基于安全管理度的隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型研究

李 芹,倪 健,劉 凱

基于安全管理度的隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型研究

李 芹1,倪 健2,劉 凱1

(1.青島科技大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，山東 青島 266061；2.青島國(guó)信膠州灣交通

有限公司，山東 青島 266520)

通過分析影響隧道安全管理的五大因素，創(chuàng)新性提出安全管理度的概念，將隧道安全管理進(jìn)行量化，以隧道交通量作為中間變量，搭建起隧道安全管理度與運(yùn)營(yíng)效益的關(guān)系，最終建立隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益的量化模型。選取B隧道作為工程實(shí)例，應(yīng)用其相關(guān)技術(shù)參數(shù)，計(jì)算安全管理度并評(píng)價(jià)B隧道的安全管理水平，同時(shí)驗(yàn)證建立的隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型的可靠性。結(jié)果表明：B隧道的安全管理度ε為0.87，其整體安全管理水平評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”，利用B隧道實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所建立的模型基本符合實(shí)際情況。

隧道；安全管理度；安全管理；運(yùn)營(yíng)效益

我國(guó)已經(jīng)是世界上公路隧道(以下簡(jiǎn)稱隧道)發(fā)展最快的國(guó)家之一。據(jù)2015年4月中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)公布的信息，截至2013年12月，全國(guó)隧道共有11 359處，其中特長(zhǎng)隧道共有562處，合計(jì)約250.69萬(wàn)米[1]。隧道因具有自身相對(duì)封閉的結(jié)構(gòu)特性，安全事故易發(fā)，且事故后果嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失慘重，因此加強(qiáng)隧道的安全管理至關(guān)重要。在國(guó)內(nèi)外一直強(qiáng)調(diào)安全的形勢(shì)下，提高隧道安全管理水平，減少事故發(fā)生率和事故損失，已經(jīng)成為保障隧道運(yùn)營(yíng)效益的關(guān)鍵問題。隧道運(yùn)營(yíng)效益是建立在隧道安全管理處于絕對(duì)可接受水平的基礎(chǔ)上而去追求的最大收益，因此如何量化隧道的安全管理并評(píng)判隧道安全管理水平的可接受程度，成為獲取最大運(yùn)營(yíng)效益的關(guān)鍵。為此，本文基于安全管理度的概念對(duì)隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益的量化模型進(jìn)行研究。

1 隧道安全管理度

1.1 隧道安全管理的影響因素

通常意義上，隧道由人、車、路、養(yǎng)護(hù)管理、環(huán)境五部分組成，因此隧道安全管理影響因素應(yīng)從這五個(gè)方面加以分析。本文運(yùn)用層次分析法對(duì)各因素的下層級(jí)重要因素(要素)進(jìn)行分析，并分析制約要素的關(guān)鍵組成部分，從而使隧道安全管理得到逐層分解，并建立起較為全面系統(tǒng)的安全管理影響因素構(gòu)架(見圖1)，這對(duì)隧道安全管理量化具有重要意義[2]。

圖1 隧道安全管理影響因素構(gòu)架圖Fig.1 Framework of influencing factors of tunnel safety management

由圖1可見，隧道安全管理影響因素由人、車、路、養(yǎng)護(hù)管理、環(huán)境組成，5個(gè)影響因素分別又由2～3個(gè)要素構(gòu)成。其中，人的因素包括隧道管理人員、交通參與者、應(yīng)急救援人員3個(gè)要素；車的因素由機(jī)動(dòng)車狀況、交通組成、機(jī)動(dòng)車速度3個(gè)要素組成；道路因素由交通組織、道路類型、道路寬度3個(gè)要素組成；養(yǎng)護(hù)管理因素包括土建養(yǎng)護(hù)、機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)2個(gè)要素；環(huán)境因素包括內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境2個(gè)要素[3]。

1.2 隧道安全管理度概念

隧道安全管理度是隧道安全管理水平高低的量化值，它是通過對(duì)隧道安全管理的五個(gè)方面(人、車、路、養(yǎng)護(hù)管理、環(huán)境)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，運(yùn)用層次分析法(AHP法)和數(shù)據(jù)處理軟件建立計(jì)算模型，并計(jì)算得出用以評(píng)判隧道安全管理水平高低的數(shù)值。

