城市交通隧道運(yùn)營安全風(fēng)險評估模型及管理系統(tǒng)研究

周 兵 ，王傳生，劉芳亮，王爾覺，張鑫鑫

(1.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué), 北京 100070；2.中國交通建設(shè)集團(tuán)，北京 100083；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計院，北京 100083)

0 引言

隨著城市建設(shè)規(guī)模的發(fā)展擴(kuò)大，城市道路隧道在建設(shè)數(shù)量上不斷攀升，但其所處環(huán)境具有不可預(yù)見風(fēng)險因素多、介質(zhì)復(fù)雜多變的特點(diǎn)[1-3]，因此隧道工程安全風(fēng)險評估已成隧道工程發(fā)展的重中之重，但目前針對隧道工程安全風(fēng)險評估的研究主要集中在公路隧道的施工階段[4-6]，對運(yùn)營階段，尤其是城市道路隧道運(yùn)營階段的安全風(fēng)險評估研究較少，比較零散，也未成體系，所以需要在隧道運(yùn)營期安全風(fēng)險評估方面建立準(zhǔn)確的評估模型和算法以解決該問題。

城市道路隧道與公路隧道的主要區(qū)別在于平面布線形式有限、橫斷面形式多樣、消防與通風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)高，洞口景觀要求高、使用率更高等特點(diǎn)，直接決定了前者的風(fēng)險評估指標(biāo)因素發(fā)生了較大變化，也改變了其指標(biāo)體系構(gòu)成。

1 評估策略

目前，公路隧道工程施工安全風(fēng)險評估一般采用系統(tǒng)風(fēng)險評估和專項(xiàng)風(fēng)險評估，系統(tǒng)風(fēng)險評估重點(diǎn)關(guān)注整個系統(tǒng)的風(fēng)險等級，將定量類比與定性類比結(jié)合起來，確定總體風(fēng)險等級，評估整體發(fā)生重大風(fēng)險的幾率；對于專項(xiàng)風(fēng)險評估，主要關(guān)注某一類的風(fēng)險指數(shù)，此項(xiàng)風(fēng)險幾率和事后損失大都采用“特爾斐法”，但過度依靠專家經(jīng)驗(yàn)和提供信息的準(zhǔn)確度[7-9]，有時效果并不佳。

根據(jù)城市道路隧道特征，通過區(qū)分城市道路隧道與公路隧道的不同，并在借鑒公路隧道施工階段風(fēng)險評估方法的基礎(chǔ)上，提出了總體評估與專項(xiàng)評估相結(jié)合的城市道路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估策略，具體為：首先進(jìn)行總體風(fēng)險評估，建立起城市道路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估的指標(biāo)體系，給出評估等級，并在確定風(fēng)險評估范圍的基礎(chǔ)上，進(jìn)行各單一風(fēng)險事件的專項(xiàng)評估工作，最后逐一確定安全風(fēng)險控制措施[10-13]，總體評估流程如圖1所示。

圖1 城市交通隧道運(yùn)營風(fēng)險評估流程圖Fig.1 Flowchart of operation risk assessment for urban traffic tunnel

以馬巒山隧道工程為研究背景，在實(shí)施總體風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要進(jìn)行了各風(fēng)險事件專項(xiàng)評估，最終根據(jù)整體的研究成果開發(fā)了針對城市道路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險的數(shù)字化、信息化以及智慧化管理。

2 總體安全風(fēng)險評估

2.1 總體安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系

由于城市隧道運(yùn)營階段狀況更為復(fù)雜，影響各項(xiàng)潛在風(fēng)險的因素較多，其中如社會因素、交通狀況和行駛車輛狀況等一些風(fēng)險因素對城市隧道的日常運(yùn)營安全的影響較難計算，為了準(zhǔn)確評價隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險，需要在通常風(fēng)險因子識別的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析出更容易計算或定性評估、且能對運(yùn)營風(fēng)險產(chǎn)生全局性影響的風(fēng)險因子，采取更為科學(xué)的風(fēng)險評估方法，建立相應(yīng)的風(fēng)險評估指標(biāo)體系[14]。城市隧道運(yùn)營期的風(fēng)險指標(biāo)采用專家分析法進(jìn)行指標(biāo)的優(yōu)化，并結(jié)合專家調(diào)查法進(jìn)一步確定。

城市道路隧道的運(yùn)營階段影響因素眾多，為了更好的將其歸類和分層分級進(jìn)一步細(xì)分，將各類風(fēng)險因素劃為3個級別：第1級為目標(biāo)層，第2級為準(zhǔn)則層和第3級為指標(biāo)層，如表1所示。

表1 隧道運(yùn)營安全風(fēng)險指標(biāo)目標(biāo)層和準(zhǔn)則層Tab.1 Target layer and criterion layer of tunnel operation safety risk indicators

