海底隧道交通事故风险耦合演化机理研究*

潘福全，张 游，张丽霞，杨晓霞，李 敏，杨金顺

(青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520)

0 引言

海底隧道整体分为海底段、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，海岸段连接海底段两端，通过引道与地面道路衔接。由于海底隧道建造环境的特殊性，与普通山体隧道相比，其内部视野环境更为幽暗，且隧道纵面线形一般呈现V型，在出入口路段具有较长的纵向坡度[1]。因此，海底隧道内的行车环境更为复杂，各种外界因素之间发生的耦合作用对交通事故的风险演化产生重要影响。

近年来，国内外学者已经在不同领域内针对风险耦合问题进行研究：He等[2]对多种灾害风险间的非线性耦合问题进行分析计算，提出多种灾害风险耦合评估方法；Zhang等[3]研究航海风险耦合问题，运用耦合度函数和变异系数法计算不同风险因素的耦合度和波动性；Qiao[4]对煤矿事故多因素风险之间的耦合作用进行分析，建立耦合效应测量模型；张津嘉等[5]对煤矿瓦斯动力系统内外部因素间的风险耦合作用与风险传递路径进行研究，从风险涌现方向提出瓦斯爆炸事故风险耦合层次网络模型；罗秋实等[6]基于复杂网络理论构建坍塌事故风险演化网络模型，阐明坍塌事故的风险演化规律。此外，风险耦合问题研究还被应用于海底管道泄漏[7]、公路交通安全[8]等多个学科领域，为复杂系统的安全控制和风险评估提供帮助。因此，本文对海底隧道交通系统中的风险耦合问题进行分析研究，运用复杂系统风险涌现理论构建海底隧道交通事故风险耦合演化网络，并基于尖点突变模型分析其事故风险演化机理与规律，以期为海底隧道交通系统风险控制与事故预防提供理论参考和借鉴。

1 海底隧道交通事故风险因素

影响海底隧道交通系统安全的因素复杂多样，从安全系统工程学角度，运用事故树分析法定性分析海底隧道交通事故风险因素，可将其分为驾驶人、道路、车辆、环境和管理5个方面[9]，且各因素之间相互影响，如图1所示。

驾驶人因素主要包括驾驶人的生理素质、心理素质、安全意识、驾驶技术、应急处置能力等，这些风险因素容易对驾驶人的驾驶行为产生影响，比如超速驾驶、违规变道、疲劳驾驶等。

道路因素主要包括道路线形坡度、路面平稳与湿滑状况、交通标志标线设置、减速设施等，这些道路条件对驾驶人的行车安全也会产生影响，如在特殊路段缺少警示标志时，极易引发车辆侧滑翻车、追尾碰撞等事故。

环境因素主要包括“白洞黑洞效应”、隧道照明、噪音、天气条件等，这些外界条件可能会对驾驶人心理产生冲击，使驾驶人产生烦躁、紧张、焦虑等情绪，从而间接影响行车安全。

车辆因素主要包括车辆自身性能和车辆故障2方面，车辆自身性能如车辆操纵稳定性、制动性、轮胎质量等，这些车辆条件直接影响道路交通安全；车辆故障如制动故障、发动机故障、爆胎、燃料不足等，这些问题不仅对车辆本身，甚至对隧道内整体交通流都会造成影响。

管理因素主要包括交通管制水平、事故应急预案、硬件设备稳定性、道路养护等方面，这些因素的缺陷会使隧道交通系统内部存在事故隐患，降低安全保障能力。

2 海底隧道交通事故风险耦合

2.1 海底隧道交通事故风险耦合作用

“耦合”为物理学概念，是指2个或多个元素之间相互依赖、产生关联影响的现象[10]。海底隧道交通系统作为一个复杂的动态系统，其内部各风险因素之间存在彼此依赖和影响的耦合关系。当系统中的某个或某些风险因素发生不良变化，达到一定程度突破所属防御系统后，将会对其他风险因素产生关联影响，即发生风险因素耦合作用。若任由风险因素之间不断耦合，耦合作用持续增强直至突破系统能够承受的风险阈值，就会导致海底隧道交通事故风险因素发生正耦合效应[11]，即加剧风险因素恶性变化，甚至牵引更多其他风险因素发生变化。海底隧道交通事故风险耦合作用形成机理如图2所示。风险因素之间的耦合作用会对系统局部或整体属性产生影响，风险因素耦合作用越强，海底隧道交通系统状态越不稳定，交通事故发生概率越大，反之亦然。

