海底隧道交通事故風險耦合演化機理研究*

潘福全，張 游，張麗霞，楊曉霞，李 敏，楊金順

(青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266520)

0 引言

海底隧道整體分為海底段、海岸段和引道3部分，其中海底段埋置于海床下，是隧道的主要部分，海岸段連接海底段兩端，通過引道與地面道路銜接。由于海底隧道建造環(huán)境的特殊性，與普通山體隧道相比，其內部視野環(huán)境更為幽暗，且隧道縱面線形一般呈現V型，在出入口路段具有較長的縱向坡度[1]。因此，海底隧道內的行車環(huán)境更為復雜，各種外界因素之間發(fā)生的耦合作用對交通事故的風險演化產生重要影響。

近年來，國內外學者已經在不同領域內針對風險耦合問題進行研究：He等[2]對多種災害風險間的非線性耦合問題進行分析計算，提出多種災害風險耦合評估方法；Zhang等[3]研究航海風險耦合問題，運用耦合度函數和變異系數法計算不同風險因素的耦合度和波動性；Qiao[4]對煤礦事故多因素風險之間的耦合作用進行分析，建立耦合效應測量模型；張津嘉等[5]對煤礦瓦斯動力系統內外部因素間的風險耦合作用與風險傳遞路徑進行研究，從風險涌現方向提出瓦斯爆炸事故風險耦合層次網絡模型；羅秋實等[6]基于復雜網絡理論構建坍塌事故風險演化網絡模型，闡明坍塌事故的風險演化規(guī)律。此外，風險耦合問題研究還被應用于海底管道泄漏[7]、公路交通安全[8]等多個學科領域，為復雜系統的安全控制和風險評估提供幫助。因此，本文對海底隧道交通系統中的風險耦合問題進行分析研究，運用復雜系統風險涌現理論構建海底隧道交通事故風險耦合演化網絡，并基于尖點突變模型分析其事故風險演化機理與規(guī)律，以期為海底隧道交通系統風險控制與事故預防提供理論參考和借鑒。

1 海底隧道交通事故風險因素

影響海底隧道交通系統安全的因素復雜多樣，從安全系統工程學角度，運用事故樹分析法定性分析海底隧道交通事故風險因素，可將其分為駕駛人、道路、車輛、環(huán)境和管理5個方面[9]，且各因素之間相互影響，如圖1所示。

駕駛人因素主要包括駕駛人的生理素質、心理素質、安全意識、駕駛技術、應急處置能力等，這些風險因素容易對駕駛人的駕駛行為產生影響，比如超速駕駛、違規(guī)變道、疲勞駕駛等。

道路因素主要包括道路線形坡度、路面平穩(wěn)與濕滑狀況、交通標志標線設置、減速設施等，這些道路條件對駕駛人的行車安全也會產生影響，如在特殊路段缺少警示標志時，極易引發(fā)車輛側滑翻車、追尾碰撞等事故。

環(huán)境因素主要包括“白洞黑洞效應”、隧道照明、噪音、天氣條件等，這些外界條件可能會對駕駛人心理產生沖擊，使駕駛人產生煩躁、緊張、焦慮等情緒，從而間接影響行車安全。

車輛因素主要包括車輛自身性能和車輛故障2方面，車輛自身性能如車輛操縱穩(wěn)定性、制動性、輪胎質量等，這些車輛條件直接影響道路交通安全；車輛故障如制動故障、發(fā)動機故障、爆胎、燃料不足等，這些問題不僅對車輛本身，甚至對隧道內整體交通流都會造成影響。

管理因素主要包括交通管制水平、事故應急預案、硬件設備穩(wěn)定性、道路養(yǎng)護等方面，這些因素的缺陷會使隧道交通系統內部存在事故隱患，降低安全保障能力。

2 海底隧道交通事故風險耦合

2.1 海底隧道交通事故風險耦合作用

“耦合”為物理學概念，是指2個或多個元素之間相互依賴、產生關聯影響的現象[10]。海底隧道交通系統作為一個復雜的動態(tài)系統，其內部各風險因素之間存在彼此依賴和影響的耦合關系。當系統中的某個或某些風險因素發(fā)生不良變化，達到一定程度突破所屬防御系統后，將會對其他風險因素產生關聯影響，即發(fā)生風險因素耦合作用。若任由風險因素之間不斷耦合，耦合作用持續(xù)增強直至突破系統能夠承受的風險閾值，就會導致海底隧道交通事故風險因素發(fā)生正耦合效應[11]，即加劇風險因素惡性變化，甚至牽引更多其他風險因素發(fā)生變化。海底隧道交通事故風險耦合作用形成機理如圖2所示。風險因素之間的耦合作用會對系統局部或整體屬性產生影響，風險因素耦合作用越強，海底隧道交通系統狀態(tài)越不穩(wěn)定，交通事故發(fā)生概率越大，反之亦然。

