杨 悦, 李倩倩, 陈孝国, 周新东, 李永超, 黄樟浩
(1.三明学院建筑工程学院,福建 三明 365004;2.福州大学数学与统计学院,福建 福州 350108;3.三明学院 信息工程学院,福建 三明 365004)
高速公路隧道的修建虽大大缩短了两地通行的距离和时间,使生活更加便利,但也产生了一系列问题,比如公路隧道交通事故,隧道坍塌等。截止到2020年,中国有约1.66万人在道路交通事故中丧生,仅2020年就发生了24.8万起隧道交通事故,造成13.46亿元的财产损失[1]。关于隧道运营安全的研究最早源于欧洲,瑞士从1974年至2001年的800多起隧道安全事故分析中提出了降低隧道事故发生的具体预防措施[2]。挪威2004年发布的《Road Tunnel》对高速公路隧道内安全设备的规格、隧道的应急供电等方面做了相应的规定[3]。S.N.Jonkman等[4]提出了基于大概率分析与确定性情况分析两种隧道安全评价方法。国内学者则主要利用模糊数学、层次分析法和德尔菲专家法对高速公路隧道运营安全进行评价[5]。巩航军[6]采用Delphi法和AHP法实现对高速公路隧道运营安全性的评估。刘洪涛等[7]通过层次分析法确立隶属度与权重值,利用模糊综合评价对隧道运营安全进行评价。袁家伟等[8]运用层次分析法对隧道的每个区间段运营安全风险进行预测。但这些文献对隧道安全评估方法缺乏客观性和准确性,指标体系不够全面,同时没有考虑监测数据的直觉模糊性和系统差异性。基于此,本文利用直觉模糊层次分析法对隧道运营安全进行评价,将所得结果与AHP法进行对比,新建模型能更完整地反映决策过程的不确定性,从而更接近所评价隧道的运营安全状态。
经过查阅资料,筛选主要指标因素包括机电设施、交通环境、隧道结构和安全管理4个方面,分别用A1,A2,A3,A4来表示。每个指标均有多个因素对其产生影响,因此建立二级指标,其中机电设施包括消防设施、照明设备、通电系统、通风系统,分别用B11,B12,B13,B14来表示。交通环境包括平均车速、能见度、交通量、路面抗滑性,分别用B21,B22,B23,B24来表示,隧道结构包括车道宽度、洞门与衬砌、结构变形、结构设计,分别用B31,B32,B33,B34来表示,安全管理包括危险物品运输管理、日常巡查管理、紧急状态应对能力[9],分别用B41,B42,B43,B44来表示,由此构建了能反映隧道运营安全的综合评价指标体系,如表1所示。
表1 隧道安全运营指标体系
根据《公路隧道运营安全设防分级标准的研究》,将隧道运营安全等级分为4个层次,如表2所示[10]。
表2 隧道安全运营等级分级表
步骤一:从机电设施、交通环境、隧道结构和安全管理等四个方面建立隧道运营安全指标体系,并根据《公路隧道运营安全设防分级标准的研究》,将隧道运营安全等级分为4个层次。
步骤二:建立直觉模糊偏好关系矩阵R=[rij]m×n=[μij,rij]m×n。根据直觉模糊数据的距离测度,给出下列一致性检验公式[11]:
(1)
式(1)中R为各项指标相互比较得出的直觉模糊判断矩阵:
R=[rij]m×n=[μij,rij]m×n
(2)
j>i+1
(3)
j>i+1
(4)
i,j=1,2,…,n
(5)
i,j=1,2,…,n
(6)
重复上述步骤,直到得到符合条件的直觉模糊判断矩阵
步骤三:权重的计算。
i,j=1,2…,n
(7)
利用式(7),得到二级指标权重ωj,利用集结算子得到总权重
wi⊗wj=(μwi·μwj,vwi+vwj-vwi·vwj)
(8)
