高速公路隧道运营风险分析及动态预警系统

苏东兰， 郭忠印， 周亚枫， 李志勇

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 201804； 2.苏州科技学院 道路工程研究中心， 江苏 苏州 215009； 3.湖南交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

高速公路隧道运营风险分析及动态预警系统

苏东兰1,2， 郭忠印1， 周亚枫1， 李志勇3

(1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 201804； 2.苏州科技学院 道路工程研究中心， 江苏 苏州 215009； 3.湖南交通科学研究院, 湖南 长沙 410015)

以湖南多条高速公路隧道路段调研资料为基础，分析了高速公路隧道路段运营现状。然后分析了不同事件对隧道路段运营安全的影响，建立了针对隧道内不同事件的综合交通管制对策库。并从系统功能、设备布设及系统流程等方面，建立了高速公路隧道路段动态预警系统。该系统由信息采集、信息处理、信息发布三大模块以及信息传输设备组成，可实现隧道路段运营状况监控，紧急状况预警，从而确保行车安全。

高速公路隧道; 运营风险; 规避对策; 监测预警系统

0 引言

高速公路隧道具有提高线形指标，减少行程的作用，是路网运营安全保障的重点路段。但是由于隧道路段运营环境特殊，一旦隧道洞内发生事故，存在车流疏散困难、救援难度大等问题，将影响路段甚至整个路网的运营效率。随着我国高速公路隧道数量的增多，也有相关学者对隧道运营安全开展研究：孙龙声开发建立了山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统[1]；邓其通过驾驶模拟研究了隧道烟雾环境下驾驶视觉安全[2]；赵峰主从运营事故统计分析、风险接受准则、风险定量风险分析等方面，研究了公路隧道运营风险评估方法[3]；戴忧华研究了隧道(群)路段驾驶行为的特征，建立了风险点特征点的识别方法[4]。国外开始对隧道运营安全越来越重视，并开展了相关研究：欧洲在发生两次比较大火灾事故后开始重视适当运营风险，根据《跨欧公路网中隧道安全最低要求2004年4月29日欧洲会议/理事会2004/54/EC号指令》要求，欧洲各国必须对隧道进行风险评估[5]；世界道路协会也提出了公路隧道运营风险分析方法[6]。Beard, A. N.归纳了欧洲隧道的三点安全特性，隧道事故率比一般开放性道路略低，接近段区域比中间段更危险，非火灾事故远多于火灾事故[7]；日本也提出了通过隧道设计、交通规则、隧道内安全设施，实现降低事故或火灾发生的可能性以及减轻事故后果[8]。

隧道目前国内许多长隧道已有监控设施，但是对监控视频利用率不高，也缺乏具有针对性的预警措施，无法根据洞外气象及洞内运营状况进行有效预警，因此存在一定的运营风险。为了解决该问题，有效评价隧道路段运营安全状况，采取有效对策进行运营安全管理，建立有效的监测预警系统，是提升隧道路段运营安全水平的重要工作。本文以多个高速公路隧道行车安全管理项目的研究为基础，对隧道运营风险分析、风险规避及安全管理方面进行研究，建立隧道监测预警系统，可为隧道路段运营安全管理提供参考。

1 高速公路隧道路段运营现状调研分析

本文对湖南省邵怀、怀通、怀新等多条高速公路隧道交通事故、交通流状况及气象条件进行了调研，从通事故特性、车辆行驶特性等方面分析了隧道路段运营安全现状。

1.1 交通事故特性

交通事故研究是交通安全研究的起点，也是道路安全管理对策研究的基础工作。本次调研收集了怀新(怀化～新晃)高速2012年1月到2014年2月隧道路段，以及怀通(怀化～通道)高速开通以来2014年1月至2014年3月隧道路段的事故资料。共发生事故97次，其中怀新高速74次，怀通高速23次，基本情况如表1所示。

