李 浩, 陳志濤, 李 朋, 陸艷銘, 陳 靖, 王高新, 李 舒

(1. 云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 云南 昆明 650041; 2. 中國礦業(yè)大學(xué), 江蘇 徐州 221116;3. 清華大學(xué)(合肥)公共安全研究院, 安徽 合肥 210061)

0 引言

目前,國內(nèi)外高速公路隧道管理組織架構(gòu)是以“有人值守”為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)組織架構(gòu)為主,主要包括運管部(1級)、管理處(2級)、管理分處(3級)、隧道管理站(4級)、變電站(5級)。其在管理體系方面存在以下問題[1-9]: 1)隧道管理站人員呈現(xiàn)出“一人多職、雜而不?！钡那闆r,需要同時負(fù)責(zé)巡檢養(yǎng)護(hù)、消防應(yīng)急、事件監(jiān)控等多種職能,隧道管理站人員任務(wù)繁雜,工作量處于較飽和狀態(tài); 2)一般情況下,隧道管理站會選在偏遠(yuǎn)山區(qū),環(huán)境相對較差,生活較為不便,條件較為艱苦,長期居住在此會給隧道管理站人員心理造成一定負(fù)擔(dān),產(chǎn)生孤單和落寞情緒。以上問題出現(xiàn)的根本原因是: 現(xiàn)有隧道管理站的“日常巡檢”和“應(yīng)急消防”兩大職能綁定在一起,導(dǎo)致隧道管理站人員身兼多職;此外,隧道管理站受日常巡檢時間和應(yīng)急消防救援時間限制,不能距離隧道太遠(yuǎn),導(dǎo)致隧道管理站選址空間受到較大限制,通常選址于偏遠(yuǎn)山區(qū),因此“隧道管理站選址空間”與“應(yīng)急消防救援時間”之間存在突出矛盾[7-16]。目前在對云南省高速公路隧道管理組織架構(gòu)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn),陽宗隧道管理站、板坡隧道管理站、阿旺隧道管理站、功東隧道管理站、黃樹梁子隧道管理站、九頂山隧道管理站、麗江隧道管理站均存在這一矛盾。

高速公路隧道“準(zhǔn)無人值守”體系建設(shè)為解決上述矛盾提供了可能性,各省交通投資建設(shè)集團(tuán)十分重視,力求在傳統(tǒng)組織架構(gòu)建設(shè)基礎(chǔ)上針對“準(zhǔn)無人值守”體系特點進(jìn)行改進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新。例如: 云南省昭通隧道管理分處的視頻監(jiān)控中心利用智能交通事件識別技術(shù),自動識別上百個交通監(jiān)控視頻中的突發(fā)事件,從而盡量減少人員工作壓力。國內(nèi)外科研人員也在“準(zhǔn)無人值守”體系建設(shè)方面提出了一些探索性研究。例如: 高勝輝[17]提出“準(zhǔn)無人值守”隧道管理站的建設(shè)思路雛形;楊金銓[18]對公路隧道機(jī)電設(shè)施的智能化養(yǎng)護(hù)檢測系統(tǒng)開展了部分研究;陳咨鑫[19]設(shè)計了一套無人值守的配電房智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。國外許多發(fā)達(dá)國家起步較早,開發(fā)出了配合“準(zhǔn)無人值守”的監(jiān)控平臺,如德國菲尼克斯電氣公司的InterbusFCS技術(shù)、美國全球間諜網(wǎng)絡(luò)公司的計算機(jī)控制技術(shù)等,這些技術(shù)在隧道“準(zhǔn)無人值守”監(jiān)控方面得到廣泛應(yīng)用,減少了交通事故,降低了隧道運營維護(hù)成本,提高了交通運輸效率[20]。

