基于SD的既有线施工安全管理多目标决策分析

田苾，黄健陵，陈辉华，杨丁颖，曾晓叶



基于SD的既有线施工安全管理多目标决策分析

田苾，黄健陵，陈辉华，杨丁颖，曾晓叶

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

针对既有线施工风险事故高发，进度难以顺利开展的现状问题，提出一种基于SD的既有线施工多目标决策分析方法。在实践基础上对既有线施工关键问题安全和进度进行识别，并构建多目标管理系统结构框图；在此基础上确定模型边界和子系统，通过劳动力数量、操作水平和返工率等要素深入反映系统目标之间的相互影响关系并构建因果关系图；结合案例进行模型仿真，对不同行为模式和不同天窗兑现率下的系统变化趋势进行对比分析，提出系统满意解和不同系统目标下的优化策略，结果表明，天窗兑现率对既有线施工违章和风险水平影响较大，为既有线施工安全管理提供了政策支持和参考。

安全管理；既有线施工；系统动力学；模型；多目标决策

随着列车速度和运行条件的大幅度提升，既有线施工项目逐年增加。在不间断运营条件下，因施工与运输相互干扰，有效的施工作业时间和空间越来越小，使得此类项目难度大、风险高，且工期紧张。目前安全和进度风险的控制已成为衡量既有线施工项目成败的关键因素[1]。回顾以往既有线施工管理实践，施工企业迫于进度压力往往盲目赶工而忽略安全隐患；或受安全事故干扰无法有效完成项目施工计划导致延迟误点，这些都是不可取的。运营条件下如何平衡安全与进度等管理要素之间的关系，准确把握安全风险传导路径以采取正确可行的对策是管理者需要面对的实际问题。现有研究[2−4]大多基于实践经验，在定性研究基础上就如何强化既有线施工安全管理提出相应对策，无法进行全面系统分析和动态定量研究，无法有效反映风险与进度等其他要素之间相互作用关系。系统动力学(System Dynamics，简称SD)是1956年由美国麻省理工学院Jay. w. Forrester教授首次提出的一种研究系统动态行为的计算机仿真技术，所获得的信息用来分析和研究系统的结构和行为，可为正确决策提供科学依据，是研究复杂大系统运动规律的理想方法[5−9]。本文拟采用SD方法，基于既有线施工过程中的条件、行为和技术水平考虑，对天窗条件下施工管理系统中影响因素的变化规律和影响进行全面而动态的分析，建立科学的系统因果逻辑模型，并模拟不同条件下系统变化情况，为管理决策提供指导。

1 基于SD的既有线施工安全管理决策方法

1.1 理论基础

系统的行为模式与特性主要取决于其内部的动态结构与反馈机制[6]。首先，将多目标视角下的既有线施工管理系统视为，把系统按其内部特点与性质划分成若干个相互关联的子系统：

式中：代表整个系统；代表子系统；R代表矩阵。在这些子系统中往往只有部分是相对重要的。各子系统之间的相互关系可通过关系矩阵的非主导元反映出来。但在安全复杂系统中，因其机理尚不太清楚，难以给出明显的数学描述。SD可以用定性或定量的方式来区分处理这些问题。

另外，本文研究的既有线施工安全多目标决策问题虽为复杂高阶系统，但也可看成若干个一阶系统和二阶系统的组合，简单一阶反馈回路由变量、常量和SD方程来表示，SD提供延迟函数、逻辑函数等变量方程和常数一起对系统结构行为和特点进行描述。

1.2 建模步骤

SD建模的主要步骤如图1所示，所选择的仿真软件为Vensim® Version 6.4。

图1 面向既有线施工管理决策的SD建模过程

2 既有线施工安全管理系统

2.1 既有线施工概述

既有线施工是指影响营业线设备稳定、使用和行车安全的各种施工，必须纳入天窗。在铁路运量不断提升的形势下，天窗成了施工与运输矛盾的体现。目前我国既有线施工面临的问题除了天窗兑现率和利用率不高，天窗设置和施工组织欠缺科学合理性，最严峻的在于既有线施工作业安全事故高 发[1, 10]。近几年涉及既有线施工的安全事故每月高达1 800多项，是铁路建设工程重大事故易发类事故之一[1−2]。其主要原因包括违章操作、未及时发现隐患并处理、安全管理工作不到位等。结合事故致因理论认为，人的失误对于既有线施工安全事故的发生起决定性作用[4, 11−12]。

