基于系统思维的施工安全管理可靠性模型与实证分析

张 伟， 张 潇， 陈 曦， 赵挺生

(华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

建设工程施工领域安全事故发生较为频繁，安全管理是工程企业和项目管理的重中之重。据统计，2017年全国共发生房屋市政工程生产安全事故692起，死亡807人，比2016年同期事故起数增加58起，死亡人数增加72人，同比分别上升9.15%和9.80%[1]。近年来，国家为了提高建筑施工行业的安全生产管理水平，减少事故的产生，相继颁布诸多与安全管理相关的法律文件，逐步形成比较完善的法律体系[2]。建筑施工企业作为施工现场安全生产管理的主体，其安全管理水平直接影响我国安全生产现状。面对居高不下的安全生产事故起数和死亡人数，采取科学的方法提高施工企业和施工现场的安全生产管理水平具有重要的现实意义[3]。

国内外较多学者对施工安全管理进行了研究。在安全理论方面，Heinrich[4]提出了事故因果连锁论；Lingard等[5]认为减少安全事故的发生关键在于设定安全管理目标，并依据管理目标来规范施工操作。在安全管理体系方面，Liska等[6]提出了建筑安全零事故的技术体系；赵晓明等[7]认为建立和健全施工安全管理系统是建筑施工过程中实现全员安全管理的组织保证；张彦民等[8]则建立了职责明确、相互协调的施工安全管理组织体系；Wilson等[9]主张应建立一套能提高工人安全工作积极性的安全管理体系。在安全管理影响因素方面，李兴怀[10]从分析不安全因素入手，揭示影响施工安全生产的主要因素为人、机、料、法、环；董留群[11]结合实际案例，利用故障树分析法对项目在安全管理中存在的问题进行分析和总结，并针对问题提出对策和建议。

本文拟在国内外研究基础上，将施工安全管理作为一个复杂系统进行研究，运用系统思维对施工安全管理中各管理要素进行分类、整合、梳理，从而有效简化施工安全管理系统，构建出施工安全管理系统模型，然后在已建立的施工安全管理系统模型基础上，以组织管理子系统为例，采用故障树方法分析其失效原因，构建可靠性模型，以便找出其失效模式，最后在武汉地区开展问卷调查，用统计分析方法得出组织管理子系统中管理因素的关键重要度和发生问题的频率，识别关键管理因素，并提出相应的改进措施。

1 施工安全管理系统模型

1.1 施工安全管理系统模型构建思路

系统是指由两个以上有机联系、相互作用的要素所组成，具有特定功能、结构和环境的整体[12]。施工安全管理作为一个典型的复杂系统，涉及项目各个阶段、多方主体和多种要素，为建立全面、清晰的施工安全管理系统模型，结合系统科学理论，确立如下构建思路：

(1)安全管理工作涵盖项目的全寿命周期，从项目前期策划一直到项目竣工，而本文主要针对安全因素较多的施工阶段，构建施工安全管理系统模型；

(2)施工安全管理主体较多，包括业主、监理、勘察设计、施工单位以及政府监管部门，出于精简、重点选择原则，主要从施工单位的角度出发，着重构建以施工项目部自主管理为主，结合业主、监理和施工企业监督的施工安全管理系统模型；

(3)施工安全管理系统过于庞大，本文结合系统论相关方法，对子系统分别建立模型，各子系统为平行关系，共同决定施工安全管理系统的稳定性和可靠性。

1.2 施工安全管理系统模型构建

按照上述思路，基于人、机、料、法、环五要素的分解方法，结合安全管理法律法规及相关管理办法，将施工安全管理系统模型分解为六个子系统模型。

(1)安全组织管理。安全组织管理子系统是施工安全管理系统的核心，包含机构、人员、制度建设三方面内容。理清组织管理子系统中各要素间关系，可为施工安全管理系统的有效运行提供组织保障，其结构如图1所示。

图1 安全组织管理子系统

(2)安全技术管理。安全技术管理子系统是施工安全管理系统的关键，包含危险源管理、技术交底与落实、危险性较大的专项施工方案三方面内容。梳理技术管理子系统中各管理要素，构建技术管理子系统，可为施工安全管理系统的有效运行创造良好的技术环境，其结构如图2所示。