表1 高速隧道路段事故基本情况Table1 Trafficaccidentofexpresswaytunnel按长度划分高速公路名称隧道名称长度/m路面特征道路特征事故起数/起死亡人数/人受伤人数/人怀新高速许家坳隧道410水泥直道100怀新高速水冲隧道480水泥直道100250m

根据隧道交通事故统计结果可知：

① 隧道事故事件分布的月份规律为： 1月至3月总体交通事故发生数量较多，8月和9月交通事故数也较大，分析原因可知：1月至3月冰雪天气较多路面结冰湿滑严重，且春节期间车流量较大；8、9月降雨集中，路面湿滑，大雨、浓雾等使能见度大幅度降低。

② 事故时间分布特性显示，24 h内有2个事故高发时段：05:00～09:00、17:00～20:00。此两个时段占全天交通事故总量的40%，分析原因可知：疲劳驾驶；大货车比例较大，且平均速度远低于小汽车，超速变道线形现象较多，车速离散性增大，均是造成事故的主要原因。

③ 事故空间分布特性显示，洞口附近交通事故发生的概率较高，而中间路段相对较低。隧道进出口作为行车环境的过渡路段，受“黑洞”及“白洞”效应等多方面原因影响，行车风险高于其他路段。且发生在直线隧道的事故多于曲线隧道，分析原因可知：直线隧道中，线形持续单调，驾驶员更容量疲劳；曲线隧道更好的解决了光过渡和眼睛适应等问题，使驾驶更为安全。

④ 事故形态以单车刮擦、追尾事故为主，超过事故总数的60%，其次撞固定物和侧翻事故也相对较多；

⑤ 从事故原因上分析，未降速驾驶(其中包含雨天路面潮湿即能见度低等情况)、操作不当、未保持安全距离占了大部分，分别是24.5%、16.3%和15.3%；从死亡人数上看，主要由超速驾驶引起，另一起造成2人死亡事故原因仍在调查中；从受伤人数上看，未保持安全距离、超速驾驶和制动不当占了绝大部分，分别是35.3%、25.5%和17.6%。

1.2 车辆行驶特性

车辆行驶特性的调研，主要测量隧道路段的断面运行车速，试验采用MC5600气压管式车辆分型统计系统辅以雷达测速仪的方式测量隧道特征断面运行车速。对所调查数据分车型(客、货)分别进行分组分析，然后进行数据汇总，绘制车速变化曲线。通过显著性检验，获得了与之前隧道进出口安全设计研究相类似的运行速度特点[9]：

① 客车与货车均会在隧道进口处减速，而在出口处加速，其车速变化曲线基本相同，大型货车(D型车)的加速度值小于小型客车(A型车)，但是A型车的车速标准差及车速变异系数高于D型车；

② 平曲线线形对车辆的加减速有一定影响，随着隧道入口曲线半径的减小，车辆减速度的绝对值逐渐增大；纵坡及变坡对车辆加减速变化明显，隧道进出口附近往往存在变坡点，出现速度变化；

③ 对于隧道群，入口过渡段、群间隙和出口过渡段的加速度值大于单个隧道，其中群间隙和出口过渡段的速度波动最大。

2 基于事件的高速公路隧道运营安全分析

高速公路隧道事件会导致整个运营系统状态紊乱而产生意外，是引发、阻碍或中断隧道交通正常运营的计划或突发状况，主要包括交通拥堵、交通事故、交通冲突、地质灾害、恶劣天气、计划事件等。本节根据多条高速公路隧道调研情况，列出导致运营系统状态紊乱的事件，分析其对运营安全产生的影响。

2.1 隧道路段事件

根据调研可知，对隧道运营安全影响较大的事件主要包括：交通事件、超速事件、灾害天气事件、危险品运输事件和计划事件5大类，见表2。

表2 隧道路段事件类型Table2 Eventtypeinexpresswaytunnelsections事件类型描述交通事件交通事故、车辆抛锚、车上落物等超速事件通过车辆超过隧道路段运行车速限值灾害天气事件雾、雨、雪等灾害天气危险品运输事件隧道内有运输危险品的车辆通行计划事件道路养护或维修等