在高速公路隧道“準(zhǔn)無人值守”體系建設(shè)中,采用“準(zhǔn)無人值守”后,隧道管理站人員數(shù)量明顯減少,這為進(jìn)一步壓縮隧道管理站的規(guī)模與數(shù)量提供了可能性。但上述高速公路隧道“準(zhǔn)無人值守”體系研究主要側(cè)重于現(xiàn)有組織架構(gòu)基礎(chǔ)上的技術(shù)創(chuàng)新(比如視頻監(jiān)控技術(shù)升級、柴油發(fā)電機(jī)自啟動技術(shù)等),而針對“準(zhǔn)無人值守”體系進(jìn)行的隧道管理組織架構(gòu)創(chuàng)新較少,并未根本解決“隧道管理站選址空間”與“應(yīng)急消防救援時間”之間的矛盾。

為解決以上矛盾,提出對現(xiàn)有組織架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,建立新型高速公路隧道管理體系,即: 將隧道管理站的“應(yīng)急消防”和“巡檢養(yǎng)護(hù)”職能遷出放入現(xiàn)場小型輕量化綜合站;同時,在現(xiàn)場設(shè)置“準(zhǔn)無人值守”消防微站和變電微站。這樣隧道管理站不再受日常巡檢時間和應(yīng)急消防救援時間限制,極大提高了隧道管理站的選址范圍。

在此新型體系建設(shè)中,消防安全評價是十分重要的一個環(huán)節(jié),其關(guān)聯(lián)因素眾多,不同因素之間存在復(fù)雜的邏輯性。為此,可利用多層次結(jié)構(gòu)圖來表征各關(guān)聯(lián)因素及其復(fù)雜邏輯關(guān)系。此外,各因素具有一定隨機(jī)性,給消防安全評價結(jié)果帶來一定不確定性。因此,采用蒙特卡洛抽樣算法解決多層次結(jié)構(gòu)圖中的因素不確定問題。蒙特卡洛抽樣算法是一種以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的隨機(jī)模擬計算方法,能有效解決因素隨機(jī)不確定問題[20-22]。例如: 耿中元等[20]利用蒙特卡羅隨機(jī)抽樣算法對平面圖像信息進(jìn)行自適應(yīng)抽樣,有效解決了圖像噪音隨機(jī)性和不確定性問題;賀群武等[22]利用蒙特卡羅隨機(jī)抽樣算法進(jìn)行逆溫度抽樣,有效解決了熱流邊界條件下分子碰撞反射隨機(jī)性和不確定性問題。

本文針對目前國內(nèi)外高速公路隧道管理體系存在的一系列問題,提出將隧道管理站的“應(yīng)急消防”和“巡檢養(yǎng)護(hù)”職能遷出放入現(xiàn)場小型輕量化綜合站,從而建立一種新型高速公路隧道管理體系。為評估此新型體系的消防安全性能,利用多層次結(jié)構(gòu)圖來表征消防安全各關(guān)聯(lián)因素及其復(fù)雜邏輯關(guān)系,利用蒙特卡洛抽樣算法表征消防安全各關(guān)聯(lián)因素的隨機(jī)特性,提出基于蒙特卡洛多層次抽樣的高速公路隧道管理新體系的消防安全評價方法,并對新型與傳統(tǒng)體系的消防安全性能進(jìn)行對比評價,驗證新型體系的消防安全可靠性。

1 新型高速公路隧道管理體系

新型高速公路隧道管理體系提出在現(xiàn)場放置綜合站,將隧道管理站的“應(yīng)急消防”職能遷出放入現(xiàn)場小型綜合站;同時,考慮到巡檢養(yǎng)護(hù)的及時性與方便性,一并將“巡檢養(yǎng)護(hù)”職能放入現(xiàn)場小型綜合站,綜合站內(nèi)人員輪流值守。監(jiān)控等其余職能仍保留在隧道管理站內(nèi),并與管理分處中的監(jiān)控分中心合并,有效減少隧道管理站數(shù)量,進(jìn)而建立基于職能分離的高速公路隧道管理新體系。

