基于事故預防的工程項目安全風險評估及優化策略仿真研究

齊錫晶， 李永超， 張升進

(東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819)

建設工程項目具有施工人員流動性大、施工環境復雜、露天高空作業多等風險因素，這些因素給安全風險管理帶來了挑戰，影響到人民生命財產安全，對國民經濟發展也造成重大損失[1]。

事故預防是安全風險管理的核心工作[2]。錢七虎[3]從事故發生的類型和原因等對工程建設事故進行分析，指出工程事故預防的可行性，并提出工程建設安全管理實踐的對策。賀廿生[4]為提高鐵路安全風險管理水平，剖析了近年間發生的鐵路施工事故的主次要原因，提出鐵路營業線施工事故的預防措施和建議。

這些研究從事故分析角度提出了科學有效的事故預防后續建設措施。但事故預防措施對安全風險的影響機理與量化研究仍有待進一步被重視，以期激勵建設單位開展事故預防體系建設。因此，事故預防措施有效性的量化分析逐漸得到專家學者的關注。管仲堯等[5]通過實驗研究建筑工人生理和心理疲勞程度與不安全行為的關系，進而對工作時間預警等事故預防措施的有效性進行量化驗證。Yijiao Chen等[6]基于事故致因機理研究，建立施工安全評價體系，通過前后安全度對比，分析事故預防措施的風險抑制效果。Hasanzadeh等[7]通過實證研究檢驗安全干預措施和技術對工人冒險行為的潛在影響，進而對事故預防措施的風險補償水平進行定量研究。

分析以上文獻可知，事故預防機制作用效果的量化研究已受到國內外學者的重視，形成了一系列研究成果，豐富了安全風險管理理論。然而，這些研究大多從靜態的角度探討事故預防措施對安全風險的影響效果，也沒有考慮不同項目管理目標之間的相互約束關系，從而無法動態揭示事故預防措施對工程項目安全風險的影響機理。

有鑒于此，本研究將基于系統動力學(System Dynamics,SD)的理論與方法，考慮不同項目管理目標間的約束作用，通過對不同事故預防措施下風險傳遞路徑的分析，建立基于事故預防的安全風險管理系統仿真模型；然后，結合具體案例以安全風險水平為測度，動態模擬不同事故預防措施的實施效果；最后，在此基礎上，調控不同事故預防措施的投入比例，探討提升安全風險管理效率的有效策略。

1 安全風險管理系統框架

根據海因里希因果連鎖和安全系統工程理論，人的不安全行為和物的不安全狀態是安全風險事故發生的關鍵，人和物的不安全又由環境因素和管理因素等多維層面共同作用和交互耦合產生。因此，這四個部分構成了一個“人-物-環-管”系統。本文參考現有研究成果[8～10]，考慮技術進步對安全風險管理的影響，將建設工程項目安全風險管理系統要素劃分為人員、設備、環境、技術與管理5個子系統。這5個子系統分別受到系統內部風險要素和系統外部措施的影響。根據事故時間節點，可將其分為事故預防及恢復措施。事故預防措施將在事故發生前作為安全屏障有效減少安全風險的累積，從而減少事故發生頻率。

基于項目管理視角，工程建設的四大目標安全、質量、進度、成本，是工程各參與方所有工作的主要控制內容[11]。在進行安全風險管理系統設置時，必須考慮質量、進度、成本目標的約束作用。本文將建設工程項目的安全風險水平定義為安全管理目標的偏離水平。質量是通過系統內部質量因子對安全風險水平進行約束；進度則是通過進度壓力對安全風險水平進行約束；成本主要是依據預防性安全投入和損失性安全成本對安全風險水平進行約束。

經濟學中帕累托最優值理論認為，對于一個風險管理過程來說，只有通過增加預期的風險管理投入才可能降低風險損失。本文將安全風險管理效率定義為單位預防性安全投入帶來的預期損失性安全成本的減少值。因此，本文將進一步探討不同事故預防措施投入比例的變化對安全風險管理效率的影響，研究優化策略。

