CN116596346A - 一种高速公路隧道运营安全性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速公路隧道运营安全性评价方法，属于高速公路隧道安全性评价技术领域。该方法包括影响高速公路隧道运营安全因素提取；建立基于高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；构造各类影响高速公路隧道运营安全因素的判断矩阵；判断矩阵的一致性检验以及权重确定；利用模糊关系矩阵和权重来计算模糊评价集；计算高速公路隧道运营安全性评价得分，然后依据分值的高低判断高速公路隧道运营安全性。本发明可提高隧道运营安全性评价效率，从而有效指导、评估现有隧道运营安全现状，为隧道运营安全性评价提供理论基础，也为优化隧道运营策略调整做指导。

Description

一种高速公路隧道运营安全性评价方法

技术领域

本发明属于高速公路隧道安全性评价技术领域，具体涉及一种高速公路隧道运营安全性评价方法。

背景技术

目前，高速公路隧道运营安全性评价中，依靠分析影响隧道运营安全的风险致因，给出基于相关风险因子的评估方法，但由于国内将风险理论应用于高速公路运营安全风险管理的时间不长，尚未建立隧道运营安全评价体系，隧道运营安全风险辨识不够全面和系统，安全风险评估缺少定量评估方法和手段，安全风险防控措施缺乏有效性和针对性。因此，随着高速公路隧道建设的逐年增多，运营压力的不断增加，建立一套安全性评价体系越来越重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种高速公路隧道运营安全性评价方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高速公路隧道运营安全性评价方法，包括如下步骤：

步骤（1），影响高速公路隧道运营安全因素提取；

步骤（2），建立运营安全评价集；

步骤（3），建立基于高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；

步骤（4），构造各类影响高速公路隧道运营安全因素的判断矩阵；

步骤（5），判断矩阵的一致性检验以及权重确定；

步骤（6），利用模糊关系矩阵和权重来计算模糊评价集；

步骤（7），计算高速公路隧道运营安全性评价得分，然后依据分值的高低判断高速公路隧道运营安全性，得到安全等级，并依据安全等级对影响高速公路隧道运营安全因素进行调控。

进一步，优选的是，步骤（1）中，影响高速公路隧道运营安全因素有五类，分别为消防系统安全、应急系统安全、机电设备安全、巡检系统安全和养护系统安全；

消防系统安全类别中包括4个指标，分别为消防救援及时性、消防救援力量、消防装备配置和交通管制情况；

应急系统安全类别中包括4个指标，分别为应急距离、应急行驶速度、应急路况和报警反应时间；

机电设备安全类别中包括4个指标，分别为线路状况、环境因素、线路破坏和人工干预；

巡检系统安全类别中包括2个指标，分别为巡检现场车辆通行安全、巡检人员与设备安全；

养护系统安全类别中包括2个指标，分别为养护现场车辆通行安全、养护施工现场人员与设备安全。

进一步，优选的是，步骤（2）中，运营安全评价集为{很差，差，一般，好，很好}，对应评分值分别为0≤很差<20、20≤很差<40、40≤一般<60、60≤好<80、80≤很好≤100分。

进一步，优选的是，步骤（3）中的具体方法为：经过若干专家的评判构成评分表，利用运营安全评价集对应的评分值，采用三角形隶属函数，构建模糊关系矩阵。

进一步，优选的是，步骤（4）中，利用1-9标度法，构造各影响因素的判断矩阵。

进一步，优选的是，步骤（5）的具体方法为：对判断矩阵通过一致性检验公式进行一致性检验；当满足一致性检验后，根据判断矩阵求出其最大特征根对应的特征向量，将特征向量标准化，得到各指标的权重。

进一步，优选的是，步骤（6）的具体方法为：

Bi=Wi*Ri；

其中，i=1~5；Wi为第i类高速公路隧道运营安全因素权重向量；Ri为第i类高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；

Bi为二级评判矩阵的第一行第i列元素；模糊评价集为[B1 B2 B3 B4 B5]。

进一步，优选的是，步骤（7）的具体方法为：

计算权重向量与模糊评价集的乘积，得到综合评价向量；

将综合评价向量每列的值依次乘以对应的分值后求和，得出最终的运营安全性评价得分；权重向量中的第i个元素为第i类高速公路隧道运营安全因素权重；综合评价向量第一列到第五列对应的分值为评价集中的运营安全评价等级中第二、第三、第四和第五等级的左端点值以及第五等级的右端点值。

进一步，优选的是，步骤（7）中，若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[0，20），则安全等级为很差；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[20，40），则安全等级为差；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[40，60），则安全等级为一般；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[60，80），则安全等级为好；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[80，100]，则安全等级为很好。

