摘 要：本文研究了基于系統(tǒng)理論事故模型與過程分析（System-Theoretic Accident Modeling and Process，STAMP）的高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)安全評估方法。通過STAMP模型，系統(tǒng)地識別了隧道機(jī)電系統(tǒng)中人、技術(shù)、組織及環(huán)境間的交互關(guān)系和潛在失效模式，構(gòu)建了安全評估框架。通過引入STAMP模型，本文希望能夠?yàn)楦咚俟匪淼罊C(jī)電系統(tǒng)的安全評估提供一種新的思路和方法，進(jìn)一步提高評估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：高速公路；機(jī)電系統(tǒng)；STAMP

中圖分類號：U 458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展和人民生活水平日益提高，高速公路建設(shè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，隧道作為高速公路網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成部分，其建設(shè)數(shù)量和里程不斷增加，對高速公路的整體通行能力和安全性起到了至關(guān)重要的作用[1]。然而，高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，使其安全管理成為了一個(gè)亟需解決的重要問題。機(jī)電系統(tǒng)作為隧道運(yùn)營的核心支撐，包括監(jiān)控、通風(fēng)、照明、供配電及火災(zāi)報(bào)警等多個(gè)子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到隧道的安全通行和應(yīng)急處置能力[2]。然而，由于隧道環(huán)境的特殊性，例如空間狹小、光線不足、車輛行駛速度快等，機(jī)電系統(tǒng)容易受到各種因素的干擾和影響，從而導(dǎo)致故障頻發(fā)，甚至引發(fā)嚴(yán)重的交通事故[3]。

因此，對高速公路隧道機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)、全面的安全評估顯得尤為重要。安全評估不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的潛在隱患和薄弱環(huán)節(jié)，還能為后續(xù)的維護(hù)和管理提供有力的數(shù)據(jù)支持，從而確保機(jī)電系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，提高隧道的安全通行能力。

STAMP模型作為一種先進(jìn)的系統(tǒng)安全分析方法[4]，強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，分析系統(tǒng)各組成部分之間的交互關(guān)系和失效模式，從而識別潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)[5]。通過引入STAMP模型，本文希望能夠?yàn)楦咚俟匪淼罊C(jī)電系統(tǒng)的安全評估提供一種新的思路和方法，進(jìn)一步提高評估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1 研究方法及框架

本文在傳統(tǒng)隧道機(jī)電系統(tǒng)可靠性估算方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深化，通過引入STAMP方法，旨在實(shí)現(xiàn)與既有評估方式的相互融合和補(bǔ)充，從而構(gòu)建了一個(gè)更綜合、更先進(jìn)的評估框架，研究框架如圖1所示[6]。

1.1 可靠性估算方法

隧道中的機(jī)電設(shè)備種類繁雜，因此需要對其各個(gè)分項(xiàng)進(jìn)行可靠性分析，即設(shè)備的成新率、完好率和穩(wěn)定率，再整合為整體的可靠性得分。K為系統(tǒng)整體可靠性的最大似然估計(jì)，在后續(xù)推導(dǎo)過程中用p代替，分項(xiàng)工程的可靠性值介于0～100，數(shù)值越大代表可靠性越高，見表1。每個(gè)組成單位的可靠性評估結(jié)果是互不相關(guān)的，是離散型的分布，可能存在0～100的不同結(jié)果。該分項(xiàng)工程母體X的可靠性計(jì)算如公式（1）所示。

一個(gè)樣本出現(xiàn)的概率如公式（2）所示。

式中：X為整體；xi～xn為各分項(xiàng)；n為分項(xiàng)中的樣本容量。

應(yīng)用最大似然估計(jì)法的思想，選擇使此概率達(dá)到最大的p值作為設(shè)備的可靠性，如公式（3）、公式（4）所示。

令公式（5）存在。

解得公式（6）、公式（7）。

1.2 STAMP分析

基于STAMP的道路隧道機(jī)電設(shè)備的安全評估方法遵循基于STAMP的分析的典型步驟。STAMP的分析流程如下。

1.2.1 定義系統(tǒng)邊界與損失

首先，明確隧道機(jī)電系統(tǒng)的邊界范圍，這包括但不限于隧道內(nèi)的照明系統(tǒng)（例如LED燈帶、應(yīng)急照明）、通風(fēng)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)、風(fēng)道）、消防系統(tǒng)（自動(dòng)噴水滅火、煙霧探測器）、監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV、環(huán)境監(jiān)測傳感器）、供電系統(tǒng)（高壓電纜、配電柜、UPS）等關(guān)鍵子系統(tǒng)。同時(shí)，明確界定需要防范的損失類型，從直接的經(jīng)濟(jì)損失（例如設(shè)備損壞、維修成本）到間接的社會(huì)影響（例如交通中斷、公眾恐慌）乃至環(huán)境損害（例如水質(zhì)污染、土壤侵蝕），確保安全評估的全面覆蓋。

1.2.2 構(gòu)建控制結(jié)構(gòu)

