危化品道路運輸路線安全風(fēng)險演化系統(tǒng)動力學(xué)仿真*

孫廣林， 劉君

(公安部道路交通安全研究中心， 北京 100062)

?；肪哂幸兹?、易爆、毒性等，危化品道路運輸?shù)娘L(fēng)險高，從風(fēng)險致因要素出發(fā)明晰運輸安全風(fēng)險演化過程及規(guī)律，對?；愤\輸路線事故風(fēng)險防控具有重要意義。危化品道路運輸系統(tǒng)是由復(fù)雜關(guān)聯(lián)的若干元素及子系統(tǒng)組成的動態(tài)系統(tǒng)，包含人、物、環(huán)境、管理單因素耦合風(fēng)險和多因素耦合風(fēng)險。陳曉等采用N-K模型量化危化品道路運輸風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)耦合過程中參與的風(fēng)險因素越多，事故發(fā)生的概率越大。科學(xué)的風(fēng)險防控措施能有效預(yù)防?；愤\輸車輛事故，通過系統(tǒng)動力學(xué)方法仿真分析不同安全管理策略對運輸風(fēng)險的影響，發(fā)現(xiàn)危險行為處罰與問責(zé)措施與運輸風(fēng)險信息總量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，信息反饋渠道建設(shè)與運輸風(fēng)險信息總量成正相關(guān)關(guān)系。此外，危化品運輸風(fēng)險評估對于風(fēng)險控制策略選擇具有重要參考意義。20世紀(jì)80年代開始美國運輸部制定了一系列危險品運輸風(fēng)險評價指南，多類危險品運輸風(fēng)險評估方法逐漸完善。中國?；愤\輸風(fēng)險評估主要是從歷史事故特征中識別風(fēng)險因素，建立評價指標(biāo)體系和風(fēng)險評估模型，依據(jù)風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)劃分風(fēng)險等級或接受值域。危化品運輸風(fēng)險評估中，除交通事故風(fēng)險外，還需考慮儲罐安全閥泄漏等非交通事故風(fēng)險及未來新技術(shù)的研究特征和預(yù)期成果對風(fēng)險的影響。應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法研究系統(tǒng)安全問題，能結(jié)合定量與定性分析的優(yōu)勢，從內(nèi)部機(jī)制、微觀結(jié)構(gòu)建模，模擬系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與動態(tài)行為的關(guān)系，適合于分析?；愤\輸風(fēng)險演化過程。該文采用系統(tǒng)動力學(xué)方法建立系統(tǒng)變量間的因果關(guān)系和反饋路徑及風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)方程，描述?；愤\輸路線安全風(fēng)險演化過程，通過實例仿真不同安全成本投入及配置情景，得到系統(tǒng)各類風(fēng)險演化趨勢，為防控危化品運輸路線安全風(fēng)險提供指導(dǎo)。

1 風(fēng)險演化過程與模型

1.1 系統(tǒng)邊界與風(fēng)險因素

(1) 系統(tǒng)邊界。劃分系統(tǒng)邊界的目的是確定?；愤\輸安全系統(tǒng)包含的風(fēng)險要素及風(fēng)險要素之間的相互作用關(guān)系，形成完整的閉合回路。依據(jù)?；愤\輸路線歷史交通事故致因及形態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，運輸風(fēng)險因素可歸結(jié)為人員、車輛、環(huán)境和管理4個方面，各因素間相互作用表現(xiàn)為交通事故發(fā)生的概率及損失。此外，風(fēng)險要素相互影響不包含惡劣天氣、不可抗力等外部事故致因。

