城市交通隧道运营安全风险评估模型及管理系统研究

周 兵 ，王传生，刘芳亮，王尔觉，张鑫鑫

(1.首都经济贸易大学, 北京 100070；2.中国交通建设集团，北京 100083；3.中交公路规划设计院，北京 100083)

0 引言

随着城市建设规模的发展扩大，城市道路隧道在建设数量上不断攀升，但其所处环境具有不可预见风险因素多、介质复杂多变的特点[1-3]，因此隧道工程安全风险评估已成隧道工程发展的重中之重，但目前针对隧道工程安全风险评估的研究主要集中在公路隧道的施工阶段[4-6]，对运营阶段，尤其是城市道路隧道运营阶段的安全风险评估研究较少，比较零散，也未成体系，所以需要在隧道运营期安全风险评估方面建立准确的评估模型和算法以解决该问题。

城市道路隧道与公路隧道的主要区别在于平面布线形式有限、横断面形式多样、消防与通风设计标准高，洞口景观要求高、使用率更高等特点，直接决定了前者的风险评估指标因素发生了较大变化，也改变了其指标体系构成。

1 评估策略

目前，公路隧道工程施工安全风险评估一般采用系统风险评估和专项风险评估，系统风险评估重点关注整个系统的风险等级，将定量类比与定性类比结合起来，确定总体风险等级，评估整体发生重大风险的几率；对于专项风险评估，主要关注某一类的风险指数，此项风险几率和事后损失大都采用“特尔斐法”，但过度依靠专家经验和提供信息的准确度[7-9]，有时效果并不佳。

根据城市道路隧道特征，通过区分城市道路隧道与公路隧道的不同，并在借鉴公路隧道施工阶段风险评估方法的基础上，提出了总体评估与专项评估相结合的城市道路隧道运营阶段安全风险评估策略，具体为：首先进行总体风险评估，建立起城市道路隧道运营阶段安全风险评估的指标体系，给出评估等级，并在确定风险评估范围的基础上，进行各单一风险事件的专项评估工作，最后逐一确定安全风险控制措施[10-13]，总体评估流程如图1所示。

图1 城市交通隧道运营风险评估流程图Fig.1 Flowchart of operation risk assessment for urban traffic tunnel

以马峦山隧道工程为研究背景，在实施总体风险评估的基础上，根据需要进行了各风险事件专项评估，最终根据整体的研究成果开发了针对城市道路隧道运营阶段安全风险管理系统，实现了城市隧道运营阶段安全风险的数字化、信息化以及智慧化管理。

2 总体安全风险评估

2.1 总体安全风险评估指标体系

由于城市隧道运营阶段状况更为复杂，影响各项潜在风险的因素较多，其中如社会因素、交通状况和行驶车辆状况等一些风险因素对城市隧道的日常运营安全的影响较难计算，为了准确评价隧道总体运营安全风险，需要在通常风险因子识别的基础上，总结分析出更容易计算或定性评估、且能对运营风险产生全局性影响的风险因子，采取更为科学的风险评估方法，建立相应的风险评估指标体系[14]。城市隧道运营期的风险指标采用专家分析法进行指标的优化，并结合专家调查法进一步确定。

城市道路隧道的运营阶段影响因素众多，为了更好的将其归类和分层分级进一步细分，将各类风险因素划为3个级别：第1级为目标层，第2级为准则层和第3级为指标层，如表1所示。

表1 隧道运营安全风险指标目标层和准则层Tab.1 Target layer and criterion layer of tunnel operation safety risk indicators

第1级即隧道运营阶段的风险指标主要包括运营交通、隧道自身结构、隧道外部环境、隧道运营管理及人的因素5个类别；第2级准则层包括了交通特性、基本构型、土建结构状况、运营安全设备、自然环境、行车环境、隧道运营管理水平、驾驶人员安全行为水平8个方面，用T1～T8表示，主要考虑对城市隧道日常运行安全影响较大的因素；第3级由影响准则层各个因素的指标构成指标层，分别用T11，T12，…，T1n，T21，T22，…等进行表示其指标。

根据城市道路隧道运营阶段的特点，以及与公路隧道的相似之处，现将城市道路隧道运营阶段的第3级指标层因素罗列如表2所示。

表2 隧道运营安全风险指标体系第3级指标层Tab.2 Third indicator layer of tunnel operation safety risk indicator system

2.2 隧道安全状态的模糊综合评判模型

隧道运营期的风险评估指标构成的3层次体系需要使用评价模型进行综合评估，即两级模糊综合评价模型，由基础层向上进行综合评价，最终得到最上层对原问题的综合评价结果为止[14-16]。

