城市交通隧道運營安全風險評估模型及管理系統研究

周 兵 ，王傳生，劉芳亮，王爾覺，張鑫鑫

(1.首都經濟貿易大學, 北京 100070；2.中國交通建設集團，北京 100083；3.中交公路規劃設計院，北京 100083)

0 引言

隨著城市建設規模的發展擴大，城市道路隧道在建設數量上不斷攀升，但其所處環境具有不可預見風險因素多、介質復雜多變的特點[1-3]，因此隧道工程安全風險評估已成隧道工程發展的重中之重，但目前針對隧道工程安全風險評估的研究主要集中在公路隧道的施工階段[4-6]，對運營階段，尤其是城市道路隧道運營階段的安全風險評估研究較少，比較零散，也未成體系，所以需要在隧道運營期安全風險評估方面建立準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別在于平面布線形式有限、橫斷面形式多樣、消防與通風設計標準高，洞口景觀要求高、使用率更高等特點，直接決定了前者的風險評估指標因素發生了較大變化，也改變了其指標體系構成。

1 評估策略

目前，公路隧道工程施工安全風險評估一般采用系統風險評估和專項風險評估，系統風險評估重點關注整個系統的風險等級，將定量類比與定性類比結合起來，確定總體風險等級，評估整體發生重大風險的幾率；對于專項風險評估，主要關注某一類的風險指數，此項風險幾率和事后損失大都采用“特爾斐法”，但過度依靠專家經驗和提供信息的準確度[7-9]，有時效果并不佳。

根據城市道路隧道特征，通過區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險評估方法的基礎上，提出了總體評估與專項評估相結合的城市道路隧道運營階段安全風險評估策略，具體為：首先進行總體風險評估，建立起城市道路隧道運營階段安全風險評估的指標體系，給出評估等級，并在確定風險評估范圍的基礎上，進行各單一風險事件的專項評估工作，最后逐一確定安全風險控制措施[10-13]，總體評估流程如圖1所示。

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

以馬巒山隧道工程為研究背景，在實施總體風險評估的基礎上，根據需要進行了各風險事件專項評估，最終根據整體的研究成果開發了針對城市道路隧道運營階段安全風險管理系統，實現了城市隧道運營階段安全風險的數字化、信息化以及智慧化管理。

2 總體安全風險評估

2.1 總體安全風險評估指標體系

由于城市隧道運營階段狀況更為復雜，影響各項潛在風險的因素較多，其中如社會因素、交通狀況和行駛車輛狀況等一些風險因素對城市隧道的日常運營安全的影響較難計算，為了準確評價隧道總體運營安全風險，需要在通常風險因子識別的基礎上，總結分析出更容易計算或定性評估、且能對運營風險產生全局性影響的風險因子，采取更為科學的風險評估方法，建立相應的風險評估指標體系[14]。城市隧道運營期的風險指標采用專家分析法進行指標的優化，并結合專家調查法進一步確定。

城市道路隧道的運營階段影響因素眾多，為了更好的將其歸類和分層分級進一步細分，將各類風險因素劃為3個級別：第1級為目標層，第2級為準則層和第3級為指標層，如表1所示。

表1 隧道運營安全風險指標目標層和準則層Tab.1 Target layer and criterion layer of tunnel operation safety risk indicators

第1級即隧道運營階段的風險指標主要包括運營交通、隧道自身結構、隧道外部環境、隧道運營管理及人的因素5個類別；第2級準則層包括了交通特性、基本構型、土建結構狀況、運營安全設備、自然環境、行車環境、隧道運營管理水平、駕駛人員安全行為水平8個方面，用T1～T8表示，主要考慮對城市隧道日常運行安全影響較大的因素；第3級由影響準則層各個因素的指標構成指標層，分別用T11，T12，…，T1n，T21，T22，…等進行表示其指標。

根據城市道路隧道運營階段的特點，以及與公路隧道的相似之處，現將城市道路隧道運營階段的第3級指標層因素羅列如表2所示。

表2 隧道運營安全風險指標體系第3級指標層Tab.2 Third indicator layer of tunnel operation safety risk indicator system