由于式(8)还是直觉模糊矩阵,需要引入模糊转换函数[12],然后采用式(9)计算各二级指标的权重。
(9)
步骤四:利用TOPSIS决策方法进行直觉模糊综合评价。
正理想A+和负理想A-分别如下:
(10)
(11)
设属性指标Uij所对应的权重系数为ωi={ω1,ω2,…,ωn},则根据直觉模糊集定义和式可得评价等级Ai与A+的加权距离定义为:
(12)
评价等级Ai与A-的加权距离定义为:
(13)
步骤五:计算隧道各安全等级的综合评价值并进行排序。
将隧道各运营安全等级有效性的综合评价值定义为:
(14)
可得出隧道各安全等级的综合评价值,从而得出隧道的运营安全等级。
3.1 莆炎高速隧道背景
莆炎高速-三明段从三明市和福州市的交界地段开始,途径福建多地,最后与建泰高速公路相连。这是在福建省十四五的开篇之年。莆炎高速路线全长237.94km,分为三个项目段:永泰梧桐至尤溪-中仙(三明脉)、三明莘口至明溪-城关,以及尤溪-中仙至建宁。其中文笔山2号隧道是一个控制项目,全长4786m,右线全长4760m,这是莆炎高速公路三明上最长的隧道。
3.2 评价指标体系权重的确定
根据隧道运营安全评价模型指标体系(表1) ,对三明莆炎隧道进行隧道运营安全评估分析,查阅隧道资料并询问专家意见得到了一级指标及关系如下:
二级指标偏好关系如下:
表3 隧道运营安全各级指标权重
3.3 运营安全等级的评价值确定
根据莆炎高速隧道的数据背景,查阅施工资料并询问专家意见得到了全部指标对应的直觉模糊评价值,如表4所示。
表4 隧道运营安全等级直觉模糊评价值
3.4 TOPSIS决策方法
表5 计算隧道各运营安全等级的加权距离值
CP1=0.7331>CP2=0.4983>
CP3=0.2711>CP4=0.1676
由综合评价值可以看出,该隧道的一级安全评价值最高,故该隧道运营安全等级为一级安全。
3.5 与模糊层次分析法的比较分析
根据相同的数据信息,用模糊层次分析法[13]对三明莆炎高速隧道进行了评价,与直觉模糊层次分析法的评价结果见表6。
表6 直觉模糊层次分析法与模糊层次分析法的结果比较
从表6可知,一方面,直觉模糊层次分析法和模糊层次分析法都得出了三明莆炎高速隧道为一级安全的结论,但就评价结果的得分值来看,直觉模糊层次分析法所得到的一级安全得分值与二级安全等级得分值的差距与模糊层次分析法相比较大,区分度更为明显,故直觉模糊层次分析法所得的结果更为精准。
另一方面,在模糊层次分析评价过程中,针对不符合条件的判断矩阵,我们只有通过专家的再一次评分,进行新一轮的验证计算,而直觉模糊层次分析法则是通过改变参数的值进行迭代计算,直到得到符合的判断矩阵,这个过程不需要再一次评分,更加高效便利。
首先从机电设施、交通环境、隧道结构、安全管理四个方面构建隧道运营安全评价体系,将隧道安全运营等级分为四级。其次通过直觉模糊层次分析法确定各指标权重,最后利用TOPSIS法对隧道运营安全进行评价。研究表明,直觉模糊层次分析法的一级安全与二级安全的区分度相比于模糊层次分析法更大,故结果也更为精准。通过隧道安全运营各级指标权重表可以直观的看出,消防设施,照明设备,通电系统和平均车速这四个指标所占的权重较大,即对隧道安全运营的影响较大,故在建设高速公路隧道时,应对这四个指标进行严格的分析和把控,提升隧道的安全运营水平。对运营安全评价结果为三级安全和四级安全的高速公路隧道,应暂停相关的运营安全工作,进行必要的整改修缮,同时也应积极落实隧道灾难应对预案。
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