SP 科学的规划 1875 - 919 x 1058 - 9244 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/9628095 9628095 研究文章 优化配置隧道安全条款基于定量风险评估模型 李 锅 1 http://orcid.org/0000 - 0003 - 0973 - 3756 曲 刘晓波 2 张 如果 1 城市轨道交通学院 苏州大学 苏州 江苏215131年 中国 suda.edu.cn 2 土木与环境工程学院 悉尼科技大学 悉尼 新南威尔士州2007 澳大利亚 uts.edu.au 2016年 12 12 2016年 2016年 13 09年 2016年 10 11 2016年 2016年 版权©2016李锅和瞿刘晓波。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

本文解决的问题最优选择隧道安全规定。隧道安全规定的资产安装和实施,以减少城市道路隧道隧道风险,这在实践中基本上是由专家判断。提出了一个优化模型得到最优解的选择隧道安全规定。目标函数是最小化的生命周期成本隧道安全条款,这是隧道安全规定的要求和安全目标。最后,通过利用特殊结构的优化模型,Bi-Section搜索和绑定算法(BSSBA)是为了有效地解决这个问题。

 1。介绍

城市道路隧道已经越来越重要的基础设施,为司机和乘客提供车辆的地下通道,尤其是在人口众多的新加坡和香港等城市。旅游需求的增加和城市化以及土地供应有限,建设城市道路隧道已经替代改善我们的交通网络的能力。然而,城市道路隧道导致严重的安全挑战由于他们半封闭式的环境。因此,各种隧道安全规定要求安装为了控制某一事件造成的损失。

最常见的条款包括隧道检测系统、隧道验证系统,隧道通风系统、消防系统。每个系统有各种不同的功能参数。例如,有两种类型的隧道通风systems-transverse通风和纵向通风。前者是保护隧道用户通过保持烟分层在热层天花板下面隧道和提取它的天花板,而后者是为了防止backlayering [ 1, 2]。在实践中,隧道安全规定的选择是专家判断的基础上考虑风险评估的结果。在现实中,隧道安全规定在规划设计阶段。隧道通车后,这些参数被认为是不可调节的;会很困难,如果不是不可能,调整这些参数来减少风险。因此,重视评估风险在选择隧道安全规定在规划阶段通过假设可能的交通状况。

现在是一个常见的实践应用工程经济学原则在交通项目评估,如公路、桥梁、和人行道 3]。生命周期成本分析(LCCA)被认为是一个有效的评估工具来分析复杂系统的性能( 4]。介绍了它在基础设施领域在1980年代早期作为评价工具的所有权的总成本在资产的寿命( 5, 6]。

总成本对隧道安全规定包括采购成本、维护成本和操作成本。采购成本是指一个隧道的安全条款的价格实际上是购买和实施。维护成本是资金用于维修隧道安全规定。隧道的运营成本包括电成本安全规定和运营商提供的薪资。救助成本通常被认为是零在分析隧道的安全规定。不同类型的隧道安全规定不同的成本组成和寿命评估LCCA框架。

 2。符号和解释

从今以后,以下符号应用:

V p 我 是隧道通风系统的采购成本型 我 。

V 米 我 是隧道通风系统的维护成本型 我 。

V o 我 营业成本(运营商)的电力成本和工资的隧道通风系统类型 我 。

D p j 是火灾探测系统的采购成本型 j 。

D 米 j 是火灾探测系统的维护成本型 j 。

D o j 营业成本(运营商)的电力成本和工资的火灾探测系统型 j 。

F p k 是火验证系统的采购成本类型 k 。

F 米 k 是火验证系统的维护成本类型 k 。

F o k 运营成本(运营商)的电力成本和工资消防验证系统的类型 k 。

V 我 是一年一度的隧道通风系统的价值类型 我 。

D j 是一年一度的火灾探测系统的价值类型 j 。

F k 是一年一度的消防验证系统的价值类型 k 。

n v 我 , n d j , n f k 隧道通风系统的研究期间类型 我 火灾探测系统类型 j 和消防验证系统类型 k ,分别。

购买成本和维护成本的各种类型的隧道安全规定获得隧道项目的概念设计。隧道运营成本可以估计的经验丰富的操作符。通过使用LCCA,我们可以估算出候选人的年度价值为每个组合隧道安全规定。

 3所示。QRA基于模型的最优选择隧道安全规定 3.1。模型公式

正如前面提到的,这将是困难的,如果不是不可能,改变或升级隧道安全规定尽快减少风险隧道通车。因此,一方面,隧道风险隧道的寿命应该是在安全管理目标;另一方面,制造商的决策(例如,新加坡LTA)可能想最小化总成本。在这个研究中,一个基于QRAM最优选择方法提出了决策者的支持。

Sherali et al。 7)提出了一种降低风险优化(RRO)模型最优分配的可用资源的基础上汽油QRA模型破裂情况相关的离岸石油和天然气生产平台。RRO模型以最小化风险(预期的损失),受预算和资源约束。然而,公式不能适用于当前的研究。自安全目标是强制性的规定在公路隧道风险评估完成,我们应该把风险最小化约束而不是对象。