(2) 風(fēng)險因素。?；愤\輸路線交通安全風(fēng)險因素，既是誘發(fā)交通事故風(fēng)險的誘因，也是風(fēng)險演化傳導(dǎo)的載體。其主要影響如下：1) 人的失誤。人員風(fēng)險包括駕駛?cè)撕凸芾砣藛T風(fēng)險，人在從事運輸或安全管理的過程中，由于安全行車意識和從業(yè)能力的限制，導(dǎo)致出現(xiàn)高風(fēng)險行為。2) 車輛故障。?；愤\輸車輛長時間運行致使可靠性下降，造成車輛故障引發(fā)車輛安全風(fēng)險。3) 環(huán)境干擾，?；愤\輸環(huán)境主要由道路環(huán)境和交通環(huán)境組成，其綜合影響可采用交通事故進(jìn)行表征，其中道路環(huán)境中線形設(shè)計指標(biāo)要素與交通事故直接相關(guān)。4) 管理缺陷。通過?；愤\輸車輛GPS與遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，可實現(xiàn)遠(yuǎn)端安全風(fēng)險預(yù)警，實時發(fā)布安全提示等管理干預(yù)措施，有效降低運輸安全風(fēng)險。

1.2 風(fēng)險演化過程

?；返缆愤\輸交通安全風(fēng)險演化是風(fēng)險因素在外界條件干擾下相互作用的過程，當(dāng)系統(tǒng)風(fēng)險由量變突破一定閾值發(fā)生質(zhì)變時，則誘發(fā)交通事故。?；愤\輸安全風(fēng)險演化過程見圖1。

圖1 ?；愤\輸安全風(fēng)險演化過程

?；返缆愤\輸過程中，車輛駕駛?cè)耸前踩L(fēng)險源的核心要素，當(dāng)駕駛?cè)?、車輛、環(huán)境和管理風(fēng)險子系統(tǒng)受外界條件影響相互作用時，若安全風(fēng)險處于可調(diào)控范疇，則系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)駕駛?cè)说氖д`、車輛故障、環(huán)境干擾或管理缺陷相互疊加作用，隨時間演進(jìn)導(dǎo)致其中一個或多個子系統(tǒng)風(fēng)險突破一定閾值時，若及時控制風(fēng)險發(fā)展趨勢，則系統(tǒng)重回運輸安全穩(wěn)定狀態(tài)；若系統(tǒng)風(fēng)險失控，則會發(fā)生交通事故，系統(tǒng)處于紊亂狀態(tài)。

1.3 風(fēng)險演化模型

?；愤\輸系統(tǒng)安全風(fēng)險是由人員、運輸車輛、環(huán)境、管理4個風(fēng)險子系統(tǒng)相互作用影響的結(jié)果，建立各子系統(tǒng)變量因果關(guān)系圖和系統(tǒng)動力學(xué)流圖，量化各子系統(tǒng)間的反饋與控制，能表征系統(tǒng)風(fēng)險要素之間的作用關(guān)系。因果關(guān)系圖中“+”表示變量間為正相關(guān)關(guān)系，“-”表示變量間為負(fù)相關(guān)關(guān)系。

圖2 人員風(fēng)險子系統(tǒng)的因果關(guān)系

圖3 車輛風(fēng)險子系統(tǒng)的因果關(guān)系

圖4 環(huán)境風(fēng)險子系統(tǒng)的因果關(guān)系

圖5 管理風(fēng)險子系統(tǒng)的因果關(guān)系

(5) 系統(tǒng)流圖。依據(jù)人員、車輛、環(huán)境、管理4個風(fēng)險子系統(tǒng)因果關(guān)系包含的8個負(fù)反饋回路，借助Vensim_PLE軟件建立系統(tǒng)流圖，描述?；愤\輸安全系統(tǒng)風(fēng)險演化的累積效應(yīng)(見圖6)。

