基于安全管理度的隧道安全管理與運營效益量化模型研究

李 芹,倪 健,劉 凱

基于安全管理度的隧道安全管理與運營效益量化模型研究

李 芹1,倪 健2,劉 凱1

(1.青島科技大學經(jīng)濟與管理學院，山東 青島 266061；2.青島國信膠州灣交通

有限公司，山東 青島 266520)

通過分析影響隧道安全管理的五大因素，創(chuàng)新性提出安全管理度的概念，將隧道安全管理進行量化，以隧道交通量作為中間變量，搭建起隧道安全管理度與運營效益的關(guān)系，最終建立隧道安全管理與運營效益的量化模型。選取B隧道作為工程實例，應用其相關(guān)技術(shù)參數(shù)，計算安全管理度并評價B隧道的安全管理水平，同時驗證建立的隧道安全管理與運營效益量化模型的可靠性。結(jié)果表明：B隧道的安全管理度ε為0.87，其整體安全管理水平評價等級為“良”，利用B隧道實際運營數(shù)據(jù)驗證了所建立的模型基本符合實際情況。

隧道；安全管理度；安全管理；運營效益

我國已經(jīng)是世界上公路隧道(以下簡稱隧道)發(fā)展最快的國家之一。據(jù)2015年4月中國土木工程學會隧道及地下工程分會公布的信息，截至2013年12月，全國隧道共有11 359處，其中特長隧道共有562處，合計約250.69萬米[1]。隧道因具有自身相對封閉的結(jié)構(gòu)特性，安全事故易發(fā)，且事故后果嚴重，經(jīng)濟損失慘重，因此加強隧道的安全管理至關(guān)重要。在國內(nèi)外一直強調(diào)安全的形勢下，提高隧道安全管理水平，減少事故發(fā)生率和事故損失，已經(jīng)成為保障隧道運營效益的關(guān)鍵問題。隧道運營效益是建立在隧道安全管理處于絕對可接受水平的基礎上而去追求的最大收益，因此如何量化隧道的安全管理并評判隧道安全管理水平的可接受程度，成為獲取最大運營效益的關(guān)鍵。為此，本文基于安全管理度的概念對隧道安全管理與運營效益的量化模型進行研究。

1 隧道安全管理度

1.1 隧道安全管理的影響因素

通常意義上，隧道由人、車、路、養(yǎng)護管理、環(huán)境五部分組成，因此隧道安全管理影響因素應從這五個方面加以分析。本文運用層次分析法對各因素的下層級重要因素(要素)進行分析，并分析制約要素的關(guān)鍵組成部分，從而使隧道安全管理得到逐層分解，并建立起較為全面系統(tǒng)的安全管理影響因素構(gòu)架(見圖1)，這對隧道安全管理量化具有重要意義[2]。

圖1 隧道安全管理影響因素構(gòu)架圖Fig.1 Framework of influencing factors of tunnel safety management

由圖1可見，隧道安全管理影響因素由人、車、路、養(yǎng)護管理、環(huán)境組成，5個影響因素分別又由2～3個要素構(gòu)成。其中，人的因素包括隧道管理人員、交通參與者、應急救援人員3個要素；車的因素由機動車狀況、交通組成、機動車速度3個要素組成；道路因素由交通組織、道路類型、道路寬度3個要素組成；養(yǎng)護管理因素包括土建養(yǎng)護、機電設備養(yǎng)護2個要素；環(huán)境因素包括內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境2個要素[3]。

1.2 隧道安全管理度概念

隧道安全管理度是隧道安全管理水平高低的量化值，它是通過對隧道安全管理的五個方面(人、車、路、養(yǎng)護管理、環(huán)境)進行系統(tǒng)的研究，運用層次分析法(AHP法)和數(shù)據(jù)處理軟件建立計算模型，并計算得出用以評判隧道安全管理水平高低的數(shù)值。