最終，參考BowTie(蝴蝶結)模型[12]，結合關鍵思路補充細化，安全風險管理系統的框架示意圖，如圖1所示。

圖1 安全風險管理系統框架

本文考慮質量、進度和成本目標的約束作用，從人員、設備、環境、技術和管理5個方面，研究事故發生前內部風險要素和外部預防措施的共同作用演化路徑，構建基于事故預防的安全風險管理系統，再針對不同子系統事故預防措施投入方案對損失性安全成本的影響，提出優化安全風險管理效率的策略。

2 風險傳遞路徑分析

系統動力學模型是將系統動態行為特性與計算機仿真技術結合的一種系統工程方法，通過構建復雜系統內部各因素間的因果關系模型，預測系統未來的動態行為，為系統決策提供依據[13]。本部分采用系統動力學研究方法，參考事故預防措施清單，提取系統關鍵要素，探索其風險傳遞路徑，為系統的仿真分析奠定基礎。

2.1 系統約束條件

本部分將系統約束條件與項目管理目標結合進行分析量化。質量Q細化為建設材料及構件質量和工程實體質量，根據系統要素實際情況完成質量綜合打分確定。

進度T是通過進度壓力對安全風險水平進行約束，進度壓力TP計算方式為

(1)

式中：D為實際關鍵工作完成量；P為計劃關鍵工作完成量，關鍵工作根據網絡進度計劃確定。

成本C通過安全成本SC對安全風險進行約束，安全成本可分為預防性安全投入PC及損失性安全成本AC(安全事故引起的額外經濟損失投入)[14],由預防性安全投入對安全風險進行預先控制，計算方式為

SC=PC+AC

(2)

(3)

式中：cj為事故預防措施j的預防性安全投入；m為事故預防措施的數量。

2.2 系統要素提取

基于事故預防的安全風險管理系統要素的科學提取是分析風險傳遞路徑，建立SD模型的基礎。

系統外部事故預防措施的提取，參考AQ 9019—2019《安全生產責任保險事故預防技術服務規范》的相關服務內容，按照預防作用效果進行歸納整理，繪制事故預防措施清單，如表1所示。

表1 事故預防措施清單

系統內部風險要素的提取，主要通過收集分析工程建設領域相關文獻資料，經10位領域內專家(大學教授4人，項目經理3人，項目監理3人)討論、增補遺漏因子，剔除關聯度較低因子進行確定，按照人員、設備、環境、技術和管理5個子系統進行劃分。

基于事故預防的安全風險管理系統要素，如圖2所示。

圖2 基于事故預防的安全風險管理系統要素

2.3 風險傳遞路徑

本文考慮項目管理目標間的約束作用，基于安全風險管理系統要素，以“安全風險水平”為中心，“人員不安全行為”、“設備不安全狀態”、“環境不良狀態”、“技術失誤”、“管理缺陷”為次中心，構建反饋回路。該系統包含9個反饋回路，其中8個是負反饋回路，1個是正反饋回路。各反饋回路如下所列，變量前的符號表示它與前一變量呈正相關(+)或負相關(-)。