圖6 ?；愤\輸安全系統(tǒng)流圖

2 風(fēng)險系統(tǒng)動力學(xué)方程

2.1 系統(tǒng)變量

?；愤\輸安全系統(tǒng)動力學(xué)模型變量包括狀態(tài)變量、輔助變量、速率變量(見表1)。

表1 危化品運輸安全系統(tǒng)變量符號

2.2 動力學(xué)方程

系統(tǒng)動力學(xué)的建模過程體現(xiàn)了?；愤\輸安全風(fēng)險蔓延、轉(zhuǎn)化、衍生和耦合的演化過程，通過仿真風(fēng)險演化過程和演化階段，可進(jìn)一步揭示風(fēng)險演化機(jī)理。采用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Vensim_DSS建立模型，定義λ為變量的影響因子，建立?；愤\輸安全系統(tǒng)動力學(xué)方程。狀態(tài)方程見式(1)～(10),速率方程見式(11)、式(12)，輔助方程見式(13)～(20)。

SR=A+Rgr·DT

(1)

PR=λ11·DR+λ12·MRs

(2)

(3)

MRs=C-ln(Pa)

(4)

VR=D-λ21·ln(Vst)

(5)

CR=λ31·RR+λ32·TR

(6)

RR=λ311·Ra

(7)

TR=λ321·Ra

(8)

MR=E-λ41·exp(Rpw/b)

(9)

SSI=F+STEP(Igr,t1)

(10)

Rgr·KL=λ1·PR+λ2·CR+λ3·MR+

λ4·VR-G

(11)

Igr·KL=H+c·exp(-SR/λ5)

(12)

Miso=L-λms·Sdc

(13)

Sdc=λsis·Set

(14)

Pa=λps·Set

(15)

Ra=λrm·Miso+λrl·Li

(16)

Vst=λsv·SSI

(17)

Mm=λsm·SSI

(18)

Set=λss·SSI

(19)

Rpw=λmr·Mm+λsr·Set

(20)

式(1)、式(10)中，系統(tǒng)風(fēng)險和安全投入為累積變量，其數(shù)值變化取決于時間累積DT和增長率Rgr、Igr的變化；式(10)中，STEP為階躍函數(shù)，表示安全投入是在既定時刻突然改變的狀態(tài)變量，具有階段特性；t1為安全投入發(fā)生時刻，階段性投入對長期決策不具有參考價值，需利用階躍函數(shù)轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)變化的投入策略。

2.3 模型參數(shù)量化

選取山東東營市河口區(qū)政府指定的?；愤\輸路線海昌路(見圖7)作為系統(tǒng)仿真對象，確定仿真范圍為順河路—黃河路段，全長7.5 km。數(shù)據(jù)采集時段為2019年1—10月，主要來自視頻卡口、122報警平臺和運輸企業(yè)車輛GPS監(jiān)控平臺。

圖7 ?；愤\輸路線(海昌路)

海昌路布設(shè)的視頻卡口數(shù)據(jù)顯示，2019年1—10月本地注冊?；愤\輸車輛占比超過90%。此外，本地?；愤\輸車輛、人員與管理安全投入全部來自運輸企業(yè)，主要用于更新運輸車輛以提高車輛安全技術(shù)水平(Vst)、完善安全管理機(jī)制(Mm)以增強(qiáng)風(fēng)險預(yù)警能力、加大人員安全教育培訓(xùn)(Set)以提升其從業(yè)能力3個方面，降低?；愤\輸系統(tǒng)交通安全風(fēng)險。?；愤\輸企業(yè)安全投入情況見表2。

表2 ?；愤\輸企業(yè)安全投入情況

依據(jù)海昌路卡口視頻數(shù)據(jù)采集時限，系統(tǒng)仿真時限設(shè)定為10個月，仿真步長為2周。依據(jù)表2中企業(yè)安全投入配置額度，用于Vst、Mm、Set的資金比例為0.6、0.2、0.2，即λsv=0.2、λsm=0.2、λss=0.2。系統(tǒng)動力學(xué)方程中無法定量描述的系統(tǒng)變量采用打分法賦值，分值范圍為0～10分，“0”表示最弱或水平最低，“10”表示最強(qiáng)或水平最高。海昌路道路線形為平直路段，線形設(shè)計指標(biāo)Li較高，取值為9。根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)動力學(xué)方程的變量初值與參數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果見表3。

