公路隧道运营安全评价管理系统的设计与实现

　　摘 要

　　随着我国在交通运输及工程领域建设规模与数量上的不断增长，隧道作为我国交通的重要组成部分，当大量隧道建设完成交付运营后，许多安全问题日趋显现，给人们的出行带来了很大的困扰。目前我国对于公路隧道的安全评估技术仍在发展阶段，急需引入新的理论和技术，如今信息化和网络技术的的快速发展，使公路隧道在系统开发领域有较大的提升空间。为此，本文对公路隧道运营期间影响因素进行细致分析，建立了一套公路隧道运营安全综合评估方法，并基于隧道运营安全综合评估方法开发了对应的评价管理系统，以期为隧道的智能化建设与科学化运营管理提供帮助。

　　本文基于此，对相关理论及系统进行了研究，最终开发了一套完整的公路隧道运营安全评价管理系统，主要工作包括以下内容：

　　第一，深入分析公路隧道系统中导致事故发生的主要影响因素，建立公路隧道运营安全评价指标体系。最后依据相关规范和要求建立指标定性定量评判标准。采用层次分析法确立各指标权重。

　　第二，根据公路隧道系统的特点，将数据包络分析法应用在隧道管理绩效评价中，建立基于 DEA（数据包络分析）的隧道运营管理绩效评价模型，并通过实例进行分析。

　　第三，将基于 DEA 的隧道运营管理绩效评价结果通过模糊数学中的隶属度函数进行转化，与模糊综合评价法对其它五类因素的评价结果相结合，构建公路隧道运营安全综合评价模型。

　　第四，结合用户的需求，对系统功能进行设计、系统运行环境进行分析、逻辑结构和网络结构进行设计，搭建系统开发框架。

　　第五，基于Net框架，运用 ASP.NET 和 ADO.NET 技术，采用 B/S 体系模式，应用 C#语言，以 SQL Server2008 作为后台数据库，实现公路隧道运营安全评价管理系统并详细说明系统开发过程中的关键技术。

　　关键词：公路隧道运营安全；数据包络分析；模糊数学；评价管理系统

Abstract

　　With the continuous growth of the construction scale and quantity in the field of transportation and engineering in our country, tunnel, as an important part of the transportation in our country, after a large number of tunnel construction is completed and delivered for operation, many safety problems become increasingly apparent, which brings great trouble to people's travel. At present, China's safety assessment technology for highway tunnels is still in the development stage. It is urgent to introduce new theories and technologies. Nowadays, the rapid development of information technology and network technology has made the highway tunnels have more room for improvement in the field of system development. To this end, this paper makes a detailed analysis of the influencing factors during the operation of highway tunnels, establishes a comprehensive evaluation method for road tunnel operation safety, and develops a corresponding evaluationmanagement system based on the comprehensive evaluation method of tunnel operation safety in order to help the intelligent construction and scientific operation management of the tunnel.

　　Based on this, this paper studies related theories and systems, and finally develops a complete highway tunnel operation safety evaluation management system. The main work includes the following:

　　First, in-depth analysis of the main factors leading to accidents in highway tunnel system, and establish a road tunnel operation safety evaluation index system. Finally, according to relevant norms and requirements, establish qualitative and quantitative evaluation criteria for indicators. The analytic hierarchy process is used to establish the weight of each indicator.

　　Secondly, according to the characteristics of the highway tunnel system, the data envelopment analysis method is applied in the tunnel management performance evaluation, and the performance evaluation model of tunnel operation management based on DEA （data envelopment analysis） is established and analyzed by examples.

　　Thirdly, the results of tunnel management performance evaluation based on DEA are transformed by membership function in fuzzy mathematics, and combined with the evaluation results of other five factors by fuzzy comprehensive evaluation method; a comprehensive evaluation model of highway tunnel operation safety is constructed.