第1級即隧道運(yùn)營階段的風(fēng)險指標(biāo)主要包括運(yùn)營交通、隧道自身結(jié)構(gòu)、隧道外部環(huán)境、隧道運(yùn)營管理及人的因素5個類別；第2級準(zhǔn)則層包括了交通特性、基本構(gòu)型、土建結(jié)構(gòu)狀況、運(yùn)營安全設(shè)備、自然環(huán)境、行車環(huán)境、隧道運(yùn)營管理水平、駕駛?cè)藛T安全行為水平8個方面，用T1～T8表示，主要考慮對城市隧道日常運(yùn)行安全影響較大的因素；第3級由影響準(zhǔn)則層各個因素的指標(biāo)構(gòu)成指標(biāo)層，分別用T11，T12，…，T1n，T21，T22，…等進(jìn)行表示其指標(biāo)。

根據(jù)城市道路隧道運(yùn)營階段的特點(diǎn)，以及與公路隧道的相似之處，現(xiàn)將城市道路隧道運(yùn)營階段的第3級指標(biāo)層因素羅列如表2所示。

表2 隧道運(yùn)營安全風(fēng)險指標(biāo)體系第3級指標(biāo)層Tab.2 Third indicator layer of tunnel operation safety risk indicator system

2.2 隧道安全狀態(tài)的模糊綜合評判模型

隧道運(yùn)營期的風(fēng)險評估指標(biāo)構(gòu)成的3層次體系需要使用評價模型進(jìn)行綜合評估，即兩級模糊綜合評價模型，由基礎(chǔ)層向上進(jìn)行綜合評價，最終得到最上層對原問題的綜合評價結(jié)果為止[14-16]。

1)一級模糊綜合評價

(1)建立評價指標(biāo)集

隧道運(yùn)營安全狀態(tài)評價指標(biāo)體系第1層為主因素層，用集合表示為U={T1,T2,…,T8}；第2層為指標(biāo)層，表示為T1={T11,T12,…,T13}。

(2)建立評價算法

評價算法主要表現(xiàn)為對評價目標(biāo)可能做出的評判結(jié)果，表示為V={y1,y2,…,yn}。

通過指定評價等級域V，可以通過模糊綜合評判，進(jìn)一步得到模糊評判向量，進(jìn)而使得評估對象對應(yīng)各評價等級隸屬程度的信息通過這個模糊向量表示出來，體現(xiàn)了評價的模糊特性，設(shè)評價等級集合為：

V={v1,v2,v3,v4}，

(1)

式中，v1,v2,v3,v4分別為隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險等級，即安全、準(zhǔn)安全、準(zhǔn)危險、危險4種安全狀態(tài)，并分別用1類，2類，3類，4類(3，4類對應(yīng)準(zhǔn)危險)，5類表示，以便與《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[18]中的判定結(jié)果相對應(yīng)。

(3)確定單因素評價矩陣

通過關(guān)聯(lián)的函數(shù)給出指標(biāo)Cij對評價矩陣V的關(guān)聯(lián)向量Rcij:

Rcij=(rcij1,rcij2,rcij3,rcij4),i=1, 2, 3,…, 8,

j=1, 2, 3，…。

(2)

由關(guān)聯(lián)向量Rcij，即可建立準(zhǔn)則層各因素的單因素評價矩陣RBij。

(4)一級模糊綜合評判

模糊綜合評判是通過模糊算子建立模糊綜合評判模型的過程，該模型的建立過程相當(dāng)于矩陣相乘：

ω×R′=R，

(3)

式中，ω為權(quán)重向量；R′為單因素評判矩陣；R為相應(yīng)的準(zhǔn)則層因素對評語集合V的隸屬向量。

由各單因素評判矩陣R′Bi與其相應(yīng)的權(quán)重向量ωBi，可得出各因素Ti對評語集合V的隸屬向量為Rbi=ωBi×R′Bi。

以h為指標(biāo)的數(shù)量，基于排列質(zhì)心的權(quán)重(即ROC)表達(dá)公式為：

(4)

各評價指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行確定時，應(yīng)根據(jù)所要進(jìn)行評價的隧道類型和其本身的運(yùn)營特點(diǎn)，采用專家調(diào)研的方法對各個指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，然后計算出其權(quán)重值，并代入到動態(tài)評價模型中對道路隧道的運(yùn)營安全狀態(tài)進(jìn)行評價。

2)二級模糊綜合評判

將一級模糊綜合評判結(jié)果RBi視為單因素評判集，由RBi可組成二級模糊綜合評價的單因素評價矩陣，由相應(yīng)的權(quán)重向量和單因素評價矩陣通過矩陣相乘可得二級模糊綜合評價結(jié)果——目標(biāo)因素對評語集合的隸屬向量Z：

