基于定量风险评估模型的隧道安全保障措施优化分配

摘要

本文讨论了隧道安全措施的优化选择问题。隧道安全规定是城市道路隧道为降低隧道风险而设置和实施的资产，在实践中基本上是通过专家判断选择的。在此基础上，建立了隧道安全措施选择的优化模型。目标函数以隧道安全措施的生命周期成本最小为目标，以隧道安全措施的要求和安全目标为约束。最后，利用优化模型的特殊结构，设计了一种双节搜索定界算法(BSSBA)来有效地解决该问题。

1.介绍

城市道路隧道已经成为越来越重要的基础设施，为司机和通勤者提供地下车辆通道，尤其是在新加坡和香港等人口稠密的城市。随着交通需求的增加和都市化，以及土地供应有限，兴建城市道路隧道已成为改善运输网络容量的另一种选择。然而，城市道路隧道由于其半封闭的环境，存在着严重的安全挑战。因此，为了控制某一事故造成的损失，需要设置各种隧道安全规定。

最常见的规定包括隧道检测系统、隧道验证系统、隧道通风系统和消防系统。每个系统有不同的类型和不同的功能参数。例如，隧道通风系统有两种类型——横向通风和纵向通风。前者是为了保护隧道用户，使烟雾在隧道天花板下面的热层中分层，并在天花板上提取它，而后者是为了防止背后分层[1，2]．在实践中，隧道安全措施的选择是以专家判断为基础，综合考虑风险评价结果的。在现实中，隧道的安全规定是在规划阶段设计的。一旦隧道通车，这些参数被认为是不可调整的;即使不是不可能，也很难调整这些参数来降低风险。因此，在规划阶段假设可能的交通条件，选择隧道安全措施时进行风险评估就显得尤为重要。

将工程经济学原理应用于公路、桥梁、路面等交通项目的评价已成为一种普遍做法[3.]．生命周期成本分析(LCCA)被认为是分析复杂系统性能的有效评估工具[4]．它于20世纪80年代初被引入基础设施领域，作为一种评估资产寿命期内总拥有成本的工具[5，6]．

与隧道安全条款相关的总成本包括购买成本、维护成本和运营成本。采购成本是指实际采购和实施一项隧道安全措施的价格。维修费用是用于维护隧道安全设施的资金。营运成本包括隧道安全供应的电力成本和供应经营者的工资。在隧道安全措施分析中，通常假定打捞成本为零。在LCCA框架下，可以对成本构成和使用寿命不同的隧道安全措施进行评估。

2.符号和解释

从今以后，适用下列批注: 隧道通风系统的采购费用是否与类型有关。 隧道通风系统的维修费用是否与类型有关。 隧道通风系统的运营成本(电气成本和运营人员的工资)是否有类型。 火灾探测系统的采购成本是否与型号一致。 火灾探测系统的维护费用是否有类型。 火灾探测系统的运行成本(电气成本和操作人员的工资)是否有类型。 消防检定系统的采购费用是否有型号。 消防检定系统的维护费用是否与型号一致。 消防检定系统的运行费用(电气费用和操作人员的工资)是否有类型。 隧道通风系统的年产值是否有类型。 火灾探测系统的年产值是否有类型。 消防检定系统的年产值是否有类型。 ，,隧道通风系统的研究周期是否有类型、火灾探测系统带型，消防验证系统与类型,分别。

各类隧道安全设施的采购费用和维修费用可从隧道工程的概念设计中获得。运营成本可由经验丰富的隧道运营商估算。利用LCCA，我们可以估算每个候选隧道安全措施组合的年价值。

3.基于QRA模型的隧道安全措施优化选择

3．1.模型公式

如上文所述，一旦隧道通车，即使有可能，也很难改变或改善隧道安全规定，以降低风险。因此，一方面要将隧道生命周期内的风险控制在安全目标范围内;另一方面，决策者(如新加坡的LTA)可能希望最小化总成本。在本研究中，提出了一种基于QRAM的最优选择方法来支持决策者。

Sherali等人[7]提出了一种风险降低优化(RRO)模型，在QRA模型的基础上优化分配海上油气生产平台汽油破裂情况下的可用资源。他们的RRO模型是在预算和资源约束下最小化风险(在预期损失方面)。然而，该公式不能应用于当前的研究。在公路隧道风险评估中，安全目标是法规强制要求必须实现的，因此，我们应该把风险作为约束而不是最小化的对象。

用AW表示各类隧道安全措施总费用的年度价值。我们进一步定义二元变量，,如下:

因此，我们有如下目标函数:

在这个公式中，目标函数(2)力求将总成本降至最低;约束(3.) (5)暗示隧道通风系统、火警探测系统及火警检定系统是强制性组件;即根据《新加坡道路工程安全审查手册》，新加坡城市道路隧道至少选择一种类型;约束(6)表示基于削减的社会风险不应超过预定的安全目标();约束(7)和(8)表示以百分位数为基础的个人风险及预期死亡人数应少于或等于相应的预定安全目标(和),分别。(请参阅[8- - - - - -11]进行风险评估和风险指标。)

3.2。算法

本节给出了优化模型3.1是一个典型的整数非线性规划模型。由于约束(3.) (5)，则隧道安全措施的可行组合数目有限。理论上，满足约束条件(3.),约束(4)及限制(5)，,,分别。如果这些隧道安全措施的数量增加，优化模型的计算复杂度将大大增加。在实践中，来自陆地运输部门的专家可能只提供少数备选隧道安全措施(通常情况下)，，）.如果我等于3吗J和K都等于4，满足约束条件的解个数(3.) (5)是1575。在这种情况下，枚举满足约束条件(3.) (5)，并检查它们是否达到安全目标(限制条件(6) (8))。

增加新的隧道安全规定至少不会增加(很可能会减少)隧道的风险;也就是说，任何对隧道安全规定的额外投资都不会增加隧道的风险。例如，假设我们有一个解(解1)，用 解决方案建议在道路隧道中实施通风系统1型、火灾探测系统2型和3型、火灾验证系统4型。显然，如果解满足约束条件(6) (8)、增加任何其他隧道安全规定(例如，,)一定会在安全目标之内。相反，如果解不满足约束条件(6) (8)、任何与任何隧道安全规定(例如，,)亦不符合安全标准。运筹学中的其他研究也应用了类似的支配思想(例如，[12- - - - - -17以下说明了两个支配规则。

规则1。如果候选隧道安全规定的组合不满足约束条件(6) (8)，而根据安全目标，所有其他组合，连同隧道安全规定的扣减，亦不获接纳。

规则2。如果候选隧道安全设施的组合符合限制条件(6) (8)，所有其他AW值较高的组合(目标函数(2不是最佳解决方案。

利用该问题的特殊结构，我们设计了一种双节搜索定界算法(BSSBA)来解决该问题。BSSBA如下所示。

步骤0。计算AW值(目标函数2)的所有满足约束条件的可能组合(3.) (5）.

步骤1。根据AW值对组合进行排名:,在那里为可用组合的数量。

步骤2。检查AW中值组合是否满足约束条件(6) (8):如果是，删除所有AW值较高的组合(由于支配规则2);否则，删除组合本身和所有与隧道安全规定的扣除组合(由于支配规则1)。

步骤3。按照AW值对其余组合重新排序，然后执行步骤2。

步骤4。当找到最优解决方案时停止。

4.一个说明性数值研究

在本节中，我们使用数值研究来说明模型和算法。假设隧道通风系统分为纵向通风系统和横向通风系统两种类型;三种类型的火灾探测系统:线式热敏电缆、烟雾探测器和自动事件探测器;两种类型的消防验证系统:闭路电视(CCTV)和应急电话。本研究的采购成本、维护成本和运营成本见表1。安全规定的寿命假定为30年。假设最小吸引收益率(MARR)为8%。我们使用0.9个百分点的基础社会风险和0.9个百分点的基础个人风险和预期死亡人数作为风险指数。社会风险、个人风险和预期死亡人数的安全目标为，，和0.5。

根据全寿命周期成本分析(LCCA)，可以估算出各类隧道安全措施的年价值

表格2阐述了隧道安全保障措施年产值的估算结果。

本文提出的BSSBA算法可有效地解决该问题，共迭代9次(详见表)3.）.

如图所示3.，隧道安全规定的最优组合为1621.52万新元。选择了纵向通风系统、基于热探测器的火灾探测系统和基于闭路电视的火灾验证系统。社会风险、个人风险和预期死亡人数的组合见图1- - - - - -3.。

5.结论

隧道安全规定是城市道路隧道为降低隧道风险而设置和实施的资产，在实践中基本上是通过专家判断选择的。然而，它们通常不是最佳选择。在此基础上，建立了隧道安全设施选择的优化模型。目标函数以隧道安全措施的生命周期成本最小为目标，以隧道安全措施的要求和安全目标为约束。最后，利用优化模型的特殊结构，设计了一种双节搜索定界算法(BSSBA)来有效地解决该问题。

相互竞争的利益

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

参考文献

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