圖2 海底隧道交通事故風險耦合作用

2.2 海底隧道交通事故風險耦合演化

由于海底隧道交通系統風險耦合錯綜復雜，導致其事故成因復雜多樣。從復雜系統風險涌現理論[12]來看，海底隧道交通事故因素由多種風險因素共同組成線性耦合事故鏈，事故鏈隨時空演變進一步發(fā)生非線性耦合作用，形成事故風險耦合演化立體網絡，如圖3所示。

圖3 海底隧道交通事故風險耦合演化立體網絡

海底隧道交通事故風險耦合演化網絡是風險因素從局部到整體、低層到高層逐級傳導形成的層次化立體網絡。第1層為因素層，各風險因素之間相互聯系、關系復雜，構成海底隧道交通事故場景引發(fā)事件；第2層為子系統層，其中包括多條由第1層因素耦合串聯形成的事故鏈，構成了海底隧道交通事故場景過程事件；第3層為系統層，是由第2層事故鏈經過一段時間的演化呈現出的風險狀態(tài)構成，子系統層事故鏈隨時間進行非線性耦合發(fā)展，系統層的風險狀態(tài)同步發(fā)生動態(tài)演化，當某一時刻交通系統風險狀態(tài)發(fā)生躍遷式突變時，就會導致交通事故的發(fā)生。

2.3 海底隧道交通事故風險耦合評價

由于各風險因素的影響因子之間存在錯綜復雜的耦合關聯，為了對各風險因素的耦合作用進行量化分析，運用突變模型歸一公式對風險因素耦合度進行計算，如式(1)所示：

(1)

式中：RX表示X風險因素耦合度；rXi表示X風險因素中i風險影響因子的權重；n表示X風險因素中風險影響因子的個數。

按照風險因素耦合度數值大小，將其對海底隧道交通系統安全性所產生的的風險程度劃分為極低風險、低風險、中風險、高風險、極高風險5個等級，見表1。

表1 海底隧道風險因素評價分級

3 海底隧道交通事故風險耦合演化機理

突變理論是由法國數學家Rene Thom于1972年創(chuàng)建的新型學科[13]，主要用于解釋內部作用機理不明確的復雜非線性系統中所發(fā)生的突變行為。通過海底隧道交通事故風險耦合分析可知，交通事故的發(fā)生具有明顯突變特征，因此可應用突變理論來分析海底隧道交通事故發(fā)生時的突變演化過程。由于尖點突變模型能夠在三維空間內構造平衡曲面，幾何直觀性強，解析計算難度較低，所以本文選用尖點突變模型對多因素耦合作用下的海底隧道交通事故風險耦合演化進行分析。

3.1 海底隧道交通事故風險耦合尖點突變模型

為滿足尖點突變模型僅含有2個控制變量的適用條件，將駕駛人因素和管理因素統一歸化為人因素，道路因素、車輛因素和環(huán)境因素統一歸化為物因素。由于人因素為影響海底隧道交通事故發(fā)生的決定性因素，物因素為間接影響的次要因素，且對于海底隧道交通系統安全產生負面影響，故將人因素作為剖分因子u，物因素作為正則因子v，建立海底隧道交通事故風險耦合尖點突變模型，勢函數如式(2)所示：

F(x)=x4-ux2-vx

(2)

式中：狀態(tài)變量x表示海底隧道交通系統安全水平；控制變量u和v為分別表示人因素和物因素。

對勢函數一階求導可得臨界點集平衡曲面方程，如式(3)所示：

F′(x)=4x3-2ux-v=0

(3)

再次求導可得奇點集方程，如式(4)所示：

F″(x)=12x2-2u=0

(4)

聯立式(2)～(3)消去x，可得分叉點集方程如式(5)所示：

Δ=-8u3+27v2

(5)

結合式(1)～(4)繪制海底隧道交通事故風險耦合尖點突變模型的平衡曲面和分叉集示意圖，如圖4所示，圖中平衡曲面是人因素和物因素控制下海底隧道交通事故風險耦合狀態(tài)所構成的三維回折曲面，可劃為上、中、下葉3個區(qū)域，分別表示海底隧道交通系統安全穩(wěn)定階段、突變發(fā)生階段和危險失穩(wěn)階段；奇點集為平衡曲面中葉回折的臨界邊線，根據突變模型的不可達性，當狀態(tài)變量x落于奇點集上時，就有可能發(fā)生突變，即直接從上葉區(qū)域躍遷至下葉區(qū)域或從下葉區(qū)域躍遷至上葉區(qū)域，故奇點集表示海底隧道交通系統風險狀態(tài)突變點的位置集合；分叉點集為奇點集在控制變量平面上的投影。海底隧道交通系統狀態(tài)從上葉突跳至下葉，表示交通事故發(fā)生。