让AW表示年度总成本的价值,各种类型的隧道安全规定。我们进一步定义二进制变量 x 我 , y j , z k 如下: (1) x 我 = 1 , 如果隧道通风系统类型 我 被选中 ; 0 , 否则, y j = 1 , 如果火灾探测系统与类型 j 被选中 ; 0 , 否则, z k = 1 , 如果火验证系统类型 k 被选中 ; 0 , 否则。

因此,我们有目标函数如下: (2) 最小值 ⁡ 一个 W = ∑ 我 = 1 我 x 我 V 我 + ∑ j = 1 J y j D j + ∑ k = 1 K z k F k (3) 主题: ∑ 我 = 1 我 x 我 ≥ 1 , (4) ∑ j = 1 J y j ≥ 1 , (5) ∑ k = 1 K z k ≥ 1 , (6) 年代 R α x ⃑ , y ⃑ , z ⃑ ≤ 年代 R c r 我 t e r 我 o n , (7) 我 R β x ⃑ , y ⃑ , z ⃑ ≤ 我 R c r 我 t e r 我 o n , (8) E V β x ⃑ , y ⃑ , z ⃑ ≤ E V c r 我 t e r 我 o n , (9) x 我 , y j , z k = 0 1 。

在这个配方,目标函数( 2)旨在最小化总成本;约束( 3)( 5)表明,隧道通风系统,火灾探测系统,和火验证系统是强制性的组件;,至少应该选择一种类型,在新加坡城市道路隧道根据项目安全审查手册在新加坡道路;约束( 6)表明, α 减少基于社会风险不应超出预定的安全目标( 年代 R c r 我 t e r 我 o n );约束( 7)和( 8)代表 β 百分位的基础个体风险和死亡的期望值应该小于或等于相应的预先确定的安全目标( 我 R c r 我 t e r 我 o n 和 E V c r 我 t e r 我 o n ),分别。(请参阅[ 8- - - - - - 11风险评估和风险指数。)

 3.2。算法

优化模型制定的部分 3.1是一个典型的整数非线性规划模型。由于约束( 3)( 5),只有有限数量的可行的组合将是隧道安全规定。从理论上讲,解决方案的数量满足约束( 3),约束( 4)和约束( 5) 2 我 - - - - - - 1 , 2 J - - - - - - 1 , 2 K - - - - - - 1 ,分别。如果这些隧道安全规定的数量增加,优化模型的计算复杂度将大大增加。在实践中,专家们从陆地运输当局可能只提供几个候选人(通常是隧道安全规定 我 ≤ 3 , J ≤ 4 , 一个 n d K ≤ 4 )。如果 我等于3 J和 K都是等于4,解决方案的数量满足约束( 3)( 5)是1575。在这种情况下,它会非常耗时(尽管它是可能的)枚举所有解决方案满足约束( 3)( 5),并检查他们是否满足安全目标(约束( 6)( 8))。

添加新的隧道安全规定至少不会增加(最有可能减少)隧道风险;也就是说,任何额外的投资不会增加隧道隧道安全规定的风险。例如,假设我们有一个解决方案(方案1),由 (10) x ⃑ = 1,0 , 0 , 我 = 3 y ⃑ = 0 1 , 1,0 , J = 4 z ⃑ = 0,0 , 0 1 , K = 4 。 通风系统的解决方案表明,1型,2型和3型火灾探测系统,和4型公路隧道火灾验证系统实现的。显然,如果解决方案满足约束( 6)( 8),添加其他隧道的安全规定(例如, x ⃑ = 1,- 1 , 0 , y ⃑ = 0 1 , 1,0 , z ⃑ = 0,0 , 0 1 )肯定会在安全的目标。相反,如果不满足约束的解决方案( 6)( 8),任何组合的扣除隧道安全规定(例如, x ⃑ = 1,0 , 0 , y ⃑ = 0,0 , 1,0 , z ⃑ = 0,0 , 0 1 )根据安全的目标也将是不可接受的。类似的思想统治已经被其他应用运筹学的研究(例如, 12- - - - - - 17)两个统治规则说明如下。

规则1。

如果候选人的结合隧道安全条款不满足约束( 6)( 8),所有其他的组合与扣除隧道安全规定还不能接受根据安全目标。

 规则2。

如果候选人的结合隧道安全规定满足约束( 6)( 8),所有其他的组合与更高的AW价值(目标函数( 2)也不是最佳的解决方案。

通过利用特殊结构的问题,我们设计一个Bi-Section搜索和绑定算法(BSSBA)来解决这个问题。给出了BSSBA如下。

步骤0。计算AW值(目标函数( 2)的所有可能的组合满足约束( 3)( 5)。

步骤1。AW值的组合而言: 一个 W ( 0 ) , 一个 W ( 1 ) , … , 一个 W ( N - - - - - - 1 ) ,在那里 N 是可用的数量组合。

