海底隧道交通事故風(fēng)險耦合演化機(jī)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(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)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(nèi)部視野環(huán)境更為幽暗，且隧道縱面線形一般呈現(xiàn)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(nèi)的行車環(huán)境更為復(fù)雜，各種外界因素之間發(fā)生的耦合作用對交通事故的風(fēng)險演化產(chǎn)生重要影響。

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

1 海底隧道交通事故風(fēng)險因素

影響海底隧道交通系統(tǒng)安全的因素復(fù)雜多樣，從安全系統(tǒng)工程學(xué)角度，運用事故樹分析法定性分析海底隧道交通事故風(fēng)險因素，可將其分為駕駛?cè)?、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?cè)艘蛩刂饕{駛?cè)说纳硭刭|(zhì)、心理素質(zhì)、安全意識、駕駛技術(shù)、應(yīng)急處置能力等，這些風(fēng)險因素容易對駕駛?cè)说鸟{駛行為產(chǎn)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(biāo)志標(biāo)線設(shè)置、減速設(shè)施等，這些道路條件對駕駛?cè)说男熊嚢踩矔a(chǎn)生影響，如在特殊路段缺少警示標(biāo)志時，極易引發(fā)車輛側(cè)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(yīng)”、隧道照明、噪音、天氣條件等，這些外界條件可能會對駕駛?cè)诵睦懋a(chǎn)生沖擊，使駕駛?cè)水a(chǎn)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(zhì)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(jī)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(nèi)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(yīng)急預(yù)案、硬件設(shè)備穩(wěn)定性、道路養(yǎng)護(hù)等方面，這些因素的缺陷會使隧道交通系統(tǒng)內(nèi)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(fēng)險耦合

2.1 海底隧道交通事故風(fēng)險耦合作用

“耦合”為物理學(xué)概念，是指2個或多個元素之間相互依賴、產(chǎn)生關(guān)聯(lián)影響的現(xiàn)象[10]。海底隧道交通系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，其內(nèi)部各風(fēng)險因素之間存在彼此依賴和影響的耦合關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)中的某個或某些風(fēng)險因素發(fā)生不良變化，達(dá)到一定程度突破所屬防御系統(tǒng)后，將會對其他風(fēng)險因素產(chǎn)生關(guān)聯(lián)影響，即發(fā)生風(fēng)險因素耦合作用。若任由風(fēng)險因素之間不斷耦合，耦合作用持續(xù)增強(qiáng)直至突破系統(tǒng)能夠承受的風(fēng)險閾值，就會導(dǎo)致海底隧道交通事故風(fēng)險因素發(fā)生正耦合效應(yīng)[11]，即加劇風(fēng)險因素惡性變化，甚至牽引更多其他風(fēng)險因素發(fā)生變化。海底隧道交通事故風(fēng)險耦合作用形成機(jī)理如圖2所示。風(fēng)險因素之間的耦合作用會對系統(tǒng)局部或整體屬性產(chǎn)生影響，風(fēng)險因素耦合作用越強(qiáng)，海底隧道交通系統(tǒng)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(fēng)險耦合作用

2.2 海底隧道交通事故風(fēng)險耦合演化

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

圖3 海底隧道交通事故風(fēng)險耦合演化立體網(wǎng)絡(luò)

海底隧道交通事故風(fēng)險耦合演化網(wǎng)絡(luò)是風(fēng)險因素從局部到整體、低層到高層逐級傳導(dǎo)形成的層次化立體網(wǎng)絡(luò)。第1層為因素層，各風(fēng)險因素之間相互聯(lián)系、關(guān)系復(fù)雜，構(gòu)成海底隧道交通事故場景引發(fā)事件；第2層為子系統(tǒng)層，其中包括多條由第1層因素耦合串聯(lián)形成的事故鏈，構(gòu)成了海底隧道交通事故場景過程事件；第3層為系統(tǒng)層，是由第2層事故鏈經(jīng)過一段時間的演化呈現(xiàn)出的風(fēng)險狀態(tài)構(gòu)成，子系統(tǒng)層事故鏈隨時間進(jìn)行非線性耦合發(fā)展，系統(tǒng)層的風(fēng)險狀態(tài)同步發(fā)生動態(tài)演化，當(dāng)某一時刻交通系統(tǒng)風(fēng)險狀態(tài)發(fā)生躍遷式突變時，就會導(dǎo)致交通事故的發(fā)生。

2.3 海底隧道交通事故風(fēng)險耦合評價

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

(1)

式中：RX表示X風(fēng)險因素耦合度；rXi表示X風(fēng)險因素中i風(fēng)險影響因子的權(quán)重；n表示X風(fēng)險因素中風(fēng)險影響因子的個數(shù)。