根据事件对交通流运营安全产生的影响程度和影响范围，将交通事件与计划事件分为三级，将灾害天气事件划分为四个等级，一级最严重，四级最轻。超速事件及危险品运输事件不分级(见表3)。

表3 事件分级Table3 Eventclassification类型灾害名称分级指标交通事件交通事故等剩余车道数计划事件道路养护等剩余车道数灾害天气事件雾雨雪能见度/m能见度/m降水量/(mm·d-1)能见度/m雪厚/cm一级事件0(关闭设施)0(关闭设施)≤50≤50>250≤150≥15二级事件11 50～200 50～20050～250150～25010～15三级事件22200～500200～50025～50 250～375 5～10四级事件>500>500≤25>375<5

2.2 事件对隧道运营安全的影响

① 交通事件。

交通事件主要包括交通事故、车辆抛锚、车上落物等事件。交通事件发生时，降低了隧道的通行能力，隧道属于高速公路路网的瓶颈路段，较小的交通事故也可能影响到整个路网的运营效率。同时，交通事件也为造成火灾、二次事故等影响更为严重的事件留下了隐患。

② 超速事件。

由于高速公路上的车辆行驶速度较高，驾驶员如果超速行驶，一旦遇到紧急情况需要制动时，由于惯性，车辆无法在短时间或短距离内立刻停止下来，就有可能导致交通事故发生；与普通路段相比，公路隧道属于半封闭环境，驾驶员对周围环境的判断会受到一定影响，车速过快时，对突发事件的反应不及时。

根据火炭湾隧道交通事故的致因分析结果，62%的事故都是由超速及雨天路面湿滑未降速引起的，由此可见超速是威胁隧道运营安全的重要事件。

③ 灾害天气事件。

灾害天气是指对隧道运营安全产生重要影响的恶劣气象条件，虽然隧道内不直接受到雨雪等气象条件的影响，但是隧道群间隙段，隧道内路面潮湿情况依旧会受天气影响较大，且隧道交通事故分析结果显示交通事故与气象条件之间存在重要关系。火炭湾隧道交通事故统计结果显示，雨天发生交通事故的概率高于本地区雨天分布的概率，虽然隧道内路面不直接经受雨水的作用，但当雨天汽车车轮将水带入隧道，可引起洞内数十米长的路面湿滑。

④ 危险品运输事件。

危险品运输被视为“流动的危险源”，各类危险品在光、力、温度、湿度或静摩擦、振动的影响下以及与之性质不同的物体相接触时，极易发生燃烧、爆炸、毒害、污染等事故。由于隧道特殊的环境封闭性，一旦发生危险品事故救援难度大，将会造成更为严重的人员伤亡和财产损失。

3 高速公路隧道路段交通管制对策库

隧道动态预警对策是针对隧道内不同事件提出的综合交通管制措施，本文根据隧道路段事件分析结果、参考相关研究成果[10]，提出包括灾害天气事件对策、交通事件对策、危险品运输事件对策、计划事件对策以及超车事件对策。

3.1 分级事件隧道行车控制标准对策

① 交通事件对策。

隧道内交通事件发生时，根据交通事件占用的车道数采取不同的对策，并及时通知隧道管理人员，路政、交警等相关部门，启动相应应急预案。隧道左、右线接近事件发生区域的可变情报板显示事故内容，事件上游的车道指示器显示红色“×"，禁止前行；事故下游车道的车道指示器显示绿色的“↑”，使车辆按正常方式离开隧道。待救援人员布置交通锥形路标等分隔事故点后，上游受阻车辆在救援人员的指挥下进行疏散。

② 灾害天气事件对策。

灾害天气事件对策，主要包括雾天、雨天以及雪天的行车控制标准。该控制标准指隧道进出口过渡段(5S行程)的气象条件，为了防止车辆隧道内加速行驶，隧道内采取与进出口过渡段同样的控制措施