1)一级模糊综合评价

(1)建立评价指标集

隧道运营安全状态评价指标体系第1层为主因素层，用集合表示为U={T1,T2,…,T8}；第2层为指标层，表示为T1={T11,T12,…,T13}。

(2)建立评价算法

评价算法主要表现为对评价目标可能做出的评判结果，表示为V={y1,y2,…,yn}。

通过指定评价等级域V，可以通过模糊综合评判，进一步得到模糊评判向量，进而使得评估对象对应各评价等级隶属程度的信息通过这个模糊向量表示出来，体现了评价的模糊特性，设评价等级集合为：

V={v1,v2,v3,v4}，

(1)

式中，v1,v2,v3,v4分别为隧道运营阶段安全风险等级，即安全、准安全、准危险、危险4种安全状态，并分别用1类，2类，3类，4类(3，4类对应准危险)，5类表示，以便与《公路隧道养护技术规范》[18]中的判定结果相对应。

(3)确定单因素评价矩阵

通过关联的函数给出指标Cij对评价矩阵V的关联向量Rcij:

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

j=1, 2, 3，…。

(2)

由关联向量Rcij，即可建立准则层各因素的单因素评价矩阵RBij。

(4)一级模糊综合评判

模糊综合评判是通过模糊算子建立模糊综合评判模型的过程，该模型的建立过程相当于矩阵相乘：

ω×R′=R，

(3)

式中，ω为权重向量；R′为单因素评判矩阵；R为相应的准则层因素对评语集合V的隶属向量。

由各单因素评判矩阵R′Bi与其相应的权重向量ωBi，可得出各因素Ti对评语集合V的隶属向量为Rbi=ωBi×R′Bi。

以h为指标的数量，基于排列质心的权重(即ROC)表达公式为：

(4)

各评价指标的权重进行确定时，应根据所要进行评价的隧道类型和其本身的运营特点，采用专家调研的方法对各个指标进行重要性排序，然后计算出其权重值，并代入到动态评价模型中对道路隧道的运营安全状态进行评价。

2)二级模糊综合评判

将一级模糊综合评判结果RBi视为单因素评判集，由RBi可组成二级模糊综合评价的单因素评价矩阵，由相应的权重向量和单因素评价矩阵通过矩阵相乘可得二级模糊综合评价结果——目标因素对评语集合的隶属向量Z：

(5)

3)模糊向量量化

分别对评语v1,v2,v3,v4赋以分值进行量化，不同的F值对应不同的运营安全状态，如表3所示。

表3 隧道运营安全状态等级Tab.3 Safety status levels of tunnel operation

2.3 隧道总体运营安全风险等级判定

根据建立的风险评估指标体系，采用模糊综合评判法对隧道总体运营安全风险进行评估。由前面的研究内容，得到隧道总体运营安全风险评估表，如表4所示，以准则层T1的下一层指标层T11为例。

表4 隧道总体运营安全风险评估表Tab.4 Overall tunnel operation safety risk assessment table

隧道总体运营安全风险R按以下公式进行计算确定：

R=∑TijTij=rij×Rij，

(6)

式中，Tij为评估指标的分值，i=1，2，3；j=1，2，…,n，n为对应第i类评估指标的数量。

计算得出R值后，对照隧道运营阶段总体安全风险评估标准表确定隧道运营阶段总体安全风险等级[16]。隧道运营阶段总体安全风险分级标准如表5所示。

表5 隧道总体运营安全风险评估标准Tab.5 Assessment criterion for tunnel overall operational safety risk

以马峦山隧道刚建设完成时的状态为依据，按照3.2节的隧道总体运营安全风险等级计算方法，最终算出马峦山隧道总体运营安全风险系数R=25.977，参照表5风险评估标准的划分为等级Ⅰ(低度风险)。

3 安全风险事件专项评估

通过前期总体风险评估，可以确定较为准确的风险等级，R>60风险等级高的隧道工程，需根据统计信息开展专项风险评估。R≤60的城市隧道工程，风险等级相对较低的隧道工程可酌情开展专项风险评估[17-18]。

城市隧道运营安全风险的专项评估，关键是分析发现风险因子识别、风险发生几率、后续潜在损失估计和风险评价等因素的评估方法[19]。在建立风险发生的评估模型基础上，分析风险可能发生的几率和预计产生的损失，通过风险评价判定该隧道风险是否满足风险可接受准则。隧道运营风险分析基本流程如图2所示。

