基于安全设防等级划分与模糊层次分析的桥梁运营安全评价

刘健锋，韦勇克，刘远锋，罗富元

(1. 广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2. 永建设计集团有限公司，广西 贵港 537100)

0 引言

桥梁作为路段的重要构造物，剖析以往桥梁运营安全事故、桥梁结构特征及其破坏规律发现，桥梁路段具有事故易发性、危险程度高、社会影响大、难以处置等特点。桥梁运营风险管理的目的是实现桥梁路段的事故风险率最低、风险隐患最少、风险损失最小，从而确保路网的安全、可靠、高效、畅通。要实现这一目标，就需要对路网内每一座桥梁的运营安全状况有足够深入的了解，及时对处于高危风险状态的桥梁采取必要的技术整治、管控措施，消除风险隐患，保证桥梁的安全[1]。如何科学合理地量化桥梁运营的安全状况，对桥梁运营风险要素进行有效识别，提高桥梁运营系统的风险综合管控能力迫在眉睫。总结目前桥梁运营风险管理的研究，有如下特征：

桥梁运营安全设防等级的划分缺乏系统、深入的理论研究，以往对桥梁运营安全设防等级不加区分的评价方法，忽略了桥梁的运营安全需求因桥梁的重要度、桥跨规模、运营环境的不同，其风险控制阈值、风险评定标准也有所不同，难以得出科学、合理、准确的风险评估结论，无法正确地指导桥梁运营安全管理。

运营风险要素考虑较为齐全：国内外从多个角度对桥梁运营风险要素进行了研究，考虑的因素涉及到桥梁结构技术状况[2]、桥梁道路设施[3-4]、交通因素[5-6]、桥梁运营环境[7-8]、管理制度等，与安全相关的因素在过去研究中都得到一定程度的反映。

安全评价模型考虑的风险因素不够全面[9-11]:目前桥梁运营安全评价模型的聚焦点各有不同，部分评价模型采用某种或某几种因素为自变量，针对其聚焦的少数风险要素与桥梁运营安全水平进行关联分析，得出经验性的评价模型，不能全面准确地反映桥梁运营安全风险的产生是多因素耦合作用的结果。

目前针对桥梁的预防性运营安全管理决策的研究较少，以往的桥梁运营安全评价方法常因评判机理模糊、成因难溯，无法针对桥梁运营风险要素“对症下药”、采取高效直接的技术整治和风险管控措施。

在现行的公路安全性评价规范和桥梁安全风险评估指南方面，目前针对桥梁运营管理风险的安全评价仅作出了部分规定，现行指南评估体系实际执行时，多从勘察报告、设计文件等资料查找评估需要使用的信息，但这些信息往往较为局限，缺乏动态风险评估思路，由此得到的风险评估结果不足以概括桥梁运营阶段的安全状况。

本研究从桥梁运营安全现状和风险管理的内涵出发，根据桥梁在区域路网中的重要度、事故风险对桥梁的危害程度，在参照桥梁运营环境、运营时速、桥梁长度的基础上，提出了桥梁运营安全设防等级划分的分级标准；结合事故致因理论、层次分析法，提出了融合桥梁路段风险特征的运营风险评价指标体系，采用标度扩展法实现了指标间的权重分配，应用基于专家评判的综合评估[12-14]，实现了对桥梁运营安全状况的定量评价；最后将成果应用于某独柱墩高架桥的运营安全风险评估，并提出了桥梁运营系统的安全度改善指标，该指标对桥梁运营风险要素具有较高的识别精度和风险识别效率。

1 桥梁运营风险机理解析

根据国内外桥梁运营安全事故的剖析[15-16]以及桥梁运营事故致因理论研究，发现了“桥梁结构技术状况、桥梁道路设施、交通因素、桥梁运营环境、机电系统、管理制度”这六要素是桥梁运营系统风险进行逻辑物化后的物理风险主体组成部分，通过对桥梁运营系统的风险要素进行合理量化评价[10, 17]，就可以清楚直观地掌握在当前运营管理和养护检修条件下桥梁的运营安全状况。在此基础上，通过对路网上参评桥梁的运营安全状况得分进行排序，针对不同运营安全设防等级的桥梁给予不同的风险触发标准，当桥梁运营安全评分达到风险控制阈值时，桥梁运营管理部门就应及时采用相应的技术整治、管控措施，提高桥梁运营安全管理效能，通过管控桥梁运营风险要素、提高结构安全度、安全设施补给以及其他保障措施，实现桥梁运营事故发生率最低、风险隐患最少、事故损失最小，从而确保路网的安全可靠和高效畅通,其风险管控架构如图1所示。

