基于模糊TOPSIS法的高速公路隧道運營安全評價模型①

楊 悅, 李倩倩, 陳孝國, 周新東, 李永超, 黃樟浩

(1.三明學(xué)院建筑工程學(xué)院,福建 三明 365004;2.福州大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,福建 福州 350108;3.三明學(xué)院 信息工程學(xué)院,福建 三明 365004)

0 引 言

高速公路隧道的修建雖大大縮短了兩地通行的距離和時間,使生活更加便利,但也產(chǎn)生了一系列問題,比如公路隧道交通事故,隧道坍塌等。截止到2020年,中國有約1.66萬人在道路交通事故中喪生,僅2020年就發(fā)生了24.8萬起隧道交通事故,造成13.46億元的財產(chǎn)損失[1]。關(guān)于隧道運營安全的研究最早源于歐洲,瑞士從1974年至2001年的800多起隧道安全事故分析中提出了降低隧道事故發(fā)生的具體預(yù)防措施[2]。挪威2004年發(fā)布的《Road Tunnel》對高速公路隧道內(nèi)安全設(shè)備的規(guī)格、隧道的應(yīng)急供電等方面做了相應(yīng)的規(guī)定[3]。S.N.Jonkman等[4]提出了基于大概率分析與確定性情況分析兩種隧道安全評價方法。國內(nèi)學(xué)者則主要利用模糊數(shù)學(xué)、層次分析法和德爾菲專家法對高速公路隧道運營安全進(jìn)行評價[5]。鞏航軍[6]采用Delphi法和AHP法實現(xiàn)對高速公路隧道運營安全性的評估。劉洪濤等[7]通過層次分析法確立隸屬度與權(quán)重值,利用模糊綜合評價對隧道運營安全進(jìn)行評價。袁家偉等[8]運用層次分析法對隧道的每個區(qū)間段運營安全風(fēng)險進(jìn)行預(yù)測。但這些文獻(xiàn)對隧道安全評估方法缺乏客觀性和準(zhǔn)確性,指標(biāo)體系不夠全面,同時沒有考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)的直覺模糊性和系統(tǒng)差異性。基于此,本文利用直覺模糊層次分析法對隧道運營安全進(jìn)行評價,將所得結(jié)果與AHP法進(jìn)行對比,新建模型能更完整地反映決策過程的不確定性,從而更接近所評價隧道的運營安全狀態(tài)。

1 隧道安全運營評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

經(jīng)過查閱資料,篩選主要指標(biāo)因素包括機(jī)電設(shè)施、交通環(huán)境、隧道結(jié)構(gòu)和安全管理4個方面,分別用A1,A2,A3,A4來表示。每個指標(biāo)均有多個因素對其產(chǎn)生影響,因此建立二級指標(biāo),其中機(jī)電設(shè)施包括消防設(shè)施、照明設(shè)備、通電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng),分別用B11,B12,B13,B14來表示。交通環(huán)境包括平均車速、能見度、交通量、路面抗滑性,分別用B21,B22,B23,B24來表示,隧道結(jié)構(gòu)包括車道寬度、洞門與襯砌、結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)設(shè)計,分別用B31,B32,B33,B34來表示,安全管理包括危險物品運輸管理、日常巡查管理、緊急狀態(tài)應(yīng)對能力[9],分別用B41,B42,B43,B44來表示,由此構(gòu)建了能反映隧道運營安全的綜合評價指標(biāo)體系,如表1所示。

表1 隧道安全運營指標(biāo)體系

根據(jù)《公路隧道運營安全設(shè)防分級標(biāo)準(zhǔn)的研究》,將隧道運營安全等級分為4個層次,如表2所示[10]。

表2 隧道安全運營等級分級表

2 直覺模糊層次分析法的隧道安全運營評價

步驟一:從機(jī)電設(shè)施、交通環(huán)境、隧道結(jié)構(gòu)和安全管理等四個方面建立隧道運營安全指標(biāo)體系,并根據(jù)《公路隧道運營安全設(shè)防分級標(biāo)準(zhǔn)的研究》,將隧道運營安全等級分為4個層次。

步驟二:建立直覺模糊偏好關(guān)系矩陣R=[rij]m×n=[μij,rij]m×n。根據(jù)直覺模糊數(shù)據(jù)的距離測度,給出下列一致性檢驗公式[11]:

(1)

式(1)中R為各項指標(biāo)相互比較得出的直覺模糊判斷矩陣:

R=[rij]m×n=[μij,rij]m×n

(2)

j>i+1

(3)

j>i+1

(4)

i,j=1,2,…,n

(5)

i,j=1,2,…,n

(6)

重復(fù)上述步驟,直到得到符合條件的直覺模糊判斷矩陣

步驟三:權(quán)重的計算。

i,j=1,2…,n

(7)

利用式(7),得到二級指標(biāo)權(quán)重ωj,利用集結(jié)算子得到總權(quán)重

wi?wj=(μwi·μwj,vwi+vwj-vwi·vwj)

