基于STAMP的高速公路隧道機電系統安全評估研究

摘 要：本文研究了基于系統理論事故模型與過程分析（System-Theoretic Accident Modeling and Process，STAMP）的高速公路隧道機電系統安全評估方法。通過STAMP模型，系統地識別了隧道機電系統中人、技術、組織及環境間的交互關系和潛在失效模式，構建了安全評估框架。通過引入STAMP模型，本文希望能夠為高速公路隧道機電系統的安全評估提供一種新的思路和方法，進一步提高評估的科學性和準確性。

關鍵詞：高速公路；機電系統；STAMP

中圖分類號：U 458 文獻標志碼：A

隨著我國經濟蓬勃發展和人民生活水平日益提高，高速公路建設迎來了前所未有的發展機遇，隧道作為高速公路網絡中的關鍵組成部分，其建設數量和里程不斷增加，對高速公路的整體通行能力和安全性起到了至關重要的作用[1]。然而，高速公路隧道機電系統的復雜性和多樣性，使其安全管理成為了一個亟需解決的重要問題。機電系統作為隧道運營的核心支撐，包括監控、通風、照明、供配電及火災報警等多個子系統，這些系統的穩定運行直接關系到隧道的安全通行和應急處置能力[2]。然而，由于隧道環境的特殊性，例如空間狹小、光線不足、車輛行駛速度快等，機電系統容易受到各種因素的干擾和影響，從而導致故障頻發，甚至引發嚴重的交通事故[3]。

因此，對高速公路隧道機電系統進行科學、全面的安全評估顯得尤為重要。安全評估不僅能夠及時發現系統中的潛在隱患和薄弱環節，還能為后續的維護和管理提供有力的數據支持，從而確保機電系統的長期穩定運行，提高隧道的安全通行能力。

STAMP模型作為一種先進的系統安全分析方法[4]，強調從系統整體角度出發，分析系統各組成部分之間的交互關系和失效模式，從而識別潛在的安全風險[5]。通過引入STAMP模型，本文希望能夠為高速公路隧道機電系統的安全評估提供一種新的思路和方法，進一步提高評估的科學性和準確性。

1 研究方法及框架

本文在傳統隧道機電系統可靠性估算方法的基礎上進行了深化，通過引入STAMP方法，旨在實現與既有評估方式的相互融合和補充，從而構建了一個更綜合、更先進的評估框架，研究框架如圖1所示[6]。

1.1 可靠性估算方法

隧道中的機電設備種類繁雜，因此需要對其各個分項進行可靠性分析，即設備的成新率、完好率和穩定率，再整合為整體的可靠性得分。K為系統整體可靠性的最大似然估計，在后續推導過程中用p代替，分項工程的可靠性值介于0～100，數值越大代表可靠性越高，見表1。每個組成單位的可靠性評估結果是互不相關的，是離散型的分布，可能存在0～100的不同結果。該分項工程母體X的可靠性計算如公式（1）所示。

一個樣本出現的概率如公式（2）所示。

式中：X為整體；xi～xn為各分項；n為分項中的樣本容量。

應用最大似然估計法的思想，選擇使此概率達到最大的p值作為設備的可靠性，如公式（3）、公式（4）所示。

令公式（5）存在。

解得公式（6）、公式（7）。

1.2 STAMP分析

基于STAMP的道路隧道機電設備的安全評估方法遵循基于STAMP的分析的典型步驟。STAMP的分析流程如下。

1.2.1 定義系統邊界與損失

首先，明確隧道機電系統的邊界范圍，這包括但不限于隧道內的照明系統（例如LED燈帶、應急照明）、通風系統（風機、風道）、消防系統（自動噴水滅火、煙霧探測器）、監控系統（CCTV、環境監測傳感器）、供電系統（高壓電纜、配電柜、UPS）等關鍵子系統。同時，明確界定需要防范的損失類型，從直接的經濟損失（例如設備損壞、維修成本）到間接的社會影響（例如交通中斷、公眾恐慌）乃至環境損害（例如水質污染、土壤侵蝕），確保安全評估的全面覆蓋。