图1 桥梁运营风险机理解析Fig.1 Analysis of bridge operation risk mechanism

2 桥梁运营安全设防等级划分

2.1 安全设防标准的内涵

桥梁在区域路网中承担的作用越大，发生运营事故后带来的损失越大，以往对桥梁运营安全设防等级不加区分的评价方法，忽略了桥梁的运营安全需求因桥梁的重要度、桥跨规模、运营环境的不同，其风险控制阈值、风险评定标准也有所不同，无法正确地指导桥梁运营安全管理[12]。桥梁运营的风险分级、风险严重程度与桥梁重要度、桥梁长度和运营时速3项指标密切相关，本研究根据桥梁在区域交通网中的重要性和事故灾害对桥梁的危害程度，在参照桥梁运营时速、桥梁长度的基础上，将桥梁按一定的安全标准进行划分。

2.2 分级标准

(1) 对于桥梁重要度，根据桥梁在区域路网中的重要性，将桥梁重要度分成几个级别，见表1。

(2) 对于桥梁长度，根据目前我国现行规范的桥梁特征长度，桥梁分类为4个等级，为了适应我国超特大桥梁(如港珠澳大桥)的建设、运营管理需要，在现行桥梁分类的基础上，综合考虑桥梁建设复杂程度、运营管理风险等级，引入一个新的桥梁特征长度(桥跨总长L=10 000 m，单孔桥跨LK=500 m)，基于此，将桥梁分类划分为以下5个等级，见表2。

表1 桥梁重要度划分Tab.1 Division of bridge importance

表2 桥梁长度分类Tab.2 Classification of bridge lengths

(3) 桥梁路段的运营速度(设计速度)与事故严重程度、事故发生概率密切相关，随着车速越高、车辆动能愈大，高速行驶会引发更严重的事故代价和致死率。本研究将离散的设计速度指标换算成单车道基准通行能力，以利于将桥梁重要度与设计速度(单车道基准通行能力)融合分析；根据事故重伤率、致死率与车速的相关研究，当车速达到95 km/h 后事故重伤率呈现快速增加，车速突破112 km/h 后事故的死亡率则是惊人的[18-19]，基于此，将桥梁运营速度(设计速度)划分为5个等级，见表3。

表3 桥梁设计速度分级Tab.3 Division of bridge design speeds

为完善桥梁运营安全设防等级划分理论、科学合理地指导桥梁运营管理，本研究结合桥梁结构特征和破坏规律，以桥梁单孔跨径作为风险函数的评价基本单元，将桥梁不同安全等级区域划分的风险函数[12]定义为：Ft=C×N×LK，式中：C为桥梁运营环境修正系数，N为桥梁断面设计基准单车道交通量[pcu/(h·ln)]，LK为单孔跨径。根据桥梁重要度、车速与事故严重程度、桥跨长度与运营风险水平的相关研究，基于桥梁专家调查的风险聚类分析，将桥梁运营安全设防等级划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级。