2.2 多目标视角下的既有线施工安全管理

营业线施工必须坚持“安全第一，预防为主”的方针，同时铁道部提出“六位一体”，整体控制以实现项目管理良好效果的要求，因此既有线施工不能脱离工期、成本等控制要求而空谈安全，更不能无视安全风险而片面加快进度和压缩成本。结合系统工程理论，将既有线施工多目标管理系统定义为：在既有线施工过程中，通过一系列管理和技术措施，以及人、物、环境的和谐运作，使得在既有线行车和设备、作业人员生命和健康得到保护，施工机械损坏及其他不可接受的损害风险始终处于有效控制的前提下，顺利完成有关进度、成本等多目标控制要求[13−14](如图2)。受天窗限制影响，安全和进度的控制是既有线施工管理的主要目标。

图2 既有线施工多目标管理系统结构框图

3 既有线施工安全管理的SD模型构建

3.1 系统边界和子系统

将多目标体系中的安全和进度作为主要要素，将施工企业特别注重的成本作为参考要素，而质量等其他要素不作为分析对象。因此，影响施工安全、进度和成本的整个范围作为系统与环境的界限。以安全、进度和成本为目标选取系统变量。系统内包含与建模目的紧密相关的关键子系统和关键变量(图3)，系统内难以改变的环境因素不作为仿真模型考虑内容。

图3 既有线施工管理系统的模型边界及子系统图

3.2 因果关系图及反馈回路分析

3.2.1 既有线施工安全子系统

既有线施工安全工作水平的高低具体表现为安全事故发生概率的大小。既有线施工风险水平主要由人因决定，比如违章施工、管理失误等。安全事故一旦发生，必将影响既有线行车，阻碍项目进度的顺利开展并带来一定程度的人员伤亡和经济损失，同时降低组织自满，施工部门在安全压力下将增加安全投入，以期降低安全事故发生概率。据3E原则，施工部门的安全投入主要划分为教育、法制管理和技术投入三大块，其中安全教育培训不仅作用于人的行为和状态而影响风险水平，还通过有效劳动力数量影响工程进度；而管理和技术方面的投入则会通过施工管理水平和技术水平影响风险水平。

3.2.2 既有线施工进度子系统

进度风险的大小具体表现为实际进度与计划进度的差值。据项目管理实践，当既有线施工现场已发生进度落后的情况时，受天窗限制，以延长作业时间来加快进度的方法是不可取的。因此，可以采取的措施通常为：增加劳动力资源以扩大工作面；采取激励约束手段以增加工作强度；改进机械作业方式并采取组织和管理措施以提高施工效率。在一定的管理水平和工程条件下，当采用普遍的施工方法时，工程进度主要受劳动力数量、返工率、劳动时间和安全事故的影响[13, 15]。

3.2.3 既有线施工成本子系统

本文不对既有线施工过程中发生的全部生产费用进行分析，仅在模型边界范围内，对人员疲劳程度下的返工损失、风险事故经济损失及安全投入偏差进行分析。对于管理者来说，施工过程中的损失越小，项目实际投入与计划投入之间的偏差越小，成本的控制就越好。

3.2.4 多目标视角下既有线施工系统因果关系

综上所述，对内部因素和关键参数进行取 舍[1, 13, 15]，则得到多目标视角下的既有线施工安全系统因果关系，如图4所示。运用Vensim分析工具Loops进行分析，可得到系统反馈回路并进行极性判断。

由正负反馈作用原理可知[6]，如果有效发挥系统中相关变量间负反馈环的调节效果，既有线施工安全风险将逐步降低，如当既有线施工风险水平上升到一定程度时，通过提高安全投入、加强安全教育培训的方式提高工人操作水平，将有效增加日工程量减缓进度压力，避免因盲目赶工产生违章施工行为，从而降低既有线施工风险。反之，当风险水平或进度压力处于正反馈环中时将产生自增强效果，如：进度落后时片面提高雇佣率以扩大作业面将带来作业干扰，从而增加既有线施工风险水平，继而因事故干扰造成工期损失，最终进一步加大进度压力。故扩大作业面的同时应加强安全教育或进一步完善安全防护措施，以避免这种情况发生。

3.3 总体存量流量图

根据系统边界和因果关系图选取SD模型变量，此系统模型包含变量49个，常量6个。模型中主要的变量及函数关系说明见表1。由于人的因素是影响既有线施工安全水平的主要因素，本文主要围绕人因即劳动力来构建总体存量流量图(如图5)。模型未包括因果关系图中全部因素，仅针对系统目标进行简化。

