基于事故機理的城市公路隧道運營風險因素探究

梁銘軒， 趙 強， 劉 梅， 廖彬超

(1.清華大學 建設管理系， 北京 100082； 2.北京市市政工程設計研究總院有限公司， 北京 100082；3.北京建筑大學 城市經(jīng)濟與管理學院， 北京 102616)

隨著我國城市公路隧道建設的不斷發(fā)展，城市隧道里程不斷增加，運營期交通事故多發(fā)，安全管理問題日益突出。本文基于1970年至2020年國內(nèi)外典型城市公路隧道190起事故調(diào)研，發(fā)現(xiàn)隧道運營期風險因素類別繁多，事故類型各異，人員傷亡嚴重。為了提升運營期安全管理水平，對城市隧道進行風險評估十分必要。

歐洲是最早開始關于隧道風險評價研究的地區(qū)。2004年，歐盟出臺條例The New Directive on Road Tunnel Safety，規(guī)定了各國隧道都必須定期進行安全評估。近年來，我國城市道路隧道風險評估標準逐漸完善，但因地形特點、城市管理需求等方面的差異，尚未實行統(tǒng)一的城市公路隧道運營風險評估標準。2017年，交通運輸部辦公廳發(fā)布《公路隧道運營技術規(guī)范(征求意見稿)》，提出了隧道內(nèi)一般設備要素和一般應急預案原則等內(nèi)容。2020年，廣東省《城市道路隧道運營安全風險評估技術規(guī)范》(DBJ/T 15-193—2020)提出總體風險評估與專項風險評估方法，基于風險因子打分公式，確定風險等級，從而判定風險應對方案；貴州省發(fā)布《貴州山區(qū)營運高速公路隧道安全隱患評價與風險管控技術指南(試行)》(JTT 52/06—2021)，結合城市山地特點，將不同設施劃分為多個分項，提出分項打分標準。當前規(guī)范文件較多強調(diào)風險評估流程，部分文件提及按照事故工況分類的應急預案，但仍缺少從風險因素到事故發(fā)生的評估與分析，為此，本文將在各項規(guī)范文件的基礎上，從事故機理的角度，探究公路隧道運營期風險因素。

1 風險因素評估技術綜述

相關研究表明，基于已經(jīng)識別的風險因子(風險因素)，利用統(tǒng)計描述、F-N曲線分析、模糊層次分析等方法可建立風險因素與事故類型之間的關聯(lián)評價體系，增加風險評估維度，從而提升風險評估方法的綜合性和應用性，但各方法仍存在其局限性。

倪洪亮、林志、賴金星、楊健、肖烽、倪娜、高亮等[1-7]將隧道路段、時間(季節(jié)、月份、星期)、天氣等作為引發(fā)事故的風險因素，但這種劃分方式對于運營管理部門來說只能提供運營管理在時間和空間中的規(guī)律性特點，無法提供詳細的日常工作依據(jù)，且不同城市發(fā)展特點和氣候存在差異，其規(guī)律通用性有待考量。周勇等[8]指出表征社會風險接受準則F-N曲線，旨在確定合理的隧道運營風險與收益的博弈方案，但國內(nèi)尚未規(guī)定符合國情風險的接受準則指數(shù)，即隧道運營期內(nèi)可接受的管理風險水平分級標準，因此還需采用相對分級方法。許宏科等[9]提出利用層次分析法對隧道運營的各個管理系統(tǒng)進行綜合評價。鄭金龍等[10]提出劃分路段的層次分析法，針對隧道入口、出口和中間段進行分段風險計量，提出隧道風險評價方法。余忠磊等[11]提出基于模糊數(shù)學的AHP法進行隧道安全運營綜合評價，但各層次僅存在權重差異，無法表征風險因子到事故的發(fā)生機理，且隧道風險因素眾多，當評價因素過多時，AHP層次分析法易出現(xiàn)判斷混亂的可能性。K-means聚類算法是一種基于劃分的聚類算法，由MacQueen在1967年提出。該算法具有易于描述、時間效率高、適于處理中大規(guī)模數(shù)據(jù)的特點，現(xiàn)今廣泛運用于事故分析[12]和交通運輸風險分析[13]等領域。同時，風險因素等級劃分標準有助于提升安全管理精細化水平[14]，而聚類分析算法通過數(shù)據(jù)質(zhì)心的計算，具備了為風險因素分級的基礎。