图2 安全技术管理子系统

(3)安全资源投入管理。安全资源管理子系统是施工安全管理系统运行的基础，包含安全生产费用、工人安全防护装备及生活条件保障、施工现场安全保障物资与工具、大型机械与特种设备管理、危险物资管理、临时设施管理六方面内容。有序的资源管理可为安全管理系统运行提供物质条件，其结构如图3所示。

图3 安全资源投入管理子系统

(4)安全教育培训。安全教育培训子系统是施工安全管理系统运行的根本，包含安全文化和安全知识两部分。明确安全教育培训的对象、类型、内容，制定并落实对管理人员、作业人员的安全培训计划，既可培养各类人员的安全意识，也可提高他们的管理、技术操作水平，强化安全管理理念，其结构如图4所示。

图4 安全教育培训管理子系统

(5)安全逐级监管。安全逐级监管子系统是施工安全管理系统运行的保障，包含班组安全生产自行管理、项目部安全生产管理、施工企业安全生产管理、其他逐级监管这四方面内容。从班组、项目部以及企业三个层面来分析监督管理系统，明确监管责任人和监管手段，可避免管理重复或管理漏洞等出现[13]，其结构如图5所示。

图5 安全逐级监管子系统

(6)安全应急管理及事故处理。安全应急管理及事故处理是施工安全管理系统出现问题时的应急机制，包含应急管理和安全事故处理两方面内容。制定有效、可操作的应急预案，以及针对不同安全事故的处理措施，可切实提高预防、控制事故的能力，将发生事故时造成的危害和损失降至最低，确保即使发生事故，安全管理系统也能迅速恢复到稳定运行状态，其结构如图6所示。

图6 安全应急管理及事故处理子系统

2 施工安全管理系统可靠性模型

2.1 子系统可靠性故障树建模原则

根据上节构建的施工安全管理系统模型，采用故障树方法分析其失效原因，建立可靠性模型，以便找出其失效模式。由于管理缺陷是导致事故发生的最根本原因，本文编制子系统故障树时忽略了自然环境、意外事件等方面的因素，对于管理方面的因素也有所取舍，建模时主要考虑导致系统失效的主要因素，并对编制的子系统故障树进行定性分析。由于受篇幅所限，仅以组织管理子系统为例，对其他子系统不再予以分析。

2.2 安全组织管理子系统可靠性模型

安全组织管理是由机构、人员以及制度建设三部分组成。机构为组织管理的框架，通常设置多层级管理机构以保证管理方案、政策的顺利传达与实施；人员是组织管理中的主要执行者，负责安排、执行各项管理决策，保证各项决定落到实处、发挥作用；制度建设是组织管理中的监督力量，通过制定各项标准以监督机构、人员的行为，保障各项决策的制定有理有据。从这三方面分析施工安全组织管理子系统失效的原因，其故障树如图7所示，顶事件为安全组织管理子系统失效，分别从机构监管失效、人员管理失效以及制度无效三方面依次分析子系统失效原因。顶事件编号为T1，基本事件以X开头依次编号，中间事件层层分解，由上往下以A，B，C，D编号，各事件名称如表1所示。

由图7可知，施工安全组织管理子系统故障树中有28个基本事件。采用上行法对施工安全组织管理子系统故障树进行定性分析可知，其最小割集共有30个，分别是{X1}，{X2}，{X3X6}，{X3X7}，{X4X6}，{X4X7}，{X5X6}，{X5X7}，{X8X11}，{X8X12}，{X9X11}，{X9X12}，{X10X11}，{X10X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}，{X21}，{X22}，{X23}，{X24}，{X25}，{X26}，{X27}，{X28}，每个割集代表子系统失效的一种失效路径，故该故障树存在30种潜在失效模式。