　　Fourth, according to the needs of users, the system functions are designed, the system operating environment is analyzed, the logical structure and network structure are designed, and the system development framework is built.

　　system mode, applying C# language, using SQL Server2008 as background database to realize road tunnel operation safety evaluation management system and details the key technologies in the system development process

　　key words:Highway tunnel operation security;Data envelopment analysis;Fuzzy mathematics;Evaluation management system

目 录

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　进入 21 世纪，随着中国经济的快速持续稳定发展，综合国力的不断提高和高新技术的不断应用，中国隧道的发展非常迅速[1].到目前为止，我国在隧道建设领域已取得了多项令人瞩目的成就，我国已建成秦岭终南山隧道等长度 10 公里以上的公路隧道已达十余座，成为世界隧道大国。但是随着公路隧道在国民经济建设中的作用越来越大，隧道建设完成后，随着时间的推移，隧道的各种病害会不断地显现出来，如隧道渗漏水、补砌变形等，隧道内的通行安全受到了严重影响，隧道运营事故的频繁发生给社会带来了极大的影响，引起了国内外专家的广泛关注[2].安全评估技术最初是保险业为衡量风险程度所采用的方法[3].安全评价技术在事故预防应用中取得了显著的成效，许多企业愿意采用这种方法对企业内部进行评价；开展对安全评价方法的研究，对系统进行预评价，可以保证系统的安全及可靠性，避免不必要的损失。

　　公路隧道运营安全评价管理系统的开发能够帮助运营管理部门实时地了解隧道当前所处的运营管理状态；根据隧道安全状态的评估结果和所处的安全状态等级，当隧道得分低于某个标准时，给出相应的提醒和建议对策；同时根据隧道内条件的改变，可以及时调整系统中的权重系数，提高隧道的运营管理效率，确保隧道长期稳定。因此，开展隧道影响因素研究，建立行之有效的安全评价体系，开发实际的安全评价管理系统，对我国隧道管理水平的提升和隧道信息化建设的提高具有重要的意义[4-5].

　　1.2 国内外研究现状

　　1.2.1 隧道安全评价方法研究现状

　　在隧道安全评价理论研究方面，国内外学者和专家提出了许多宝贵的意见。近年来，随着计算机技术的快速发展，隧道安全评估方法逐渐从定性方法转向基于数学模型的综合评估方法[6].

　　德国DMT公司对欧洲主要旅游线路上运营的20座主要隧道进行了专项安全评估。

　　评估结果表明，近一半的隧道安全性低于安全标准，整体运行水平较差[7].

　　挪威高速公路局对发生在公路隧道中的交通事故进行研究，首先分析了事故与各类因素之间的关系，最后揭示了事故发生的原因并提出适当的预防措施[8].

　　日本学者对铁路隧道运营期间的灾害进行了研究，针对隧道补砌变形等问题，提出了相应的对策措施[9].

　　荷兰学者提出了一种使用概率风险评估隧道安全的方法，该方法从个人，社会和经济风险三个标准来进行考虑[10].

　　欧洲学者引入系统思维范式的安全评估方法，并借鉴 STAMP 模型，通过隧道通风系统的案例对模型进行了验证[11].

　　郭艳勇从道路状况，交通运行条件，环境条件和气候条件四个方面。基于灰色熵权聚类，建立了高速公路隧道交通运行环境安全评价模型[12].

　　周建彪研究了隧道的道路条件，交通运营，交通工程设施和天气环境四个方面的影响因素，并提出了一种基于多重安全指数的风险评估方法[13].

　　郝志虎从驾驶员，车辆，道路和环境四个方面研究了影响公路隧道群运营安全的因素；然后成立专家调查组对指标进行量化处理，最后比较分析了常用的评价方法，建立了隧道群安全综合评价模型[14].

　　刘壮分析了隧道的交通特征，隧道环境，机电设施，工程设施等方面的影响因素，构建了基于熵权法的公路隧道运营安全评价指标体系，采用熵权法确定了系统中各指标的权重[15].

　　公路隧道安全评价理论尚在发展阶段，许多理论和规范在逐步完善，新的理论和方法也将逐步应用到隧道安全研究当中[16-18].

　　1.2.2 隧道智能化系统开发研究现状

　　随着互联网技术与计算机技术的不断发展，公路隧道安全管理已进入信息化时代。

　　美国建立了公路隧道检查和维护管理信息系统，该系统可用于对隧道基础数据，各类图片、草图等进行管理，同时系统中的信息能够与上级单位进行传输共享[19].

　　加拿大的公路隧道检查和维护管理系统提供各种隧道检查方法，包括例行检查，特殊检查等。该系统能对常规状态下设立的各类观测点、通车过程中因自然灾害影响造成的损害、主体及附属设施结构等进行检查，最后将检查结果中的各项数据进行统计和存储[20].