(8)

由于式(8)還是直覺模糊矩陣,需要引入模糊轉(zhuǎn)換函數(shù)[12],然后采用式(9)計算各二級指標(biāo)的權(quán)重。

(9)

步驟四:利用TOPSIS決策方法進(jìn)行直覺模糊綜合評價。

正理想A+和負(fù)理想A-分別如下:

(10)

(11)

設(shè)屬性指標(biāo)Uij所對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)為ωi={ω1,ω2,…,ωn},則根據(jù)直覺模糊集定義和式可得評價等級Ai與A+的加權(quán)距離定義為:

(12)

評價等級Ai與A-的加權(quán)距離定義為:

(13)

步驟五:計算隧道各安全等級的綜合評價值并進(jìn)行排序。

將隧道各運營安全等級有效性的綜合評價值定義為:

(14)

可得出隧道各安全等級的綜合評價值,從而得出隧道的運營安全等級。

3 實例分析

3.1 莆炎高速隧道背景

莆炎高速-三明段從三明市和福州市的交界地段開始,途徑福建多地,最后與建泰高速公路相連。這是在福建省十四五的開篇之年。莆炎高速路線全長237.94km,分為三個項目段:永泰梧桐至尤溪-中仙(三明脈)、三明莘口至明溪-城關(guān),以及尤溪-中仙至建寧。其中文筆山2號隧道是一個控制項目,全長4786m,右線全長4760m,這是莆炎高速公路三明上最長的隧道。

3.2 評價指標(biāo)體系權(quán)重的確定

根據(jù)隧道運營安全評價模型指標(biāo)體系(表1) ,對三明莆炎隧道進(jìn)行隧道運營安全評估分析,查閱隧道資料并詢問專家意見得到了一級指標(biāo)及關(guān)系如下:

二級指標(biāo)偏好關(guān)系如下:

表3 隧道運營安全各級指標(biāo)權(quán)重

3.3 運營安全等級的評價值確定

根據(jù)莆炎高速隧道的數(shù)據(jù)背景,查閱施工資料并詢問專家意見得到了全部指標(biāo)對應(yīng)的直覺模糊評價值,如表4所示。

表4 隧道運營安全等級直覺模糊評價值

3.4 TOPSIS決策方法

表5 計算隧道各運營安全等級的加權(quán)距離值

CP1=0.7331>CP2=0.4983>

CP3=0.2711>CP4=0.1676

由綜合評價值可以看出,該隧道的一級安全評價值最高,故該隧道運營安全等級為一級安全。

3.5 與模糊層次分析法的比較分析

根據(jù)相同的數(shù)據(jù)信息,用模糊層次分析法[13]對三明莆炎高速隧道進(jìn)行了評價,與直覺模糊層次分析法的評價結(jié)果見表6。

表6 直覺模糊層次分析法與模糊層次分析法的結(jié)果比較

從表6可知,一方面,直覺模糊層次分析法和模糊層次分析法都得出了三明莆炎高速隧道為一級安全的結(jié)論,但就評價結(jié)果的得分值來看,直覺模糊層次分析法所得到的一級安全得分值與二級安全等級得分值的差距與模糊層次分析法相比較大,區(qū)分度更為明顯,故直覺模糊層次分析法所得的結(jié)果更為精準(zhǔn)。

另一方面,在模糊層次分析評價過程中,針對不符合條件的判斷矩陣,我們只有通過專家的再一次評分,進(jìn)行新一輪的驗證計算,而直覺模糊層次分析法則是通過改變參數(shù)的值進(jìn)行迭代計算,直到得到符合的判斷矩陣,這個過程不需要再一次評分,更加高效便利。

4 結(jié) 語

首先從機(jī)電設(shè)施、交通環(huán)境、隧道結(jié)構(gòu)、安全管理四個方面構(gòu)建隧道運營安全評價體系,將隧道安全運營等級分為四級。其次通過直覺模糊層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重,最后利用TOPSIS法對隧道運營安全進(jìn)行評價。研究表明,直覺模糊層次分析法的一級安全與二級安全的區(qū)分度相比于模糊層次分析法更大,故結(jié)果也更為精準(zhǔn)。通過隧道安全運營各級指標(biāo)權(quán)重表可以直觀的看出,消防設(shè)施,照明設(shè)備,通電系統(tǒng)和平均車速這四個指標(biāo)所占的權(quán)重較大,即對隧道安全運營的影響較大,故在建設(shè)高速公路隧道時,應(yīng)對這四個指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格的分析和把控,提升隧道的安全運營水平。對運營安全評價結(jié)果為三級安全和四級安全的高速公路隧道,應(yīng)暫停相關(guān)的運營安全工作,進(jìn)行必要的整改修繕,同時也應(yīng)積極落實隧道災(zāi)難應(yīng)對預(yù)案。