进一步，优选的是，步骤（7）中，若安全等级为很好或好，则根据需求自行调控，无强制要求；

若安全等级为一般，则针对打分低的因素调控，至安全等级为很好或好；

若安全等级为差或很差，则针对打分低的因素调控，至安全等级为很好或好，或者对所有因素进行调控，至安全等级为很好或好。

本发明的评分表优选为百分制。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明从系统的角度，参照一般评价体系的建立原则，确定建立高速公路隧道运营安全评价体系的原则，通过对高速公路隧道运营安全系统特性及构成进行分析，建立高速公路隧道运营安全系统的评价指标体系，对评价指标作量化处理，并用层次分析法确定各项评价指标的权重，采用层次模糊综合评价法，建立高速公路隧道运营安全体系评价模型，对高速公路隧道运营安全性进行综合评价。

本发明可提高隧道运营安全性评价效率，从而有效指导、评估现有隧道运营安全现状，为隧道运营安全性评价提供理论基础，也能及时对相应的影响因素进行调控，为优化隧道运营策略调整做指导。

本发明应用层次分析法和模糊数学方法进行高速公路隧道运营管理安全评价，可以考虑各种影响因素，把定性分析和定量分析结合起来，比一般直接评比打分等方法更符合客观实际。

本发明评价结果可为相关部门对高速公路隧道的运营管理提供科学依据，及时处理运营管理中的存在的问题，提高管理水平。

附图说明

图1为三角隶属度函数；

图2为隧道运营安全性评价体系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

一种高速公路隧道运营安全性评价方法，包括如下步骤：

步骤（1），影响高速公路隧道运营安全因素提取；

步骤（2），建立运营安全评价集；

步骤（3），建立基于高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；

步骤（4），构造各类影响高速公路隧道运营安全因素的判断矩阵；

步骤（5），判断矩阵的一致性检验以及权重确定；

步骤（6），利用模糊关系矩阵和权重来计算模糊评价集；

步骤（7），计算高速公路隧道运营安全性评价得分，然后依据分值的高低判断高速公路隧道运营安全性，得到安全等级，并依据安全等级对影响高速公路隧道运营安全因素进行调控。

步骤（1）中，影响高速公路隧道运营安全因素有五类，分别为消防系统安全、应急系统安全、机电设备安全、巡检系统安全和养护系统安全；

消防系统安全类别中包括4个指标，分别为消防救援及时性、消防救援力量、消防装备配置和交通管制情况；

应急系统安全类别中包括4个指标，分别为应急距离、应急行驶速度、应急路况和报警反应时间；

机电设备安全类别中包括4个指标，分别为线路状况、环境因素、线路破坏和人工干预；

巡检系统安全类别中包括2个指标，分别为巡检现场车辆通行安全、巡检人员与设备安全；

养护系统安全类别中包括2个指标，分别为养护现场车辆通行安全、养护施工现场人员与设备安全。

步骤（2）中，运营安全评价集为{很差，差，一般，好，很好}，对应评分值分别为0≤很差<20、20≤很差<40、40≤一般<60、60≤好<80、80≤很好≤100分。

步骤（3）中的具体方法为：经过若干专家的评判构成评分表，利用运营安全评价集对应的评分值，采用三角形隶属函数，构建模糊关系矩阵。

步骤（4）中，利用1-9标度法，构造各影响因素的判断矩阵。

步骤（5）的具体方法为：对判断矩阵通过一致性检验公式进行一致性检验；当满足一致性检验后，根据判断矩阵求出其最大特征根对应的特征向量，将特征向量标准化，得到各指标的权重。

步骤（6）的具体方法为：

Bi=Wi*Ri；

其中，i=1~5；Wi为第i类高速公路隧道运营安全因素权重向量；Ri为第i类高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；

Bi为二级评判矩阵的第一行第i列元素；模糊评价集为[B1 B2 B3 B4 B5]。

步骤（7）的具体方法为：

计算权重向量与模糊评价集的乘积，得到综合评价向量；

将综合评价向量每列的值依次乘以对应的分值后求和，得出最终的运营安全性评价得分；权重向量中的第i个元素为第i类高速公路隧道运营安全因素权重；综合评价向量第一列到第五列对应的分值为评价集中的运营安全评价等级中第二、第三、第四和第五等级的左端点值以及第五等级的右端点值（即依次为20、40、60、80、100）。

步骤（7）中，若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[0，20），则安全等级为很差；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[20，40），则安全等级为差；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[40，60），则安全等级为一般；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[60，80），则安全等级为好；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[80，100]，则安全等级为很好。