隧道安全管理度用字母ε表示，其數(shù)值介于0～1之間(即0<ε<1)，計(jì)算得到的隧道安全管理度數(shù)值越大，表示隧道安全管理水平越高。當(dāng)計(jì)算得到的隧道安全管理度數(shù)值為0或1時(shí)，表示的是隧道安全管理水平的兩種極限情況，其中數(shù)值為0表示絕對(duì)不安全，數(shù)值為1表示絕對(duì)安全；通常來說,隧道安全管理度小于0.5時(shí),表示隧道安全管理水平為不可接受。

本文參考國(guó)內(nèi)外隧道安全管理要求以及隧道安全管理領(lǐng)域?qū)＜业囊庖奫4-5]，將對(duì)隧道安全管理水平的評(píng)價(jià)分為5個(gè)等級(jí)：優(yōu)、良、中、差、不可接受。通過對(duì)隧道安全管理度的計(jì)算，可評(píng)價(jià)隧道安全管理水平的高低，同時(shí)也可通過選擇合適的安全管理度，來調(diào)整相應(yīng)安全管理影響因素對(duì)應(yīng)要素管理的最優(yōu)策略[6]。

表1 隧道安全管理水平分級(jí)表

1.3 隧道安全管理度的量化計(jì)算

隧道安全管理度的計(jì)算通常按照以下3個(gè)步驟進(jìn)行[7]：

(1) 確定隧道安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。隧道安全管理影響因素集U={人的因素，車的因素，道路因素，養(yǎng)護(hù)管理因素，環(huán)境因素}。其中：

人的因素備選要素集U1={隧道管理人員，交通參與者，應(yīng)急救援人員};

車的因素備選要素集U2={機(jī)動(dòng)車狀況，交通組成，機(jī)動(dòng)車速度};

道路因素備選要素集U3={交通組織，道路類型，道路寬度};

養(yǎng)護(hù)管理因素備選要素集U4={土建養(yǎng)護(hù)，機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)}。

環(huán)境因素備選要素集U5={外部環(huán)境，內(nèi)部環(huán)境}。

(2) 確定各影響因素的權(quán)重。隧道安全管理的影響因素眾多，并且各個(gè)指標(biāo)的重要程度和影響作用也存在差異，為增強(qiáng)測(cè)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文將采用AHP法和Matlab軟件確定各個(gè)影響因素指標(biāo)的權(quán)重，即可得到各影響因素的權(quán)重值如下：

A={U1，U2，U3，U4，U5}={人的因素，車的因素，道路因素，養(yǎng)護(hù)管理因素，環(huán)境因素}。

U1={U11，U12，U13}={隧道管理人員，交通參與者，應(yīng)急救援人員}。

U2={U21，U22，U23}={機(jī)動(dòng)車狀況，交通組成，機(jī)動(dòng)車速度}。

U3={U31，U32，U33}={交通組織，道路類型，道路寬度}。

U4={U41，U42}={土建養(yǎng)護(hù)，機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)}。

U5={U51，U52}={內(nèi)部環(huán)境，外部環(huán)境}。

(3) 計(jì)算隧道安全管理度。通過對(duì)各影響因素的要素進(jìn)行專家打分，評(píng)判各個(gè)要素的安全管理水平，并通過下式計(jì)算隧道五大影響因素中每個(gè)要素的安全管理水平得分：

(1)

式中：αu表示各因素的安全管理水平得分；Dui表示u因素的第i個(gè)要素的權(quán)重；δui表示u因素的第i個(gè)要素的特征得分。

將各因素的安全管理水平得分αu與各因素的權(quán)重集Au按下式計(jì)算，可得到隧道的安全管理度為

(2)

式中：ε為隧道安全管理度；Au為第u個(gè)因素的權(quán)重；αu為第u個(gè)因素的安全管理水平得分，其中u=1,2,…,5。

2 隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益模型

2.1 隧道交通量概念

隧道交通量通常是指1小時(shí)內(nèi)，通過隧道某一斷面的機(jī)動(dòng)車數(shù)量，一般用Q表示。隧道交通量可用來反映隧道內(nèi)車輛的通行頻率及密度以及交通負(fù)荷的大小，是隧道運(yùn)營(yíng)管理過程中最重要的測(cè)評(píng)指標(biāo)之一，也是隧道通行收費(fèi)和運(yùn)營(yíng)效益計(jì)算的直接數(shù)據(jù)[4]。因此，隧道交通量可被用作建立隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型的中間變量。

