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高速公路隧道
运营风险模型与监测预警系统
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摘要
摘要：高速公路隧道运行安全对高速公路网运行效率的影响是重要的，因为隧道是网络的关键环节。在发生紧急情况时，例如交通事故，会给救援工作带来很大的困难，甚至会使隧道的交通瘫痪，甚至整个高速公路的交通也会瘫痪。为了保证隧道的安全运行，必须对隧道的运行进行监控，采取有效的措施来控制隧道的安全。本文重点介绍了高速公路隧道的运行风险建模和实时高速公路隧道运行控制的监测预警系统的开发。该研究包括对高速公路隧道运营、风险分析、风险建模和智能预警系统的开发和试点项目的研究。摘要调查了高速公路隧道工程30余例，收集了交通事故、行车速度、车辆加速、减速等运行情况的数据。然后对操作条件和风险进行了分析，然后开发了操作风险模型来解决问题。根据隧道运行的调查数据，确定了五类突发事件，并对事故对隧道运营风险和效率的影响进行了分类。紧急事件分别定义为交通事故、恶劣天气、超速、危险品运输和预定事件。这些事故的等级与隧道运营安全的影响程度有关。为实现有效的隧道交通管理，分别提出了各事件的综合交通控制措施，包括限速、安全行驶距离、封闭车道和交通指南。为实现实时控制和有效的隧道运营管理，开发了包括系统软件和相关设备在内的智能隧道监测预警系统，实现了信息采集、信息处理、传输、信息发布等功能。在中国湖南省的宝茂高速公路(G65)上，一项试点项目已被实施。
关键词：公路隧道；操作安全；交通管制；监测预警系统
一、概述
高速公路隧道可改善直线度指标，缩短距离，对高速公路网的运行安全起着重要的作用。由于隧道的特殊运行环境，在高速公路隧道中发生交通事故或其他突发事件时，很难进行救援和疏散，严重影响隧道及相关高速公路的运行安全与效率。中国在建设世界上工程复杂性高的隧道项目中一直处于领先地位。同时，高速公路隧道的运行安全问题也日益严重，近年来越来越受到人们的关注。例如，2008年8月13日上午，西汉高速公路关岭隧道发生追尾事故。当天下午两点钟，一辆卡车撞上前面的一辆车，发生了第二起事故。不久之后，由于路面湿滑，五辆汽车相撞。2014年3月1日，在山西省金溪高速公路上，一辆满载煤炭的卡车与油罐车相撞，引发火灾和爆炸，造成31人死亡，9人受伤。超速和路面湿滑是造成208起交通事故的主要原因，占总交通事故的53%。可以得出，有效的评价和智能监测预警措施是保证隧道运行安全的迫切需要。
在欧洲发生两起大型隧道火灾后，对操作风险的密切关注已经得到了回报。欧洲所有国家(2004年)必须按照《跨欧洲道路网络最低安全要求》(2004年4月29日)的《跨欧洲道路网络最低安全要求》(2004年4月29日/理事会指示2004/54/EC)对隧道进行风险评估。世界道路协会(2008)也提出了道路隧道的操作风险分析方法。胡子,A.N.(2005)表明欧洲隧道的安全问题,认为隧道的事故率是略低于路段,更危险的部分连接到隧道的隧道比中间部分和非火灾事故比火灾事故。日本还通过隧道设计、交通管制和隧道安全设施(2002年)防止事故或火灾，并减轻事故后果。Sun(2014)在山区高速公路上建立了复杂路段的安全预警系统。Zhao(2010)对高速公路隧道运营风险评估方法进行了相关的操作事故统计分析、风险验收标准和定量风险分析。Dai(2011)研究了隧道(群隧道)的驾驶行为特征，建立了隧道运营风险识别的方法。
目前，我国许多长隧道都建立了良好的监测设施和系统。但是，设施和系统功能还没有被充分利用，因此，根据隧道的天气条件和运行条件，仍然不可能提出有效的预警，隧道中存在很高的操作风险。为了解决这些问题，通过有效评价隧道运行风险，采取有效的交通控制措施，建立有效的监测预警系统，提高隧道运行安全水平是十分重要的。对几种高速公路隧道施工安全进行了调查，并对其运行风险、规避风险措施和交通安全管理进行了研究。建立了高速公路隧道的运行风险模型和监测预警系统，可作为隧道运行安全管理的工具。
二、高速公路隧道的运行情况调查
通过对山西、湖南、广东高速公路隧道交通事故、交通流及天气状况的调查，分析了道路交通事故和车辆运行特点。
2.1、交通事故
本研究选取了多条隧道作为研究对象，包括西安汉中、长寿万州、淮河-新黄、怀华-通道、北京珠海南高速公路韶关段的高速公路。通过对高速公路隧道交通安全状况的调查和隧道交通事故的统计调查结果，对事故的时空分布、事故类型、车辆类型等进行了统计分析。以下是几点结论:
（1）超长隧道交通事故时间分布统计分析表明，存在两个较高的事故时段，分别为05:00~09:00和17:00~20:00。这两个时期的交通事故占交通事故总数的40%。事故原因包括疲劳驾驶，这是交通事故的主要原因之一，在黎明和黄昏的隧道内昏暗的灯光和模糊的视野下能见度较低，卡车的平均速度比汽车的平均速度要低得多。