通過繪制詳盡的分層控制結(jié)構(gòu)圖，評估團(tuán)隊(duì)能夠直觀展示隧道機(jī)電系統(tǒng)從頂層管理決策到底層設(shè)備執(zhí)行之間的多層次、多回路控制關(guān)系?？刂平Y(jié)構(gòu)圖的構(gòu)建有助于深入理解系統(tǒng)各組成部分間的相互依賴與影響，為后續(xù)的安全隱患排查與風(fēng)險(xiǎn)評估奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2.3 分析控制行為

深入分析隧道機(jī)電系統(tǒng)中的控制行為，特別是那些可能引發(fā)事故的不安全控制行為。這包括但不限于控制信號的傳輸延遲、控制邏輯的誤判、設(shè)備間的協(xié)同失效等。通過模擬不同工況下的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合歷史事故案例分析，識別潛在的失效模式與風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為后續(xù)的原因追溯提供線索。

1.2.4 確定異?？刂菩袨榈脑?/p>

針對識別出的不安全控制行為，進(jìn)一步分析其原因。這要求綜合考慮技術(shù)因素（例如設(shè)備老化、設(shè)計(jì)缺陷）、環(huán)境因素（例如極端天氣、地質(zhì)變化）、人為因素（例如操作失誤、培訓(xùn)不足）以及管理因素（例如制度不健全、監(jiān)督缺失）等多方面原因。通過構(gòu)建因果鏈和故障樹分析，明確各因素之間的相互作用與影響路徑，為制定有效的改進(jìn)措施提供依據(jù)。

1.2.5 提出改進(jìn)措施

基于上述分析結(jié)果，評估團(tuán)隊(duì)需要提出一系列具有針對性和可操作性的改進(jìn)措施。這些措施應(yīng)涵蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化（例如采用冗余設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)可靠性）、設(shè)備升級換代（例如引入智能化監(jiān)控設(shè)備提高預(yù)警能力）、操作規(guī)程完善（例如制定詳細(xì)的應(yīng)急操作手冊）、人員培訓(xùn)加強(qiáng)（例如定期舉行安全教育與實(shí)操演練）等多個(gè)方面。同時(shí)，還需要考慮建立長效的監(jiān)測與評估機(jī)制，確保改進(jìn)措施的有效實(shí)施與持續(xù)改進(jìn)，不斷提高隧道機(jī)電系統(tǒng)的整體安全性能與運(yùn)維管理水平。

1.3 數(shù)據(jù)介紹

本文中的隧道主要特點(diǎn)見表2。本隧道采用縱向通風(fēng)系統(tǒng)。在這種類型的通風(fēng)中，氣流將污染物/煙霧與通過1組安裝在天花板上的噴氣風(fēng)扇提供的進(jìn)入的新鮮空氣一起移動(dòng)，如圖2所示[7]。該隧道為雙向車道，長1954m，每個(gè)方向有2個(gè)車道；每500m設(shè)置1個(gè)緊急出口，正常情況下通風(fēng)為100m3/s，緊急情況下為210m3/s。

2 案例研究結(jié)果

2.1 設(shè)備可靠性評價(jià)權(quán)值

成新率反映設(shè)備的新舊程度，通常與設(shè)備的購置時(shí)間、使用年限、技術(shù)狀況等因素有關(guān)，一般來說，成新率的權(quán)重為20%～40%，這一范圍旨在平衡設(shè)備新舊程度對整體評估結(jié)果的影響，既不過分強(qiáng)調(diào)新設(shè)備的優(yōu)勢，也不忽視舊設(shè)備在特定條件下的使用價(jià)值。完好率是指完好的生產(chǎn)設(shè)備在全部生產(chǎn)設(shè)備中的比重，是反映設(shè)備技術(shù)狀況指標(biāo)，完好率的權(quán)重為40%～60%，以凸顯其在評估設(shè)備技術(shù)狀況中的核心地位。穩(wěn)定率可以理解為設(shè)備在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)，即設(shè)備能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的概率，其權(quán)重為30%～40%，以體現(xiàn)其在確保生產(chǎn)穩(wěn)定性和減少故障停機(jī)時(shí)間方面的價(jià)值。本文中三者的權(quán)重分別取20%、50%和30%。

隧道中主要的機(jī)電設(shè)備是保障隧道正常運(yùn)營和行車安全的重要設(shè)施。將該隧道的機(jī)電設(shè)備分為5個(gè)方面：照明設(shè)備、通風(fēng)與排煙系統(tǒng)、消防報(bào)警及滅火系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)和供配電設(shè)施。照明設(shè)備的權(quán)重為0.15，為隧道內(nèi)部提供充足的照明，保障了行車安全；通風(fēng)與排煙系統(tǒng)的權(quán)重為0.25，有效調(diào)控隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，預(yù)防煙霧積聚；消防報(bào)警及滅火系統(tǒng)的權(quán)重為0.25，構(gòu)成了隧道安全的第一道防線，能夠迅速響應(yīng)并控制火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；監(jiān)控系統(tǒng)的權(quán)重為0.15，實(shí)現(xiàn)了對隧道內(nèi)環(huán)境的全面監(jiān)控，為應(yīng)急決策提供實(shí)時(shí)信息；而供配電設(shè)施的權(quán)重為0.2，作為所有系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，確保了電力的持續(xù)供應(yīng)與分配。表3詳細(xì)列出了這些系統(tǒng)的作用及其對應(yīng)的權(quán)重，為隧道的綜合評估與管理提供了科學(xué)依據(jù)。