图2 海底隧道交通事故风险耦合作用

2.2 海底隧道交通事故风险耦合演化

由于海底隧道交通系统风险耦合错综复杂，导致其事故成因复杂多样。从复杂系统风险涌现理论[12]来看，海底隧道交通事故因素由多种风险因素共同组成线性耦合事故链，事故链随时空演变进一步发生非线性耦合作用，形成事故风险耦合演化立体网络，如图3所示。

图3 海底隧道交通事故风险耦合演化立体网络

海底隧道交通事故风险耦合演化网络是风险因素从局部到整体、低层到高层逐级传导形成的层次化立体网络。第1层为因素层，各风险因素之间相互联系、关系复杂，构成海底隧道交通事故场景引发事件；第2层为子系统层，其中包括多条由第1层因素耦合串联形成的事故链，构成了海底隧道交通事故场景过程事件；第3层为系统层，是由第2层事故链经过一段时间的演化呈现出的风险状态构成，子系统层事故链随时间进行非线性耦合发展，系统层的风险状态同步发生动态演化，当某一时刻交通系统风险状态发生跃迁式突变时，就会导致交通事故的发生。

2.3 海底隧道交通事故风险耦合评价

由于各风险因素的影响因子之间存在错综复杂的耦合关联，为了对各风险因素的耦合作用进行量化分析，运用突变模型归一公式对风险因素耦合度进行计算，如式(1)所示：

(1)

式中：RX表示X风险因素耦合度；rXi表示X风险因素中i风险影响因子的权重；n表示X风险因素中风险影响因子的个数。

按照风险因素耦合度数值大小，将其对海底隧道交通系统安全性所产生的的风险程度划分为极低风险、低风险、中风险、高风险、极高风险5个等级，见表1。

表1 海底隧道风险因素评价分级

3 海底隧道交通事故风险耦合演化机理

突变理论是由法国数学家Rene Thom于1972年创建的新型学科[13]，主要用于解释内部作用机理不明确的复杂非线性系统中所发生的突变行为。通过海底隧道交通事故风险耦合分析可知，交通事故的发生具有明显突变特征，因此可应用突变理论来分析海底隧道交通事故发生时的突变演化过程。由于尖点突变模型能够在三维空间内构造平衡曲面，几何直观性强，解析计算难度较低，所以本文选用尖点突变模型对多因素耦合作用下的海底隧道交通事故风险耦合演化进行分析。

3.1 海底隧道交通事故风险耦合尖点突变模型

为满足尖点突变模型仅含有2个控制变量的适用条件，将驾驶人因素和管理因素统一归化为人因素，道路因素、车辆因素和环境因素统一归化为物因素。由于人因素为影响海底隧道交通事故发生的决定性因素，物因素为间接影响的次要因素，且对于海底隧道交通系统安全产生负面影响，故将人因素作为剖分因子u，物因素作为正则因子v，建立海底隧道交通事故风险耦合尖点突变模型，势函数如式(2)所示：

F(x)=x4-ux2-vx

(2)

式中：状态变量x表示海底隧道交通系统安全水平；控制变量u和v为分别表示人因素和物因素。

对势函数一阶求导可得临界点集平衡曲面方程，如式(3)所示：

F′(x)=4x3-2ux-v=0

(3)

再次求导可得奇点集方程，如式(4)所示：

F″(x)=12x2-2u=0

(4)

联立式(2)～(3)消去x，可得分叉点集方程如式(5)所示：

Δ=-8u3+27v2

(5)