(5)

3)模糊向量量化

分別對評語v1,v2,v3,v4賦以分值進(jìn)行量化，不同的F值對應(yīng)不同的運(yùn)營安全狀態(tài)，如表3所示。

表3 隧道運(yùn)營安全狀態(tài)等級Tab.3 Safety status levels of tunnel operation

2.3 隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險等級判定

根據(jù)建立的風(fēng)險評估指標(biāo)體系，采用模糊綜合評判法對隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險進(jìn)行評估。由前面的研究內(nèi)容，得到隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險評估表，如表4所示，以準(zhǔn)則層T1的下一層指標(biāo)層T11為例。

表4 隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險評估表Tab.4 Overall tunnel operation safety risk assessment table

隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險R按以下公式進(jìn)行計算確定：

R=∑TijTij=rij×Rij，

(6)

式中，Tij為評估指標(biāo)的分值，i=1，2，3；j=1，2，…,n，n為對應(yīng)第i類評估指標(biāo)的數(shù)量。

計算得出R值后，對照隧道運(yùn)營階段總體安全風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)表確定隧道運(yùn)營階段總體安全風(fēng)險等級[16]。隧道運(yùn)營階段總體安全風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Assessment criterion for tunnel overall operational safety risk

以馬巒山隧道剛建設(shè)完成時的狀態(tài)為依據(jù)，按照3.2節(jié)的隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險等級計算方法，最終算出馬巒山隧道總體運(yùn)營安全風(fēng)險系數(shù)R=25.977，參照表5風(fēng)險評估標(biāo)準(zhǔn)的劃分為等級Ⅰ(低度風(fēng)險)。

3 安全風(fēng)險事件專項(xiàng)評估

通過前期總體風(fēng)險評估，可以確定較為準(zhǔn)確的風(fēng)險等級，R>60風(fēng)險等級高的隧道工程，需根據(jù)統(tǒng)計信息開展專項(xiàng)風(fēng)險評估。R≤60的城市隧道工程，風(fēng)險等級相對較低的隧道工程可酌情開展專項(xiàng)風(fēng)險評估[17-18]。

城市隧道運(yùn)營安全風(fēng)險的專項(xiàng)評估，關(guān)鍵是分析發(fā)現(xiàn)風(fēng)險因子識別、風(fēng)險發(fā)生幾率、后續(xù)潛在損失估計和風(fēng)險評價等因素的評估方法[19]。在建立風(fēng)險發(fā)生的評估模型基礎(chǔ)上，分析風(fēng)險可能發(fā)生的幾率和預(yù)計產(chǎn)生的損失，通過風(fēng)險評價判定該隧道風(fēng)險是否滿足風(fēng)險可接受準(zhǔn)則。隧道運(yùn)營風(fēng)險分析基本流程如圖2所示。

圖2 隧道運(yùn)營安全風(fēng)險事件專項(xiàng)安全評估基本流程圖Fig.2 Basic flowchart of special safety assessment for tunnel operation safety risk events

隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險分析采用目前國際上常用的基于事故場景的風(fēng)險分析方法，具體分析步驟如下：

(1)發(fā)現(xiàn)并確定風(fēng)險發(fā)生的外部典型場景；(2)分析計算風(fēng)險發(fā)生的幾率；(3)計算風(fēng)險發(fā)生的損失和后果；(4)考慮社會救援與自救可能性；(5)統(tǒng)計評估風(fēng)險；(6)對風(fēng)險進(jìn)行評價。

3.1 安全風(fēng)險源辨識及風(fēng)險事件分析

風(fēng)險識別首要任務(wù)是分析風(fēng)險可能發(fā)生根本原因，對風(fēng)險進(jìn)行細(xì)致分類，并對風(fēng)險發(fā)生后的潛在影響或損失進(jìn)行計算。主要識別方法有專家調(diào)查法、故障樹分析法、幕景分析法、事件樹法以及解析法等，通常采用研究小組加專家論證的方法，科學(xué)合理地對風(fēng)險系統(tǒng)存在的各種因素進(jìn)行全面的辨識研究。

3.2 運(yùn)營安全風(fēng)險事件評估方法

目前公路工程風(fēng)險性評價方法主要有：調(diào)查和專家打分法、層次分析法、蒙特卡洛模擬方法、故障樹法等。

隧道風(fēng)險事件發(fā)生概率的評估方法，采用專家調(diào)查法、改進(jìn)的層次分析法、故障樹法等，通過結(jié)合統(tǒng)計及分析來獲得風(fēng)險損失發(fā)生的概率。