表3 ?；愤\輸安全系統(tǒng)變量初值與參數(shù)值

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

3.1 模型檢驗

為檢驗?；愤\輸系統(tǒng)動力學(xué)模型與系統(tǒng)風(fēng)險演化實際表現(xiàn)的吻合情況，選取安全投入和交通事故指標(biāo)，系統(tǒng)仿真時限設(shè)定為1—6月。運行仿真實驗，輸出2019年6月預(yù)測結(jié)果并與實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。

表4 仿真模型檢驗結(jié)果

由表4可知：仿真模型檢驗結(jié)果中，安全投入和交通事故仿真結(jié)果的誤差均小于2%，具有較高的可信度，可應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)模型仿真?；愤\輸路線交通安全風(fēng)險演化過程。

3.2 仿真情景設(shè)計

將仿真路段采集數(shù)據(jù)標(biāo)定的模型參數(shù)及變量初值作為現(xiàn)實仿真情景1，通過調(diào)整車輛安全技術(shù)水平、管理機(jī)制、安全教育培訓(xùn)安全投入比例進(jìn)行策略組合，與現(xiàn)實情景1共同形成7類仿真情景。各情景參數(shù)設(shè)置與變化幅度見表5。

表5 仿真情景參數(shù)設(shè)置與變化幅度

注：變化幅度中，“+”表示較情景1增加的比例，“-”表示較情景1降低的比例。下同。

3.3 仿真結(jié)果分析

按照仿真情景參數(shù)設(shè)置，運行系統(tǒng)動力學(xué)模型模擬系統(tǒng)風(fēng)險、安全投入、人員風(fēng)險、車輛風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理風(fēng)險的變化趨勢，通過與現(xiàn)實情景1對比，分析不同安全投入分配條件對?；愤\輸系統(tǒng)要素安全風(fēng)險的影響。不同仿真情景下危化品運輸累積風(fēng)險與安全投入指標(biāo)變化見表6。

(1) 系統(tǒng)風(fēng)險。7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)風(fēng)險變化趨勢仿真結(jié)果見圖8。由圖8可知：情景2、5、6與情景3、4、7下系統(tǒng)風(fēng)險值，以現(xiàn)實情景1為分界線出現(xiàn)高低分列趨勢。其中情景1下系統(tǒng)風(fēng)險變化呈拋物線趨勢，先上揚后降低；相較于情景1，情景5下同時提高車輛安全技術(shù)水平投入16.7%和管理機(jī)制投入25%，降低安全教育培訓(xùn)投入75%，累積系統(tǒng)風(fēng)險增加幅度最大，為47.4%，并呈線性增長趨勢。情景6下車輛安全技術(shù)水平投入提高33.3%，同時降低管理機(jī)制和安全教育培訓(xùn)投入50%；情景2下安全教育培訓(xùn)投入提高100%，同時車輛安全技術(shù)水平投入降低16.7%、管理機(jī)制投入降低50%。情景6、2下系統(tǒng)風(fēng)險值及變化趨勢基本一致，較情景1下累積系統(tǒng)風(fēng)險分別增加31.5%、28.7%。情景3、4、7下系統(tǒng)風(fēng)險值均較現(xiàn)實情景1降低，降幅依次為61.9%、33.6%、15.6%，其中情景3下同時提高管理機(jī)制和安全教育培訓(xùn)投入50%、降低車輛安全技術(shù)水平投入33.3%，累積系統(tǒng)風(fēng)險呈拋物線下降趨勢最顯著。

表6 不同仿真情景下?；愤\輸累積風(fēng)險與安全投入指標(biāo)變化

圖8 7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)風(fēng)險變化趨勢

(2) 安全投入。7類情景下危化品運輸系統(tǒng)安全投入變化趨勢仿真結(jié)果見圖9。由圖9可知：7類仿真情景下，?；愤\輸系統(tǒng)安全投入總體呈線性增長趨勢，且增長比例與系統(tǒng)風(fēng)險變化正相關(guān)，即隨著系統(tǒng)風(fēng)險的增加，安全投入不斷加大，反之安全投入減少。系統(tǒng)仿真時段內(nèi)累積安全投入額度從大到小依次為SSI5>SSI6>SSI2>SSI1>SSI7>SSI4>SSI3。根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)險變化趨勢，情景3下累積安全投入最小，對應(yīng)的累積系統(tǒng)風(fēng)險下降幅度最大，為61.9%；反之，情景5下累積安全投入最大，對應(yīng)的累積系統(tǒng)風(fēng)險增幅最大，為47.4%。