结合式(1)～(4)绘制海底隧道交通事故风险耦合尖点突变模型的平衡曲面和分叉集示意图，如图4所示，图中平衡曲面是人因素和物因素控制下海底隧道交通事故风险耦合状态所构成的三维回折曲面，可划为上、中、下叶3个区域，分别表示海底隧道交通系统安全稳定阶段、突变发生阶段和危险失稳阶段；奇点集为平衡曲面中叶回折的临界边线，根据突变模型的不可达性，当状态变量x落于奇点集上时，就有可能发生突变，即直接从上叶区域跃迁至下叶区域或从下叶区域跃迁至上叶区域，故奇点集表示海底隧道交通系统风险状态突变点的位置集合；分叉点集为奇点集在控制变量平面上的投影。海底隧道交通系统状态从上叶突跳至下叶，表示交通事故发生。

图4 海底隧道交通事故风险耦合尖点突变模型

3.2 海底隧道交通事故风险耦合演化分析

运用尖点突变模型理论，可以对海底隧道交通系统的风险状态演化形式作出合理解释，如图4所示。

1)曲线a1-b1：当仅仅人的因素u耦合作用增强，而物因素v耦合作用较弱时，海底隧道交通系统风险缓慢增大，由控制变量平面上的投影曲线能够看出，a1′-b1′不经过分叉点集，因此海底隧道交通系统状态不会发生突变，即不会发生交通事故。在此过程中，驾驶人和管理因素的耦合作用逐渐加强，但由于缺乏物因素的触发，即道路、车辆和环境因素都处于良好状态，所以能够抵抗人因素耦合作用产生的风险，海底隧道交通系统仍处于安全状态。

2)曲线a2-b2：当人因素u耦合作用较弱，物因素v耦合作用增强时，海底隧道交通系统风险不断增大，投影曲线a2′-b2′不经过分叉点集，故海底隧道交通系统状态不会发生突变，即仍然不会发生交通事故。在此过程中，道路、车辆和环境因素的耦合作用逐渐加强，但由于缺乏人因素的触发，即驾驶人和管理因素都处于良好状态，所以一定程度上能够抵抗物因素耦合作用产生的风险，海底隧道交通系统处于不稳定的风险状态。

3)曲线a3-b3(c3)-d3：当人因素u耦合作用处于一定强度时，随着物因素v耦合作用不断增强，海底隧道交通系统由稳定的安全状态渐变演化至不稳定的风险状态。投影曲线a3′-d3′与分叉点集小幅相交，故海底隧道交通系统状态发生轻度突变，从中叶奇点b3位置突跳至下叶事故点c3，即发生微型交通事故。在此过程中，道路、车辆和环境因素之间的耦合作用不变，驾驶人和管理因素不断耦合，达到一定程度时触发交通事故，海底隧道交通系统处于危险状态。

4)曲线a4-b4(c4)-d4：当人因素u和物因素v耦合作用同时增强时，海底隧道交通系统风险急剧恶化，投影曲线a4′-d4′与分叉点集大幅相交，故海底隧道交通系统状态发生重度突变，从中叶奇点b4位置突跳至下叶事故点c4，即发生重大交通事故。在此过程中，驾驶人、管理、道路、车辆和环境因素之间耦合作用加剧，非常容易触发交通事故，海底隧道交通系统处于极度危险状态。

4 应用实例

通过对某海底隧道1 a内发生的783起交通事故进行归因分析，得到各类风险因素导致的交通事故数量，见表2。其中，绝大多数事故是由多种风险因素发生耦合共同作用所致。

表2 海底隧道风险因素致使事故统计结果

运用式(1)分别计算各项风险因素耦合度，如式(6)～(12)：

驾驶人因素：

(6)

道路因素：

(7)

环境因素：

(8)

管理因素：

(9)

车辆因素：

(10)

人因素：

(11)

物因素：

(12)

根据表1建立的风险等级标准，对海底隧道风险因素耦合进行评价，结果见表3。由表3可知，单因素耦合对于海底隧道交通系统安全性所产生的的风险程度为中低风险，多因素耦合产生的的风险程度为高风险。所以，风险因素耦合数量越多，耦合度越大，海底隧道风险就越高，交通事故发生的可能性越大。

表3 海底隧道风险因素耦合评价结果

此外，通过评价结果能够发现，驾驶人因素和道路因素为海底隧道交通事故诱发的主要因素，其次为环境因素和管理因素，车辆因素造成的影响相对较小；而在多因素耦合中，物因素之间的耦合关联略强于人因素。因此，在海底隧道交通安全维护中，亟需采取相应措施来抑制风险因素之间的不良耦合，降低海底隧道交通系统风险程度。