2.2 系統(tǒng)安全約束識別

在公路隧道領(lǐng)域，事故與人員損失和基礎(chǔ)設(shè)施損壞有關(guān)，主要包括隧道內(nèi)起火、隧道內(nèi)爆炸、隧道內(nèi)有毒氣體釋放、交通事故（例如車輛碰撞）及洪水。本文重點(diǎn)介紹了導(dǎo)致人員損傷或隧道損壞的隧道事故。導(dǎo)致上述危險(xiǎn)系統(tǒng)狀態(tài)與安全管理鏈中的主要過程有關(guān)，包括交通管理、事故控制、自救和緊急援助。交通管理不當(dāng)可能導(dǎo)致車輛擁堵、速度失控，從而增加事故風(fēng)險(xiǎn)；事故控制措施的缺失或執(zhí)行不力，則會(huì)讓初期的小規(guī)模事件迅速升級為災(zāi)難性后果；此外，自救知識普及不足、緊急援助體系的響應(yīng)遲緩也是制約事故后果控制效果的重要因素。危險(xiǎn)狀態(tài)和安全約束的轉(zhuǎn)換見表4。

2.3 確定安全控制結(jié)構(gòu)

安全控制結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)執(zhí)行上述的安全約束，并檢查控制措施不足的可能性。這種不足具體表現(xiàn)為3種情形。1）面對緊急情況或潛在風(fēng)險(xiǎn)，如果未能及時(shí)提供必要的控制操作，即控制執(zhí)行不充分，將直接影響事故的預(yù)防與應(yīng)對效果。2）如果控制器因設(shè)計(jì)缺陷、誤操作等原因發(fā)出不正確甚至可能加劇危險(xiǎn)的控制指令，將嚴(yán)重威脅隧道的安全運(yùn)營。3）控制操作的反饋機(jī)制如果存在延遲或不足，即在錯(cuò)誤的時(shí)間點(diǎn)提供控制操作或過早終止，同樣會(huì)削弱控制效果，增加事故風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 識別潛在控制缺陷

可以從3個(gè)方面進(jìn)行考慮，即安全約束不足，控制行為的執(zhí)行不足和反饋不足或丟失。具體來說可以識別的缺陷如下。1）控制輸入或外部信息錯(cuò)誤或缺失。2）監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和系統(tǒng)操作的控制算法不足（創(chuàng)建缺陷、錯(cuò)誤修改或適應(yīng)）。3）監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和隧道操作員的流程模型不一致或不完整、不充分或缺失反饋。4）執(zhí)行器運(yùn)行不足。

2.5 評估隧道機(jī)電系統(tǒng)的安全性

在進(jìn)行上述步驟后，就可以對隧道機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行整體的安全性評估，本文隧道機(jī)電設(shè)備的安全評估結(jié)果見表5。本隧道各機(jī)電設(shè)備均未達(dá)到完好狀態(tài)，均需要進(jìn)行不同程度的改造，其中照明設(shè)備已無法繼續(xù)滿足基本的照明需求，對行車安全構(gòu)成了直接威脅。因此，照明設(shè)備的換新必須立即著手進(jìn)行，以確保隧道內(nèi)光線充足，為駕駛者提供清晰的視野。供配電工程雖然目前尚能維持基本運(yùn)行，但為了保障隧道內(nèi)各系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，避免潛在的電力故障，需要開展供配電工程的專項(xiàng)改造，包括升級電力設(shè)施、優(yōu)化電力分配、提高供電可靠性等方面。消防報(bào)警及滅火系統(tǒng)、通風(fēng)與排煙系統(tǒng)作為隧道安全的重要保障，雖然目前仍能繼續(xù)使用，但其性能與效率已有所下降，存在一定的安全隱患，為了進(jìn)一步提高隧道的整體安全水平，對這些系統(tǒng)進(jìn)行專項(xiàng)改造同樣重要，改造工作將針對系統(tǒng)存在的具體問題，例如靈敏度下降、反應(yīng)速度變慢等，進(jìn)行有針對性的優(yōu)化與升級。

3 結(jié)語

本文首先分析隧道機(jī)電系統(tǒng)的組成和特性。其次，結(jié)合STAMP模型構(gòu)建安全評估框架，并通過案例分析和仿真驗(yàn)證驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。期望通過本文的研究，能夠?yàn)楦咚俟匪淼罊C(jī)電系統(tǒng)的安全管理提供有力的支持。

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