2.2 隧道安全狀態的模糊綜合評判模型

隧道運營期的風險評估指標構成的3層次體系需要使用評價模型進行綜合評估，即兩級模糊綜合評價模型，由基礎層向上進行綜合評價，最終得到最上層對原問題的綜合評價結果為止[14-16]。

1)一級模糊綜合評價

(1)建立評價指標集

隧道運營安全狀態評價指標體系第1層為主因素層，用集合表示為U={T1,T2,…,T8}；第2層為指標層，表示為T1={T11,T12,…,T13}。

(2)建立評價算法

評價算法主要表現為對評價目標可能做出的評判結果，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，進一步得到模糊評判向量，進而使得評估對象對應各評價等級隸屬程度的信息通過這個模糊向量表示出來，體現了評價的模糊特性，設評價等級集合為：

V={v1,v2,v3,v4}，

(1)

式中，v1,v2,v3,v4分別為隧道運營階段安全風險等級，即安全、準安全、準危險、危險4種安全狀態，并分別用1類，2類，3類，4類(3，4類對應準危險)，5類表示，以便與《公路隧道養護技術規范》[18]中的判定結果相對應。

(3)確定單因素評價矩陣

通過關聯的函數給出指標Cij對評價矩陣V的關聯向量Rcij:

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

j=1, 2, 3，…。

(2)

由關聯向量Rcij，即可建立準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于矩陣相乘：

ω×R′=R，

(3)

式中，ω為權重向量；R′為單因素評判矩陣；R為相應的準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與其相應的權重向量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為指標的數量，基于排列質心的權重(即ROC)表達公式為：

(4)

各評價指標的權重進行確定時，應根據所要進行評價的隧道類型和其本身的運營特點，采用專家調研的方法對各個指標進行重要性排序，然后計算出其權重值，并代入到動態評價模型中對道路隧道的運營安全狀態進行評價。

2)二級模糊綜合評判

將一級模糊綜合評判結果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，由相應的權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果——目標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賦以分值進行量化，不同的F值對應不同的運營安全狀態，如表3所示。

表3 隧道運營安全狀態等級Tab.3 Safety status levels of tunnel operation

2.3 隧道總體運營安全風險等級判定

根據建立的風險評估指標體系，采用模糊綜合評判法對隧道總體運營安全風險進行評估。由前面的研究內容，得到隧道總體運營安全風險評估表，如表4所示，以準則層T1的下一層指標層T11為例。

表4 隧道總體運營安全風險評估表Tab.4 Overall tunnel operation safety risk assessment table

隧道總體運營安全風險R按以下公式進行計算確定：

R=∑TijTij=rij×Rij，

(6)

式中，Tij為評估指標的分值，i=1，2，3；j=1，2，…,n，n為對應第i類評估指標的數量。

計算得出R值后，對照隧道運營階段總體安全風險評估標準表確定隧道運營階段總體安全風險等級[16]。隧道運營階段總體安全風險分級標準如表5所示。

表5 隧道總體運營安全風險評估標準Tab.5 Assessment criterion for tunnel overall operational safety risk

以馬巒山隧道剛建設完成時的狀態為依據，按照3.2節的隧道總體運營安全風險等級計算方法，最終算出馬巒山隧道總體運營安全風險系數R=25.977，參照表5風險評估標準的劃分為等級Ⅰ(低度風險)。

3 安全風險事件專項評估

通過前期總體風險評估，可以確定較為準確的風險等級，R>60風險等級高的隧道工程，需根據統計信息開展專項風險評估。R≤60的城市隧道工程，風險等級相對較低的隧道工程可酌情開展專項風險評估[17-18]。

城市隧道運營安全風險的專項評估，關鍵是分析發現風險因子識別、風險發生幾率、后續潛在損失估計和風險評價等因素的評估方法[19]。在建立風險發生的評估模型基礎上，分析風險可能發生的幾率和預計產生的損失，通過風險評價判定該隧道風險是否滿足風險可接受準則。隧道運營風險分析基本流程如圖2所示。