步骤2。检查结合中值AW值是否满足约束( 6)( 8):如果是,删除所有AW值较高的组合(由于统治规则2号);否则,删除组合本身和所有的组合与扣除隧道安全规定(由于统治规则1号)。

步骤3。为剩余的组合排名的AW价值观和转到第2步。

步骤4。停止当找到最优解。

 4所示。一个说明性的数值研究

在本节中,我们使用一个数值研究来说明模型和算法。我们假设有两种类型的隧道通风系统:横向纵向通风系统和通风系统;三种类型的火灾探测系统:线型热敏电缆,烟雾探测器,探测器自动事件;和火两种类型的验证系统:闭路电视(CCTV)和紧急电话。购买成本、维护费用和运营成本在这项研究中提出了在桌子上 1。安全规定的寿命是假定为30年。最小的有吸引力的回报率(MARR)被认为是8%。我们使用基于0.9降低社会风险和0.9百分位个人风险和预期风险指数的死亡人数。安全目标的社会风险,个人风险,预期的死亡数量 1 0 - - - - - - 3 / N 2 , 1 0 - - - - - - 8 ,分别和0.5。

购买成本、维护费用和运营成本的各种类型的隧道安全规定。

隧道安全规定 类型 购买成本(百万SD) 维护费用(每年百万SD) 运营成本(每年百万SD)
隧道通风系统 纵向 50 5 0.8
横向 80年 8 1.8
火灾探测系统 热 4 0.4 0.1
烟 8 0.8 0.1
援助 4 0.4 0.1
消防验证系统 中央电视台 25 2.5 0.4
紧急电话 20. 2 0.1

根据生命周期成本分析(LCCA),各种类型的隧道安全规定的年度价值可以估计 (11) V 我 = V p 我 × 一个 P , 8 % , 30. + V 米 我 + V o 我 , (12) D 我 = D p 我 × 一个 P , 8 % , 30. + D 米 我 + D o 我 , (13) F 我 = F p 我 × 一个 P , 8 % , 30. + F 米 我 + F o 我 。

表 2说明了价值评估结果年度的隧道安全规定。

候选人的年度价值隧道安全规定。

隧道安全规定 类型 年度价值(百万SD)
隧道通风系统 纵向 10.24
横向 16.904
火灾探测系统 热 0.8552
烟 1.6104
援助 0.8552
消防验证系统 中央电视台 5.12
紧急电话 3.876

提出的问题可以有效解决BSSBA迭代算法在9(如详细表 3)。

迭代求解问题。

组合 剩余的数量组合 年度价值(AW)(百万SD) 安全性评价
社会风险 个人风险 电动汽车的价值
迭代1 x ⃑ = ( 0 1 ) , y ⃑ = ( 1,- 1 , 0 ) , z ⃑ = ( 1,0 ) 32 24.4896 安全 安全 安全
迭代2 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 1,0 , 0 ) , z ⃑ = ( 1,- 1 ) 16 20.0912 安全 安全 安全
迭代3 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 0,2 , 3 ) , z ⃑ = ( 0 1 ) 14 16.5816 风险 y 安全 安全
迭代4 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 1,- 1 , 0 ) , z ⃑ = ( 1,0 ) 7 16.9704 安全 安全 安全
迭代5 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 1,0 , 1 ) , z ⃑ = ( 0 1 ) 6 15.8264 有风险的 安全 安全
迭代6 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 0 1 , 0 ) , z ⃑ = ( 0 1 ) 5 15.7264 有风险的 安全 安全
迭代 7 ∗ x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 1,0 , 0 ) , z ⃑ = ( 1,0 ) 3 16.2152 安全 安全 安全
迭代8 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 0,0 , 1 ) , z ⃑ = ( 0 1 ) 2 14.9712 有风险的 安全 安全
迭代9 x ⃑ = ( 1,0 ) , y ⃑ = ( 1,0 , 0 ) , z ⃑ = ( 0 1 ) 1 14.9712 有风险的 安全 安全

∗ 表明最优解。

我们可以看到在桌子上 3隧道安全规定的最佳组合是1621.52万新元。纵向通风系统,基于热探测器的火灾探测系统,闭路电视选择基于火灾验证系统。个体风险,社会风险和预期数量的死亡提出了组合的数字 1- - - - - - 3。

社会风险的最佳组合。

个体最优组合的风险。

预计每年的死亡人数,但最优的组合。

 5。结论

隧道安全规定的资产安装和实施,以减少城市道路隧道隧道风险,这在实践中基本上是由专家判断。然而,他们通常不是最优的选择。在这项研究中,提出了一个优化模型得到最优解的选择隧道安全规定。目标函数是最小化的生命周期成本隧道安全条款,这是隧道安全规定的要求和安全目标。最后,通过利用特殊结构的优化模型,Bi-Section搜索和绑定算法(BSSBA)是为了有效地解决这个问题。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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