1.2.2 構建控制結構

通過繪制詳盡的分層控制結構圖，評估團隊能夠直觀展示隧道機電系統從頂層管理決策到底層設備執行之間的多層次、多回路控制關系。控制結構圖的構建有助于深入理解系統各組成部分間的相互依賴與影響，為后續的安全隱患排查與風險評估奠定堅實基礎。

1.2.3 分析控制行為

深入分析隧道機電系統中的控制行為，特別是那些可能引發事故的不安全控制行為。這包括但不限于控制信號的傳輸延遲、控制邏輯的誤判、設備間的協同失效等。通過模擬不同工況下的系統運行狀態，結合歷史事故案例分析，識別潛在的失效模式與風險點，為后續的原因追溯提供線索。

1.2.4 確定異常控制行為的原因

針對識別出的不安全控制行為，進一步分析其原因。這要求綜合考慮技術因素（例如設備老化、設計缺陷）、環境因素（例如極端天氣、地質變化）、人為因素（例如操作失誤、培訓不足）以及管理因素（例如制度不健全、監督缺失）等多方面原因。通過構建因果鏈和故障樹分析，明確各因素之間的相互作用與影響路徑，為制定有效的改進措施提供依據。

1.2.5 提出改進措施

基于上述分析結果，評估團隊需要提出一系列具有針對性和可操作性的改進措施。這些措施應涵蓋系統設計優化（例如采用冗余設計提高系統可靠性）、設備升級換代（例如引入智能化監控設備提高預警能力）、操作規程完善（例如制定詳細的應急操作手冊）、人員培訓加強（例如定期舉行安全教育與實操演練）等多個方面。同時，還需要考慮建立長效的監測與評估機制，確保改進措施的有效實施與持續改進，不斷提高隧道機電系統的整體安全性能與運維管理水平。

1.3 數據介紹

本文中的隧道主要特點見表2。本隧道采用縱向通風系統。在這種類型的通風中，氣流將污染物/煙霧與通過1組安裝在天花板上的噴氣風扇提供的進入的新鮮空氣一起移動，如圖2所示[7]。該隧道為雙向車道，長1954m，每個方向有2個車道；每500m設置1個緊急出口，正常情況下通風為100m3/s，緊急情況下為210m3/s。

2 案例研究結果

2.1 設備可靠性評價權值

成新率反映設備的新舊程度，通常與設備的購置時間、使用年限、技術狀況等因素有關，一般來說，成新率的權重為20%～40%，這一范圍旨在平衡設備新舊程度對整體評估結果的影響，既不過分強調新設備的優勢，也不忽視舊設備在特定條件下的使用價值。完好率是指完好的生產設備在全部生產設備中的比重，是反映設備技術狀況指標，完好率的權重為40%～60%，以凸顯其在評估設備技術狀況中的核心地位。穩定率可以理解為設備在運行過程中的穩定性和可靠性指標，即設備能夠持續穩定運行的概率，其權重為30%～40%，以體現其在確保生產穩定性和減少故障停機時間方面的價值。本文中三者的權重分別取20%、50%和30%。

隧道中主要的機電設備是保障隧道正常運營和行車安全的重要設施。將該隧道的機電設備分為5個方面：照明設備、通風與排煙系統、消防報警及滅火系統、監控系統和供配電設施。照明設備的權重為0.15，為隧道內部提供充足的照明，保障了行車安全；通風與排煙系統的權重為0.25，有效調控隧道內空氣質量，預防煙霧積聚；消防報警及滅火系統的權重為0.25，構成了隧道安全的第一道防線，能夠迅速響應并控制火災風險；監控系統的權重為0.15，實現了對隧道內環境的全面監控，為應急決策提供實時信息；而供配電設施的權重為0.2，作為所有系統穩定運行的基礎，確保了電力的持續供應與分配。表3詳細列出了這些系統的作用及其對應的權重，為隧道的綜合評估與管理提供了科學依據。