图7 施工安全组织管理子系统故障树

表1 故障树中各类事件的名称及底事件发生概率

续表1

3 实证分析

为验证上述可靠性模型的实用性，在武汉地区开展问卷调查，获取相关数据，首先采用模糊集理论确定可靠性模型中各底事件的发生概率，计算组织管理子系统的失效概率和各底事件的关键重要度，并将各底事件按照关键重要度排序，然后联系它们在实际施工中的发生频率均值，识别子系统中的关键管理因素，提出相应的管理改进措施，从而提高施工安全管理效率，改善施工安全管理效果。

3.1 问卷调查

对在武汉地区已从事施工安全管理实践或研究工作多年的专家进行问卷调查，获取其对组织管理子系统中各底事件发生频率的判断，进而综合分析得出可靠性模型中各底事件的发生概率。由于是从施工单位角度构建的施工安全管理系统，因此问卷调查的受访对象主要集中在施工单位，也包括少数在高校从事施工安全管理研究的学者。问卷包括两个部分，第一部分用于获取专家基本信息，第二部分用于调查子系统中底事件的发生频率。采取选择答案的形式来完成问卷数据收集，其中针对第二部分，考虑到专家仅凭工作经验无法准确估计各底事件发生的概率，多会用自然语言，故在问卷设计中对每个咨询问题均设置五个备选项：“很少发生”“较少发生”“一般”“较常发生”和“经常发生”，并采用李克特五级量表进行评分，1表示“很少发生”，5表示“经常发生”。

采用邮件方式分别向专家组成员发放问卷，共回收有效问卷58份，鉴于研究成果的有效性与专家的经验和回答质量有关，因而在有效问卷中选取工作年限较长、经验较丰富的40位专家所填问卷进行数据分析和处理，专家基本信息的统计分布如表2所示，40位专家中，中级职称及以上的专家占比62.5%(25人)，从事本专业工龄五年以上的专家占比75%(30人)，本科以上学历的专家占比72.5%(29人)，这说明受访专家具有丰富的施工安全管理经验和专业知识，且专家职位从公司高管到项目部其他管理人员，各管理层级均有涉及到，表明调查样本具有代表性。

3.2 数据处理

3.2.1故障树底事件发生概率

以组织管理子系统中“安质部与其他部门的安全职责分工不明确(X4)”为例，计算该底事件的模糊失效率。

(1)确定专家意见权重

根据获取的专家基本信息，考虑5个权重项(职称、职位、本专业工龄、学历以及年龄)，每项又分为4～5个子项，采用强制比较法赋予每个专家不同权值。根据对个人施工安全管理经验和知识影响程度的不同确定权重项的权值，根据客观级别的高低、工作年限的长短和年龄大小确定权重子项的权值，各权重项、子项以及分值情况如表2所示。

表2 专家基本信息统计分布和权重评分

注：i，j为表格中权重项和权重子项的项数，取值均为1，2，3，4，5；表格中“职称”“职位”分别为第1个和第2个权重项，“正高”“副高”分别为第1个权重项的第1个权重子项和第2个权重子项，其他依此类推。

设第i个权重项的权值为wi，第i个权重项的第j个权重子项的权值wij，则第n位专家的初始重要度为：

(1)

式中：n的取值为1,2,…,40；rn为第n位专家的初始重要度。

将40位专家的初始重要度归一化处理后得到标准重要度，第n位专家的标准重要度Rn为：

(2)

以第1位专家(初级职称，项目部门负责人，本专业工龄满10年，本科学历，年龄在30～39岁)为例，由式(1)可得，其初始重要度r1=5×2+4×2+3×4+2×4+1×2=40，同理算出其他专家的初始重要度，根据式(2)归一化处理后即可得到所有专家的标准重要度。

(2)将问卷结果转为模糊集

问卷调查中将底事件发生的频率分为“很少发生”“较少发生”“一般”“较多发生”“经常发生”五类，这五类自然语言的模糊数表达形式如图8所示。

图8 代表自然语言的模糊数

由图8所示的模糊数表现形式，其隶属度函数表达式分别为：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：L，FL，M，FB，B分别表示“很少”“较少”“一般”“较多”“经常”。

(3)确定平均模糊数

40位专家对“安质部与其他部门的安全职责分工不明确(X4)”的评估意见分别是：“很少发生”，24个；“较少发生”，4个；“一般”，7个；“较多发生”，4个；“经常发生”，1个。