（2）为了方便我们统计工作在隧道交通事故空间分布,隧道被分成五个部分每个方式:1)过渡段隧道入口(100米的隧道入口),2)入口部分从入口隧道内(10米),3)在隧道中间部分,和4)退出部分从隧道的出口(100米),和5)过渡段隧道出口从出口外的隧道(100米)。统计数据显示，在入口附近的路段发生的事故比中间路段发生的事故多，这与入口附近过渡段的运行环境有关，其中“黑洞”和“白洞”影响了驾驶员。
（3）撞墙、刮伤事故频繁发生，占事故总数的50%。追尾事故比翻车和火灾事故多。
（4）隧道交通事故涉及的车辆多为箱体和汽车，前者占56.25%，后者占事故总数的42.18%。相比之下，隧道内发生的事故则涉及较少的公共汽车和货车。
2.2、车辆运行特征
隧道的运行速度主要是通过采用MC5600气动管式车辆分类系统的车辆运行特性研究，采用雷达测速仪对隧道断面的运行速度进行测量，如图1所示。
图1 隧道入口的视频点分布及其存在
入口的过渡部分的加速度进行了分析建模和模型d分析车辆运行特征是使用操作速度数据平均plus1.5倍标准差范围内为了比较不同车辆模型的加速度范围在不同的部分。
（1）模型:入口处加速过渡部分的范围主要是在(-1.00m/s2， -0.50m/s2),和加速度在退出过渡部分主要是在(-0.50m/s2，0m/s2)。
（2）模型D:加速度两个入口和出口的过渡部分的范围主要是在(0.50m/s2，0m/s2)。
综合分析显示，当进入隧道时，公共汽车和卡车都将减速，但在离开出口时加速。速度变化曲线基本相似。大卡车(Model D)的加速度值低于小型车(Model A);但模型A的速度标准差和速度变异系数均高于d模型，在入口过渡段高速加速时，会影响行车安全。
三、隧道运营风险评估模型
虽然隧道静态运行环境，如队列、路面和交通安全设施对运行安全具有一定的影响，本文着重分析了在交通事故和交通流特征的基础上，对运行风险进行分析，开发监测预警系统。因此，分析了隧道运行风险的评估，建立了对隧道交通事故发生率和交通流量的风险模型，并考虑了静态运行环境。事故发生率为事故后指标和交通事故前指标。评估模型如图2所示。
图2 隧道运营风险评估模型
交通事故率是操作安全最直接的指标;因此，以百万英里的事故率(AR)作为评价隧道安全的指标。结合年度平均每日流量(AADT),事故发生率是分裂的,从低到高分为四个级别:AR-Ⅰ ,AR-Ⅱ,AR-Ⅲ，AR-Ⅳ。事故发生率(AR)是每1亿车辆公里的交通意外率，可以从交通部门获得。年平均日流量(AADT)是指公路或公路一年的车辆总运量除以365天，可以从规划数据或交通量观测站获得。事故发生率的风险水平如图3所示，定性描述见表1。
图 3 AR水平的定性描述
表 1 AR级别的定性描述
风险水平 定性描述
AR-Ⅰ 事故率很低，可以维持，因为降低事故率的可能性
很小
AR-Ⅱ 事故率低于预期水平，可以适当降低
AR-Ⅲ 事故率高于预期水平，降低潜力较大，必须采取措
施加以改进
AR-Ⅳ 事故率非常高，而且有巨大的减少，迫切需要改进
交通流状况可以为隧道运营安全管理和交通控制提供依据。因超车在隧道内禁止使用;在自由驾驶和汽车驾驶的情况下，对交通流风险进行了评估。从低到高的交通流风险分为4个等级:TS-Ⅰ,TS-Ⅱ, TS-Ⅲ和TS-Ⅳ。自由驾驶的交通流风险除以速度和速度的差异，车辆的交通流风险除以汽车头之间的可见度范围。标准和分级指标计算方法列于表2
表 2 交通流量操作风险等级
隧道的操作风险的定义是ORi和公式1的计算
ORi =（ARi,TSi）= w1f（ARi） w2f（TSi）
其中：ARi = 事故率；TSi = 交通流安全；f（ARi），f（TSi）= 无量纲处理结果中的事故发生率和交通流量安全；建议的权重值W1、W2为
0.78和0.22。
四、高速公路隧道事故的分类和分级
高速公路隧道事故的发生，可能会中断正常的交通运行，导致事故的发生。这些事件包括交通堵塞、交通事故、交通冲突、地质灾害、恶劣天气、预定事件等等。通过对高速公路隧道运营的调查，分析了造成交通运行系统混乱的原因，分析了其对隧道运行安全的影响。
4.1、高速公路隧道事故分类
根据该研究，五种类型的事故对隧道运营安全有显著影响，包括交通事故、超速、恶劣天气、危险品运输和预定事件，详见表3:
表 3 隧道事故的类型
类型 描述
交通事故 交通事故，车辆损坏，车辆垃圾
超速行驶 车辆超速行驶
恶劣天气 雾雨雪等恶劣天气
危险品运输 危险货物通过隧道
日常活动 道路维修或维修人员
（1）交通事故
交通事故包括交通事故、车辆损坏和车辆垃圾。交通事故降低了隧道的通行能力，降低了交通效率。同时，交通事故也会造成火灾和二次事故等隐患。
（2）超速行驶
如果司机超速行驶，
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