图2 隧道运营安全风险事件专项安全评估基本流程图Fig.2 Basic flowchart of special safety assessment for tunnel operation safety risk events

隧道运营阶段安全风险分析采用目前国际上常用的基于事故场景的风险分析方法，具体分析步骤如下：

(1)发现并确定风险发生的外部典型场景；(2)分析计算风险发生的几率；(3)计算风险发生的损失和后果；(4)考虑社会救援与自救可能性；(5)统计评估风险；(6)对风险进行评价。

3.1 安全风险源辨识及风险事件分析

风险识别首要任务是分析风险可能发生根本原因，对风险进行细致分类，并对风险发生后的潜在影响或损失进行计算。主要识别方法有专家调查法、故障树分析法、幕景分析法、事件树法以及解析法等，通常采用研究小组加专家论证的方法，科学合理地对风险系统存在的各种因素进行全面的辨识研究。

3.2 运营安全风险事件评估方法

目前公路工程风险性评价方法主要有：调查和专家打分法、层次分析法、蒙特卡洛模拟方法、故障树法等。

隧道风险事件发生概率的评估方法，采用专家调查法、改进的层次分析法、故障树法等，通过结合统计及分析来获得风险损失发生的概率。

3.3 运营安全风险接受准则

本研究中隧道运营阶段的风险接受准则遵循ALARP准则，并采取可量化的标准来确定隧道运营风险接受准则，如图3所示。

图3 隧道工程风险管理的ALARP原则Fig.3 ALARP principle of tunnel engineering risk management

以安全风险接受准则为例，社会风险采用国际上通用的F-N曲线表示[13]。F-N曲线是一个在二维的区间上表示死亡人数与死亡概率之间的函数关系，通过计算拟定的F-N曲线的斜率，根据国家规律法规设置死亡人数起始点以及上下限的起始点。经综合分析，马峦山隧道运营阶段风险接受准则采用F-N曲线。

4 运营阶段安全风险管理系统

由于隧道工程运营阶段安全风险存在动态变化的特点，采用风险管理系统开展定期、动态的安全风险评价和管理较为必要且迫切。

基于Web技术，以后端asp.net core+sql server，前端html5+angular2为开发工具，针对深圳坪盐通道马峦山，从实现信息养护的理念出发，开发了马恋山隧道运营阶段风险管理系统，如图4所示。

图4 运营阶段安全风险评估系统界面(局部)Fig.4 Interface of safety risk assessment system in operation period (partial)

该系统面向参建各方，应用于公路隧道运营阶段，提供运营阶段风险管理所需要的各项服务，为城市隧道运营阶段安全管理、决策分析提供技术支持，主要实现远程访问及用户管理、风险评估、运营阶段风险管理、风险措施库、工作资料库等功能。其中风险评估功能的应用如下：

专项风险评估是对2.1节中提到的8类风险事件进行采用基于事故场景进行专项风险评估，以结构病害为例，可在系统中详细记录说明该结构病害的发生概率(a)、损失等级(b)、风险评估(c)、控制措施(d)。

最后，综合各专项风险评估内容，得到运营安全预警等级，并给出相关建议。

5 结论

为实现城市道路隧道运营阶段安全风险评估和管理，依托马峦山隧道工程，建立了隧道运营阶段安全风险评价指标体系，并依据该指标体系专项开发了隧道运营阶段风险动态评估与管理系统。主要结论如下：

(1)提出了城市道路隧道运营阶段安全风险评估总体思路，即先进行总体安全风险评估，在总体安全风险达到III级，即高度风险时，进行专项风险评估。

(2)提出了实现运营阶段安全风险评估的指标体系，将运营阶段众多影响因素分为3个层次：第1层为目标层，即隧道运营阶段的风险指标主要包括运营交通、隧道自身结构、隧道外部环境、隧道运营管理及人的因素5个类别；第2层为准则层，由可能影响隧道运营安全的因素组成；第3层为指标层，由可能影响准则层因素的各项指标因子组成，如1级指标为运营交通，2级指标为交通特性，3级指标为交通组成、交通量和车速等；3层次指标的权重和评估取值由3.2节提出的相关公式组成了隧道运营期安全风险评估模型。

(3)开发了城市道路隧道运营阶段安全风险管理系统，并内嵌了安全风险评估模型及算法，可以实现主要风险事件的动态评估和管理，为实现其风险信息化管理提供了条件。

(4)目前国内城市隧道运营阶段安全风险评估相关行业规范或指南尚未出台，其运营阶段安全风险评估方法、体系和管理工作还有待深入研究。