圖4 海底隧道交通事故風險耦合尖點突變模型

3.2 海底隧道交通事故風險耦合演化分析

運用尖點突變模型理論，可以對海底隧道交通系統的風險狀態(tài)演化形式作出合理解釋，如圖4所示。

1)曲線a1-b1：當僅僅人的因素u耦合作用增強，而物因素v耦合作用較弱時，海底隧道交通系統風險緩慢增大，由控制變量平面上的投影曲線能夠看出，a1′-b1′不經過分叉點集，因此海底隧道交通系統狀態(tài)不會發(fā)生突變，即不會發(fā)生交通事故。在此過程中，駕駛人和管理因素的耦合作用逐漸加強，但由于缺乏物因素的觸發(fā)，即道路、車輛和環(huán)境因素都處于良好狀態(tài)，所以能夠抵抗人因素耦合作用產生的風險，海底隧道交通系統仍處于安全狀態(tài)。

2)曲線a2-b2：當人因素u耦合作用較弱，物因素v耦合作用增強時，海底隧道交通系統風險不斷增大，投影曲線a2′-b2′不經過分叉點集，故海底隧道交通系統狀態(tài)不會發(fā)生突變，即仍然不會發(fā)生交通事故。在此過程中，道路、車輛和環(huán)境因素的耦合作用逐漸加強，但由于缺乏人因素的觸發(fā)，即駕駛人和管理因素都處于良好狀態(tài)，所以一定程度上能夠抵抗物因素耦合作用產生的風險，海底隧道交通系統處于不穩(wěn)定的風險狀態(tài)。

3)曲線a3-b3(c3)-d3：當人因素u耦合作用處于一定強度時，隨著物因素v耦合作用不斷增強，海底隧道交通系統由穩(wěn)定的安全狀態(tài)漸變演化至不穩(wěn)定的風險狀態(tài)。投影曲線a3′-d3′與分叉點集小幅相交，故海底隧道交通系統狀態(tài)發(fā)生輕度突變，從中葉奇點b3位置突跳至下葉事故點c3，即發(fā)生微型交通事故。在此過程中，道路、車輛和環(huán)境因素之間的耦合作用不變，駕駛人和管理因素不斷耦合，達到一定程度時觸發(fā)交通事故，海底隧道交通系統處于危險狀態(tài)。

4)曲線a4-b4(c4)-d4：當人因素u和物因素v耦合作用同時增強時，海底隧道交通系統風險急劇惡化，投影曲線a4′-d4′與分叉點集大幅相交，故海底隧道交通系統狀態(tài)發(fā)生重度突變，從中葉奇點b4位置突跳至下葉事故點c4，即發(fā)生重大交通事故。在此過程中，駕駛人、管理、道路、車輛和環(huán)境因素之間耦合作用加劇，非常容易觸發(fā)交通事故，海底隧道交通系統處于極度危險狀態(tài)。

4 應用實例

通過對某海底隧道1 a內發(fā)生的783起交通事故進行歸因分析，得到各類風險因素導致的交通事故數量，見表2。其中，絕大多數事故是由多種風險因素發(fā)生耦合共同作用所致。

表2 海底隧道風險因素致使事故統計結果

運用式(1)分別計算各項風險因素耦合度，如式(6)～(12)：

駕駛人因素：

(6)

道路因素：

(7)

環(huán)境因素：

(8)

管理因素：

(9)

車輛因素：

(10)

人因素：

(11)

物因素：

(12)

根據表1建立的風險等級標準，對海底隧道風險因素耦合進行評價，結果見表3。由表3可知，單因素耦合對于海底隧道交通系統安全性所產生的的風險程度為中低風險，多因素耦合產生的的風險程度為高風險。所以，風險因素耦合數量越多，耦合度越大，海底隧道風險就越高，交通事故發(fā)生的可能性越大。

表3 海底隧道風險因素耦合評價結果

此外，通過評價結果能夠發(fā)現，駕駛人因素和道路因素為海底隧道交通事故誘發(fā)的主要因素，其次為環(huán)境因素和管理因素，車輛因素造成的影響相對較?。欢诙嘁蛩伛詈现校镆蛩刂g的耦合關聯略強于人因素。因此，在海底隧道交通安全維護中，亟需采取相應措施來抑制風險因素之間的不良耦合，降低海底隧道交通系統風險程度。

