 博士最后做出汇报，他的汇报包括各个国际标准化组织完成的日常标准化活动。大部分标准都与此相关：与高功率电磁脉冲和有意电磁干扰相关的威胁波形，评估坚硬性和脆弱性的测试方法，以及国际电工委员会在日内瓦提出的防护方法。Hoad 博士是IEC SC 77C 工作组的秘书，该工作组制定了这些标准。他还提到ITU-T 为电信设备应对高功率电磁脉冲和有意电磁干扰威胁制定防护标准方面所做的工作，以及Cigré 在评估有意电磁干扰对高压变电站控制电子产生的威胁方面所做的工作。他强调虽然电磁协会指导怎样设计防护这些强电磁威胁，但是仍有必要评估防护需求及需要的等级。

总结

很有必要注意到虽然电磁三重威胁这个话题已经讨论很多年了，但这次在伦敦召开的一天研讨会在技术层面更新英国和其他国家开展的工作方面非常成功。希望对此有兴趣的专家学者可以下载和阅读这些报告以便加深他们的理解（首先连接到参考文献[2] 给出的链接）。本文作者希望将来多召开这种类型的研讨会以评估这个重要问题的进展。