2.2 隧道交通量與安全管理度的關(guān)系

通常情況下，隧道的安全管理水平主要體現(xiàn)在能提供的交通條件的好壞上面，高的安全管理水平往往能提供好的交通條件，隧道行車的安全性、舒適性和可靠性越高，吸引過往隧道車輛就越多，隧道通行交通量就越大，兩者之間是一種相互促進(jìn)關(guān)系。因此，可以通過研究隧道交通量來對(duì)隧道安全管理度進(jìn)行研究[8]。但是，當(dāng)隧道安全管理度降低時(shí)，隧道交通量并不直線下降，當(dāng)隧道安全管理度增加時(shí)，隧道交通量也不直線上升，隧道交通量與隧道安全管理度表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)保持趨勢(shì)的一致性。隧道交通量可以隨著其安全管理度的提高不斷增大，但增大的過程并不是直線的，也不是無限制的[9]。

為了建立隧道交通量與安全管理度之間的關(guān)系，本文選取國(guó)內(nèi)各地典型隧道項(xiàng)目(包含長(zhǎng)江隧道、仰口隧道、秦嶺1號(hào)隧道等)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，獲取了各隧道交通量與安全管理度相關(guān)數(shù)據(jù)，見表2(該調(diào)研數(shù)據(jù)具有一定的局限性，日后可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行補(bǔ)充完善)；再運(yùn)用Microsoft office軟件對(duì)表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸處理(見圖2)，從而得到隧道平均每公里日交通量與該隧道安全管理度之間的關(guān)系式：

K=432.9ε2+1 800.4ε+1 823.8

(3)

式中：K為隧道單位長(zhǎng)度日交通量[pcu/(d·km)];ε為隧道安全管理度。

表2 隧道交通量與安全管理度

圖2 隧道交通量與安全管理度的擬合曲線圖Fig.2 Fitting curve of the traffic flow and safety management degree of tunnels

2.3 隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益模型的建立

隧道運(yùn)營(yíng)效益一般是通過對(duì)隧道的通行車輛進(jìn)行收費(fèi)來實(shí)現(xiàn)的。為了便于計(jì)算，本文將各種車型轉(zhuǎn)換為“標(biāo)準(zhǔn)小型汽車”(即標(biāo)準(zhǔn)車)，并且假定每輛標(biāo)準(zhǔn)車產(chǎn)生的運(yùn)營(yíng)效益是相同的。隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)是一個(gè)前期科學(xué)決策、后期工程合理實(shí)施的系統(tǒng)過程，在隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益模型建立的過程中，不考慮安全管理的極端情況，同時(shí)要去除安全管理度0<ε≤0.5不可接受的情況，因此選取隧道交通量與隧道運(yùn)營(yíng)效益成正比的合理區(qū)間。設(shè)隧道每天的運(yùn)營(yíng)效益量為M，則

M=fQ

(4)

式中：Q為隧道交通量(pcu/d)；M為隧道每日的運(yùn)營(yíng)效益(元)；f為單位標(biāo)準(zhǔn)車產(chǎn)生的效益(元/pcu)

最終，可得到隧道運(yùn)營(yíng)效益與安全管理度之間的關(guān)系模型為

(5)

該模型的限制條件為：隧道安全管理管理度在0.5≤ε<1范圍內(nèi)適用。

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 工程實(shí)例概況

本研究選擇的B隧道項(xiàng)目位于J市，該隧道采用通常的管理方式，在建設(shè)初期由當(dāng)?shù)卣约百Y金、技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的投資公司出資，并采用成熟的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、轉(zhuǎn)移(BOT)模式進(jìn)行管理，隧道于2008年動(dòng)工，于2011年建成通車，建設(shè)及運(yùn)營(yíng)管理水平較高，項(xiàng)目比較典型且具有較好的代表性。

B隧道全長(zhǎng)7.8 km，設(shè)有雙主洞加一服務(wù)隧道，共有六個(gè)車道，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，對(duì)連接城區(qū)與H城區(qū)起到重要作用，該隧道投入運(yùn)營(yíng)僅4年時(shí)間，運(yùn)行狀態(tài)良好。

B隧道采用的強(qiáng)、弱電系統(tǒng)是迄今為止中國(guó)國(guó)內(nèi)最頂尖的技術(shù)，該強(qiáng)、弱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性超過目前國(guó)內(nèi)絕大部分隧道的相應(yīng)指標(biāo)，明顯居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，其他多項(xiàng)技術(shù)也都代表了我國(guó)目前隧道技術(shù)應(yīng)用的最高水平。

3.2 B隧道安全管理因素權(quán)重的計(jì)算

本文采用AHP法和Matlab軟件對(duì)B隧道安全管理各影響因素權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得到B隧道安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各因素的權(quán)重值見表3。

