安全控制论及在施工现场安全管理中的应用研究

张跃兵

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

安全控制论及在施工现场安全管理中的应用研究

张跃兵

(华北科技学院 安全工程学院，北京 东燕郊 101601)

为了进一步提高事故原因分析的逻辑性和系统性，为事故预防和安全生产工作提供思路更加清晰的理论依据和实践指导，通过大量的案例分析和逻辑推理，抓住事故是危险源能量意外释放的本质特征，建立了危险源触发链条理论，并在此基础上，与控制论相结合，提出了以危险源为控制对象的安全控制论。进一步应用到企业安全管理实践中，得到“安全生产管理三步法”，即危险源辨识、危险源控制体系设计和控制体系维护。通过典型建筑施工事故案例分析证实，该方法能为企业安全生产和政府安全监管监察工作提供新的理论依据和参考，同时也为安全学术界模糊不清的隐患、人的不安全行为、物的不安全状态和管理缺陷等概念提供新解释。该理论的提出进一步完善和充实了安全控制论、安全设计及可靠性问题等，在事故调查、事故原因分析等领域具有广阔的应用前景。

危险源；安全控制论；事故致因；事故预防；安全设计

0 引言

建筑施工行业是高危行业之一，每年事故死亡人数近千人，2014年12月29日，清华大学附中体育馆及宿舍楼工程工地发生钢筋体系坍塌事故，造成10人死亡、4人受伤的严重后果[1]。该起事故由于事发地点特殊而引起社会广泛关注，在如此人才密集、管理标杆的敏感区域施工，从政府到建设单位、施工单位和监理单位都应该是异常重视和谨慎的，所有施工过程都应该是严格合法合规的，然而这种严重的责任事故还是发生了，不得不令人反思。这种事故发生的机理并不复杂，但预防这类事故的发生需要进行更深层次的分析，需要更加系统和逻辑严密的理论作为支撑，否则这类事故还会重复发生，2016年11月24日江西电厂发生的导致74人遇难的坍塌事故[2]正是验证。

2015年11月27日，海淀法院开庭审理清华附中在建体育馆坍塌事故案，对相关15名责任人进行了审理并追究了刑事责任。实际上，由于安全行为责任具有事后追究性[3]，事故调查及对责任单位和责任人的处理其最终目的是为了预防事故，这就需要事故责任追究要公平公正，要推动事故前责任体系的建立完善和落实，这些一直都是困扰安全生产工作的一项难题。本文以安全控制论为理论基础，对这起典型事故进行分析，以期换一个角度剖析安全生产工作责任体系落实这一难题，使建设工程安全生产工作思路更加清晰，并为建立可靠的较大危险源控制体系提供新的思路。从而有效预防和减少类似事故的发生。

1 安全控制论的发展历程

控制论是20世纪40年代兴起的广义概念，控制论创始人维纳(Norbert Wiener)在其1948年著的《控制论—或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》中将控制论定义为关于在动物和机器中控制和通讯的科学[4]。经过几十年的发展，控制论已经取得了十分辉煌的成果，出现了工程控制论、社会控制论、经济控制论、人口控制论、生物控制论……等等一些新的科学大厦。随着计算机和通讯工业的发展，控制论在各领域的应用更是得到了一个大的飞跃[5]。

但控制论与安全科学结合的成果较少，或者说安全控制论至今还没有比较全面的理论体系。控制论在安全领域的最早应用是20世纪80年代初，德国学者A. Kulman提出控制论与安全科学相交叉的命题[6]。1995年，花梅在建筑施工行业安全生产中，论述了控制论思想的应用[7]，王志民考虑到安全生产动态的特点将工业生产中应用控制论建立的模型“移接”到安全生产中[8]，1998年，张翼鹏、王先华等人首先提出了“安全控制论”一词，并以整个生产系统为研究对象提出了事故控制的统计学数学模型[4,9～11]。后来有更多的学者将控制论思想运用于安全行为[12]、安全管理[13]、安全评价[14]和系统设计及事故分析[15]上，同时，在地下工程施工和铁路危险货物运输等危险性较大的安全生产行业，控制论思想也得到了应用[16]，还有更多的学者将控制一词应用到重大危险源管理上[17,18]。可以看出，控制论与安全生产相结合已经得到很多人的重视，安全控制论的提出已经有近20年的历史，安全控制论的发展前景是光明的[8]，但该理论至今仍没有得到完善和更大的发展，作者认为，其原因主要是没有抓住事故的本质，没有从事故本质出发，明确安全控制的对象，建立高度概括的控制模型。