步骤（7）中，若安全等级为很好或好，则根据需求自行调控，无强制要求；

若安全等级为一般，应针对打分较低的因素进行运营安全性增强，具体为：针对打分低的因素调控，至安全等级为很好或好；

若安全等级为差或很差，应针对打分较低的因素进行运营安全性增强或重新架构，具体为：针对打分低的因素调控，至安全等级为很好或好，或者对所有因素进行调控，至安全等级为很好或好。

应用实例

采用本发明方法对大永高速公路的高速公路隧道运营安全性进行评价，具体如下：

1、建立因素集

所谓因素集，就是指由所选取的评价指标影响评价对象构成的集合。通过调研分析，高速公路隧道运营安全评价因素集为：

第一层：高速公路隧道运营安全={消防系统安全；应急系统安全；机电设备安全；巡检系统安全；养护系统安全}。

第二层：

消防系统安全={消防救援及时性；消防救援力量；消防装备配置；交通管制情况}。

应急系统安全={应急距离；应急行驶速度；应急路况；报警反应时间}。

机电设备安全={线路状况；环境因素；线路破坏；人工干预}。

巡检系统安全={巡检现场车辆通行安全；巡检人员与设备安全}。

养护系统安全={养护现场车辆通行安全；养护施工现场人员与设备安全}。

2、建立评价集

在层次模糊综合评价中，将由对评判对象可能做出的评判结果所组成的集合称为评价集。在实证分析中，将运营安全评价等级取为5个，即{很差，差，一般，好，很好}，对应评分值分别为0≤很差<20、20≤很差<40、40≤一般<60、60≤好<80、80≤很好≤100分。

3、建立模糊关系矩阵

首先，参考高速公路的管理人员、工作人员和相关专家的建议，根据实际调研所获得的数据，对高速公路隧道运营安全评价系统中各指标的状况进行评分。评分是根据专家经验进行评分的（评分为百分制），对应的是大永高速公路（丽江段，大理至永胜）。运营安全体系各评价指标值如下表。

表1 消防系统安全性能

；

表2 应急系统安全性能

；

表3 机电设备安全性能

；

表4 巡检系统安全性能

；

表5 养护系统安全性能

；

其次，要建立模糊关系矩阵。本发明采用三角形隶属函数，各指标的隶属度，构成模糊关系矩阵，即一级评判矩阵R1~R5。

一级评判矩阵计算示例如下：首先，模糊关系矩阵的五列分别对应评价集的很差、差、一般、好、很好（且与三角隶属度函数的分割一一对应），每行对应打分表中的每项的值；一级评判矩阵R1~R5分别与表1~表5相对应。例如一级评判矩阵R1有四行，每行对应表1中的1个指标，第一行对应消防救援及时性，第二行对应消防救援力量，以此类推。根据表1，消防救援及时性的分值为72分，落到三角隶属度函数图上72的位置，72位置的竖线与图中两条线（一般到80、60到好这两条线）的交点位置的纵坐标值（0.40和0.60）为矩阵元素相应的分值（即第一行代表一般元素的分值是0.40，代表好这个元素的分值是0.60）；其它同理。

；

4、确定指标权重

通过工程经验、工程师进行调查，基于层次分析法与随机一致性检验方法，对体系中的指标重要程度进行两两对比计算。

1977年，美国运筹学家、匹兹堡大学教授T. L. Saaty提出层次分析法（theanalytic hierarchy process，简称AHP），其本质为一种决策思维方式。层次分析法将定性分析与定量分析结合，根据问题性质及总目标，把复杂问题分解为各个组成因素，并按照因素之间的相互关联、影响关系及隶属关系将因素集按不同层次聚焦组合，形成一个多层次的分析模型。通过两两比较方式确定层次中不同因素的相对重要性，最后，通过综合判断所有因素重要性的顺序。

利用层次分析法，首先建立消防业务梯阶层次结构，确定消防业务层次结构后，各层次不同元素间的隶属关系即被确定。根据元素（构件）在每层内的位置，进而建立各层的判断矩阵。层次分析法基本思想，是将若干因素对同一目标的影响，归结不同因素在目标中所占的比重。通过调研分析，确定影响消防的四个主要影响因素：Z=(Z1，Z2，Z3，Z4)，其中Z1为消防救援及时性，Z2为消防救援力量，Z3为消防装备配置，Z4为交通管制情况，S为消防业务这一事件。比较4个因素对目标S的影响，确定各因素在S中所占比重。两两比较4个因素，用Cij表示Zi与Zj对S的影响之比，形成判断矩阵。研究表明9个数字足以表述同时比较某种属性差异的区别，层次分析法通常用采用Satty教授提出的9级分制描述两因素的权重比值。