此外,將變電站優(yōu)化為“準(zhǔn)無人值守”變電微站。為節(jié)省救援時間,設(shè)置“準(zhǔn)無人值守”消防微站?！皽?zhǔn)無人值守”是指變電微站和消防微站內(nèi)不駐守人員,但需要巡檢人員定期去站內(nèi)巡檢?！皽?zhǔn)無人值守”消防微站能夠縮短消防應(yīng)急時間,更能滿足消防應(yīng)急需求?！皽?zhǔn)無人值守”消防微站均采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(方便快速施工),尺寸為3 m×8 m×3 m,主要用于存放一些日常消防車、不經(jīng)?；虿环奖銛y帶的備用消防應(yīng)急工具或器材,如消防栓扳手、滅火毯、消防斧、絕緣剪斷鉗、鐵锨、液壓鉗、千斤頂、滅火器、備用消防車輛(可選)、備用固定電話等。在進(jìn)行消防應(yīng)急現(xiàn)場處置時,如果需要一些必要的消防應(yīng)急工具但消防車又未攜帶時,可直接從現(xiàn)場微站獲取,比返程攜帶更加便捷;如果消防應(yīng)急處置現(xiàn)場不需要額外的消防應(yīng)急工具,則不需要打開微站。

經(jīng)分析,高速公路隧道新體系的組織架構(gòu)整體優(yōu)化布局。共設(shè)置5級,分別為運管部(1級)、管理處(2級)、管理分處(監(jiān)控分中心)(3級)、綜合站(4級)、變電微站和消防微站(5級),如圖1所示。其中,綜合站履行日常巡檢養(yǎng)護(hù)和應(yīng)急救援職能,負(fù)責(zé)道路、橋梁和隧道的日常、經(jīng)常和定期巡檢以及消防救援、應(yīng)急處置等;管理分處(監(jiān)控分中心)執(zhí)行監(jiān)控、輔助消防、組織調(diào)度等職能。

圖1 高速公路隧道新體系的組織架構(gòu)整體優(yōu)化布局Fig. 1 Overall layout of optimized organization structure of novel system of expressway tunnel

2 基于蒙特卡洛多層次抽樣算法的新型體系消防安全評價方法

2.1 消防安全性能等級

消防安全性能等級與隧道發(fā)生火災(zāi)后及時滅火的可能性大小有關(guān)。采用李克特5級量表(five-point likert scale)將高速公路隧道新體系消防安全性能等級劃分為5級(等級1到等級5),并統(tǒng)一將5個成熟度等級與評估值范圍一一對應(yīng),其中1分和5分分別對應(yīng)最低和最高的評估值。按照由低到高順序排列的成熟度等級及其評估值范圍分別為:嚴(yán)重不安全級((0.00, 0.25])、欠安全級((0.25, 0.55])、預(yù)期級((0.55, 0.75])、良好級((0.75, 0.90])、卓越級((0.90, 1.00])。消防安全性能等級的5個成熟度等級如表1所示。

表1 消防安全性能等級的5個成熟度等級Table 1 Five maturity levels of fire safety performance levels

2.2 消防安全評價指標(biāo)及其權(quán)重

在利用層次分析法評估時,需要建立各層次指標(biāo)。本次評價目標(biāo)是消防安全,包含一級安全評價指標(biāo)共4個,分別為消防救援及時性、消防救援力量、消防裝備配置和交通管制情況。各級安全評價指標(biāo)及權(quán)重如表 2所示。

表2 各級安全評價指標(biāo)及權(quán)重Table 2 Safety evaluation index and weight at all levels

針對每個一級安全評價指標(biāo),設(shè)置二級安全評價指標(biāo)。消防救援及時性的二級安全評價指標(biāo)為到達(dá)救援現(xiàn)場時間、消防待命狀況和火災(zāi)感應(yīng)報警及時性;消防救援力量的二級安全評價指標(biāo)為專職消防人員力量和輔助消防人員力量;消防裝備配置的二級安全評價指標(biāo)為消防車輛配置情況和現(xiàn)場消防裝備配置情況;交通管制情況的二級安全評價指標(biāo)為自動警告控制情況和人工封路交通管制情況。