(1)第1條為正反饋回路：安全風險水平—(+)事故工期損失—(+)進度壓力—(+)安全風險水平；

(2)第2條為負反饋回路：人員不安全行為—(+)人員安全投入水平—(+)安全生產教育培訓—(-)人員不安全行為；

(3)第3條為負反饋回路：設備不安全狀態—(+)設備安全投入水平—(+)安全檢查組織開展—(-)設備不安全狀態；

(4)第4條為負反饋回路：環境不良狀態—(+)環境安全投入水平—(+)生產安全事故隱患排查—(-)環境不良狀態；

(5)第5條為負反饋回路：環境不良狀態—(+)環境安全投入水平—(+)安全標注及防護設置—(-)環境不良狀態；

(6)第6條為負反饋回路：技術失誤—(+)技術安全投入水平—(+)安全風險辨識、評估和安全評價—(-)技術失誤；

(7)第7條為負反饋回路：技術失誤—(+)技術安全投入水平—(+)安全生產科技推廣應用—(-)技術失誤；

(8)第8條為負反饋回路：管理缺陷—(+)管理安全投入水平—(+)生產安全事故應急預案演練—(-)管理缺陷；

(9)第9條為負反饋回路：管理缺陷—(+)管理安全投入水平—(+)安全生產標準化建設—(-)管理缺陷。

最終，基于事故預防的安全風險管理系統仿真模型因果關系圖，如圖3所示。

圖3 基于事故預防的安全風險管理系統仿真模型因果關系

3 模型構建

3.1 系統存量流量圖構建

存量流量圖是在系統的因果回路分析基礎上，通過界定變量性質，借助更為直觀的變量符號準確描述系統要素間的內在邏輯，為后續定量分析打下基礎的圖形表示方法。存量流量圖不僅可以體現出不同性質變量的特征，而且可以根據因果關系圖中變量的演化機制，建立因素之間的數量關系，進而清晰地描述影響反饋系統的動態性能的積累效應[15]。本文通過對圖3所體現的因果關系進行分析，利用系統動力學Vensim PLE軟件進一步描繪了基于事故預防的安全風險管理系統仿真模型存量流量圖，如圖4所示。

圖4 基于事故預防的安全風險管理系統仿真模型存量流量

3.2 模型仿真參數及方程的確定

對相關變量的影響關系參數方程進行設定，是構建SD模型的重要過程。需要考慮的是，各個系統要素的影響程度存在一定的模糊性和主觀性，一般難以用精確數值來度量，因此本文擬采用三角模糊數和層次分析法相結合的方法以盡量減少主觀誤差。其參數權重計算步驟為：

步驟1：根據專家意見，對每項影響因素的重要性進行打分，構造各層次的判斷矩陣B。

(4)

步驟2：選取10名專家，對判斷矩陣B中xij項的三角模糊數Xy進行判定。

Xy=(ly，my，ty)

(5)

式中：y為專家序數，取1～10之間整數；t為模糊集的上界；m為一般值；l為下界。一般值即為專家判斷出現頻次最多、可能性最大的數值。

步驟3：運用模糊數求平均值的公式，對各專家所得三角模糊數求平均值。

(6)

步驟4：參考Chamodraks等[16]對三角模糊數X(a,b,c)去模糊化的方法，得到xij的清晰值。

(7)

形成最終判斷矩陣B。

步驟5：計算兩兩判斷矩陣各行乘積。

(8)

步驟6：對Hi的n次方根進行計算。

(9)

步驟7：確定權重。

(10)

步驟8：計算判斷矩陣最大特征值λmax。

(11)

步驟9：進行一致性檢驗。

(12)

式中：n為判斷矩陣的階數；RI為隨機一致性指標，相關取值如表2所示。當CR<0.1時，認為判斷矩陣一致性滿足要求；否則，重新進行調整，直到滿足要求。

表2 隨機一致性RI取值

限于文章篇幅，本文以人員子系統要素權重計算為例，設A1～A4分別代表人員生理及心理健康狀況、人員操作生疏程度、人員持證上崗情況以及安全生產教育培訓，去模糊化的判斷矩陣計算結果，如表3所示。

表3 人員子系統要素權重

同理，可計算其他系統要素的權重值，從而確定各參數方程中變量的系數。

主要變量參數方程，如表4所示。其中，IF THEN ELSE 為條件函數，根據括號內變量條件真假的判斷，選擇輸出值；WITH LOOKUP為表函數；INTEG 為積分函數。

表4 主要變量參數方程

4 實證分析

4.1 示例項目選取

為進一步驗證上述SD模型的有效性，本文以某建設單位于2021年建設的沈陽市某工程項目為實例，進行仿真分析。該項目占地面積62966.08 m2，建筑面積155750.78 m2，計劃工期50個月。現對該項目潛在安全風險進行測度，優選風險預防策略。