Ⅰ级：Ft≥1 100 000 pcu·m/(h·ln)或多孔跨径总长超过10 000 m；

Ⅱ 级：1 100 000 pcu·m/(h·ln)>Ft≥322 500 pcu·m/(h·ln)或多孔跨径总长10 000≥L>1 000；

Ⅲ级：322 500 pcu·m/(h·ln)>Ft≥72 000 pcu·m/(h·ln)或多孔跨径总长1 000≥L≥100；

Ⅳ级：72 000 pcu·m/(h·ln)>Ft≥29 700 pcu·m/(h·ln)或多孔跨径总长100>L>30；

Ⅴ级：Ft<29 700 pcu·m/(h·ln)或多孔跨径总长30≥L≥8。

桥梁运营安全设防等级应在规划阶段明确，并作为桥梁设计及运营管理的重要依据。

3 桥梁运营安全状况评价

3.1 不同安全设防等级桥梁的安全评价指标

在剖析国内外桥梁运营安全事故、桥梁运营系统的事故致因理论研究的基础上，将诱发桥梁运营事故的高频风险指标作为安全评价模型的核心，提出了融合桥梁运营风险特征的安全评价指标体系“桥梁结构技术状况U1、桥梁道路设施U2、交通因素U3、桥梁运营环境U4、机电系统U5、管理制度U6”，提高了桥梁运营安全管理的风险针对性和可操作性。

(1)不同运营安全设防等级的桥梁，其评价指标的侧重点不尽相同，应该将诱发桥梁运营事故的高频风险指标作为安全评价模型的聚焦点。

(2)对于Ⅴ级桥梁，其桥跨较小，车辆在桥上运行时间很短暂，道路平纵指标、管理制度、机电系统等对桥梁运营安全的敏感程度较小，此类桥梁的运营安全大多取决于桥梁结构技术状况、交通因素、安全防护设施、桥梁运营环境等。

(3)对于Ⅰ、Ⅱ级桥梁，其桥跨规模较大，道路平纵指标、管理制度、机电系统等部分对桥梁运营安全的影响却不可忽视。通过对专家的咨询与事故致因理论分析，认为不同安全设防等级桥梁运营安全评价指标选取具体如表4所示。

3.2 桥梁运营风险评价指标的内涵及评分要点3.2.1 桥梁结构技术状况

在收集桥梁设计、历史记录、灾害信息以及检测数据等基础上，由桥梁结构专家组在综合考虑不同桥型结构的抗连续倒塌、桥墩抗撞、抗倾覆及其结构安全裕度条件[20]，根据现行的桥梁检测养护技术规范、指南，对参评桥梁进行桥梁构件、桥梁部件、桥梁单元、全桥4个层次[21]的安全技术状况评分；拟定的评分限界有5个等级：一类桥[90,100)，二类桥[80,90)，三类桥[60,80)，四类桥[40,60)，五类桥[0,40)，具体见表5。

表4 不同安全设防等级的桥梁运营风险评价指标Tab.4 Bridge operation risk evaluation indicators with different safety fortification levels

3.2.2桥梁道路设施

在收集参评桥梁的道路设计资料、运营养护检测数据等基础上，由道路交通专家组根据现行的设计规范、检测养护分级指南，对参评桥梁进行道路设施的安全技术状况评分；拟定的评分界限有4个等级：一类[80,100)，二类[60,80)，三类[40,60)，四类[0,40)，结合桥梁运营安全事故致因理论，以下评价内容应给予重点关注。

(1) 平面线型

评价内容：①桥梁平面线形设计是否符合相应规范、整体线形是否平顺;②是否较好地满足停车视距、会车视距;③桥梁路段的平曲线是否设有超高段、超高值是否大于2.0%。

(2) 纵断面线型

评价内容：①桥梁纵坡是否符合相应规范、平纵组合是否合理均衡;②桥梁纵坡坡度过大、是否满足〔0.3%～3.0%〕;③根据降雨强度和纵坡、横坡，判断桥梁排水是否良好。

(3) 路面状况

评价内容：①桥面铺装承载能力是否满足车辆荷载通行要求;②桥面铺装是否具有足够的抗滑力以满足雨季通行安全;③桥面平整度是否满足规范要求;④对桥面破损的控制和养护是否满足规范要求。

(4) 安全标志标线等设施

评价内容：①是否针对桥梁通行路段制定了安全标志标线设施;②安全标志标线设施布局是否合理;③桥梁事故多发段、事故黑点、弯道陡坡等是否进行加强引导;④安全标志标线设施的完好率是否满足安全要求。