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

表1 海底隧道風(fēng)險因素評價分級

3 海底隧道交通事故風(fēng)險耦合演化機(jī)理

突變理論是由法國數(shù)學(xué)家Rene Thom于1972年創(chuàng)建的新型學(xué)科[13]，主要用于解釋內(nèi)部作用機(jī)理不明確的復(fù)雜非線性系統(tǒng)中所發(fā)生的突變行為。通過海底隧道交通事故風(fēng)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(yīng)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(nèi)構(gòu)造平衡曲面，幾何直觀性強(qiáng)，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(fēng)險耦合演化進(jìn)行分析。

3.1 海底隧道交通事故風(fēng)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?cè)艘蛩睾凸芾硪蛩亟y(tǒng)一歸化為人因素，道路因素、車輛因素和環(huán)境因素統(tǒng)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(tǒng)安全產(chǎn)生負(fù)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(fēng)險耦合尖點突變模型，勢函數(shù)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(tǒng)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(shù)一階求導(dǎo)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(dǎo)可得奇點集方程，如式(4)所示：

F″(x)=12x2-2u=0

(4)

聯(lián)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(jié)合式(1)～(4)繪制海底隧道交通事故風(fēng)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(fēng)險耦合狀態(tài)所構(gòu)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(tǒng)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(jù)突變模型的不可達(dá)性，當(dāng)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(tǒng)風(fēng)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(tǒng)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(fēng)險耦合尖點突變模型

3.2 海底隧道交通事故風(fēng)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(tǒng)的風(fēng)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(dāng)僅僅人的因素u耦合作用增強(qiáng)，而物因素v耦合作用較弱時，海底隧道交通系統(tǒng)風(fēng)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(jīng)過分叉點集，因此海底隧道交通系統(tǒng)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?cè)撕凸芾硪蛩氐鸟詈献饔弥饾u加強(qiáng)，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(chǎn)生的風(fēng)險，海底隧道交通系統(tǒng)仍處于安全狀態(tài)。

2)曲線a2-b2：當(dāng)人因素u耦合作用較弱，物因素v耦合作用增強(qiáng)時，海底隧道交通系統(tǒng)風(fēng)險不斷增大，投影曲線a2′-b2′不經(jīng)過分叉點集，故海底隧道交通系統(tǒng)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(qiáng)，但由于缺乏人因素的觸發(fā)，即駕駛?cè)撕凸芾硪蛩囟继幱诹己脿顟B(tài)，所以一定程度上能夠抵抗物因素耦合作用產(chǎn)生的風(fēng)險，海底隧道交通系統(tǒng)處于不穩(wěn)定的風(fēng)險狀態(tài)。

3)曲線a3-b3(c3)-d3：當(dāng)人因素u耦合作用處于一定強(qiáng)度時，隨著物因素v耦合作用不斷增強(qiáng)，海底隧道交通系統(tǒng)由穩(wěn)定的安全狀態(tài)漸變演化至不穩(wěn)定的風(fēng)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(tǒng)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?cè)撕凸芾硪蛩夭粩囫詈?，達(dá)到一定程度時觸發(fā)交通事故，海底隧道交通系統(tǒng)處于危險狀態(tài)。

4)曲線a4-b4(c4)-d4：當(dāng)人因素u和物因素v耦合作用同時增強(qiáng)時，海底隧道交通系統(tǒng)風(fēng)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(tǒng)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?cè)?、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(tǒng)處于極度危險狀態(tài)。

4 應(yīng)用實例

通過對某海底隧道1 a內(nèi)發(fā)生的783起交通事故進(jìn)行歸因分析，得到各類風(fēng)險因素導(dǎo)致的交通事故數(shù)量，見表2。其中，絕大多數(shù)事故是由多種風(fēng)險因素發(fā)生耦合共同作用所致。

表2 海底隧道風(fēng)險因素致使事故統(tǒng)計結(jié)果

運用式(1)分別計算各項風(fēng)險因素耦合度，如式(6)～(12)：

駕駛?cè)艘蛩兀?/p>

(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(jù)表1建立的風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)，對海底隧道風(fēng)險因素耦合進(jìn)行評價，結(jié)果見表3。由表3可知，單因素耦合對于海底隧道交通系統(tǒng)安全性所產(chǎn)生的的風(fēng)險程度為中低風(fēng)險，多因素耦合產(chǎn)生的的風(fēng)險程度為高風(fēng)險。所以，風(fēng)險因素耦合數(shù)量越多，耦合度越大，海底隧道風(fēng)險就越高，交通事故發(fā)生的可能性越大。