　　英国的公路隧道检查养护管理系统数据来源较为复杂，在图片制作、绘图等环节引用了 AutoCAD 制图模式技术，相关的绘图结果能够以 CAD 系统形式进行处理，丰富了数据展示的形式[21].

　　蒋树平设计了公路隧道围岩和支护结构测量数据管理系统，该系统能够对隧道支护方式和相关参数起一定的指导作用[22].

　　陈丽华开发了隧道施工三维监控报警系统，该系统可以提供 3D 交互操作，监控数据输入以及自动报警和趋势预测等功能[23].

　　严志国开发了隧道火灾动态预警疏散和救援系统，该系统可以提供可视化界面，采集温度数据信息，可以为隧道中的疏散和救援工作提供帮助[24].

　　分析前人的研究方法与成果，发现目前综合管理系统主要在土木结构，养护安全等某一方面进行研究，而对于整体运营安全的研究较少，同时在隧道安全评价方法上往往只采用层次分析法与模糊数学相结合的方法。所以本文从更全面的角度分析隧道内（包括土建，运营养护，交通等方面）的影响因素，建立评价指标体系，同时改进运营安全综合评价模型，开发相应的系统。

　　1.3 研究内容与技术路线

　　1.3.1 研究内容

　　本文的目的是通过结合最新的 ASP.NET 技术和数据库技术来开发一套实用性强，通用性广且高度安全的评价管理系统，有效地帮助运营管理人员评估隧道的实时安全性能，提高对隧道的管理效率和维护成本。

　　第一章：绪论。介绍论文的研究背景及意义。首先分析了国内外隧道安全评价方法，隧道管理系统开发情况，其次阐述本文的研究技术路线。

　　第二章：基于系统学理论和观点对隧道事故致因进行分析，筛选具体的指标，建立公路隧道运营安全评价指标体系，基于相关规范建立指标定性和定量判定标准，采用层次分析法确定指标权重。

　　第三章：对数据包络分析法与模糊数学理论进行介绍，建立基于 DEA 理论的隧道运营管理绩效评价模型，通过实例分析模型得到的结果；基于 DEA 理论和模糊数学理论建立公路隧道运营安全综合评估模型。

　　第四章：对系统用户进行需求分析，明确系统要实现的功能，对系统逻辑结构和网络结构进行设计，搭建系统开发框架。

　　第五章：详细介绍系统开发运用到的关键技术，对数据库表之间的逻辑关系以及字段进行设计，介绍系统各业务模块的功能和实现的关键代码。

　　第六章：结论与展望。总结全文并分析后续工作及研究前景。

　　1.3.2 技术路线

　　明确本文研究内容及方法后，确定本文的技术路线图如图 1-1 所示。

　　第 2 章 隧道运营安全影响因素分析与指标体系建立
　　2.1 公路隧道运营安全影响因素分析
　　2.2 公路隧道评价指标体系建立原则和方法
　　2.2.1 指标体系建立原则
　　2.2.2 指标体系构建方法
　　2.3 公路隧道运营安全综合评价指标体系
　　2.3.1 评价指标体系确定
　　2.3.2 评价指标说明及意义
　　2.4 公路隧道评价指标权重确定
　　2.4.1 指标权重确定方法
　　2.4.2 指标权重确定步骤
　　2.4.3 指标权重实例计算
　　2.5 本章小结

　　第 3 章 公路隧道运营安全综合评价模型研究
　　3.1 相关理论基础
　　3.1.1 DEA 方法基本原理
　　3.1.2 DEA 基本模型
　　3.1.3 模糊集理论概述
　　3.2 基于 DEA 的公路隧道运营安全管理绩效评价模型
　　3.2.1 安全管理绩效概念
　　3.2.2 DEA 模型建立
　　3.2.3 模型实例分析
　　3.3 基于 D-FCE 的公路隧道运营安全综合评价模型
　　3.3.1 DEA 评价结果模糊化
　　3.3.2 隶属度函数确定
　　3.3.3 模糊算子选择
　　3.3.4 运营安全综合评价步骤
　　3.4 本章小结