2 以危险源为控制对象的安全控制理论基础

2.1 控制论的基本思想

人是这个世界的主宰，对于一个系统或者对象，人们总是期望在未来的一段时间t内其某些参数或指标能按照人们的期望或标准r(t)来运行，这就是控制论的基本思想。经过长期研究，人们发现各种系统的控制, 不论是自动控制的机器或是人体生命系统的调节，动物的猎食活动，社会经济的运作，都是以信息的传递、反馈为基础的活动，具有相同的运行规律，进而提出控制论并建立了控制模型。控制系统有多种类型，按照控制信息的来源分为前馈控制和反馈控制，其中应用较多是如图1所示的反馈控制。

图1 典型的反馈控制模型

图1中，被控对象具有一定结构和运行机理，被控对象的特性决定了输入变量u(t)变化时，输出变量z(t)随时间的变化规律。由于被控对象的特性和输入都随着时间在变，同时被控对象还受到环境的各种噪声f(t)的影响，因此输出也会发生变化，控制的关键就是对这种变化进行监测并反馈。

监测变送单元是将被控对象的输出通过监测感应元件监测到，并转换为可传输的电磁信号y(t)传送到控制器。控制器根据监测单元传送来的信息，对照事先给定的判断准则，进行逻辑判断，以确定应当如何调节输入量，然后向调节单元发出调节指令e(t)。执行器则根据控制器传递过来的指令，通过输出信号q(t)对被控对象的输入进行改变[19]。

被控对象、监测变送单元、控制器和执行器共同构成了反馈控制系统的四个基本要素。

2.2 控制对象及控制对象运行机理的分析

要想将控制论与安全生产相结合，首先必须确定合适的控制对象，并弄清控制对象的运行机理，否则安全控制论就成了无基之石，无从谈起。

在安全生产领域，被控对象可以是一个具体的危险源，也可以是一个车间或一个企业，也可以是一个地区甚至整个国家。不同的被控对象和不同的控制目的，所对应的控制系统也不相同。同一控制对象、相同控制目的由于控制手段不同其控制体系也不同，如为了使压力容器不发生物理爆炸，可以监测压力值，并当压力达到某个临界值时进行泄压控制，也可以进行降温控制。

对于企业安全生产基础工作，其控制对象应该确定为危险源。

作者在文献[20]中通过对各种危险源定义的比较并结合安全基本原理将危险源定义为可能导致事故发生的能量或能量载体。并在这一危险源定义的基础上，分析了危险源发生为事故的机理，即危险源触发链条理论。该理论认为，事故的发生正是初始事故触发危险源和N 级……一级触发危险源相继触发的结果，事故触发模型如图2中虚线方框所示(具体参看文献[20])。从危险源触发链条理论来看，只要采取措施使触发链条断裂则事故就不会发生，让事故触发链条断裂的方法通常有两种：一是减小触发能量或者完全隔离，例如触电事故中减小触电电压；二是使被触发危险源的能量更加稳定，超过触发危险源的触发能力，例如高处作业时设置栏杆，即使有大风刮人也不会坠落。

2.3 危险源控制理论及控制体系的可靠性

在该触发模型中，理论上可以对直接危险源或任一级触发危险源建立控制系统进行控制，控制的目标就是使触发危险源不产生触发能量或触发能量低于某一阈值(直接危险源对被保护对象的作用也是如此)，但实际上对于某类事故，直接危险源是确定的，而触发危险源可以有很多种形式，如瓦斯爆炸事故，瓦斯是直接危险源，而触发危险源的火源又很多种，因此在选择控制对象时，选择直接危险源更加明确和节约。

图2 事故触发模型与直接危险源反馈控制模型

针对某类事故的直接危险源可以建立如图2所示的反馈控制模型，直接或触发危险源一般都处于一个稳定的状态，控制体系的设计就是要从能量意外释放的条件着手，例如压力容器里的气体内能正常状态下是被封闭的容器壁所控制的，气体内能意外释放的条件是其压力超过某一危险阈值。因此监测机构需要监测压力，决策机构有两个输出，一是压力值大于某个警戒阈值时，向执行机构的安全阀或者降温系统等发出指令，执行机构动作使压力降到安全的范围内；二是如果压力继续上升，达到警戒阈值，说明该控制体系失效(控制体系不可靠，即存在安全隐患)，此时决策机构要发出警报指令，启动企业应急程序。