选用模糊集的α截集来综合处理40位专家的意见[14]，在α截集下，结合专家的标准重要度以及问卷中各专家对X4发生频率的判断，可得出专家意见的平均模糊数W为[(0.12952+0.08024α),(0.46753-0.19578α)]。

由于W也为模糊集，令Wα=[z1,z2]=[(0.12952+0.08024α),(0.46753-0.19578α)]，z1,z2为α截集的上下限，则α分别为：(z1-0.12952)/0.08024，(0.46753-z2)/0.19578，所以平均模糊数W的关系函数为：

fw(x)=

(8)

(4)将模糊数转为模糊可能性值(FPS)

由于引入模糊数分析底事件发生概率，而模糊数可能代表隶属函数中的许多实数，导致无法在故障树中进行定量分析，因此必须将模糊数转化为模糊可能性值，本文采用左右模糊排序法进行转换[15]，最大模糊集fmax(x)和最小模糊集fmin(x)如下：

(9)

(10)

则W模糊集的FPSR(右模糊可能性值)和FPSL(左模糊可能性值)分别为：

FPSR=sup[fw(x)^fmax(x)]=0.390982

FPSL=sup[fw(x)^fmin(x)]=0.80582

W的模糊可能性值为：

FPST(w)=(FPSR+1-FPSL)/2=0.29258

(5)将模糊可能性值转为模糊失效率(FFR)

有些底事件发生的概率可能是确定的，为了保证确定的发生概率和模糊集理论计算的失效概率相一致，需将FPS转换为FFR[16]。

(11)

则FFR=8.16×10-4，即“安质部与其他部门的安全职责分工不明确(X4)”发生的概率为8.16×10-4。

同理可得施工安全组织管理子系统中各底事件发生的概率，结果如表1所示。

3.2.2故障树定量分析

(1)计算顶事件发生概率

(2)重要度分析

故障树中每个底事件对顶事件的影响程度有所不同，通过重要度分析，可判断每个底事件对整个系统的影响程度。本文选取重要度分析中的关键重要度指标来作为判断依据，找出施工安全组织管理子系统中的关键管理因素。关键重要度反映的是顶事件发生概率的相对变化率对底事件发生概率的相对变化率的敏感程度，其一般性计算公式如下：

(12)

依据子系统失效概率和式(12)，可得施工安全组织管理子系统中各底事件的关键重要度及其排序，如表3所示。

3.2.3底事件实际发生频率均值

根据调查问卷中40位专家对底事件发生频率的选择，对各底事件在实际工程中发生频率进行简单的统计计算，用40位专家打分的平均数作为底事件发生频率的均值Fm。

(13)

式中：ci表示第i位专家对某个底事件发生频率的打分，Fm表示第m个底事件发生频率的均值，m的取值为1,2，…，28，Fm的值越大，表示在实际工程中对应的底事件出现的次数越多。

施工安全组织管理子系统中各底事件的发生频率均值及其排序如表3所示，对发生频率均值排名前六的因素加粗标识。

3.3 问题分析

由表3所列的因素关键重要度，取排名前六的敏感因素，可对武汉地区的施工安全管理现状做出如下问题分析。

(1)施工安全管理人员素质整体不高

表3 施工安全组织管理子系统因素重要度及频率

“专职安全员无相应执业证书(X13)”在实际施工中表现为专职安全员上岗前未参加相应培训考试获得执业证书，或其持有的证书因逾期未审核而无效；“专职安全员能力和经验薄弱(X14)”在实际施工中表现为专职安全员由于能力和经验不足，对实际施工中容易出现安全问题的环节不清楚，未能提前采取危险源监控、事故预防等措施。

