基于安全管理度的隧道安全管理与运营效益量化模型研究

李 芹,倪 健,刘 凯

基于安全管理度的隧道安全管理与运营效益量化模型研究

李 芹1,倪 健2,刘 凯1

(1.青岛科技大学经济与管理学院，山东 青岛 266061；2.青岛国信胶州湾交通

有限公司，山东 青岛 266520)

通过分析影响隧道安全管理的五大因素，创新性提出安全管理度的概念，将隧道安全管理进行量化，以隧道交通量作为中间变量，搭建起隧道安全管理度与运营效益的关系，最终建立隧道安全管理与运营效益的量化模型。选取B隧道作为工程实例，应用其相关技术参数，计算安全管理度并评价B隧道的安全管理水平，同时验证建立的隧道安全管理与运营效益量化模型的可靠性。结果表明：B隧道的安全管理度ε为0.87，其整体安全管理水平评价等级为“良”，利用B隧道实际运营数据验证了所建立的模型基本符合实际情况。

隧道；安全管理度；安全管理；运营效益

我国已经是世界上公路隧道(以下简称隧道)发展最快的国家之一。据2015年4月中国土木工程学会隧道及地下工程分会公布的信息，截至2013年12月，全国隧道共有11 359处，其中特长隧道共有562处，合计约250.69万米[1]。隧道因具有自身相对封闭的结构特性，安全事故易发，且事故后果严重，经济损失惨重，因此加强隧道的安全管理至关重要。在国内外一直强调安全的形势下，提高隧道安全管理水平，减少事故发生率和事故损失，已经成为保障隧道运营效益的关键问题。隧道运营效益是建立在隧道安全管理处于绝对可接受水平的基础上而去追求的最大收益，因此如何量化隧道的安全管理并评判隧道安全管理水平的可接受程度，成为获取最大运营效益的关键。为此，本文基于安全管理度的概念对隧道安全管理与运营效益的量化模型进行研究。

1 隧道安全管理度

1.1 隧道安全管理的影响因素

通常意义上，隧道由人、车、路、养护管理、环境五部分组成，因此隧道安全管理影响因素应从这五个方面加以分析。本文运用层次分析法对各因素的下层级重要因素(要素)进行分析，并分析制约要素的关键组成部分，从而使隧道安全管理得到逐层分解，并建立起较为全面系统的安全管理影响因素构架(见图1)，这对隧道安全管理量化具有重要意义[2]。

图1 隧道安全管理影响因素构架图Fig.1 Framework of influencing factors of tunnel safety management

由图1可见，隧道安全管理影响因素由人、车、路、养护管理、环境组成，5个影响因素分别又由2～3个要素构成。其中，人的因素包括隧道管理人员、交通参与者、应急救援人员3个要素；车的因素由机动车状况、交通组成、机动车速度3个要素组成；道路因素由交通组织、道路类型、道路宽度3个要素组成；养护管理因素包括土建养护、机电设备养护2个要素；环境因素包括内部环境和外部环境2个要素[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，它是通过对隧道安全管理的五个方面(人、车、路、养护管理、环境)进行系统的研究，运用层次分析法(AHP法)和数据处理软件建立计算模型，并计算得出用以评判隧道安全管理水平高低的数值。

隧道安全管理度用字母ε表示，其数值介于0～1之间(即0<ε<1)，计算得到的隧道安全管理度数值越大，表示隧道安全管理水平越高。当计算得到的隧道安全管理度数值为0或1时，表示的是隧道安全管理水平的两种极限情况，其中数值为0表示绝对不安全，数值为1表示绝对安全；通常来说,隧道安全管理度小于0.5时,表示隧道安全管理水平为不可接受。

本文参考国内外隧道安全管理要求以及隧道安全管理领域专家的意见[4-5]，将对隧道安全管理水平的评价分为5个等级：优、良、中、差、不可接受。通过对隧道安全管理度的计算，可评价隧道安全管理水平的高低，同时也可通过选择合适的安全管理度，来调整相应安全管理影响因素对应要素管理的最优策略[6]。

表1 隧道安全管理水平分级表

1.3 隧道安全管理度的量化计算

隧道安全管理度的计算通常按照以下3个步骤进行[7]：

(1) 确定隧道安全管理评价指标体系。隧道安全管理影响因素集U={人的因素，车的因素，道路因素，养护管理因素，环境因素}。其中：

人的因素备选要素集U1={隧道管理人员，交通参与者，应急救援人员};