对于一个被控对象，其监测变送单元、控制器和执行器可以是物理的机械设备装置，也可以是由人或与机械设备装置组合成的管理控制系统。控制系统具有层级性和组合性，例如企业对其内部的危险源建立控制体系，地方政府对辖区内的企业建立控制体系，国家可以对各省建立控制体系等等。一个控制系统的输出可以作为另一个控制系统的输入，组成串联控制，或对同一被控对象组成并联控制系统，从而提高控制系统的可靠性。

实际上直接危险源的参数监测达到某个阈值的时候还可以向其他触发危险源控制体系中的发出预警信息，因此其发生事故的概率计算更加复杂，需要进一步研究。

3 基于安全控制论的施工现场危险源控制案例分析

根据安全控制论，我国施工现场的安全管理是典型的多层级反馈控制，其控制的层级由低到高分别为：班组控制、施工队控制、项目部控制(施工企业控制)和地方到中央政府控制。越低层级的控制其控制的对象越少，其掌握的资源越少，但是对其控制对象的安全影响却越大。这是控制的主线，除此以外还有建设单位、设计单位以及材料设备供应商，特别是监理单位对现场危险源控制起到的作用更大。

对于一个施工现场，施工项目部是所在施工项目现场的安全生产责任主体。基于前述安全控制理论研究，提出施工现场“安全生产管理三步法”，即：第一步，危险源辨识：现场可能发生什么事故，事故发生的原因、经过及后果，即确定施工现场具有的各种直接危险源及其发生事故的机理；第二步，危险源控制体系建立：针对辨识出来的危险源及其发展为事故的机理，根据其事故严重程度划分危险源等级，建立包括技术和管理在内的反馈控制系统，危险源危险性越大，其建立的控制体系可靠性应越高；第三步，危险源控制体系维护：对危险源控制系统的检测、决策和执行机构及各机构之间信息传递的可靠性进行检查、维修和维护。

完成上述工作就能确保施工现场各种危险源得到有效控制，不会发生事故。而要完成上述工作就需要将上述工作进行任务分解，并将各项任务落实到具体的人员负责。

下面按照“安全管理三步法”对清华附中体育馆现场的坍塌事故进行分析。

第一步：辨识危险源。危险源辨识是施工现场安全管理人员的一项重要职责，很多事故发生都是由于危险源辨识不充分造成的，由于工程施工具有动态性，新的危险源不断产生和变化，这就给危险源辨识带来更大的难度，如果危险源没有得到充分辨识，危险源控制就无从谈起。

事故调查报告表明，现场钢筋可能会发生坍塌的危险源已经得到辨识，该危险源发展为事故的机理是由于筏板基础钢筋体系上方堆积物的重量会超过钢筋体系的强度或稳定性，导致重力势能意外释放。

第二步：建立该危险源的控制体系。针对该直接危险源的特点，为了预防该事故的发生，从理论上来说，一方面需要钢筋体系上的荷载要小，且受力均匀不产生集中荷载，另一方面钢筋体系的强度和稳定性要提高。现场管理人员的技术交底也确实提出了相应的措施。但是到底多大不超限，没有量的界限，没有相应的监测机构，主要还是凭经验，所以现场建立的这种控制体系不是完备的反馈控制，因此，其发生事故带有必然性。尽管，目前没有针对这种危险源建立反馈控制的较成熟的技术手段，但危险源控制理论为其指明了研究的方向。事故调查报告显示，在作业过程中钢筋体系发生明显的偏移，这可以作为钢筋体系失稳的物理变量[21]，但并没有引起足够的重视。

在没有相应技术手段时，可以建立起管理的反馈控制体系，提高危险源控制的可靠性，针对这种危险源，依靠经验和力学估算，确定能承受的安全荷载，从而计算钢筋的码放密度，编制施工方案，并将方案向下交底，同时对现场的实施情况进行监督检查。

就现有技术和管理手段，针对这一钢筋体系可能发生坍塌事故的重要危险源，对照图2项目部可建立如图3所示的控制体系。

图3 钢筋体系坍塌事故危险源控制体系

第三步：控制体系可靠性分析及维护。图3所示的控制体系主要是通过组织中的人的行为来实现的，关系到人的行为可靠性问题，包括领导行为、组织行为和个体行为，为了提高这个控制体系的可靠性，需要加强组织安全文化建设，加强组织管理等等[22]。该控制体系中的接口模型主要是通过安全生产责任制来确定和实现的。事故调查报告也显示，这起事故的发生正是“施工现场管理缺失、备案项目经理长期不在岗、专职安全员配备不足、经营管理混乱、项目监理不到位”等造成的。