針對每個二級安全評價指標(biāo),進(jìn)一步設(shè)置觀測變量。前期通過詳細(xì)走訪調(diào)研及專家座談,已確保所制定的觀測變量基本涵蓋了影響消防安全的全部關(guān)鍵信息。到達(dá)救援現(xiàn)場時間的觀測變量為始發(fā)地離現(xiàn)場距離、行駛速度;消防待命狀況的觀測變量為消防人員穿戴裝備時間、消防物資設(shè)備準(zhǔn)備時間、消防車使用狀態(tài);火災(zāi)感應(yīng)報警及時性的觀測變量為視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)、電話報警系統(tǒng)、自動火警觸發(fā)系統(tǒng);專職消防人員力量的觀測變量為消防人員數(shù)量、消防人員穿戴完備性;輔助消防人員力量的觀測變量為值守人員或巡檢人員數(shù)量、距現(xiàn)場距離;消防車輛配置情況的觀測變量為消防車可出勤數(shù)量、消防摩托可出勤數(shù)量、消防車攜帶消防設(shè)備情況;現(xiàn)場消防裝備配置情況的觀測變量為消防微站配置情況、現(xiàn)場消防栓及滅火器運行狀況;電子警告情況的觀測變量為警示牌、信號燈控制、廣播喊話控制;人工封路交通管制的觀測變量為在洞口設(shè)置路障、警示牌等。

前期已經(jīng)走訪調(diào)研了云南省的曲靖、昭通、昆東、大理、麗江等5個管理處。采用問卷調(diào)查法,由云南省管理處、管理分處、隧道管理站人員判斷各指標(biāo)之間的相互影響程度并予以權(quán)重賦值,然后再對各隧道管理站人員的權(quán)重賦值結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計處理與歸一化處理。在權(quán)重賦值時,遵循以下基本原則: 同一安全評價指標(biāo)下的各級權(quán)重之和為1;權(quán)重取值為0～1;對安全評價指標(biāo)占有較大影響地位的權(quán)重值較大。多層次分析結(jié)構(gòu)圖如圖 2所示。

圖2 多層次分析結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Multilevel analysis structure

2.3 各觀測變量的概率統(tǒng)計特征

各觀測變量的概率統(tǒng)計特征與實際工程項目有關(guān)。烏東德至祿勸高速公路項目位于云南省中北部,是云南省縣域高速公路“互聯(lián)互通”工程實施方案中的70個地方高速公路項目之一。全長約50 km,共設(shè)置16座隧道,3座隧道管理站,分別為金坪子隧道管理站、普福隧道管理站、大牛棚山隧道管理站。根據(jù)最新設(shè)計方案,保留普福隧道管理站,其余2個隧道管理站降級為綜合站。另設(shè)變電微站和消防微站,放在每個隧道洞口位置。各觀測變量發(fā)生的可能性具有隨機(jī)性,因此采用概率統(tǒng)計學(xué)方法來考察各觀測變量的概率統(tǒng)計特性。關(guān)于概率分布函數(shù)的確定,具體是前期通過走訪調(diào)研了云南省的多個管理處,采用問卷調(diào)查法由隧道管理站人員對各觀測變量進(jìn)行賦值,然后再對各隧道管理站人員的觀測變量賦值結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計擬合,利用最小二乘法確定最優(yōu)概率分布函數(shù)。