4.2 系統參數的賦值

為了預防和管理安全風險，項目啟動風險決策，進行了系統仿真參數設置。

(1)系統參數的取值。根據工程實際，在Vensim軟件中按以下方式設置模型：起始時間為0，結束時間為50，步長為1，時間單位為月。

(2)定性常量的賦值。為確保結果的一致性和可比性，各定性常量指標采用專家評估方法進行計算，取值范圍為[0,1]。

(3)變量的量化標準。安全風險水平的量化等級及標準，如表5所示。

表5 安全風險水平量化等級及標準

4.3 仿真結果及分析

(1)事故預防措施效果分析

為測試事故預防措施實施的效果，本部分模擬了未采取事故預防措施和采取全部事故預防措施下的安全風險水平仿真結果，如圖5所示。

圖5 事故預防措施安全風險水平仿真結果

根據模擬趨勢，項目施工初期由于各子系統投入產出存在延遲(事故預防措施初值為“0”，隨預防性安全投入、時間動態調整)，導致在施工初始階段風險水平不斷上升。隨著項目的推進，安全風險管理系統的負反饋回路發揮“尋的”特性，實現動態調整，安全風險水平最終趨于穩定狀態。系統仿真結果合理，遵循系統設計原理，并與工程實際一致。

根據模擬結果，事故預防措施對于建設工程項目安全風險水平具有較為顯著的抑制作用，使最終的安全風險水平降低36.6%。因此，本文進一步探索能夠有效抑制安全風險的關鍵措施。

如圖6所示，對比不同事故預防措施在項目結束時的預期安全風險水平可知，采取安全生產標準化建設S8后安全風險水平下降幅度最大，說明該措施抑制效果最好。各個事故預防措施的風險抑制效果由高到低排序為：安全生產標準化建設S8、安全生產科技推廣應用S6、安全生產教育培訓S1、安全風險辨識評估和安全評價S5、生產安全事故應急預案演練S7、生產安全事故隱患排查S3、安全檢查組織開展S2和安全標志及防護設置S4。與之對應的安全風險水平相對于未采取事故預防措施時下降11.44%～1.21%。

圖6 單一事故預防措施預期安全風險水平仿真結果

(2)事故預防措施效率分析

為研究不同事故預防措施投入下的安全風險管理效率，采用正交試驗方式，保證總投入為1個單位，制定不同方案進行模擬，如表6所示。

表6 不同事故預防措施下投入率方案

不同投入方案下損失性安全成本的仿真結果，如圖7 所示。單位預防性安全成本投入下，僅Current4和Current5明顯優于Current0(初始方案)。這說明增加技術和管理子系統事故預防措施投入比例，注重安全生產標準化建設和生產安全事故應急預案演練，提高安全生產科技推廣應用以及安全風險辨識評估和安全評價水平，對系統安全風險管理效率呈正向影響，決策者可以據此進行風險策略優化。

圖7 不同投入方案下損失性安全成本仿真結果

5 結論與建議

本文采用系統動力學方法，從動態視角出發，考慮項目管理目標間的約束關系，構建了基于事故預防的安全風險管理系統仿真模型，探索了事故預防措施對工程項目安全風險的影響機理，并設計模擬不同事故預防措施投入方案，以探究有效提升安全風險管理效率的策略。研究結果表明：

(1)結合示例項目分析，采取事故預防措施對工程項目安全風險水平有明顯的抑制作用，并進一步明確了各個事故預防措施的風險抑制效果排序，從而確定了實施事故預防措施的優先順序。

(2)通過調控不同事故預防措施的投入比例，甄別最優投入方案。就示例項目而言，決策者可適度增加技術和管理子系統事故預防措施投入比例，參考事故預防措施清單，有針對性地進行事故預防體系建設。研究結果一定程度上可為工程項目的事故預防體系建設提供量化依據，為制定投入方案點明方向。

本文建立的仿真模型有利于幫助研究人員和決策者了解基于事故預防的安全風險管理系統項目管理目標間的動態約束關系，且有助于加深建設單位對事故預防措施有效性的理解，激勵并指導其開展事故預防體系建設。此外，本研究通過不同事故預防措施投入方案，模擬探索了提升安全風險管理效率的有效路徑，從而為促進實踐中的工程項目安全風險管理提供了更清晰、更明確的指導。但本文研究仍存在一定的局限性，對系統要素間的相互作用刻畫不夠深入，后續工作中將著重探索系統要素間的關聯作用。