綜上分析，本文將基于事故演變機理制定“風險因素與事故”關聯(lián)評估清單，選用K-Means方法，通過計算不同風險因素誘發(fā)事故發(fā)生概率, 誘發(fā)事故危險程度的歐氏距離，將風險因素分為不同蔟，從事故機理角度，對風險因素進行分級。

2 風險因素與事故關聯(lián)評估清單

2.1 清單設計依據(jù)

1) 美國康奈爾大學學者懷特提出將事故原因歸因為人、機、環(huán)境的思想，提出按照人、機、環(huán)境的分類是檢查事故起因和預防機制的理性模型，因素相互聯(lián)系、相互作用構成了安全管理的影響因素集[15]。因此影響隧道安全運營的因素可分為設備、環(huán)境和管理3種類型。

2) 瑞士提出的隧道安全系統(tǒng)設計原則，即隧道安全管理需要綜合考慮事故發(fā)生概率和事故危險程度[16]。

2.2 風險因素

本文共識別56個風險因素，參考依據(jù)包括《公路隧道運營技術規(guī)范(征求意見稿2017)》《貴州山區(qū)營運高速公路隧道安全隱患評價與風險管控技術指南(試行)》(JTT 52/06—2021)、法國隧道運營安全手冊Guide to road tunnel safety documentation等以及國內(nèi)外學者研究[17]。當前的設備風險因素包括交通安全設施、通風設施、照明設施、交通控制設施等。環(huán)境風險因素包括隧道內(nèi)風、降水、降雪等帶來的不良路況和不同類型的結構病害。管理風險因素包括管理控制系統(tǒng)因素和管理人員因素，其中管理要素的提取較為抽象。

2.3 事故類型

基于所收集的190個事故案例歸納風險因素誘發(fā)的事故類型，分別為車輛追尾、車輛碰撞、車輛撞壁、自燃、二次事故火災、人為事故(恐怖襲擊、違規(guī)橫穿等)。各類事故分布如圖1所示，其中火災事故包含自燃和二次事故火災2種類型，據(jù)北京市東六環(huán)隧道管理辦法，危險品車輛不允許駛入隧道內(nèi)，因此本文不考慮危險品泄露事故類型。

圖1 城市公路隧道典型事故案例統(tǒng)計(190例)

2.4 事故發(fā)生概率評估標準

事故發(fā)生概率使用5級量表，如表1所示。

表1 事故發(fā)生概率評估標準

2.5 事故危險程度評估標準

事故危險程度評估標準如表2所示，其設置參考了我國《道路交通事故處理辦法》，按照輕微事故、一般事故、重大事故、特大事故分為4級，分別對應1～4的分數(shù)。

表2 事故危險程度評估標準

2.6 K-Means 聚類分析算法

為避免簡單統(tǒng)計描述的系統(tǒng)不確定性和層次分析法的模糊性，本文將采用K-Means算法，按照低概率-低危險、中概率-中危險、高概率-高危險對風險因素進行等級劃分，從事故角度對風險因素進行評價。

1) 選擇初始化的k個樣本作為初始聚類中心a=a1,a2，…，ak；

2) 針對數(shù)據(jù)集中每個樣本xi， 計算它到k個聚類中心的距離并將其分到距離最小的聚類中心所對應的類中；

4) 重復2)、3 )操作，直到達到某個中止條件(迭代次數(shù)、最小誤差變化等)。

3 風險因素分級

對于風險因素的評價需綜合考慮其引發(fā)事故的概率和引發(fā)事故的危險程度，以各因素引發(fā)事故概率為x軸，危險程度為y軸，利用K-Means算法針對事故相關的風險因素進行聚類分析。將風險因素分為3種聚類簇：“低誘發(fā)事故發(fā)生概率- 低誘發(fā)事故危險程度簇”(簡稱“低概率-低危險”)、“中誘發(fā)事故發(fā)生概率-中誘發(fā)事故危險程度簇”(簡稱“中概率-中危險”)、“高誘發(fā)事故發(fā)生概率-高誘發(fā)事故危險程度簇”(簡稱“低概率-低危險”)。在聚類分析結果中，同樣可以通過線性聚類邊界和質(zhì)心位置坐標判斷不同分級的風險因素所處的概率-危險程度水平。其中各個簇中，“概率-危險程度”的數(shù)據(jù)質(zhì)心的坐標均已標記。