以視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)Z6為例,進(jìn)一步說明概率密度函數(shù)的確定過程。在傳統(tǒng)體系中,視頻監(jiān)控報警系統(tǒng)被放置在隧道管理站內(nèi);在新體系中,監(jiān)控職能與管理分處中的監(jiān)控分中心合并。通過走訪云南省的多個管理處,向60余名隧道管理站人員詳細(xì)介紹了新舊體系情況,采用問卷調(diào)查法讓隧道管理站人員對新舊體系中的視頻監(jiān)控報警時間進(jìn)行賦值,然后采用統(tǒng)計學(xué)方法建立新舊體系的概率密度柱狀圖,進(jìn)一步利用正態(tài)分布函數(shù)擬合新舊體系的概率密度柱狀圖,結(jié)果如圖3所示。可以看出,正態(tài)分布曲線與概率密度柱狀圖的吻合效果較好,利用最小二乘法計算得到舊體系的概率密度函數(shù)為N(7,2),新體系的概率密度函數(shù)為N(3,0.5)。

(a) 舊體系

(b) 新體系圖3 新舊體系的概率密度柱狀圖及擬合函數(shù)Fig. 3 Probability density histogram and fitting function of novel and traditional systems

為了對比新體系與傳統(tǒng)體系的安全評價效果,給出新體系與傳統(tǒng)體系各觀測變量的概率統(tǒng)計特性,如表3所示?？梢钥闯?新型高速公路隧道管理體系通過組織架構(gòu)整體優(yōu)化布局、準(zhǔn)無人值守設(shè)計、消防微站和變電微站部署等多種方式相結(jié)合,更有利于消防安全。

表3 各觀測變量的概率統(tǒng)計特征Table 3 Probability and statistical characteristics of each observed variable

表3(續(xù))Continued Table 3

2.4 蒙特卡洛抽樣算法

由于各觀測變量取值具有一定概率性,因此采用蒙特卡洛抽樣算法獲取各種可能的觀測變量值,然后對各觀測變量值按照多層次分析結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行工況組合,最終計算通過安全驗算的工況數(shù)量。

首先在(0,1)區(qū)間內(nèi)隨機(jī)抽樣得到K個抽樣值R,然后利用式(1)計算每個R值對應(yīng)的觀測變量值Zs[17]。

R=G(Zs)。

(1)

式中:Zs為觀測變量的隨機(jī)模擬值;G(Zs)為Zs的累加概率函數(shù)。但Zs隱藏在G(Zs)中不能直接由式(1)求出,考慮到G(Zs)是單調(diào)遞增函數(shù),因此利用牛頓迭代法確定Zs值。

(2)

利用蒙特卡羅抽樣算法,對20個觀測變量進(jìn)行重復(fù)抽樣N次,則多層次結(jié)構(gòu)圖存在N種可能性。將每種可能的觀測變量特征值對應(yīng)到多層次結(jié)構(gòu)圖中,則得到N種可能性結(jié)果的消防安全性能等級,具體計算如式(3)—(7)所示。

zA_x1=(zK1×0.5+zK2×0.5)×0.7+(zK3×0.4+zK4×0.3+zK5×0.3)×0.1+(zK6×0.2+zK7×0.3+zK8×0.5)×0.2;

(3)

zA_x2=(zK9×0.7+zK10×0.3)×0.8+(zK11×0.5+zK12×0.5)×0.2;

(4)

zA_x3=(zK13×0.4+zK14×0.4+zK15×0.2)×0.65+(zK16×0.5+zK17×0.5)×0.35;

(5)

zA_x4=(zK18×0.5+zK19×0.5)×0.5+(zK20×1)×0.5;

(6)

zA=zA_x1×0.6+zA_x2×0.15+zA_x3×0.15+zA_x4×0.1。

(7)

式(3)—(7)中:zA為每種可能性結(jié)果的消防安全性能等級;zA_x1為消防救援及時性X1的安全評價分量;zA_x2為消防救援力量X2的安全評價分量;zA_x3為消防救援及時性X3的安全評價分量;zA_x4為消防救援力量X4的安全評價分量。