③ 计划事件对策。

计划事件发生时，隧道管理人员提前设置好隧道入口外可变信息板及车道指示器，进入隧道进行道路养护或维修的相关工作人员注意做好安全防护工作。

交通事件、灾害天气及计划事件隧道行车控制标准见表4。

表4 交通事件、灾害天气及计划事件隧道行车控制标准Table4 Trafficcontrolstandardoftrafficincident，disasterweatherandplaneventsintunnel事件等级限速/(km·h-1)一级事件隧道关闭、组织车辆绕行二级事件40三级事件60四级事件80 注：事件范围内若有滞留人员或作业人员，相应限速值再减小20km/h。

3.2 超车事件对策

监测预警系统根据监控设备采集的信息进行处理分析，判定此时是否有灾害天气事件、交通事件和计划事件等的发生，综合决策出此时隧道的限速值。车牌识别视频测速设备监测到超速车辆时，监控中心向可变信息板发布指令的同时，通知相应的执法部门，在隧道出口处进行执法。超速事件对策如表5所示。

表5 超速事件对策Table5 Countermeasuresforexcessivespeed是否超速对策是发布超速信息，停车罚款否发布一般警示信息

3.3 危险品运输事件对策

国内外采取的降低公路隧道危险品运输事故风险控制措施主要有[12]：完全禁止通行、通行时段管制、规定行车间距、引导护送运行、禁运特殊货物和限定物品数量，往往根据不同的隧道状况、运输管理要求采取相应的风险控制对策。参考目前国内外隧道危险品运输管理对策，结合高速公路隧道路段运营状况调研现状，根据危险品种类的不同提出危险品运输事件对策，如表6所示。

表6 危险品运输管理对策Table6 Managementcountermeasuresfordangerousgoodstranspor⁃tation危险品种类管理对策易燃易爆等危险品关闭隧道、禁止通行有毒放射性危险品交警或隧道管理所安排车辆带队通行

4 高速公路隧道路段动态预警系统设计

隧道洞内外突发事件具有一定的随机性和不预测性，因此为了保障隧道运营安全需要对隧道内的突发事件以及影响运营安全的洞外气候进行有效监控，根据监测结果，参照动态管理对策，进行有效的信息发布和交通管制，从而实现实时预警的目的。本节从系统功能、设备布设及工作流程3个方面，建立了高速公路隧道路段监测预警系统设计。

4.1 系统功能及组成

根据隧道内事件分类分级，以及其对运营安全的影响分析结果，研究提出本系统作为一种布设在山区高速公路的隧道动态预警系统，可由信息采集、信息处理、信息发布3大模块以及信息传输设备组成。并应具有如图1所示的系统功能：

① 信息采集。

通过外场设备获取实时路况信息，包括天气状况、车辆行驶参数采集、隧道内交通事件采集等信息。该功能由布置在隧道洞口前的气象监测器(能见度监测器、雨量器、雪深监测器)、摄像机、车牌识别、测速设备，交换机等信息交换设备共同完成。

② 信息传输及处理。

采集到的数据传输至信息处理模块，信息处理模块对数据进行危险状态识别，包括灾害天气等级、车辆区间运行速度、隧道内危险品运输车辆位置与隧道内交通事件识别。该模块功能由处理主机及光纤或无线网络传输完成。

③ 信息发布及共享。

根据事件识别的结果，进行预警信息提示；同时，将事件信息及交通管理与控制信息传输至交警部门、路政部门等部门。信息发布模块由可变信息板、车道指示灯等设备组成。

图1 动态预警系统功能结构图Figure 1 Function structure of dynamic early warning system

4.2 设备布设

隧道动态预警系统设备布设与隧道长度、运行环境、交通状况有关，不同隧道的布设存在不同。根据监测预警系统的组成要求，本文以湖南省怀通高速公路火炭湾隧道(左线)为例，进行动态预警系统的总体布置，如图2所示。