3.1 不同事故類型風險因素分級

不同類型的事故與不同的風險因素關聯(lián)，車輛追尾、車輛碰撞和車輛撞壁是3種典型的車輛物理接觸事故，其風險因素對事故概率與事故危險程度的聚類結果如圖2～圖4所示。此3種車輛事故的風險因素分級十分類似，高概率-高危險風險因素質(zhì)心坐標相同，均包含環(huán)境因素中的道路結冰等，設備因素中的隧道照明等。究其原因，3種車輛事故觸發(fā)方式相似，均為車輛間的物理接觸。道路結冰等環(huán)境因素會影響車輛行駛的物理狀態(tài)，隧道照明設施等環(huán)境因素會影響駕駛人員駕駛行為，違法駕駛行為管理系統(tǒng)會影響交通事故的預測、取證和救援過程。

而對于隧道內(nèi)火災事故，如圖5所示，高概率-高危險風險因素的質(zhì)心為概率：0.510，危險程度：3.510，除各項消防設施外，還包括隧道照明、環(huán)境因素、自動報警裝飾和手動報警裝置等，如圖6所示。中概率-中危險風險因素質(zhì)心為概率：0.419，危險程度：2.467，構成包括引導照明、可變標志、監(jiān)控系統(tǒng)、道路結冰等?？梢园l(fā)現(xiàn)，火災事故關聯(lián)的風險因素構成與3類交通事故相似的風險因素構成出現(xiàn)重疊，并非傳統(tǒng)意義上僅與消防和報警設施有關。為此，本文進一步分析事故層次差異。

圖2 車輛追尾風險因素分級

圖3 車輛碰撞(迎面)風險因素分級

圖4 車輛撞壁風險因素分級

圖5 火災風險因素分級

3.2 不同事故層次風險因素分級

不同層次(一次事故、二次事故)的事故可能與不同的風險因素關聯(lián)。二次事故是一次事故危險因素的第二次激發(fā)，是事故的擴大蔓延。從發(fā)生特點來看，二次事故具備隨機性、突發(fā)性和不可逆性的特點。在本文收集的事故案例中，二次事故火災主要由3大車輛事故升級所致。本文中的火災事故中，自燃(貨物/汽車部件等)引發(fā)的火災為一次事故，一次事故升級引發(fā)的火災為二次事故火災，其風險因素所關聯(lián)的事故發(fā)生概率和事故危險程度如圖6、圖7所示。

對比圖6、圖7可知，消防設施和報警裝置同為2種火災事故(自燃、二次事故火災)的高概率-高危險風險因素，隧道管理人員需在火災工況初期及時滅火或報警，一旦以上風險因素處置不當，如出現(xiàn)消防設施缺失、報警裝置損毀等風險，便極大地增加了事故危險程度。

不同點在于，二次事故高概率-高危險分級中，存在風機、照明、監(jiān)控系統(tǒng)等事故救援有關的設備風險因素。究其原因是救援相關設備的隱患一旦出現(xiàn)故障或缺失，在初步救援過程中則極易進一步誘發(fā)二次事故火災。此類風險因素處置不當會導致一次事故的救援速度緩慢，或排除易燃易爆危險因素失敗，從而增加二次火災事故的發(fā)生概率和危險程度。因此，研究不同事故層次的風險因素分級可為隧道運營管理人員和應急救援人員迅速定位危險源，減少二次事故的發(fā)生提供指導。

圖6 自燃火災風險因素分級

圖7 二次事故火災風險因素分級

4 結論

本文研究與當前國內(nèi)外其他研究相比，從事故機理角度，將事故演變機理納入風險因素的評價體系，主要結論如下：

1) 針對車輛追尾、車輛碰撞、車輛撞壁、火災等不同事故類型，實現(xiàn)風險因素的“概率-危險程度”分級。

2) 針對自燃火災和二次事故火災的不同事故層次，實現(xiàn)風險因素“概率-危險程度”分級。

3) 目前研究尚未對各個分級內(nèi)部的風險因素之間進行關聯(lián)性探究。下一步將在當前風險因素分級的基礎上，進一步明確在事故演發(fā)過程中風險因素的級聯(lián)關系，從而在應急救援階段為運營管理人員提供更精準的技術支持。