王海星，梁倩倩

(北京交通大學交通運輸學院，北京100044)

0 引言

2015年全國共有危險貨物道路運輸企業(yè)1.1萬家，車輛31萬輛，從業(yè)人員120萬人，完成危險貨物運輸量約10億t，占各種運輸方式的60%以上，居全球第2位.近年來，我國危險貨物道路運輸安全形勢持續(xù)向好但依然嚴峻，事故頻發(fā)多發(fā)的勢頭沒有得到根本性的遏制[1].雖然危險貨物道路運輸泄漏事故的發(fā)生概率相對較低，但它往往伴隨著高風險[2].81%的罐車危險貨物運輸事故都會發(fā)生大量泄漏[3]，產(chǎn)生災難性后果.如2014年晉濟高速山西晉城段的“3·1”事故，造成了40人死亡.從系統(tǒng)的角度，結合典型區(qū)域特征，對危險貨物運輸?shù)缆愤\輸風險進行系統(tǒng)分析及風險測度研究，是實現(xiàn)規(guī)避高風險路段的基礎關鍵技術，對沿線安全水平提高具有重要意義.

Fabiano從線路特征和氣象條件辨識了危險貨物道路運輸?shù)娘L險影響因素，并從人員死亡的角度提出了風險評價模型[4].高清平采用模糊集理論和模糊邏輯進行危險貨物運輸?shù)娘L險分析[5].隨著GIS的發(fā)展，很多學者將其應用在了風險分析中.孟祥妹提出了基于改進事故變化率的道路危險品運輸事故率分析模型和人口風險分析模型，并結合ArcGIS實現(xiàn)了毒氣擴散影響范圍的可視化，并從運輸費用和風險兩方面進行危險貨物道路運輸優(yōu)化選線[6].可以看出，目前，對于系統(tǒng)地分析危險貨物道路運輸風險及路徑優(yōu)化的內(nèi)容和方法尚需完善.基于此，本文從系統(tǒng)理論的觀點出發(fā)，對危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)與風險測度模型及路徑優(yōu)化模型進行了研究.

1 危險貨物道路運輸風險的系統(tǒng)分析

一般而言，危險貨物道路運輸導致事故必須具有2個條件：一是存在誘發(fā)危險貨物脫離安全控制的因素(危險貨物道路運輸致災因素)及其形成事故的環(huán)境(危險貨物道路運輸孕災環(huán)境)；二是事故影響區(qū)有人類居住或分布有社會財產(chǎn)(危險貨物道路運輸承災體).從系統(tǒng)理論的觀點來看，危險貨物道路運輸孕災環(huán)境、危險貨物道路運輸致災因素、危險貨物道路運輸承災體及危險貨物道路運輸事故之間相互作用，相互聯(lián)系，形成了一個具有一定結構、功能及特征的復雜體系，這就是危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)[7].該系統(tǒng)的組成特征如圖1所示.本文擬實現(xiàn)從致災因素、孕災環(huán)境、承災體的角度進行危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)分析，基于風險誘發(fā)因素，辨識、分析系統(tǒng)致災因素；結合典型區(qū)域進行危險貨物道路運輸承災體及孕災環(huán)境特征分析；考慮多要素的危險貨物道路運輸環(huán)境風險測度研究.

圖1 危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)Fig.1 Dangerous goods road transport risk complex system

2 危險貨物道路運輸危險性分析

本文以液氯道路運輸為例，基于危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)，探究危險貨物道路運輸?shù)娘L險測度模型.

2.1 危險貨物道路運輸致災因素分析

危險貨物作為危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)中的主要致災因素，在構建風險測度模型前，需要充分了解危險貨物的理化性質及其危害性.以液氯為例：液氯的熔點-103℃，沸點-34.6℃，在常壓下即汽化成氣體.同時，氯氣是一種劇毒氣體，不同氯氣濃度可能導致對人體從輕微直至瞬間引起呼吸困難、脈搏減少，發(fā)紺，造成致命性損害等不同嚴重程度的危害[8].

2.2 危險貨物道路運輸孕災環(huán)境產(chǎn)生概率分析

導致危險貨物道路運輸事故的孕災環(huán)境的產(chǎn)生的要素可分為非交通事故要素和交通事故要素兩大類.在危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)中，嚴格意義上的運輸事故是指因交通事故導致的危險貨物泄漏事故，某路段因交通事故導致危險貨物泄漏的概率可表示為

(1)危險貨物道路運輸泄漏事故概率.

目前我國沒有危險貨物道路運輸事故的相關統(tǒng)計資料，無法由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到事故概率.美國杜邦公司提出的危險貨物道路運輸事故量化概率在10-8～10-6之間，且本文中分析的風險為相對風險，所以本文結合相關研究，將路段基本交通事故率取值10-8次/(年·車·公里)，并根據(jù)文獻中對863起危險貨物道路運輸事故統(tǒng)計結果，將危險貨物因交通事故的條件泄漏概率取值0.7[9].