隧道安全管理度用字母ε表示，其數(shù)值介于0～1之間(即0<ε<1)，計算得到的隧道安全管理度數(shù)值越大，表示隧道安全管理水平越高。當計算得到的隧道安全管理度數(shù)值為0或1時，表示的是隧道安全管理水平的兩種極限情況，其中數(shù)值為0表示絕對不安全，數(shù)值為1表示絕對安全；通常來說,隧道安全管理度小于0.5時,表示隧道安全管理水平為不可接受。

本文參考國內(nèi)外隧道安全管理要求以及隧道安全管理領(lǐng)域?qū)＜业囊庖奫4-5]，將對隧道安全管理水平的評價分為5個等級：優(yōu)、良、中、差、不可接受。通過對隧道安全管理度的計算，可評價隧道安全管理水平的高低，同時也可通過選擇合適的安全管理度，來調(diào)整相應安全管理影響因素對應要素管理的最優(yōu)策略[6]。

表1 隧道安全管理水平分級表

1.3 隧道安全管理度的量化計算

隧道安全管理度的計算通常按照以下3個步驟進行[7]：

(1) 確定隧道安全管理評價指標體系。隧道安全管理影響因素集U={人的因素，車的因素，道路因素，養(yǎng)護管理因素，環(huán)境因素}。其中：

人的因素備選要素集U1={隧道管理人員，交通參與者，應急救援人員};

車的因素備選要素集U2={機動車狀況，交通組成，機動車速度};

道路因素備選要素集U3={交通組織，道路類型，道路寬度};

養(yǎng)護管理因素備選要素集U4={土建養(yǎng)護，機電設備養(yǎng)護}。

環(huán)境因素備選要素集U5={外部環(huán)境，內(nèi)部環(huán)境}。

(2) 確定各影響因素的權(quán)重。隧道安全管理的影響因素眾多，并且各個指標的重要程度和影響作用也存在差異，為增強測算結(jié)果的準確性，本文將采用AHP法和Matlab軟件確定各個影響因素指標的權(quán)重，即可得到各影響因素的權(quán)重值如下：

A={U1，U2，U3，U4，U5}={人的因素，車的因素，道路因素，養(yǎng)護管理因素，環(huán)境因素}。

U1={U11，U12，U13}={隧道管理人員，交通參與者，應急救援人員}。

U2={U21，U22，U23}={機動車狀況，交通組成，機動車速度}。

U3={U31，U32，U33}={交通組織，道路類型，道路寬度}。

U4={U41，U42}={土建養(yǎng)護，機電設備養(yǎng)護}。

U5={U51，U52}={內(nèi)部環(huán)境，外部環(huán)境}。

(3) 計算隧道安全管理度。通過對各影響因素的要素進行專家打分，評判各個要素的安全管理水平，并通過下式計算隧道五大影響因素中每個要素的安全管理水平得分：

(1)

式中：αu表示各因素的安全管理水平得分；Dui表示u因素的第i個要素的權(quán)重；δui表示u因素的第i個要素的特征得分。

將各因素的安全管理水平得分αu與各因素的權(quán)重集Au按下式計算，可得到隧道的安全管理度為

(2)

式中：ε為隧道安全管理度；Au為第u個因素的權(quán)重；αu為第u個因素的安全管理水平得分，其中u=1,2,…,5。

2 隧道安全管理與運營效益模型

2.1 隧道交通量概念

隧道交通量通常是指1小時內(nèi)，通過隧道某一斷面的機動車數(shù)量，一般用Q表示。隧道交通量可用來反映隧道內(nèi)車輛的通行頻率及密度以及交通負荷的大小，是隧道運營管理過程中最重要的測評指標之一，也是隧道通行收費和運營效益計算的直接數(shù)據(jù)[4]。因此，隧道交通量可被用作建立隧道安全管理與運營效益量化模型的中間變量。