为了提高上述危险源控制体系的可靠性，监理的监督，政府主管部门的监督检查及安全员的巡视都能起到并联控制的作用，由式(1)可知，并联控制体系能提高其控制的可靠性。

4 结论

正如维纳所说，随着熵的增大，宇宙和宇宙中的一切闭合系统将自然地趋于变质并且丧失掉它们的特殊性，从最小的可几状态运动到最大的可几状态，秩序是最小可几的，混沌是最大可几的[23]。在安全生产领域，事故是最大可几的，事故的控制正是使危险源处于最小可几的逆熵过程。

(1)控制体现的是人在认识和利用事物发展规律并通过人的干预(劳动和服务)使事物按照人事先设想的方向发展前进的主动性、秩序性。事故预防也一样，事故也有其发展规律，这就是危险源发展为事故的规律，即经过初始触发危险源到触发危险源到直接危险源的触发规律，利用这一规律如何控制危险源，预防事故的发生，这就是控制论在事故预防中的应用。

(2)控制论是一门新兴的学科，在诸多领域都有应用并取得丰硕成果。本文从危险源定义出发，将危险源确定为企业微观安全控制的对象，并与危险源触发事故链模型相结合，找到了一个新的安全生产与控制论结合点，丰富了危险源理论、事故致因理论、安全设计和安全控制论。危险源控制理论提出可以为以往含混不清的概念提供新解，如隐患可界定为危险源控制系统不完备或不可靠，而人的不安全行为是针对某个事故触发链条而言的，人的不安全行为可能成为其中的初始触发危险源或破坏原有控制体系的能量，物的不安全状态是指直接危险源没有建立有效的控制体系，或控制体系中的某个或某些环节存在问题，管理缺陷则是指对人或物的软的控制体系不完备或可靠性差。相信安全控制论或危险源控制论还会有更加广阔的研究前景。

(3)本文所提“安全管理三步法”理论能很好的指导施工现场的安全生产实践，能为施工现场提高安全生产水平理清思路，指明研究的方向，该理论的进一步完善还需要更多学者和现场人员的参与。企业安全生产工作的主线就是危险源辨识、危险源控制体系设计和控制体系可靠性提高，控制体系可以很复杂包括各级触发危险源和初始触发危险源等都建立控制系统，也可以建立只针对直接危险源的控制系统，对系统中的人还可以建立相应管理的软控制系统。应用较多的控制体系是典型的反馈控制，即有监测、决策和执行机构的控制系统。

本研究对企业和政府的安全生产工作都会有理论指导和借鉴作用。

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Research on Cybernetics of Safety and its Implications in Construction Site

ZHANG Yue-bing

(SafetyEngineeringSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to further improve the logicality and systematicness of the accident cause analysis, and to provide clear theoretical basis and practical guidance for the accidents prevention and safety production, through case analysis and logical reasoning, seizing the essential characteristic of the accident which is the energy unexpected release of the hazard, the hazard trigger chain theory is created. And on this basis, combining with cybernetics, the safety cybernetics is put forward. Furthermore, it is applied to the practice of enterprise safety management, and the three-step method of safety production management is obtained, which is the identification of hazard, the design of the control system and the maintenance of the control system. Confirmed through the analysis of typical construction accidents case, this theory not only can provide new theoretical basis and reference for the enterprise working safety practice and government supervision, but also can provide a new explanation for some fuzzy concepts in safety academic circle, such as hidden danger, unsafe behavior of human, unsafe condition of object and management defects. This theory further improves and enriches the theory of safety control, safety design, reliability, etc., it also has broad application prospects in the field of accident investigation and accident analysis.

hazard; safety control theory; accident causation; accident prevention; safety design

2017-01-15

廊坊市科学技术研究与发展计划(第二批)自筹经费项目(2016013115)

张跃兵(1973-)，男，安徽无为人，博士，华北科技学院安全工程学院讲师，主要从事危险源理论、应急救援和事故调查处理及现场安全管理方面的研究。E-mail:zyb8562@126.com

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1672-7169(2017)02-0078-06