表6 判断矩阵9级分制

；

注：Cij={2，4，6，8，1/2，1/4，1/6，1/8}表示重要性等级介于Cij={1，3，5，7，9，1/3，1/5，1/7，1/9}之间。

根据判断矩阵9级分制表对所有因素两两比较，可得到该层因素判断矩阵，该矩阵元素具有以下性质：（a）Cij>0；（b）Cij=1/Cji；（c）Cii=1。根据判断矩阵特性，利用最大特征根法可得到因素权向量T与最大特征根/>，具体步骤如下。Z1因素比Z2因素稍重要，Z1因素比Z3因素稍重要，Z1因素比Z4因素明显重要；Z2因素比Z1因素稍不重要，Z2因素比Z3因素同等要，Z2因素比Z4因素明显重要；Z3因素比Z1因素明显不重要，Z3因素比Z2因素同等重要，Z3因素比Z4因素明显重要；Z4因素比Z1因素明显不重要，Z4因素比Z2因素明显不重要，Z4因素比Z3因素明显不重要。

；

（1）计算判断矩阵C每行元素乘积，记为L _i ，i为行号，j为列号。

；

（2）计算每行元素乘积L _i 的4次方根；

；

（3）对归一化处理；

；

（4）由下式获取判断矩阵C的最大特征根；

；

（5）最大特征根一致性检验：“一致性指标CI”（consistency index）通过下式计算：

；

其中，判断矩阵最大特征根已由第（4）步计算获得，n为判断矩阵阶数。该指标是衡量不一致程度的数量标准。判断矩阵“随机一致性指标RI”（random index）由表7查询获取。当n大于9时，则随机构造正反矩阵/>，其中/>从1,2…，9,1/2，1/3，…1/9中随机抽取，由此方法确定的正反矩阵不一致特性最明显，计算500次上述随机构造的判断矩阵，获取其最大特征值平均值/>，则/>。

最后计算“随机一致性比率CR”（consistency ratio）：CR=CI/RI=0.051/0.90=0.057<0.1。最终进行随机一致性验证，一般而言，CR值越小表明判断矩阵越好。当随机一致性比率CR小于0.1时，判断矩阵一致性较好，满足评估要求。反之，则重新比较各因素获取新的判断矩阵，重复以上步骤，直至判断矩阵一致性满足要求为止。

表 7 随机一致性指标RI查询表

；

最终根据判断矩阵计算最大特征根，获取对应特征向量，将特征向量标准化即得层次分析的权重向量。根据权重向量，可求出每层构件在该层中的权重以及某一层在结构体系中的权重，进一步得到该层所有元素条件概率表。经计算、归一化后Z1，Z2，Z3，Z4的权重向量W1=[0.5018，0.2201，0.2201，0.0579]，得到消防业务各指标权重如表8所示。

表 8 消防业务下各指标相对权重分配

；

同理，依据上述方法及计算公式，分别计算出运营安全性评价、应急业务、机电业务、巡检业务、养护业务下各指标相对权重分配结果如下表9、10、11、12、13所示：

表 9 运营安全性评价下各指标相对权重分配

；

表 10 应急业务安全下各指标相对权重分配

；

表 11 机电业务安全下各指标相对权重分配

；

表 12 巡检业务安全下各指标相对权重分配

；

表13养护业务安全下各指标相对权重分配

；

5、结果计算

对每一个论证指标进行单因素计算，计算公式：Bi=Wi*Ri；i=1~5；

即利用一级论证模型进行计算，得单因素计算结果如下：

消防系统安全计算结果：B1=(0 0 0.4429 0.5427 0.0145)

应急系统安全计算结果：B2=(0 0 0.2016 0.7984 0)

机电设备安全计算结果：B3=(0 0 0.2129 0.7871 0)

巡检系统安全计算结果：B4=(0 0 0.4300 0.5700 0)

养护系统安全计算结果：B5=(0 0 0.5000 0.5000 0)

由单指标评价结果得出二级评判矩阵（即模糊评价集）为[B1 B2 B3 B4 B5]，并计算得出综合评价向量B=W*[B1 B2 B3 B4 B5]=(0 0 0.3583 0.6344 0.0073)；其中，W为（0.5036 0.1439 0.2233 0.0837 0.0455）。