表5 桥梁结构损伤评分表Tab.5 Scores of bridge structural damages

(5) 安全防护设施

评价内容：①针对桥梁路段的安全防护设施整体布置方案是否合理;②针对桥梁临崖、临水、跨越高等级道路、人员密集区等很可能发生严重伤亡事故的路段，是否根据路段的设计速度、大型车比例，以及陡坡弯道路段，采用了符合防撞等级的护栏;③桥梁安全防护设施完好率。

(6) 信息发布系统

评价内容：①是否针对桥梁安全设防等级，依据技术标准设置信息发布系统;②是否建立及时、可靠的信息发布机制;③信息发布装置的布设位置、覆盖率、完好率是否满足保证桥梁运营安全的需要。

3.2.3交通因素

(1) 交通量

定义：指参与评价桥梁的年/月平均高峰小时单车道的交通量。

评价内容：桥梁路段交通量状况的评分是在综合考虑道路等级、设计速度等基础上，结合现行规范指南，根据参评桥梁的实际交通量调查结果，参照表6执行。

表6 交通量评分表Tab.6 Scores of traffic volumes

(2) 交通组成

① 大型车的组成比例对车流的稳定、有序、安全运行有着较大的影响，不仅是大车型本身存在不安全因素(危险物品运输等)，实际上随着车流中大型车比例的提高，车流的行车效率也会越低、行车风险会越高，结合现有的相关研究成果，其安全状况评定可参照表7执行。

表7 交通组成评分Tab.7 Scores of traffic composition

② 桥梁运营过程中针对危险品运输车的影响分级，需根据桥梁运营过程中可能遭遇的危险品本身性质、运输量，结合桥梁的陆域、水域分析，由专家组成员作危险品运输专题研究，以量化突发性事件对桥梁运营的影响程度分级。

③ 行人和非机动车的暴露程度

评价内容：行人和非机动车的暴露程度对桥梁运营安全有着较大的干扰，其安全状况评定可参照表8执行。

表8 行人、非机动车的影响评分Tab.8 Scores of influence of pedestrians and bicycles

3.2.4桥梁运营环境

评价内容：指桥梁运营过程遭遇的突发性灾害天气(强风、暴雨、冰雪、雾霾等)或洪水、汽车、船舶撞击等突发性事件的影响程度分级[10],具体见表9所示。

表9 桥梁运营灾害性天气的影响评分Tab.9 Scores of influence of severe weather on bridge operation

针对洪水、车辆、船舶撞击等突发性事件的影响，需根据桥梁运营过程中可能遭遇的最大洪水流量、通航船舶吨位、最大汽车撞击力，结合桥型、桥跨布置、桥墩抗撞击分析，由专家组成员作专题研究，以量化船舶撞击、洪水等突然事件对桥梁运营的影响程度分级。

3.2.5机电系统

(1) 照明系统

评价内容：①桥梁路段的夜间照明效果是否满足安全行车的要求；②照明设施的完好率是否满足要求；③照明设备的维护频率是否满足要求。

(2) 日常监控、测速系统

评价内容：①是否依据规范在桥梁路段设置相应的监控、测速设施；②监控、测速设备的设置位置是否合理；③监控、测速设备的完好率是否满足要求；④对监控及测速设备的维护频率是否满足要求。

3.2.6管理制度

(1) 安全防范措施

评价内容：①是否针对参评桥梁的运营安全现状进行了全面诊断，对桥梁运营系统的风险要素、事故分布特征进行分析评估；②是否针对桥梁运营管理人员及驾驶员进行了安全知识、法律教育等；③是否制定了针对桥梁路段的运营安全保障体系。

(2) 紧急预案

评价内容：①是否针对桥梁路段建立了系统可靠的救援体系；②是否针对桥梁运营事故建立了有效的救援预案；③是否针对桥梁运营紧急事件设置了必要的救援医疗器材；④桥梁运营紧急事件的信息发布、事故反馈机制是否畅通可靠。

(3) 管理人员专业素养

评价内容：①桥梁运营安全管理制度是否健全完善；②桥梁运营管理人员的专业素养、安全知识是否考核通过；③是否对桥梁安全运营管理方法、事故预防和应急管理及操作规程等方面进行了系统性的培训。