(2)危險貨物道路運輸泄漏事故概率的修正.

要對危險貨物道路運輸泄漏事故概率進行修正，需要從風險誘發(fā)因素出發(fā)，辨識、分析系統(tǒng)中的孕災環(huán)境和致災因子.運輸事故發(fā)生概率除了與道路類型有關外，與中央隔離帶寬度、平面性半徑、道路飽和度、天氣狀況、運輸時間等因素密切相關.各路段實際泄漏概率可能會有偏差，所以本文結合相關研究，引入修正系數(shù)，對路段泄漏事故概率進行修正[10-11]，如表1所示.

某路段危險貨物泄漏事故概率進一步可表示為

2.3 危險貨物道路運輸承災體易損性分析

易損性取決于承災體本身和社會經(jīng)濟條件.危險貨物道路運輸系統(tǒng)中承災體易損性通常是指承災體遭受不同規(guī)模的危險貨物泄漏事故的可能損失程度.在危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)中，分析承災體的易損性需要辨識出危險貨物運輸過程中可能威脅和損害的對象，并評估它們的價值及受損程度.

危險貨物道路運輸泄漏事故的承災體有多種，其中以暴露人口和環(huán)境敏感區(qū)最為典型.所以，本文將從這兩個方面對承災體易損性進行分析.

表1 道路狀況對可變事故修正系數(shù)的影響Table 1 Influence of road condition on variable accident correction coefficient

(1)暴露人口易損性分析.

危險貨物道路運輸發(fā)生泄漏事故后，運輸沿線受影響的人員主要分為兩類：路上暴露人口，主要包括各類車輛的駕駛員和乘車人員；路外暴露人口，主要包括沿線居民和聚集中心(商場、學校等)人員.在交通暢通的情況下，路上暴露人口相對于路外暴露人口可以忽略不計.因此，本文只考慮路外暴露人口.一般認為，路外影響人員的暴露概率為20%，受影響概率為100%，室內(nèi)人口受影響概率為20%[9].同時，根據(jù)有毒氣體的理化性質，將擴散區(qū)域劃分為致死區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū).用x=1，2，3分別表示3個區(qū)域的影響人數(shù).確定暴露人口數(shù)量為

式中：Nx為區(qū)域x內(nèi)影響人員數(shù)量；ρx為區(qū)域x內(nèi)人口平均密度(人/km2)；Sx為區(qū)域x的面積(km2)；Pout為戶外人口暴露概率，通常取20%；λin為室內(nèi)人員暴露程度減緩因子，通常取20%.

參考《中華人民共和國國家賠償法》中賠償方式和計算標準的相關規(guī)定，造成死亡的應當支付總額為國家上年度職工年平均工資的20倍，并參考其他事故后果評價方法及氯氣的毒理學性質，提出折算方法為

式中：B為暴露人口價值損失；αi為價值損失程度系數(shù)，分別取值1.00、0.20、0.01.

(2)環(huán)境敏感區(qū)域易損性分析.

危險貨物泄漏的環(huán)境損失是指自然環(huán)境受到的損失，主要包括對土壤、動植物、水體和大氣的破壞.根據(jù)用地分類，將環(huán)境敏感區(qū)分為水域、林地、農(nóng)業(yè)種植區(qū)和公共綠地4類.泄漏之后對環(huán)境造成的損害可以通過經(jīng)濟計量的方式體現(xiàn).不同類型敏感區(qū)價值損失評估方法如表2所示，表中各項成本由相關市場調查獲得.

表2 不同環(huán)境敏感區(qū)價值損失評估方法Table 2 Assessment method of value loss in different environmental sensitive areas

由于危險貨物道路運輸泄漏事故對不同閾值區(qū)域影響不同，因此通過專家調查法和層次分析法相結合的方式，確定各閾值區(qū)域風險影響權重，則環(huán)境敏感區(qū)價值損失為

式中：W為泄露影響區(qū)域環(huán)境敏感區(qū)域總價值損失；δi為區(qū)域i風險影響權重；Vj為第j類環(huán)境敏感區(qū)單位面積成本；Sij為區(qū)域i第j類環(huán)境敏感區(qū)面積(m2).