3 消防安全評價結(jié)果

利用基于蒙特卡洛多層次抽樣算法的新型體系消防安全評價方法,對烏東德至祿勸高速公路項目的新型隧道管理體系進(jìn)行安全評價,并與傳統(tǒng)體系進(jìn)行對比。利用蒙特卡羅抽樣算法,對20個觀測變量進(jìn)行重復(fù)抽樣10 000次。新體系10 000種可能性的消防安全性能等級如圖 4所示。經(jīng)統(tǒng)計,落在區(qū)間(0.75, 0.90]的計算結(jié)果個數(shù)是1 550個,落在區(qū)間(0.90,1.00]的計算結(jié)果個數(shù)是8 450個,落在其余區(qū)間的計算結(jié)果個數(shù)為0,所以消防安全性能等級總體評價結(jié)果趨向于卓越級。傳統(tǒng)方案10 000種可能性的消防安全性能等級如圖 5所示。經(jīng)統(tǒng)計,落在區(qū)間(0.55, 0.75]的計算結(jié)果個數(shù)是2 026個,落在區(qū)間(0.75, 0.90]的計算結(jié)果個數(shù)是7 881個,落在區(qū)間(0.90,1.00]的計算結(jié)果個數(shù)是93個,落在其余區(qū)間的計算結(jié)果個數(shù)為0,所以傳統(tǒng)方案消防安全性能等級總體評價結(jié)果趨向于良好級。從分布數(shù)量來看,新體系的消防安全性能等級要優(yōu)于傳統(tǒng)方案的消防安全性能等級,可見新型高速公路隧道管理體系具有更大優(yōu)勢。

圖4 新體系10 000種可能性的消防安全性能等級Fig. 4 10 000 possible fire safety performance levels for novel system

圖5 傳統(tǒng)體系10 000種可能性的消防安全性能等級Fig. 5 10 000 possible fire safety performance levels for traditional system

4 結(jié)論與討論

1)提出基于職能遷出的新型高速公路隧道管理體系。通過將隧道管理站的“應(yīng)急消防”職能和“巡檢養(yǎng)護(hù)”職能遷出放入現(xiàn)場小型輕量化綜合站,監(jiān)控等其余職能仍保留在隧道管理站內(nèi)并與管理分處中的監(jiān)控分中心合并,建立5級管理體系,分別為運管部(1級)、管理處(2級)、管理分處(3級)、綜合站(4級)、變電微站和消防微站(5級)。新型體系中的隧道管理站不再受日常巡檢時間和應(yīng)急消防救援時間限制,極大提高了隧道管理站的選址范圍。

2)提出基于蒙特卡洛多層次抽樣算法的新型體系消防安全評價方法。制定了消防安全評價的5個成熟度等級,繪制了消防安全評價的多層次結(jié)構(gòu)分析圖,在結(jié)構(gòu)分析圖中制定了4個一級安全評價指標(biāo),9個二級安全評價指標(biāo),20個觀測變量,給出了結(jié)構(gòu)層次分析圖中各個指標(biāo)和觀測變量之間的影響權(quán)重,分析了20個觀測變量的概率統(tǒng)計特征及其蒙特卡洛抽樣算法。

3)利用蒙特卡洛多層次抽樣算法對新管理體系的消防安全進(jìn)行評價,結(jié)果表明: 新型高速公路隧道管理體系的消防安全性能等級總體評價結(jié)果趨向于卓越級,傳統(tǒng)體系的消防安全性能等級總體評價結(jié)果趨向于良好級?？梢娦麦w系的消防安全性能等級要優(yōu)于傳統(tǒng)方案的消防安全性能等級,證明了新型高速公路隧道管理體系具有更明顯優(yōu)勢。

需要指出的是,文中的消防安全評價指標(biāo)及權(quán)重賦值僅適用于云南省地區(qū),后續(xù)工作中會進(jìn)一步調(diào)研統(tǒng)計全國地區(qū)的消防安全評價指標(biāo)及權(quán)重賦值,從而提高此消防安全評價方法的普適性及推廣價值。