5 海底隧道交通事故預防措施

5.1 人因素預防措施

人因素在交通事故致因中處于支配地位，決定著風險狀態(tài)下海底隧道交通系統是否發(fā)生突變從而導致交通事故。在系統風險管控中，人因素風險耦合越小，系統狀態(tài)越安全，故針對人因素中駕駛人和管理2方面提出2點預防措施：

1)駕駛人因素。在海底隧道行車過程中，駕駛人不僅需要合格的駕駛技術，更重要的是要有足夠的安全意識。由于海底隧道內部環(huán)境特殊，尤其是出入口路段具有較長的縱向坡度，駕駛人在進出隧道時應當自覺提高警惕，通過速度控制盡快克服短暫的視覺不適，同時避免超車、超速、搶道等危險駕駛行為，防止車速、坡度、光照等多因素之間耦合作用所產生的不利影響。

2)管理因素。海底隧道相應管理部門需要按照相關標準規(guī)定對隧道內部設備設施進行定期維護與檢修，加強智能化管控水平，全時段保證隧道行車環(huán)境安全舒適。在海底隧道收費站，設置ETC通道和人工通道，提高車輛通行效率。在車流高峰期時段，通過收費關卡限制隧道入口車道，從而減少隧道內的交通流量，維持海底隧道內行車暢通。

5.2 物因素預防措施

物因素是影響海底隧道交通安全的重要因素，在海底隧道交通系統中控制著系統風險耦合演化的速度和方向。在系統風險管控中，物因素風險耦合越小，系統狀態(tài)越安全，故針對物因素中道路、車輛和環(huán)境3方面提出以下3點預防措施：

1)道路因素。在海底隧道出入口、合流區(qū)等高危路段設置醒目的警示標識和過渡設施，如坡度預警、限速標牌、減速帶、防滑標線等，降低海底隧道上下坡路段的事故風險。此外，海底隧道縱深較長，所以需要設置必要的應急車道，在突發(fā)狀況發(fā)生時，能夠提供避險場所與救援通道，提高隧道系統風險承受能力。

2)車輛因素。在駛入海底隧道這一空間封閉的特殊通道前，檢查排除車輛故障可能，保證車況良好，照明、喇叭、轉向、制動等各系統功能齊全、操作穩(wěn)定。在車輛進出海底隧道時，車內語音提示系統自動對駕駛人播放安全警示，提醒駕駛人注意坡路路段行車安全。在隧道行車過程中，車輛禁止超載、超速、違規(guī)變道等危險行為，確保車輛在隧道內以穩(wěn)定安全狀態(tài)行進。

3)環(huán)境因素。海底隧道內部視野幽暗，出入口路段布置遮光設施，為駕駛人視覺適應提供緩沖過渡，降低駕駛人視覺不適風險，同時保證海底隧道內部照明充足。海底隧道內墻兩側適當設置壁畫，改善單調的視野環(huán)境，在不分散駕駛人注意力的條件下降低駕駛人視覺疲勞風險。海底隧道內部環(huán)境較為潮濕，應當保證空氣通風良好，并定期及時清掃道路路面，避免路面濕滑造成行車危險。

6 結論

1)從駕駛人、道路、車輛、環(huán)境和管理5個方面對海底隧道交通事故風險因素進行分析，闡述風險因素耦合作用的內涵、特征和演化規(guī)律，表明海底隧道交通事故風險因素之間存在復雜多變的耦合關聯，底層風險因素之間的線性耦合影響事故鏈條的非線性耦合，進而影響系統風險狀態(tài)的動態(tài)演化。

2)引入尖點突變模型分析海底隧道交通事故風險耦合演化機理，揭示海底隧道交通系統人因素和物因素的耦合作用是促使交通事故發(fā)生的深層次原因，隨風險因素耦合作用增強，系統風險狀態(tài)逐漸惡化，當耦合強度達到臨界點時，系統狀態(tài)發(fā)生突跳，導致交通事故發(fā)生，突跳幅度的大小決定了交通事故的輕重程度。

3)通過海底隧道交通事故風險耦合演化機理分析，海底隧道交通事故風險狀態(tài)的演化方向與速度受人因素與物因素2個關鍵變量共同影響，當海底隧道交通系統處于風險狀態(tài)時，及時采取針對性的預防措施，能夠抑制風險因素之間的耦合作用，從而改善系統安全穩(wěn)定狀態(tài)，避免交通事故的發(fā)生。