最后计算出高速公路隧道运营安全性评价得分为：20*B(1,1)+40* B(1,2)+60* B(1,3)+80* B(1,4)+100* B(1,5)=72.9796。

其中，B(1,1)为综合评价向量B中的第一行第一列的元素值，B(1,2) 综合评价向量B中的第一行第二列的元素值，以此类推。综合得分计算时，用评价集中的评分值（20 4060 80 100）乘以综合评价向量B，得出综合得分。

通过综合得分分值的高低来判断该条公路隧道运营情况的好坏。如果评价分值较低的话，应针对专家打分分值较低的部分进行补强，或综合考虑补强的部分。

本发明应用层次分析法和模糊数学方法进行高速公路隧道运营管理安全评价，可以考虑各种影响因素，把定性分析和定量分析结合起来，比一般直接评比打分等方法更符合客观实际。

本发明评价结果可为相关部门对高速公路隧道的运营管理提供科学依据，及时处理运营管理中的存在的问题，提高管理水平。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1），影响高速公路隧道运营安全因素提取；

步骤（2），建立运营安全评价集；

步骤（3），建立基于高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；

步骤（4），构造各类影响高速公路隧道运营安全因素的判断矩阵；

步骤（5），判断矩阵的一致性检验以及权重确定；

步骤（6），利用模糊关系矩阵和权重来计算模糊评价集；

步骤（7），计算高速公路隧道运营安全性评价得分，然后依据分值的高低判断高速公路隧道运营安全性，得到安全等级，并依据安全等级对影响高速公路隧道运营安全因素进行调控；

步骤（1）中，影响高速公路隧道运营安全因素有五类，分别为消防系统安全、应急系统安全、机电设备安全、巡检系统安全和养护系统安全；

消防系统安全类别中包括4个指标，分别为消防救援及时性、消防救援力量、消防装备配置和交通管制情况；

应急系统安全类别中包括4个指标，分别为应急距离、应急行驶速度、应急路况和报警反应时间；

机电设备安全类别中包括4个指标，分别为线路状况、环境因素、线路破坏和人工干预；

巡检系统安全类别中包括2个指标，分别为巡检现场车辆通行安全、巡检人员与设备安全；

养护系统安全类别中包括2个指标，分别为养护现场车辆通行安全、养护施工现场人员与设备安全；

步骤（7）的具体方法为：

计算权重向量与模糊评价集的乘积，得到综合评价向量；

将综合评价向量每列的值依次乘以对应的分值后求和，得出最终的运营安全性评价得分；权重向量中的第i个元素为第i类高速公路隧道运营安全因素权重；综合评价向量第一列到第五列对应的分值为评价集中的运营安全评价等级中第二、第三、第四和第五等级的左端点值以及第五等级的右端点值；

步骤（7）中，若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[0，20），则安全等级为很差；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[20，40），则安全等级为差；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[40，60），则安全等级为一般；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[60，80），则安全等级为好；

若高速公路隧道运营安全性评价得分M在[80，100]，则安全等级为很好。

2.根据权利要求1所述的高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于：步骤（2）中，运营安全评价集为{很差，差，一般，好，很好}，对应评分值分别为0≤很差<20、20≤差<40、40≤一般<60、60≤好<80、80≤很好≤100分。

3.根据权利要求1所述的高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于：步骤（3）中的具体方法为：经过若干专家的评判构成评分表，利用运营安全评价集对应的评分值，采用三角形隶属函数，构建模糊关系矩阵。

4.根据权利要求1所述的高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于：步骤（4）中，利用1-9标度法，构造各影响因素的判断矩阵。

5.根据权利要求1所述的高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于：步骤（5）的具体方法为：对判断矩阵通过一致性检验公式进行一致性检验；当满足一致性检验后，根据判断矩阵求出其最大特征根对应的特征向量，将特征向量标准化，得到各指标的权重。

6.根据权利要求1所述的高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于：步骤（6）的具体方法为：

Bi=Wi*Ri；

其中，i=1~5；Wi为第i类高速公路隧道运营安全因素权重向量；Ri为第i类高速公路隧道运营安全因素的模糊关系矩阵；

Bi为二级评判矩阵的第一行第i列元素；模糊评价集为[B1 B2 B3 B4 B5]。

7.根据权利要求9所述的高速公路隧道运营安全性评价方法，其特征在于：步骤（7）中，若安全等级为很好或好，则根据需求自行调控，无强制要求；

若安全等级为一般，则针对打分低的因素调控，至安全等级为很好或好；

若安全等级为差或很差，则针对打分低的因素调控，至安全等级为很好或好，或者对所有因素进行调控，至安全等级为很好或好。