车的因素备选要素集U2={机动车状况，交通组成，机动车速度};

道路因素备选要素集U3={交通组织，道路类型，道路宽度};

养护管理因素备选要素集U4={土建养护，机电设备养护}。

环境因素备选要素集U5={外部环境，内部环境}。

(2) 确定各影响因素的权重。隧道安全管理的影响因素众多，并且各个指标的重要程度和影响作用也存在差异，为增强测算结果的准确性，本文将采用AHP法和Matlab软件确定各个影响因素指标的权重，即可得到各影响因素的权重值如下：

A={U1，U2，U3，U4，U5}={人的因素，车的因素，道路因素，养护管理因素，环境因素}。

U1={U11，U12，U13}={隧道管理人员，交通参与者，应急救援人员}。

U2={U21，U22，U23}={机动车状况，交通组成，机动车速度}。

U3={U31，U32，U33}={交通组织，道路类型，道路宽度}。

U4={U41，U42}={土建养护，机电设备养护}。

U5={U51，U52}={内部环境，外部环境}。

(3) 计算隧道安全管理度。通过对各影响因素的要素进行专家打分，评判各个要素的安全管理水平，并通过下式计算隧道五大影响因素中每个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个要素的权重；δui表示u因素的第i个要素的特征得分。

将各因素的安全管理水平得分αu与各因素的权重集Au按下式计算，可得到隧道的安全管理度为

(2)

式中：ε为隧道安全管理度；Au为第u个因素的权重；αu为第u个因素的安全管理水平得分，其中u=1,2,…,5。

2 隧道安全管理与运营效益模型

2.1 隧道交通量概念

隧道交通量通常是指1小时内，通过隧道某一断面的机动车数量，一般用Q表示。隧道交通量可用来反映隧道内车辆的通行频率及密度以及交通负荷的大小，是隧道运营管理过程中最重要的测评指标之一，也是隧道通行收费和运营效益计算的直接数据[4]。因此，隧道交通量可被用作建立隧道安全管理与运营效益量化模型的中间变量。

2.2 隧道交通量与安全管理度的关系

通常情况下，隧道的安全管理水平主要体现在能提供的交通条件的好坏上面，高的安全管理水平往往能提供好的交通条件，隧道行车的安全性、舒适性和可靠性越高，吸引过往隧道车辆就越多，隧道通行交通量就越大，两者之间是一种相互促进关系。因此，可以通过研究隧道交通量来对隧道安全管理度进行研究[8]。但是，当隧道安全管理度降低时，隧道交通量并不直线下降，当隧道安全管理度增加时，隧道交通量也不直线上升，隧道交通量与隧道安全管理度表现为在一定范围内保持趋势的一致性。隧道交通量可以随着其安全管理度的提高不断增大，但增大的过程并不是直线的，也不是无限制的[9]。

为了建立隧道交通量与安全管理度之间的关系，本文选取国内各地典型隧道项目(包含长江隧道、仰口隧道、秦岭1号隧道等)进行实地调研，获取了各隧道交通量与安全管理度相关数据，见表2(该调研数据具有一定的局限性，日后可根据实际情况进行补充完善)；再运用Microsoft office软件对表2中的相关数据进行线性回归处理(见图2)，从而得到隧道平均每公里日交通量与该隧道安全管理度之间的关系式：

K=432.9ε2+1 800.4ε+1 823.8

(3)

式中：K为隧道单位长度日交通量[pcu/(d·km)];ε为隧道安全管理度。

表2 隧道交通量与安全管理度

图2 隧道交通量与安全管理度的拟合曲线图Fig.2 Fitting curve of the traffic flow and safety management degree of tunnels

2.3 隧道安全管理与运营效益模型的建立

隧道运营效益一般是通过对隧道的通行车辆进行收费来实现的。为了便于计算，本文将各种车型转换为“标准小型汽车”(即标准车)，并且假定每辆标准车产生的运营效益是相同的。隧道的建设和运营是一个前期科学决策、后期工程合理实施的系统过程，在隧道安全管理与运营效益模型建立的过程中，不考虑安全管理的极端情况，同时要去除安全管理度0<ε≤0.5不可接受的情况，因此选取隧道交通量与隧道运营效益成正比的合理区间。设隧道每天的运营效益量为M，则