2.2 系統安全約束識別

在公路隧道領域，事故與人員損失和基礎設施損壞有關，主要包括隧道內起火、隧道內爆炸、隧道內有毒氣體釋放、交通事故（例如車輛碰撞）及洪水。本文重點介紹了導致人員損傷或隧道損壞的隧道事故。導致上述危險系統狀態與安全管理鏈中的主要過程有關，包括交通管理、事故控制、自救和緊急援助。交通管理不當可能導致車輛擁堵、速度失控，從而增加事故風險；事故控制措施的缺失或執行不力，則會讓初期的小規模事件迅速升級為災難性后果；此外，自救知識普及不足、緊急援助體系的響應遲緩也是制約事故后果控制效果的重要因素。危險狀態和安全約束的轉換見表4。

2.3 確定安全控制結構

安全控制結構負責執行上述的安全約束，并檢查控制措施不足的可能性。這種不足具體表現為3種情形。1）面對緊急情況或潛在風險，如果未能及時提供必要的控制操作，即控制執行不充分，將直接影響事故的預防與應對效果。2）如果控制器因設計缺陷、誤操作等原因發出不正確甚至可能加劇危險的控制指令，將嚴重威脅隧道的安全運營。3）控制操作的反饋機制如果存在延遲或不足，即在錯誤的時間點提供控制操作或過早終止，同樣會削弱控制效果，增加事故風險。

2.4 識別潛在控制缺陷

可以從3個方面進行考慮，即安全約束不足，控制行為的執行不足和反饋不足或丟失。具體來說可以識別的缺陷如下。1）控制輸入或外部信息錯誤或缺失。2）監控和數據采集系統和系統操作的控制算法不足（創建缺陷、錯誤修改或適應）。3）監控和數據采集系統和隧道操作員的流程模型不一致或不完整、不充分或缺失反饋。4）執行器運行不足。

2.5 評估隧道機電系統的安全性

在進行上述步驟后，就可以對隧道機電系統進行整體的安全性評估，本文隧道機電設備的安全評估結果見表5。本隧道各機電設備均未達到完好狀態，均需要進行不同程度的改造，其中照明設備已無法繼續滿足基本的照明需求，對行車安全構成了直接威脅。因此，照明設備的換新必須立即著手進行，以確保隧道內光線充足，為駕駛者提供清晰的視野。供配電工程雖然目前尚能維持基本運行，但為了保障隧道內各系統的穩定運行，避免潛在的電力故障，需要開展供配電工程的專項改造，包括升級電力設施、優化電力分配、提高供電可靠性等方面。消防報警及滅火系統、通風與排煙系統作為隧道安全的重要保障，雖然目前仍能繼續使用，但其性能與效率已有所下降，存在一定的安全隱患，為了進一步提高隧道的整體安全水平，對這些系統進行專項改造同樣重要，改造工作將針對系統存在的具體問題，例如靈敏度下降、反應速度變慢等，進行有針對性的優化與升級。

3 結語

本文首先分析隧道機電系統的組成和特性。其次，結合STAMP模型構建安全評估框架，并通過案例分析和仿真驗證驗證了該方法的可行性和有效性。期望通過本文的研究，能夠為高速公路隧道機電系統的安全管理提供有力的支持。

參考文獻

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[2]王辰晨，林森，陳勁宇，等.運營高速公路隧道機電系統現狀及提質升級研究[J].科技創新與應用，2024，14（14）：124-127，132.

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[4]劉杰，甘旭升，曲虹，等.基于系統理論事故模型與過程的危險性分析方法[J].中國安全生產科學技術，2015，11（11）：137-143.

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[7]KAZARAS K，KIRYTOPOULOS K，RENTIZELAS A.Introducing the STAMP method in road tunnel safety assessment[J].Safety Science，2012，50（9）：1806-1817.