2.2 隧道交通量與安全管理度的關(guān)系

通常情況下，隧道的安全管理水平主要體現(xiàn)在能提供的交通條件的好壞上面，高的安全管理水平往往能提供好的交通條件，隧道行車的安全性、舒適性和可靠性越高，吸引過往隧道車輛就越多，隧道通行交通量就越大，兩者之間是一種相互促進關(guān)系。因此，可以通過研究隧道交通量來對隧道安全管理度進行研究[8]。但是，當隧道安全管理度降低時，隧道交通量并不直線下降，當隧道安全管理度增加時，隧道交通量也不直線上升，隧道交通量與隧道安全管理度表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)保持趨勢的一致性。隧道交通量可以隨著其安全管理度的提高不斷增大，但增大的過程并不是直線的，也不是無限制的[9]。

為了建立隧道交通量與安全管理度之間的關(guān)系，本文選取國內(nèi)各地典型隧道項目(包含長江隧道、仰口隧道、秦嶺1號隧道等)進行實地調(diào)研，獲取了各隧道交通量與安全管理度相關(guān)數(shù)據(jù)，見表2(該調(diào)研數(shù)據(jù)具有一定的局限性，日后可根據(jù)實際情況進行補充完善)；再運用Microsoft office軟件對表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)進行線性回歸處理(見圖2)，從而得到隧道平均每公里日交通量與該隧道安全管理度之間的關(guān)系式：

K=432.9ε2+1 800.4ε+1 823.8

(3)

式中：K為隧道單位長度日交通量[pcu/(d·km)];ε為隧道安全管理度。

表2 隧道交通量與安全管理度

圖2 隧道交通量與安全管理度的擬合曲線圖Fig.2 Fitting curve of the traffic flow and safety management degree of tunnels

2.3 隧道安全管理與運營效益模型的建立

隧道運營效益一般是通過對隧道的通行車輛進行收費來實現(xiàn)的。為了便于計算，本文將各種車型轉(zhuǎn)換為“標準小型汽車”(即標準車)，并且假定每輛標準車產(chǎn)生的運營效益是相同的。隧道的建設和運營是一個前期科學決策、后期工程合理實施的系統(tǒng)過程，在隧道安全管理與運營效益模型建立的過程中，不考慮安全管理的極端情況，同時要去除安全管理度0<ε≤0.5不可接受的情況，因此選取隧道交通量與隧道運營效益成正比的合理區(qū)間。設隧道每天的運營效益量為M，則

M=fQ

(4)

式中：Q為隧道交通量(pcu/d)；M為隧道每日的運營效益(元)；f為單位標準車產(chǎn)生的效益(元/pcu)

最終，可得到隧道運營效益與安全管理度之間的關(guān)系模型為

(5)

該模型的限制條件為：隧道安全管理管理度在0.5≤ε<1范圍內(nèi)適用。

3 實例驗證

3.1 工程實例概況

本研究選擇的B隧道項目位于J市，該隧道采用通常的管理方式，在建設初期由當?shù)卣约百Y金、技術(shù)實力較強的投資公司出資，并采用成熟的建設、運營、轉(zhuǎn)移(BOT)模式進行管理，隧道于2008年動工，于2011年建成通車，建設及運營管理水平較高，項目比較典型且具有較好的代表性。

B隧道全長7.8 km，設有雙主洞加一服務隧道，共有六個車道，設計行車速度為80 km/h，對連接城區(qū)與H城區(qū)起到重要作用，該隧道投入運營僅4年時間，運行狀態(tài)良好。

B隧道采用的強、弱電系統(tǒng)是迄今為止中國國內(nèi)最頂尖的技術(shù)，該強、弱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性超過目前國內(nèi)絕大部分隧道的相應指標，明顯居于國內(nèi)領(lǐng)先地位，其他多項技術(shù)也都代表了我國目前隧道技術(shù)應用的最高水平。

3.2 B隧道安全管理因素權(quán)重的計算

本文采用AHP法和Matlab軟件對B隧道安全管理各影響因素權(quán)重進行計算，得到B隧道安全管理評價指標體系中各因素的權(quán)重值見表3。

表3 隧道安全管理各因素的權(quán)重分配表

3.3 B隧道安全管理要素的專家打分

通過選取一定數(shù)量相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍隧道安全管理各要素進行打分，得到各要素專家評分表，詳見表4。