5 海底隧道交通事故预防措施

5.1 人因素预防措施

人因素在交通事故致因中处于支配地位，决定着风险状态下海底隧道交通系统是否发生突变从而导致交通事故。在系统风险管控中，人因素风险耦合越小，系统状态越安全，故针对人因素中驾驶人和管理2方面提出2点预防措施：

1)驾驶人因素。在海底隧道行车过程中，驾驶人不仅需要合格的驾驶技术，更重要的是要有足够的安全意识。由于海底隧道内部环境特殊，尤其是出入口路段具有较长的纵向坡度，驾驶人在进出隧道时应当自觉提高警惕，通过速度控制尽快克服短暂的视觉不适，同时避免超车、超速、抢道等危险驾驶行为，防止车速、坡度、光照等多因素之间耦合作用所产生的不利影响。

2)管理因素。海底隧道相应管理部门需要按照相关标准规定对隧道内部设备设施进行定期维护与检修，加强智能化管控水平，全时段保证隧道行车环境安全舒适。在海底隧道收费站，设置ETC通道和人工通道，提高车辆通行效率。在车流高峰期时段，通过收费关卡限制隧道入口车道，从而减少隧道内的交通流量，维持海底隧道内行车畅通。

5.2 物因素预防措施

物因素是影响海底隧道交通安全的重要因素，在海底隧道交通系统中控制着系统风险耦合演化的速度和方向。在系统风险管控中，物因素风险耦合越小，系统状态越安全，故针对物因素中道路、车辆和环境3方面提出以下3点预防措施：

1)道路因素。在海底隧道出入口、合流区等高危路段设置醒目的警示标识和过渡设施，如坡度预警、限速标牌、减速带、防滑标线等，降低海底隧道上下坡路段的事故风险。此外，海底隧道纵深较长，所以需要设置必要的应急车道，在突发状况发生时，能够提供避险场所与救援通道，提高隧道系统风险承受能力。

2)车辆因素。在驶入海底隧道这一空间封闭的特殊通道前，检查排除车辆故障可能，保证车况良好，照明、喇叭、转向、制动等各系统功能齐全、操作稳定。在车辆进出海底隧道时，车内语音提示系统自动对驾驶人播放安全警示，提醒驾驶人注意坡路路段行车安全。在隧道行车过程中，车辆禁止超载、超速、违规变道等危险行为，确保车辆在隧道内以稳定安全状态行进。

3)环境因素。海底隧道内部视野幽暗，出入口路段布置遮光设施，为驾驶人视觉适应提供缓冲过渡，降低驾驶人视觉不适风险，同时保证海底隧道内部照明充足。海底隧道内墙两侧适当设置壁画，改善单调的视野环境，在不分散驾驶人注意力的条件下降低驾驶人视觉疲劳风险。海底隧道内部环境较为潮湿，应当保证空气通风良好，并定期及时清扫道路路面，避免路面湿滑造成行车危险。

6 结论

1)从驾驶人、道路、车辆、环境和管理5个方面对海底隧道交通事故风险因素进行分析，阐述风险因素耦合作用的内涵、特征和演化规律，表明海底隧道交通事故风险因素之间存在复杂多变的耦合关联，底层风险因素之间的线性耦合影响事故链条的非线性耦合，进而影响系统风险状态的动态演化。

2)引入尖点突变模型分析海底隧道交通事故风险耦合演化机理，揭示海底隧道交通系统人因素和物因素的耦合作用是促使交通事故发生的深层次原因，随风险因素耦合作用增强，系统风险状态逐渐恶化，当耦合强度达到临界点时，系统状态发生突跳，导致交通事故发生，突跳幅度的大小决定了交通事故的轻重程度。

3)通过海底隧道交通事故风险耦合演化机理分析，海底隧道交通事故风险状态的演化方向与速度受人因素与物因素2个关键变量共同影响，当海底隧道交通系统处于风险状态时，及时采取针对性的预防措施，能够抑制风险因素之间的耦合作用，从而改善系统安全稳定状态，避免交通事故的发生。