基于事故机理的城市公路隧道运营风险因素探究

梁铭轩， 赵 强， 刘 梅， 廖彬超

(1.清华大学 建设管理系， 北京 100082； 2.北京市市政工程设计研究总院有限公司， 北京 100082；3.北京建筑大学 城市经济与管理学院， 北京 102616)

随着我国城市公路隧道建设的不断发展，城市隧道里程不断增加，运营期交通事故多发，安全管理问题日益突出。本文基于1970年至2020年国内外典型城市公路隧道190起事故调研，发现隧道运营期风险因素类别繁多，事故类型各异，人员伤亡严重。为了提升运营期安全管理水平，对城市隧道进行风险评估十分必要。

欧洲是最早开始关于隧道风险评价研究的地区。2004年，欧盟出台条例The New Directive on Road Tunnel Safety，规定了各国隧道都必须定期进行安全评估。近年来，我国城市道路隧道风险评估标准逐渐完善，但因地形特点、城市管理需求等方面的差异，尚未实行统一的城市公路隧道运营风险评估标准。2017年，交通运输部办公厅发布《公路隧道运营技术规范(征求意见稿)》，提出了隧道内一般设备要素和一般应急预案原则等内容。2020年，广东省《城市道路隧道运营安全风险评估技术规范》(DBJ/T 15-193—2020)提出总体风险评估与专项风险评估方法，基于风险因子打分公式，确定风险等级，从而判定风险应对方案；贵州省发布《贵州山区营运高速公路隧道安全隐患评价与风险管控技术指南(试行)》(JTT 52/06—2021)，结合城市山地特点，将不同设施划分为多个分项，提出分项打分标准。当前规范文件较多强调风险评估流程，部分文件提及按照事故工况分类的应急预案，但仍缺少从风险因素到事故发生的评估与分析，为此，本文将在各项规范文件的基础上，从事故机理的角度，探究公路隧道运营期风险因素。

1 风险因素评估技术综述

相关研究表明，基于已经识别的风险因子(风险因素)，利用统计描述、F-N曲线分析、模糊层次分析等方法可建立风险因素与事故类型之间的关联评价体系，增加风险评估维度，从而提升风险评估方法的综合性和应用性，但各方法仍存在其局限性。

倪洪亮、林志、赖金星、杨健、肖烽、倪娜、高亮等[1-7]将隧道路段、时间(季节、月份、星期)、天气等作为引发事故的风险因素，但这种划分方式对于运营管理部门来说只能提供运营管理在时间和空间中的规律性特点，无法提供详细的日常工作依据，且不同城市发展特点和气候存在差异，其规律通用性有待考量。周勇等[8]指出表征社会风险接受准则F-N曲线，旨在确定合理的隧道运营风险与收益的博弈方案，但国内尚未规定符合国情风险的接受准则指数，即隧道运营期内可接受的管理风险水平分级标准，因此还需采用相对分级方法。许宏科等[9]提出利用层次分析法对隧道运营的各个管理系统进行综合评价。郑金龙等[10]提出划分路段的层次分析法，针对隧道入口、出口和中间段进行分段风险计量，提出隧道风险评价方法。余忠磊等[11]提出基于模糊数学的AHP法进行隧道安全运营综合评价，但各层次仅存在权重差异，无法表征风险因子到事故的发生机理，且隧道风险因素众多，当评价因素过多时，AHP层次分析法易出现判断混乱的可能性。K-means聚类算法是一种基于划分的聚类算法，由MacQueen在1967年提出。该算法具有易于描述、时间效率高、适于处理中大规模数据的特点，现今广泛运用于事故分析[12]和交通运输风险分析[13]等领域。同时，风险因素等级划分标准有助于提升安全管理精细化水平[14]，而聚类分析算法通过数据质心的计算，具备了为风险因素分级的基础。

综上分析，本文将基于事故演变机理制定“风险因素与事故”关联评估清单，选用K-Means方法，通过计算不同风险因素诱发事故发生概率, 诱发事故危险程度的欧氏距离，将风险因素分为不同蔟，从事故机理角度，对风险因素进行分级。

2 风险因素与事故关联评估清单

2.1 清单设计依据

1) 美国康奈尔大学学者怀特提出将事故原因归因为人、机、环境的思想，提出按照人、机、环境的分类是检查事故起因和预防机制的理性模型，因素相互联系、相互作用构成了安全管理的影响因素集[15]。因此影响隧道安全运营的因素可分为设备、环境和管理3种类型。

2) 瑞士提出的隧道安全系统设计原则，即隧道安全管理需要综合考虑事故发生概率和事故危险程度[16]。

2.2 风险因素

本文共识别56个风险因素，参考依据包括《公路隧道运营技术规范(征求意见稿2017)》《贵州山区营运高速公路隧道安全隐患评价与风险管控技术指南(试行)》(JTT 52/06—2021)、法国隧道运营安全手册Guide to road tunnel safety documentation等以及国内外学者研究[17]。当前的设备风险因素包括交通安全设施、通风设施、照明设施、交通控制设施等。环境风险因素包括隧道内风、降水、降雪等带来的不良路况和不同类型的结构病害。管理风险因素包括管理控制系统因素和管理人员因素，其中管理要素的提取较为抽象。

2.3 事故类型

基于所收集的190个事故案例归纳风险因素诱发的事故类型，分别为车辆追尾、车辆碰撞、车辆撞壁、自燃、二次事故火灾、人为事故(恐怖袭击、违规横穿等)。各类事故分布如图1所示，其中火灾事故包含自燃和二次事故火灾2种类型，据北京市东六环隧道管理办法，危险品车辆不允许驶入隧道内，因此本文不考虑危险品泄露事故类型。