　　第 4 章 系统需求分析和总体设计
　　4.1 系统需求分析
　　4.1.1 系统开发目的
　　4.1.2 系统功能需求分析
　　4.1.3 系统运行环境分析
　　4.2 系统设计原则
　　4.3 系统结构性设计
　　4.3.1 系统逻辑结构设计
　　4.3.2 系统网络结构设计
　　4.4 本章小结

　　第 5 章 系统设计与实现
　　5.1 系统开发关键技术
　　5.1.1 ASP.NET 技术
　　5.1.2 B/S 结构体系
　　5.1.3 SQL Server2008 数据库
　　5.2 数据库设计
　　5.2.1 数据库逻辑设计
　　5.2.2 指标信息表设计
　　5.2.3 其它信息表设计
　　5.3 主要功能实现及描述
　　5.3.1 系统登录模块设计
　　5.3.2 数据接收模块设计
　　5.3.3 信息显示模块设计
　　5.3.4 安全评价模块设计
　　5.3.5 权重修改模块设计
　　5.4 本章小结

结论与展望

　　结论

　　本文基于 ASP.NET 技术对公路隧道运营安全评价管理系统进行分析和研究，主要的研究内容从以下几个方面开展：

　　（1）通过对隧道内各影响因素的细致分析，通过德尔菲法识别影响公路隧道运营安全的主要影响因素，建立公路隧道运营安全评价指标体系，根据相关规范以及国内外专家的研究成果建立指标评判标准，通过层次分析法确定指标的权重。

　　（2）针对常用的安全评价方法进行分析比较，选取数据包络分析法（DEA）对公路隧道运营管理绩效性方面进行评价，其次将评价结果隶属度向量化；将该结果与模 糊综合评价法在其它五个方面得到的隶属度向量相结合，建立基于 D-FCE 的公路隧道运营安全综合评价模型。

　　（3）对公路隧道运营安全评价管理系统的用户功能需求进行分析，结合用户在工作中的需求对系统模块进行功能上的划分，其次结合系统运行环境进行分析，最后采用三层架构对系统业务进行设计，整个系统网络结构遵循 TCP/IP 协议。

　　（4）基于 ASP.NET 开发平台，使用 C#编程语言，SQL Server2008 作为数据库，使用 B/S 架构开发了公路隧道运营安全评价管理系统。

　　展望

　　公路隧道运营安全评价管理系统是一个长期且艰巨的工作，随着公路隧道设计、施工和运营管理技术的进步和信息化技术的快速发展，公路隧道运营安全评价管理系统也需要不断完善。在今后的发展中，整个系统还存在下述问题有待继续深入研究：

　　（1）建立系统与 GIS,SuperMap 等软件的数据接口，实现隧道评价指标的动态可视化界面，为隧道运营管理提供进一步的便利。 （2）设计系统与地质雷达、激光断面仪等仪器的数据采集软件的接口，实现对评价指标数据的信息化导入。

　　（3）在安全综合评价方法方面需要进一步研究，根据公路隧道的实际情况考虑多种评价方法相结合，提高安全评价的可靠性。

致 谢

　　时光如逝，转眼间三年的研究生生涯即将拉下帷幕，毕业论文也进行到了最后，在此，我要诚挚的感谢每一位教导过我的老师和所有陪伴我一起成长的同学。

　　首先我要感谢我的导师唐智慧副教授，从开学以来您一直在学术道路上以严谨的态度的要求我们，感谢您不辞辛劳对我进行多次指导，使我得以充分理解本课题的研究方向与研究脉络，从而帮助我完成了相关课题的研究。在生活上您像父母一样关心我们，值此论文完成之际，我再一次向唐老师致以最诚挚的感谢，谢谢您！！

　　感谢我的师兄师姐在学习上提供的帮助与建议，感谢我的同门董维时常给予我的鼓励，感谢师弟师妹们的陪伴，愿我们的友谊天长地久。

　　感谢我的舍友们，三年里，我们谈笑风生，感谢七楼的小伙伴们，感谢交运一班这个有爱的集体。

　　感谢我的父母，是你们的鼓励与支持，让我能够完成三年的研究生求学生涯。你们的爱是我努力前行的动力。

　　最后，我要感谢交运学院的老师们，感谢你们在百忙之中抽出时间对本论文进行评阅并提出宝贵的建议。

　　感谢你们，谢谢！！

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