表3 隧道安全管理各因素的權(quán)重分配表

3.3 B隧道安全管理要素的專家打分

通過選取一定數(shù)量相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)B隧道安全管理各要素進(jìn)行打分，得到各要素專家評(píng)分表，詳見表4。

表4 隧道安全管理各要素專家評(píng)價(jià)得分表

3.4 隧道安全管理度計(jì)算及安全管理水平評(píng)價(jià)

利用公式(1)以及各子要素的權(quán)重值，可分別計(jì)算得到B隧道安全管理五大影響因素安全管理水平的得分情況，具體見表5。

表5 B隧道安全管理五大因素安全管理水平得分表

利用公式(2)以及五大因素的權(quán)重值，可計(jì)算得到B隧道的安全管理度ε=0.87，根據(jù)表1可以判定J市B隧道整體安全管理水平評(píng)價(jià)等級(jí)為“良”(0.8≤ε<0.9)。

3.5 模型驗(yàn)證

按照B隧道運(yùn)營(yíng)企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，平均每天收費(fèi)總額為58萬(wàn)元；根據(jù)運(yùn)營(yíng)企業(yè)隧道綜合監(jiān)控平臺(tái)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，B隧道的日平均交通量為2.9萬(wàn)輛，各類車輛實(shí)際通行情況見表6，標(biāo)準(zhǔn)車收費(fèi)為20元/輛。

表6 B隧道各類車輛實(shí)際通行情況表

注：本表中沒有貨車通行量的記錄，原因是該隧道定位為市政隧道，貨車不允許通行。

按照公式(3)，利用收費(fèi)總額、標(biāo)準(zhǔn)車收費(fèi)等數(shù)據(jù)，反算隧道安全管理度，得到B隧道ε=0.871，可見實(shí)際計(jì)算值與模型得到數(shù)據(jù)基本一致，且數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)，說明建立的隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型較好地符合實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

本文通過分析隧道安全管理的影響因素，提出隧道安全管理度的概念，并將安全管理進(jìn)行量化，創(chuàng)新性地建立了隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型。選取B隧道作為工程實(shí)例，運(yùn)用其工程技術(shù)參數(shù)，計(jì)算隧道安全管理度并評(píng)價(jià)B隧道安全管理的水平，同時(shí)驗(yàn)證所建立的隧道安全管理與運(yùn)營(yíng)效益量化模型的可靠性，結(jié)果表明模型計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況。

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[2] 韓彥斌,曾艷華,張玉春.高速公路隧道內(nèi)交通事故的影響因素及防治措施[J].鐵路與公路設(shè)計(jì),2009,29(3):62-64.

[3] 湯洪波.基于安全檢查表的高速公路隧道安全因素分析[J].四川建筑，2009(1):307-308.

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[5] Dingetal L.SafetyManagementinTunnelConstruction-WuhanMetroConstruction[EB/OL].(2013-07-21)http://www.wenkuxiazai.com/10.1016/j.ssci.

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[9] 重慶交通科研設(shè)計(jì)院.公路隧道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2004.

Quantitative Model of Safety Management and Operation Benefit of the Tunnel Based on Security Management Degree

LI Qin1，NI Jian2，LIU Kai1

(1.SchoolofEconomicsandManagement,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266061,China；2.QingdaoGuoxinJiaozhouBayTrafficCo.,Ltd.,Qingdao266520,China)

This paper proposes a concept of safety management degree according to the analysis of the five factors in the tunnel safety management.The safety management degree quantifies the level of tunnel safety management.By using the tunnel traffic flow as an intermediate variable,the paper constructs the relationship between tunnel safety management degree and operation benefit,and finally establishes a quantitative model of tunnel safety management and operation benefit.Taking tunnel B in a city as a project case,the paper applies its relevant technical parameters to calculate the safety management degree and evaluate its safety management level,and meanwhile validates the established quantitative model of tunnel safety management and operation benefits.The results indicate that the safety management degree of tunnel B (ε) is 0.87,the evaluation grade of the integrated safety management level is “good”,and the validation by using the real operational data of tunnel B demonstrates that the model is basically in line with the actual situation.Key words:tunnel;safety management degree;safety management;operation benefit

1671-1556(2016)02-0085-05

2015-08-03

2015-12-28

青島市社會(huì)科學(xué)規(guī)劃項(xiàng)目(QDSKL1401058)

李 芹(1982—)，女，碩士，講師，主要從事管理科學(xué)與工程管理等方面的研究。E-mail:liqin8215@163.com

X913；U458

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.017