圖9 7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)安全投入變化趨勢

(3) 人員風(fēng)險。7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)人員風(fēng)險變化趨勢仿真結(jié)果見圖10。由圖10可知：7類仿真情景下?；愤\輸系統(tǒng)人員風(fēng)險總體呈線性平行下降趨勢。風(fēng)險值大小排列順序與系統(tǒng)風(fēng)險值一致，即情景5下人員風(fēng)險最高，較情景1下增加1.6%；情景3下人員風(fēng)險最低，較情景1降低2%；情景2、6下人員風(fēng)險值相同。

圖10 7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)人員風(fēng)險變化趨勢

(4) 車輛風(fēng)險。7類情景下危化品運輸系統(tǒng)車輛風(fēng)險變化趨勢仿真結(jié)果見圖11。由圖11可知：7類仿真情景下?；愤\輸系統(tǒng)車輛風(fēng)險總體呈線性平行下降趨勢，風(fēng)險值大小排列順序為VR4>VR3>VR2>VR1>VR7>VR5>VR6。情景4下累積車輛風(fēng)險最高，較情景1下累積車輛風(fēng)險高5.4%；情景6下車輛風(fēng)險下降最顯著，較情景1下累積車輛風(fēng)險降低3.9%；情景3、2下累積車輛風(fēng)險值相近；情景7、5下累積車輛風(fēng)險值相近。

圖11 7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)車輛風(fēng)險變化趨勢

(5) 環(huán)境風(fēng)險。7類情景下危化品運輸系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)險變化趨勢仿真結(jié)果見圖12。由圖12可知：7類仿真情景下?；愤\輸系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)險總體呈線性平行下降趨勢，累積環(huán)境風(fēng)險值大小排列順序為CR5>CR2>CR6>CR1>CR7>CR4>CR3，其中情景2、6下風(fēng)險值相近，情景2略高0.01。

圖12 7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)險變化趨勢

(6) 管理風(fēng)險。7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)管理風(fēng)險變化趨勢仿真結(jié)果見圖13。由圖13可知：情景6、7、5、3下累積管理風(fēng)險值依次降低，均略高于情景1下管理風(fēng)險值，總體呈線性平行緩慢下降趨勢。情景2、4下累積管理風(fēng)險呈拋物線趨勢下降最顯著，較情景1下累積管理風(fēng)險分別降低30.8%、26.5%。

圖13 7類情景下?；愤\輸系統(tǒng)管理風(fēng)險變化趨勢

4 結(jié)論

?；愤\輸路線交通安全風(fēng)險演化系統(tǒng)動力學(xué)仿真結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)安全投入的配置比例，可實現(xiàn)不同系統(tǒng)風(fēng)險防控效果。研究結(jié)論如下：

(1) 危化品運輸安全總體投入降低1.6%的條件下，通過提高50%管理機(jī)制和安全培訓(xùn)教育投入，同時降低33%車輛安全技術(shù)投入配置比例，系統(tǒng)風(fēng)險呈拋物線顯著下降趨勢，可實現(xiàn)系統(tǒng)風(fēng)險61.9%的最大降幅。

(2) ?；愤\輸安全總體投入增加1.3%的條件下，提高16.7%車輛安全技術(shù)水平投入和25%管理機(jī)制投入，降低75%安全教育培訓(xùn)投入，系統(tǒng)風(fēng)險仍呈線性增長趨勢，系統(tǒng)風(fēng)險最高增長47.4%。