图1 城市公路隧道典型事故案例统计(190例)

2.4 事故发生概率评估标准

事故发生概率使用5级量表，如表1所示。

表1 事故发生概率评估标准

2.5 事故危险程度评估标准

事故危险程度评估标准如表2所示，其设置参考了我国《道路交通事故处理办法》，按照轻微事故、一般事故、重大事故、特大事故分为4级，分别对应1～4的分数。

表2 事故危险程度评估标准

2.6 K-Means 聚类分析算法

为避免简单统计描述的系统不确定性和层次分析法的模糊性，本文将采用K-Means算法，按照低概率-低危险、中概率-中危险、高概率-高危险对风险因素进行等级划分，从事故角度对风险因素进行评价。

1) 选择初始化的k个样本作为初始聚类中心a=a1,a2，…，ak；

2) 针对数据集中每个样本xi， 计算它到k个聚类中心的距离并将其分到距离最小的聚类中心所对应的类中；

4) 重复2)、3 )操作，直到达到某个中止条件(迭代次数、最小误差变化等)。

3 风险因素分级

对于风险因素的评价需综合考虑其引发事故的概率和引发事故的危险程度，以各因素引发事故概率为x轴，危险程度为y轴，利用K-Means算法针对事故相关的风险因素进行聚类分析。将风险因素分为3种聚类簇：“低诱发事故发生概率- 低诱发事故危险程度簇”(简称“低概率-低危险”)、“中诱发事故发生概率-中诱发事故危险程度簇”(简称“中概率-中危险”)、“高诱发事故发生概率-高诱发事故危险程度簇”(简称“低概率-低危险”)。在聚类分析结果中，同样可以通过线性聚类边界和质心位置坐标判断不同分级的风险因素所处的概率-危险程度水平。其中各个簇中，“概率-危险程度”的数据质心的坐标均已标记。

3.1 不同事故类型风险因素分级

不同类型的事故与不同的风险因素关联，车辆追尾、车辆碰撞和车辆撞壁是3种典型的车辆物理接触事故，其风险因素对事故概率与事故危险程度的聚类结果如图2～图4所示。此3种车辆事故的风险因素分级十分类似，高概率-高危险风险因素质心坐标相同，均包含环境因素中的道路结冰等，设备因素中的隧道照明等。究其原因，3种车辆事故触发方式相似，均为车辆间的物理接触。道路结冰等环境因素会影响车辆行驶的物理状态，隧道照明设施等环境因素会影响驾驶人员驾驶行为，违法驾驶行为管理系统会影响交通事故的预测、取证和救援过程。

而对于隧道内火灾事故，如图5所示，高概率-高危险风险因素的质心为概率：0.510，危险程度：3.510，除各项消防设施外，还包括隧道照明、环境因素、自动报警装饰和手动报警装置等，如图6所示。中概率-中危险风险因素质心为概率：0.419，危险程度：2.467，构成包括引导照明、可变标志、监控系统、道路结冰等。可以发现，火灾事故关联的风险因素构成与3类交通事故相似的风险因素构成出现重叠，并非传统意义上仅与消防和报警设施有关。为此，本文进一步分析事故层次差异。

图2 车辆追尾风险因素分级

图3 车辆碰撞(迎面)风险因素分级

图4 车辆撞壁风险因素分级

图5 火灾风险因素分级

3.2 不同事故层次风险因素分级

不同层次(一次事故、二次事故)的事故可能与不同的风险因素关联。二次事故是一次事故危险因素的第二次激发，是事故的扩大蔓延。从发生特点来看，二次事故具备随机性、突发性和不可逆性的特点。在本文收集的事故案例中，二次事故火灾主要由3大车辆事故升级所致。本文中的火灾事故中，自燃(货物/汽车部件等)引发的火灾为一次事故，一次事故升级引发的火灾为二次事故火灾，其风险因素所关联的事故发生概率和事故危险程度如图6、图7所示。

对比图6、图7可知，消防设施和报警装置同为2种火灾事故(自燃、二次事故火灾)的高概率-高危险风险因素，隧道管理人员需在火灾工况初期及时灭火或报警，一旦以上风险因素处置不当，如出现消防设施缺失、报警装置损毁等风险，便极大地增加了事故危险程度。

不同点在于，二次事故高概率-高危险分级中，存在风机、照明、监控系统等事故救援有关的设备风险因素。究其原因是救援相关设备的隐患一旦出现故障或缺失，在初步救援过程中则极易进一步诱发二次事故火灾。此类风险因素处置不当会导致一次事故的救援速度缓慢，或排除易燃易爆危险因素失败，从而增加二次火灾事故的发生概率和危险程度。因此，研究不同事故层次的风险因素分级可为隧道运营管理人员和应急救援人员迅速定位危险源，减少二次事故的发生提供指导。

图6 自燃火灾风险因素分级

图7 二次事故火灾风险因素分级

4 结论

本文研究与当前国内外其他研究相比，从事故机理角度，将事故演变机理纳入风险因素的评价体系，主要结论如下：

1) 针对车辆追尾、车辆碰撞、车辆撞壁、火灾等不同事故类型，实现风险因素的“概率-危险程度”分级。

2) 针对自燃火灾和二次事故火灾的不同事故层次，实现风险因素“概率-危险程度”分级。

3) 目前研究尚未对各个分级内部的风险因素之间进行关联性探究。下一步将在当前风险因素分级的基础上，进一步明确在事故演发过程中风险因素的级联关系，从而在应急救援阶段为运营管理人员提供更精准的技术支持。