M=fQ

(4)

式中：Q为隧道交通量(pcu/d)；M为隧道每日的运营效益(元)；f为单位标准车产生的效益(元/pcu)

最终，可得到隧道运营效益与安全管理度之间的关系模型为

(5)

该模型的限制条件为：隧道安全管理管理度在0.5≤ε<1范围内适用。

3 实例验证

3.1 工程实例概况

本研究选择的B隧道项目位于J市，该隧道采用通常的管理方式，在建设初期由当地政府以及资金、技术实力较强的投资公司出资，并采用成熟的建设、运营、转移(BOT)模式进行管理，隧道于2008年动工，于2011年建成通车，建设及运营管理水平较高，项目比较典型且具有较好的代表性。

B隧道全长7.8 km，设有双主洞加一服务隧道，共有六个车道，设计行车速度为80 km/h，对连接城区与H城区起到重要作用，该隧道投入运营仅4年时间，运行状态良好。

B隧道采用的强、弱电系统是迄今为止中国国内最顶尖的技术，该强、弱电系统的稳定性、安全性超过目前国内绝大部分隧道的相应指标，明显居于国内领先地位，其他多项技术也都代表了我国目前隧道技术应用的最高水平。

3.2 B隧道安全管理因素权重的计算

本文采用AHP法和Matlab软件对B隧道安全管理各影响因素权重进行计算，得到B隧道安全管理评价指标体系中各因素的权重值见表3。

表3 隧道安全管理各因素的权重分配表

3.3 B隧道安全管理要素的专家打分

通过选取一定数量相关领域专家对B隧道安全管理各要素进行打分，得到各要素专家评分表，详见表4。

表4 隧道安全管理各要素专家评价得分表

3.4 隧道安全管理度计算及安全管理水平评价

利用公式(1)以及各子要素的权重值，可分别计算得到B隧道安全管理五大影响因素安全管理水平的得分情况，具体见表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)以及五大因素的权重值，可计算得到B隧道的安全管理度ε=0.87，根据表1可以判定J市B隧道整体安全管理水平评价等级为“良”(0.8≤ε<0.9)。

3.5 模型验证

按照B隧道运营企业财务数据，平均每天收费总额为58万元；根据运营企业隧道综合监控平台统计数据显示，B隧道的日平均交通量为2.9万辆，各类车辆实际通行情况见表6，标准车收费为20元/辆。

表6 B隧道各类车辆实际通行情况表

注：本表中没有货车通行量的记录，原因是该隧道定位为市政隧道，货车不允许通行。

按照公式(3)，利用收费总额、标准车收费等数据，反算隧道安全管理度，得到B隧道ε=0.871，可见实际计算值与模型得到数据基本一致，且数据误差在合理范围内，说明建立的隧道安全管理与运营效益量化模型较好地符合实际情况。

4 结 论

本文通过分析隧道安全管理的影响因素，提出隧道安全管理度的概念，并将安全管理进行量化，创新性地建立了隧道安全管理与运营效益量化模型。选取B隧道作为工程实例，运用其工程技术参数，计算隧道安全管理度并评价B隧道安全管理的水平，同时验证所建立的隧道安全管理与运营效益量化模型的可靠性，结果表明模型计算结果基本符合实际情况。

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[2] 韩彦斌,曾艳华,张玉春.高速公路隧道内交通事故的影响因素及防治措施[J].铁路与公路设计,2009,29(3):62-64.

[3] 汤洪波.基于安全检查表的高速公路隧道安全因素分析[J].四川建筑，2009(1):307-308.

[4] 韩直,白云.公路隧道安全评价指标体系及方法[J].公路交通技术,2008(6):125-128.

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

[6] Prescott J.TheRoadTunnelSafetyRegulations[S].2007.

[7] 李芹.基于事故分析的隧道安全管理与经济效益量化研究[D].青岛:青岛科技大学.2012.

[8] Mashimo H.State of the road tunnel safety technology in Japan[J].TunnellingandUndergroundTechnology,2002 (17):145-152.

[9] 重庆交通科研设计院.公路隧道交通工程设计规范[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

青岛市社会科学规划项目(QDSKL1401058)

李 芹(1982—)，女，硕士，讲师，主要从事管理科学与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