3 危險貨物運輸風險—成本分析

3.1 危險貨物道路運輸風險測度模型

風險可以用損失的期望值來衡量.基于2.3節(jié)中對承災體易損性的分析，同時考慮到泄漏事故發(fā)生后緊急疏散對事故后果的減緩作用，暴露人口實際風險遠小于理論暴露人口數(shù)量所面臨的風險.當氯氣濃度為70 ppm時，人體接觸30 min的致死百分率為1%[9].且越接近泄漏點濃度變化越大，根據(jù)各閾值區(qū)域內(nèi)氯氣濃度變化趨勢，當平均緊急疏散時間為30 min時，致死區(qū)暴露人口死亡率，重傷區(qū)、輕傷區(qū)緊急疏散過程中實際重傷率、輕傷率取5%.閾值區(qū)域內(nèi)損傷程度低的人群按低一級損傷程度計算.所以，路段l的運輸風險Ql可以表示為

3.2 危險貨物道路運輸成本估算

假設路網(wǎng)G(N,A)，其中N表示節(jié)點，A表示邊的集合.用(i,j)表示路段，則有i,j∈N，(i,j)∈A.

危險貨物道路運輸成本主要取決于運量q和運輸距離L.設危險貨物k的運輸成本為ck(元/(kg·km))，則危險貨物k在路段lij上的運輸成本為ckij=ckqklij.運輸路徑總成本Ck可表示為

3.3 危險貨物運輸風險—成本優(yōu)化模型的建立

首先定義1組決策變量：

將系統(tǒng)整體最優(yōu)——最低運輸成本和最小運輸風險為目標構建雙目標優(yōu)化模型為

式(10)為節(jié)點流量平衡約束，式(11)和式(12)為0-1決策變量.

4 事故情景模擬與模型應用

4.1 事故情景模擬與可視化

本文以北京市通州區(qū)的東方化工廠為路徑終點，以德覓路和孔興路的交叉口為路徑起點.假設在某天上午9:00，1輛容量為54.3 m3的液氯運輸罐車裝載20 t液氯，在15.2℃，風速1 m/s，西南風向風向，相對濕度80%，E級大氣穩(wěn)定度的氣象條件下因安全閥損壞而發(fā)生大量泄漏，此時間段路徑交通飽和度為0.7，構建可能的事故場景.

首先用ALOHA的重氣擴散預測模型，得到既定事故條件下泄漏擴散如圖2所示，3個區(qū)域分別表示致死區(qū)、重傷區(qū)和輕傷區(qū)，閾值濃度分別為大于60 ppm、[6,60]ppm和[2,6)ppm.ALOHA還能預測泄漏影響區(qū)域內(nèi)的濃度動態(tài)變化情況，圖3為距離事故地點正下風向1 km處的濃度變化曲線.

圖2 既定事故條件下的泄漏擴散圖Fig.2 Leakage diffusion diagram under established accident conditions

圖3 事故地點下風向1 km處濃度變化曲線Fig.3 The concentration curve of the wind down to 1 km in the accident site

通過ArcMAP實現(xiàn)液氯泄漏影響范圍的可視化，如圖4所示.

圖4 液氯泄漏可視化圖Fig.4 Visualization of liquid chlorine leakage

4.2 危險貨物運輸路徑優(yōu)化

在實際計算過程中將路段進行簡化，簡化路段及節(jié)點如圖5所示.將路段風險和路段運輸成本作為路徑優(yōu)化的指標(表3)，取2 km長的路段為單位路段，把各單位路段作為分析對象，進行泄漏仿真.通過ArcMAP圖層疊加分析準確計算各閾值區(qū)域面積，通過進一步計算加和得到路網(wǎng)中各路段的風險，基于綜合風險實現(xiàn)對高風險路段的規(guī)避，運用蟻群算法，尋找最優(yōu)路徑，計算結果如表4和圖5所示.

從表4可以看出，最短路風險偏高，最優(yōu)路徑雖然運輸成本略有增加，但風險明顯降低，滿足系統(tǒng)整體最優(yōu)目標模型的需求.

表3 路段參數(shù)匯總表Table 3 Summary parameters of each section

表4 最優(yōu)路徑與最短路徑對比Table 4 Comparison of optimal path and shortest path

圖5 危險貨物道路運輸最優(yōu)路徑圖Fig.5 Optimal path for dangerous goods road transport

5 結論

本文從系統(tǒng)的觀點出發(fā)，從致災因素、孕災環(huán)境、承災體的角度進行危險貨物道路運輸風險復雜系統(tǒng)分析，并結合典型區(qū)域特征，基于暴露人口和環(huán)境敏感區(qū)構建了風險測度模型.運用ALOHA和ArcMAP對特定事故情景的泄漏事故進行模擬，量化泄漏影響區(qū)域內(nèi)承災體的價值損失.根據(jù)危險貨物運輸?shù)碾p目標特性，將系統(tǒng)整體最優(yōu)——最低運輸成本和最小運輸風險為目標構建雙目標優(yōu)化模型.通過實例驗證了模型和方法對實現(xiàn)規(guī)避高風險路段的實用性和有效性.