3.3 運(yùn)營安全風(fēng)險接受準(zhǔn)則

本研究中隧道運(yùn)營階段的風(fēng)險接受準(zhǔn)則遵循ALARP準(zhǔn)則，并采取可量化的標(biāo)準(zhǔn)來確定隧道運(yùn)營風(fēng)險接受準(zhǔn)則，如圖3所示。

圖3 隧道工程風(fēng)險管理的ALARP原則Fig.3 ALARP principle of tunnel engineering risk management

以安全風(fēng)險接受準(zhǔn)則為例，社會風(fēng)險采用國際上通用的F-N曲線表示[13]。F-N曲線是一個在二維的區(qū)間上表示死亡人數(shù)與死亡概率之間的函數(shù)關(guān)系，通過計算擬定的F-N曲線的斜率，根據(jù)國家規(guī)律法規(guī)設(shè)置死亡人數(shù)起始點(diǎn)以及上下限的起始點(diǎn)。經(jīng)綜合分析，馬巒山隧道運(yùn)營階段風(fēng)險接受準(zhǔn)則采用F-N曲線。

4 運(yùn)營階段安全風(fēng)險管理系統(tǒng)

由于隧道工程運(yùn)營階段安全風(fēng)險存在動態(tài)變化的特點(diǎn)，采用風(fēng)險管理系統(tǒng)開展定期、動態(tài)的安全風(fēng)險評價和管理較為必要且迫切。

基于Web技術(shù)，以后端asp.net core+sql server，前端html5+angular2為開發(fā)工具，針對深圳坪鹽通道馬巒山，從實(shí)現(xiàn)信息養(yǎng)護(hù)的理念出發(fā)，開發(fā)了馬戀山隧道運(yùn)營階段風(fēng)險管理系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估系統(tǒng)界面(局部)Fig.4 Interface of safety risk assessment system in operation period (partial)

該系統(tǒng)面向參建各方，應(yīng)用于公路隧道運(yùn)營階段，提供運(yùn)營階段風(fēng)險管理所需要的各項(xiàng)服務(wù)，為城市隧道運(yùn)營階段安全管理、決策分析提供技術(shù)支持，主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問及用戶管理、風(fēng)險評估、運(yùn)營階段風(fēng)險管理、風(fēng)險措施庫、工作資料庫等功能。其中風(fēng)險評估功能的應(yīng)用如下：

專項(xiàng)風(fēng)險評估是對2.1節(jié)中提到的8類風(fēng)險事件進(jìn)行采用基于事故場景進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險評估，以結(jié)構(gòu)病害為例，可在系統(tǒng)中詳細(xì)記錄說明該結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生概率(a)、損失等級(b)、風(fēng)險評估(c)、控制措施(d)。

最后，綜合各專項(xiàng)風(fēng)險評估內(nèi)容，得到運(yùn)營安全預(yù)警等級，并給出相關(guān)建議。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)城市道路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估和管理，依托馬巒山隧道工程，建立了隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，并依據(jù)該指標(biāo)體系專項(xiàng)開發(fā)了隧道運(yùn)營階段風(fēng)險動態(tài)評估與管理系統(tǒng)。主要結(jié)論如下：

(1)提出了城市道路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估總體思路，即先進(jìn)行總體安全風(fēng)險評估，在總體安全風(fēng)險達(dá)到III級，即高度風(fēng)險時，進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險評估。

(2)提出了實(shí)現(xiàn)運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估的指標(biāo)體系，將運(yùn)營階段眾多影響因素分為3個層次：第1層為目標(biāo)層，即隧道運(yùn)營階段的風(fēng)險指標(biāo)主要包括運(yùn)營交通、隧道自身結(jié)構(gòu)、隧道外部環(huán)境、隧道運(yùn)營管理及人的因素5個類別；第2層為準(zhǔn)則層，由可能影響隧道運(yùn)營安全的因素組成；第3層為指標(biāo)層，由可能影響準(zhǔn)則層因素的各項(xiàng)指標(biāo)因子組成，如1級指標(biāo)為運(yùn)營交通，2級指標(biāo)為交通特性，3級指標(biāo)為交通組成、交通量和車速等；3層次指標(biāo)的權(quán)重和評估取值由3.2節(jié)提出的相關(guān)公式組成了隧道運(yùn)營期安全風(fēng)險評估模型。

(3)開發(fā)了城市道路隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險管理系統(tǒng)，并內(nèi)嵌了安全風(fēng)險評估模型及算法，可以實(shí)現(xiàn)主要風(fēng)險事件的動態(tài)評估和管理，為實(shí)現(xiàn)其風(fēng)險信息化管理提供了條件。

(4)目前國內(nèi)城市隧道運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估相關(guān)行業(yè)規(guī)范或指南尚未出臺，其運(yùn)營階段安全風(fēng)險評估方法、體系和管理工作還有待深入研究。