(4) 车辆安全管理

评价内容：①是否针对桥梁路段建立了可靠运行的机动车安全管理体制，包括治超、限速、线路规划等；②是否建立了面向大货车、载重车、危险品运输车辆的桥梁通行管理办法；③是否建立桥梁运营事故的机动车审查制度。

(5) 安全管理专家思想库

评价内容：①对于特大型桥梁的运营安全管理顾问是否涵盖多学科、多风险领域的专家；②针对特大桥梁的事故整治是否根据专家组提出的方案进行了全面隐患治理及验收；③是否每年进行桥梁运营事故隐患全面排查，并形成技术报告；④对于特大型桥梁是否每年都开展桥梁运营安全及事故预防教育。

3.3 模糊综合评判方法介绍

本研究的桥梁运营安全评价综合指标集为U，其中i、j表示各级安全评价指标集的指标数，上、下级评价指标的关系如下：Ui={Ui1,Ui2,Ui3…Uij}，不同安全设防等级的桥梁运营安全评价指标详见表4。

以往AHP法在运用过程中常会出现判断矩阵的一致性检验错误，进而导致决策失败[12]。传统判断矩阵的构造方法由于选定的标度被固化，往往引起原先有差别的各个比选方案在比较过程中失去差别，本研究采用标度扩展法构造判断矩阵，比例标度见表10，无需进行一致性检验，排序向量、权重向量易于获取，提高了AHP方法的可操作性和决策效率。

表10 比例标度Tab.10 Proportional scaling

对桥梁运营系统中的同一级风险评价指标，根据评价指标可能引起的事故严重程度，进行不减方式的排序，假设顺序为U1≥U2≥U3…≥Un，分析风险指标Ui与Ui+1的重要性比值，根据风险指标间重要程度的传递性测算出判断矩阵中其他风险指标的值，具体步骤如下：

(1)定义判断矩阵b=(bij)n×n且bij=0(i，j=1，2，…，n)，特征向量β=(β1,β2,…，βn)T且βi=0(i，j=1，2，…，n)；

(2)根据专家组的评估意见，风险指标U1、U2、U3…Un进行两两对比后，进行不减方式的排序，设为U1≥U2≥U3…≥Un；

(3)根据已经排列的顺序U1≥U2≥U3…≥Un，按照i=1，2，…，n-1，分别比较Ui与Ui+1的重要性比值，写出标度值ti；

(4)构造判断矩阵b

①给i，j赋初值，令i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，n；

②若i=j，则bij=1；

③若i≠j，则bij=ti×ti+1×ti+2…tj-1(i≠j)，且bij=1/bj；

(5)计算判断矩阵的最大特征值λmax及特征向量β；

(6)规范化特征向量，得出对应的值为U1≥U2≥U3…≥Un的权值向量。

由上计算得到桥梁运营风险评价指标集U={U1，U2，…，Un}对应的权值向量为X=(X1，X2，…，Xn)，根据桥梁设计资料、年度检测报告、现场实地勘查等，由专家组评分，得到运营风险评价指标的评分向量S=(S1，S2，…，Sn)T，基于此，得出桥梁运营安全风险评价值为:

(1)

桥梁运营系统安全分级见表11。

表11 桥梁运营安全系统评分Tab.11 Scores of bridge operation safety system

4 实例分析

某城市快速路独柱墩高架桥，建成运营期为2 a，设计时速60 km/h，桥梁的单车道设计交通量为1 800 pcu/(h·ln)，桥梁总长20×30=600 m，地面层为城市主干路，交通繁忙，属于高风险运营环境，桥梁运营环境修正系数C取1.3，按照风险函数公式Ft=C×N×LK=1.3×30×1 800=70 200 pcu·m/(h·ln)，其多孔跨径总长1 000≥L≥100，桥梁运营安全设防为Ⅲ级。

参照表4，其运营综合指标集与其下级指标满足：U={U1，U2，U3，U4，U5，U6}={桥梁结构技术状况、桥梁道路设施、交通因素、桥梁运营环境、机电系统、管理制度}。根据调查结果，该高架桥的平纵设计指标优良，测速监控、防撞设施、夜间照明诱导等较为完善，年月平均高峰小时断面单车道交通量V/C≈0.7，高架桥的夜间载重货车比例较高，超载现象较为普遍，高架桥没有制定针对载重车的桥梁通行管理办法和紧急预案，高架桥局部路段的桥墩无防撞保护，桥梁道路领域5位专家结合该桥梁的设计资料、年度检测报告、现场实地勘查，对表4中各部分组成进行打分,评分结果见表12和图2。