表4 隧道安全管理各要素專家評價得分表

3.4 隧道安全管理度計算及安全管理水平評價

利用公式(1)以及各子要素的權(quán)重值，可分別計算得到B隧道安全管理五大影響因素安全管理水平的得分情況，具體見表5。

表5 B隧道安全管理五大因素安全管理水平得分表

利用公式(2)以及五大因素的權(quán)重值，可計算得到B隧道的安全管理度ε=0.87，根據(jù)表1可以判定J市B隧道整體安全管理水平評價等級為“良”(0.8≤ε<0.9)。

3.5 模型驗證

按照B隧道運營企業(yè)財務數(shù)據(jù)，平均每天收費總額為58萬元；根據(jù)運營企業(yè)隧道綜合監(jiān)控平臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，B隧道的日平均交通量為2.9萬輛，各類車輛實際通行情況見表6，標準車收費為20元/輛。

表6 B隧道各類車輛實際通行情況表

注：本表中沒有貨車通行量的記錄，原因是該隧道定位為市政隧道，貨車不允許通行。

按照公式(3)，利用收費總額、標準車收費等數(shù)據(jù)，反算隧道安全管理度，得到B隧道ε=0.871，可見實際計算值與模型得到數(shù)據(jù)基本一致，且數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)，說明建立的隧道安全管理與運營效益量化模型較好地符合實際情況。

4 結(jié) 論

本文通過分析隧道安全管理的影響因素，提出隧道安全管理度的概念，并將安全管理進行量化，創(chuàng)新性地建立了隧道安全管理與運營效益量化模型。選取B隧道作為工程實例，運用其工程技術(shù)參數(shù)，計算隧道安全管理度并評價B隧道安全管理的水平，同時驗證所建立的隧道安全管理與運營效益量化模型的可靠性，結(jié)果表明模型計算結(jié)果基本符合實際情況。

[1] 吳宇,周文其.我國已有公路隧道11359座[EB/OL].(2015-04-10)http://news.hexun.com.

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[5] Dingetal L.SafetyManagementinTunnelConstruction-WuhanMetroConstruction[EB/OL].(2013-07-21)http://www.wenkuxiazai.com/10.1016/j.ssci.

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[7] 李芹.基于事故分析的隧道安全管理與經(jīng)濟效益量化研究[D].青島:青島科技大學.2012.

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[9] 重慶交通科研設計院.公路隧道交通工程設計規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2004.

Quantitative Model of Safety Management and Operation Benefit of the Tunnel Based on Security Management Degree

LI Qin1，NI Jian2，LIU Kai1

(1.SchoolofEconomicsandManagement,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao266061,China；2.QingdaoGuoxinJiaozhouBayTrafficCo.,Ltd.,Qingdao266520,China)

This paper proposes a concept of safety management degree according to the analysis of the five factors in the tunnel safety management.The safety management degree quantifies the level of tunnel safety management.By using the tunnel traffic flow as an intermediate variable,the paper constructs the relationship between tunnel safety management degree and operation benefit,and finally establishes a quantitative model of tunnel safety management and operation benefit.Taking tunnel B in a city as a project case,the paper applies its relevant technical parameters to calculate the safety management degree and evaluate its safety management level,and meanwhile validates the established quantitative model of tunnel safety management and operation benefits.The results indicate that the safety management degree of tunnel B (ε) is 0.87,the evaluation grade of the integrated safety management level is “good”,and the validation by using the real operational data of tunnel B demonstrates that the model is basically in line with the actual situation.Key words:tunnel;safety management degree;safety management;operation benefit

1671-1556(2016)02-0085-05

2015-08-03

2015-12-28

青島市社會科學規(guī)劃項目(QDSKL1401058)

李 芹(1982—)，女，碩士，講師，主要從事管理科學與工程管理等方面的研究。E-mail:liqin8215@163.com

X913；U458

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.02.017