图2 动态预警系统设备总体布置图Figure 2 Equipment layout of dynamic early warning system

4.3 工作流程

高速公路隧道路段动态预警系统总体流程如图3所示。

图3 高速公路隧道路段动态预警系统总体流程Figure 3 Overall process of dynamic warning system in expressway tunnel

5 结语

本文提出针对隧道不同事件的综合交通管制措施，可为不同的隧道运营过程中提供有效的交通管理与应急处置措施，能更好地服务于隧道监控所、交警、路政等部门。在充分调研分析高速公路隧道路段运营状况的基础上，建立的隧道路段动态预警系统是有效监测隧道洞外天气洞内运营状况的集成系统，是改善山区高速公路隧道路段安全状况的有效措施。隧道路段监测预警系统建立了基于事件的预警对策库，可全面实现山区高速公路隧道路段灾害天气、交通事件、超速事件、危险品运输等事件的实时监测预警，从而提高运营安全性。

[1] 孙龙声,方勇,郭忠印. 山区高速公路运行环境复杂路段行车安全预警系统[J].公路工程,2014(05):54-58.

[2] 邓其,詹华岗,肖文贵,等.隧道烟雾环境下驾驶视觉安全模拟实验研究[J].公路工程,2014(01):35-39.

[3] 赵峰.公路隧道运营风险评估及火灾逃生研究[D].西安：长安大学,2010.

[4] 戴忧华. 高速公路隧道路段驾驶行为特性及其风险评价研究[D].上海：同济大学,2011.

[5] Direetive2004/54EC of the European Parliament and of the Council of the 29 April-on Minimum Requirements for Tunnels in the Trans-European Road Network[J]. Official Journal of the European Communities.2004:56-76.

[6] PIARCTechnicalCommittee on Roadtunneloperation.RiskAnalysisforRoadTunnels[R].France: PIARC,2008.

[7] Beard,A.N.:Notes on Risk Assessment[R], Heriot-Watt University,Edinburgh,Scotland,UK2005.

[8] H.Mashimo. StateoftheroadtunnelsafetytechnologyinJapan[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2002(17):145-152.

[9] 郭忠印,苏东兰,卢辉,等.基于运行速度的高速公路隧道出入口安全设计[J].公路工程,2013(05):146-150.

[10] 郭忠印.景婺高速公路隧道防灾与安全管理系统研究[R].江西省交通重点科研项目,同济大学,200. 8.

[11] 郭忠印.基于事件的重大公路交通基础设施运营安全研究[R].国家高技术研究发展计划(863计划),同济大学,2011.

[12] 王少飞,林志,陈建忠. 山区高速公路隧道危险品运输管理对策[J]. 公路交通技术,2010(05):115-120.

Study on Operation Risk Analysis and Dynamic Warning System of Expressway Tunnel

SU Donglan1,2， GUO Zhongyin1， ZHOU Yafeng1， LI Zhiyong3

(1.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China; 2.Road Engineering Research Center, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou, Jiangsu 215009, China; 3.Hunan Communication Scientific Academy, Changsha, Hunan 410015, China)

Based on the operation situationsurvey data of expressway tunnel(s)in Hunan province, this paper analyze the operation safety situation. Then according to influence of different events on the tunnel operation safety, the comprehensive traffic control measures to each event are put forward by respectively. The tunnel dynamic warning system were puts forward based on system function, equipment layout and work flow. This dynamic warning system was including The system consists of information collection, information processing, information release and information transmission equipment, which can monitoring the tunnel sections operational condition and carry out early warning to the emergency condition.

expressway tunnel; operation safety; traffic control; dynamicwarning system

2015 — 02 — 03

交通运输部建设科技项目(2014318785090);湖南省交通科技项目(200926)

苏东兰(1985-)，女，广西平乐人，博士生，主要研究方向：道路工程、交通安全工程。

U 458

A

1674 — 0610(2016)06 — 0010 — 06