然后，依据5位专家意见，进行两两比较，得出一致性的因素排序结果，依照不减方式排序：U1>U3=U6≥U4≥U2=U5，根据表10的比例标度，U1比U3强烈重要，则t1=1.6；U3比U6相同重要，则t2=1.0；……,依此类推，采用标度拓展法构造判别矩阵b：

b=

表12 桥梁运营系统各风险评价指标的相对权重及专家打分情况Tab.12 Relative weights of different risk evaluation indicators of bridge operation system and expert evaluation scores

表13 标度扩展法权重分配表Tab.13 Weight assignment based on scale-extending method

图2 桥梁运营风险评价指标的分值Fig.2 Scores of bridge operation risk evaluation indicators

图3 桥梁运营风险评价指标的合成权重Fig.3 Synthetic weighs of bridge operation risk evaluation indicators

图4 桥梁运营系统各评价指标的安全改善空间排序Fig.4 Sorting of safety improvement space of evaluation indicators for bridge operation system

桥梁运营系统各风险评价指标合成权重如图3所示。从桥梁运营系统各评价要素的安全改善空间排序可以发现，桥梁结构技术状况、交通组成(大型车比例)、车辆交通安全管理、交通量以及桥下防撞设施的完备率对该桥梁运营系统的安全影响较大，如图4所示。其指标改善空间的比重达74.7%，桥型结构先天性的不足影响了其桥梁结构技术状况得分，独柱墩高架桥对超载车辆较为敏感，其结构的抗倾覆等能力稍差，同时独柱墩高架桥在局部路段桥墩防撞设施缺失的情况下，容易出现汽车撞击桥墩后的结构失稳，针对上述风险要素的管控，可通过对桥梁结构改造加固(提高抗倾覆性能)、严查超载、加强执法、制定针对载重车的桥梁通行管理办法及紧急预案、保证高架桥桥墩防撞设施的完好率等措施提高该快速路独柱墩高架桥的运营安全状况。

5 结论

(1)本研究提出了以桥梁重要度、桥梁跨径和设计速度(单车道基准通行能力)3项指标作为桥梁运营安全设防等级划分的主要指标，依此构建了桥梁运营安全设防等级划分的判别函数，给出了相应的分级标准，更符合桥梁运营管理的实际内涵和管理需求，对不同安全设防等级的桥梁设置不同的风险控制阈值，或对路网中同一安全设防等级的桥梁安全状况分值排序，将资金投入到最迫切提高安全度的桥梁，提高桥梁运营安全管理效能。

(2)从桥梁运营安全现状出发，结合事故致因理论、层次分析法，提出了融合桥梁风险特征的运营风险评价指标体系，采用标度扩展法实现了指标间的权重分配，应用基于专家评判的综合评估，实现了对桥梁运营安全状况的定量评价。

(3)初步构建了桥梁运营安全风险评价、风险管理的整体架构，桥梁运营风险评价的结果可以清楚直观地了解到在当前运营管理和养护检修条件下桥梁的运营安全状况，通过对风险影响权重较高、安全评分较低的指标进行深入分析并提出切实可行的安全对策，改善了以往桥梁运营安全风险评价方法评判机理模糊、成因难溯的不利局面。总体而言，桥梁运营风险评价方法理论清晰，算法简单，可移植性强，基于全要素的风险评价指标能较好鉴别运营风险系数较高的桥梁，同时桥梁运营系统安全改善空间指标对桥梁风险要素具有较高的识别精度和风险识别效率。

(4)在进一步研究中，可从完善桥梁风险评价指标的构成体系、深化评价指标的权重分配方法、桥梁运营安全评价模型的验证、临界风险控制阈值标定等方面入手，对桥梁运营安全风险评价的整体架构进行补充与优化。