圖2 隧道運營安全風險事件專項安全評估基本流程圖Fig.2 Basic flowchart of special safety assessment for tunnel operation safety risk events

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

(1)發現并確定風險發生的外部典型場景；(2)分析計算風險發生的幾率；(3)計算風險發生的損失和后果；(4)考慮社會救援與自救可能性；(5)統計評估風險；(6)對風險進行評價。

3.1 安全風險源辨識及風險事件分析

風險識別首要任務是分析風險可能發生根本原因，對風險進行細致分類，并對風險發生后的潛在影響或損失進行計算。主要識別方法有專家調查法、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，科學合理地對風險系統存在的各種因素進行全面的辨識研究。

3.2 運營安全風險事件評估方法

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

隧道風險事件發生概率的評估方法，采用專家調查法、改進的層次分析法、故障樹法等，通過結合統計及分析來獲得風險損失發生的概率。

3.3 運營安全風險接受準則

本研究中隧道運營階段的風險接受準則遵循ALARP準則，并采取可量化的標準來確定隧道運營風險接受準則，如圖3所示。

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

以安全風險接受準則為例，社會風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間上表示死亡人數與死亡概率之間的函數關系，通過計算擬定的F-N曲線的斜率，根據國家規律法規設置死亡人數起始點以及上下限的起始點。經綜合分析，馬巒山隧道運營階段風險接受準則采用F-N曲線。

4 運營階段安全風險管理系統

由于隧道工程運營階段安全風險存在動態變化的特點，采用風險管理系統開展定期、動態的安全風險評價和管理較為必要且迫切。

基于Web技術，以后端asp.net core+sql server，前端html5+angular2為開發工具，針對深圳坪鹽通道馬巒山，從實現信息養護的理念出發，開發了馬戀山隧道運營階段風險管理系統，如圖4所示。

圖4 運營階段安全風險評估系統界面(局部)Fig.4 Interface of safety risk assessment system in operation period (partial)

該系統面向參建各方，應用于公路隧道運營階段，提供運營階段風險管理所需要的各項服務，為城市隧道運營階段安全管理、決策分析提供技術支持，主要實現遠程訪問及用戶管理、風險評估、運營階段風險管理、風險措施庫、工作資料庫等功能。其中風險評估功能的應用如下：

專項風險評估是對2.1節中提到的8類風險事件進行采用基于事故場景進行專項風險評估，以結構病害為例，可在系統中詳細記錄說明該結構病害的發生概率(a)、損失等級(b)、風險評估(c)、控制措施(d)。

最后，綜合各專項風險評估內容，得到運營安全預警等級，并給出相關建議。

5 結論

為實現城市道路隧道運營階段安全風險評估和管理，依托馬巒山隧道工程，建立了隧道運營階段安全風險評價指標體系，并依據該指標體系專項開發了隧道運營階段風險動態評估與管理系統。主要結論如下：

(1)提出了城市道路隧道運營階段安全風險評估總體思路，即先進行總體安全風險評估，在總體安全風險達到III級，即高度風險時，進行專項風險評估。

(2)提出了實現運營階段安全風險評估的指標體系，將運營階段眾多影響因素分為3個層次：第1層為目標層，即隧道運營階段的風險指標主要包括運營交通、隧道自身結構、隧道外部環境、隧道運營管理及人的因素5個類別；第2層為準則層，由可能影響隧道運營安全的因素組成；第3層為指標層，由可能影響準則層因素的各項指標因子組成，如1級指標為運營交通，2級指標為交通特性，3級指標為交通組成、交通量和車速等；3層次指標的權重和評估取值由3.2節提出的相關公式組成了隧道運營期安全風險評估模型。

(3)開發了城市道路隧道運營階段安全風險管理系統，并內嵌了安全風險評估模型及算法，可以實現主要風險事件的動態評估和管理，為實現其風險信息化管理提供了條件。

(4)目前國內城市隧道運營階段安全風險評估相關行業規范或指南尚未出臺，其運營階段安全風險評估方法、體系和管理工作還有待深入研究。