(2)施工安全管理制度建设未落实

组织管理子系统关键重要度排序前六个因素中，关于制度内容以及执行效果不佳的因素有4个(占比67%)，可知制度建设对组织管理的可靠性具有十分重要的作用。

“未落实安全生产费用保障制度(X22)”“未落实班前安全会议制度(X21)”“未落实安全生产责任制度(X16)”在实际施工中分别表现为安全生产费用的投入不足、不重视班前安全会议的召开、人员安全生产责任不明确等。制度建设覆盖施工各环节，具体制度未落实会直接导致其他五个子系统中相关因素的发生，因此在实际工作中应采取有效措施确保制度的严格落实；“未考评各安全管理制度执行效果(X28)”在实际施工中表现为未设立制度考核标准，或虽设立标准但并未依此对人员进行考核。

由表3所列的因素发生频率均值可知，除了上述分析的六个敏感因素，以下问题在实际施工中发生次数较多，也具有较大的安全隐患。

(1)人员数量不足

“专职安全员数量不足(X15)”反映了当前施工现场在安全员配备数量上的不充分，施工企业未严格执行《中华人民共和国安全生产法》的有关条款。专职安全员数量不足将会导致划分安全员检查片区时安全管理面积较大，难以对片区内所有安全隐患及时、有效的排查整改到位，人员的管理失误也会更容易出现，这对项目生产以及人员的安全作业都是极大的隐患。

(2)施工安全管理人员履职不到位

“管生产同时管安全(X9)”这一问题发生频率高达2.3，为频率排名第四的要素，可反映出许多项目中都存在生产、安全同人监管的情况，这一问题的出现无疑反映出现阶段仍有许多施工企业一味追求生产利润而忽略安全问题所带来的损失；“各部门未充分履行安全管理职责(X5)”反映出在实际施工中虽然制定了相关制度、明确了部门人员的安全管理职责，但在履职时仍出现差错，可能是制度内容的制定不合理，无法让部门、人员明确自身的职责内容，也可能是部门、人员对制度理解不到位，导致履职不充分。

(3)履职考核未进行

“未设立管理人员的安全履职考核标准(X11)”反映出在项目中履职考核的第一步——制定考核标准，没有得到落实；“未按考核情况对各部门实施奖罚(X7)”则反映出奖罚制度未落实，未对部门、人员履职情况进行考核导致对其监管、督促作用降低，无法有效提高部门、人员的履职行为，保证其在以后类似工作中可以更好地完成各项任务。

3.4 改进建议

依据上述对组织管理子系统中关键管理因素的分析，结合各因素在实际工程中发生的频率大小，对武汉地区的施工安全组织管理提出以下几点改进建议。

(1)优化人员队伍

各部门依据岗位内容的不同，设立不同的人员录用标准，严格按照该标准进行人员的选用。关于证书、技能等级等要求，在人员上岗前做好各项审核工作，保证证书内容、期限的有效性，确保欲上岗人员与岗位的匹配程度较高。

(2)加强制度建设

建立健全覆盖施工各环节的各项制度，以制度约束人的行为，保障各项生产工作安全、顺利开展。制度内容应明确规定制度执行方式、制度执行人、责任人以及制度考评标准，确保制度运行无误，使其发挥最大效用。

(3)建立合理的奖惩机制

明确各项制度中具体工作的责任人，设定严格的考核标准，依据人员的实际工作情况，对其进行公正、公平、公开的奖罚措施。将定期与不定期考核相结合，确保人员时刻牢记其安全管理职责，各项工作都能保质保量完成。

(4)岗位职责流程化

按工作、部门、岗位分别梳理编写不同的工作标准化流程，这些流程可直观展现各部门、各人员在该项工作中的配合，避免出现职责交叉或者管理漏洞，部门、岗位层面的流程体系可明确各部门人员的工作职责，也是对机构、人员进行考评的标准之一。管理流程一旦制定，必须统一按照流程办理。

4 结 语

本文旨在从施工单位角度对施工阶段安全管理的可靠性进行相关研究。基于系统思维构建出施工安全管理系统模型，以组织管理子系统为例，构建其可靠性模型，并在武汉地区开展问卷调查，对可靠性模型进行实证分析，验证了该模型的实用性。研究成果有助于施工单位构建较为全面的施工安全管理系统，并识别系统中关键管理因素，从而有针对性地实行施工安全管理，为提高施工安全管理系统的可靠性提供参考。