表3 海底隧道風(fēng)險因素耦合評價結(jié)果

此外，通過評價結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，駕駛?cè)艘蛩睾偷缆芬蛩貫楹５姿淼澜煌ㄊ鹿收T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小；而在多因素耦合中，物因素之間的耦合關(guān)聯(lián)略強(qiáng)于人因素。因此，在海底隧道交通安全維護(hù)中，亟需采取相應(yīng)措施來抑制風(fēng)險因素之間的不良耦合，降低海底隧道交通系統(tǒng)風(fēng)險程度。

5 海底隧道交通事故預(yù)防措施

5.1 人因素預(yù)防措施

人因素在交通事故致因中處于支配地位，決定著風(fēng)險狀態(tài)下海底隧道交通系統(tǒng)是否發(fā)生突變從而導(dǎo)致交通事故。在系統(tǒng)風(fēng)險管控中，人因素風(fēng)險耦合越小，系統(tǒng)狀態(tài)越安全，故針對人因素中駕駛?cè)撕凸芾?方面提出2點預(yù)防措施：

1)駕駛?cè)艘蛩?。在海底隧道行車過程中，駕駛?cè)瞬粌H需要合格的駕駛技術(shù)，更重要的是要有足夠的安全意識。由于海底隧道內(nèi)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?cè)嗽谶M(jìn)出隧道時應(yīng)當(dāng)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(chǎn)生的不利影響。

2)管理因素。海底隧道相應(yīng)管理部門需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對隧道內(nèi)部設(shè)備設(shè)施進(jìn)行定期維護(hù)與檢修，加強(qiáng)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(shè)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(guān)卡限制隧道入口車道，從而減少隧道內(nèi)的交通流量，維持海底隧道內(nèi)行車暢通。

5.2 物因素預(yù)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(tǒng)中控制著系統(tǒng)風(fēng)險耦合演化的速度和方向。在系統(tǒng)風(fēng)險管控中，物因素風(fēng)險耦合越小，系統(tǒng)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(yù)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(shè)置醒目的警示標(biāo)識和過渡設(shè)施，如坡度預(yù)警、限速標(biāo)牌、減速帶、防滑標(biāo)線等，降低海底隧道上下坡路段的事故風(fēng)險。此外，海底隧道縱深較長，所以需要設(shè)置必要的應(yīng)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(tǒng)風(fēng)險承受能力。

2)車輛因素。在駛?cè)牒５姿淼肋@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(zhuǎn)向、制動等各系統(tǒng)功能齊全、操作穩(wěn)定。在車輛進(jìn)出海底隧道時，車內(nèi)語音提示系統(tǒng)自動對駕駛?cè)瞬シ虐踩?，提醒駕駛?cè)俗⒁馄侣仿范涡熊嚢踩?。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(nèi)以穩(wěn)定安全狀態(tài)行進(jìn)。

3)環(huán)境因素。海底隧道內(nèi)部視野幽暗，出入口路段布置遮光設(shè)施，為駕駛?cè)艘曈X適應(yīng)提供緩沖過渡，降低駕駛?cè)艘曈X不適風(fēng)險，同時保證海底隧道內(nèi)部照明充足。海底隧道內(nèi)墻兩側(cè)適當(dāng)設(shè)置壁畫，改善單調(diào)的視野環(huán)境，在不分散駕駛?cè)俗⒁饬Φ臈l件下降低駕駛?cè)艘曈X疲勞風(fēng)險。海底隧道內(nèi)部環(huán)境較為潮濕，應(yīng)當(dāng)保證空氣通風(fēng)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(jié)論

1)從駕駛?cè)恕⒌缆?、車輛、環(huán)境和管理5個方面對海底隧道交通事故風(fēng)險因素進(jìn)行分析，闡述風(fēng)險因素耦合作用的內(nèi)涵、特征和演化規(guī)律，表明海底隧道交通事故風(fēng)險因素之間存在復(fù)雜多變的耦合關(guān)聯(lián)，底層風(fēng)險因素之間的線性耦合影響事故鏈條的非線性耦合，進(jìn)而影響系統(tǒng)風(fēng)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(fēng)險耦合演化機(jī)理，揭示海底隧道交通系統(tǒng)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(fēng)險因素耦合作用增強(qiáng)，系統(tǒng)風(fēng)險狀態(tài)逐漸惡化，當(dāng)耦合強(qiáng)度達(dá)到臨界點時，系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生突跳，導(dǎo)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(fēng)險耦合演化機(jī)理分析，海底隧道交通事故風(fēng)險狀態(tài)的演化方向與速度受人因素與物因素2個關(guān)鍵變量共同影響，當(dāng)海底隧道交通系統(tǒng)處于風(fēng)險狀態(tài)時，及時采取針對性的預(yù)防措施，能夠抑制風(fēng)險因素之間的耦合作用，從而改善系統(tǒng)安全穩(wěn)定狀態(tài)，避免交通事故的發(fā)生。