表1 既有线施工安全管理SD模型主要变量及常量说明

安全投入调节系数无量纲with lookup(既有线施工风险水平,([(0,−0.2)−(1,1)],(0,-0.2),(0.003,0),(0.03,0.1),(0.3,0.5),(1,1) ) 进度压力无量纲(计划工程量−已完工程量)/计划工程量 作业干扰无量纲with lookup(劳动力数量, ([(0,0)−(200,1)],(0,0),(50,0),(75,0.01),(100,0.1),(120,0.4),(130,0.7),(140,0.85),(150,0.9),(180,0.98),(200,1) ) 疲劳无量纲with lookup(劳动强度, ([(0,0)-(1,1)],(0,0.045),(0.1,0.21),(0.17,0.3),(0.25,0.37),(0.3,0.4),(0.6,0.4),(0.7,0.45),(0.8,0.58),(0.9,0.76),(1,1) ) 管理失误无量纲进度压力*违章施工 投入充足率无量纲实际安全教育投入/教育投入需求 安全教育水平无量纲with lookup(投入充足率, ([(0,0)−(2,1)],(0,0),(0.27,0.16),(0.48,0.41),(0.6,0.62),(0.79,0.8),(1,0.9),(1.5,0.98),(2,1) ) 操作水平无量纲持证比例*安全教育水平*(1−管理失误) 伤亡率无量纲既有线施工风险水平*平均伤亡率 劳动力小时工作量/ma1*(1+施工效率) 实际劳动力小时工作量/m劳动力小时工作量*(劳动强度+1) 作业时间/h图定天窗−(延迟误点/60) 延迟误点/minRANDOM NORMAL(0, 20, 9, 10, 1)

图5 多目标视角下的既有线施工安全管理存量流量图

4 SD仿真及结果分析

4.1 案例背景

以某既有线路堑扩挖工程为背景进行仿真。路堑扩挖总计约24 km。既有线施工天窗4 h，全年天窗兑现率约96%。安全生产目标是确保无既有线行车险性以上事故，按合同履行工程量。为保证模型适用性提出如下假设：1) 模拟期间，行业政策与经济环境不发生变化；2) 施工机械设备按台班折合成劳动力；3) 忽略成本压力对实际进度和风险水平造成的影响；4) 忽略价格市场变化；5) 忽略由增加工作面或流水作业改平行作业方式带来的资源配置紧张问题。

4.2 模型参数设定

结合案例实际，模型时间跨度设定为200 d，仿真步长单位：d，初始劳动力数量为100人，进度和目标进度初始值为0，正常情况下人工效率a1为3 m/人·h，教育培训标准取15元/人·d。每日实际作业时间应在4 h天窗基础上考虑既有线延迟误点情况(根据历史天窗兑现率，采用随机函数进行 模拟)。

既有线施工风险水平等级标准参考《铁路建设工程风险管理技术规程》及相关法规进行设定，见表2。系统安全管理水平目标设为低风险。

表2 既有线施工风险水平等级标准及对应措施

4.3 进度压力下的既有线施工策略模拟

提高施工效率、劳动强度和雇佣率作为减轻进度压力的手段，其权重代表管理者相应偏好。管理者的决策偏好，决定了进度压力下的行为策略模式(参表3，其中1代表理想模式，2代表赶工模式，3，4和5分别代表某种偏好模式，5代表均衡模式)。在其他变量不变的情况下，模型通过改变变量权重赋值来进行行为模拟，根据系统运行后安全水平、进度压力和损失量的变化情况进行决策。

表3 不同策略模式下的权重赋值

4.4 仿真结果及分析

4.4.1 不同策略下的仿真结果对比分析

不同策略下既有线施工风险水平、进度压力和损失量随时间变化情况如图6~8所示。图中曲线上的数字代表不同策略。

图6 不同策略下的既有线施工风险水平对比

图7 不同策略下的既有线施工进度压力对比

图8 不同策略下的既有线施工损失量对比

综合图6~8对比分析，mode 1的风险水平、进度压力和损失总量都最低，为最优解；反之，mode 2为最劣解。这表明进度压力下片面提高劳动强度以加快进度的做法是不科学的，在既有线施工中要避免这种作法，积极推广使用先进的施工机具和科学的施工方法，提高施工作业效率，有计划、有组织地进行既有线施工。然而，现实管理实践中，mode 1只能作为一种理想模式，在现有的施工技术水平和方法下，施工效率的提高是有限的，只能寻求其他的满意解。

相较于其他模式，mode 3和mode 5其风险水平、进度压力和损失总量均保持着较低值，可为满意解，其中mode 3的风险水平相对更低些，mode 5在进度方面表现更好。而mode 4和mode 6在第1周进度压力稍低于mode 3和mode 5，之后大幅度增加，风险水平和损失量也处在较高的水平。这说明以增加劳动强度为主的策略，只能在短期内加快进度，当人员疲劳程度达到一定值，将增加施工风险水平，继而干扰进度并产生事故经济损失和返工损失。而3种手段齐头并进的策略，效果也不理想。

因此，当进度压力更小时，为确保安全，可优先选择mode 3，可在增加一定劳动力的基础上，重点通过合理安排工作面，优化设备和工序来加快进度；当进度压力更大时，mode 5以增加劳动力为偏好的模式是更好的选择，可在确保低风险水平的条件下，尽量扩大作业面组织平行施工，同时注意优化施工组织和安全防护，以避免作业面之间和上下工序之间的干扰问题。而当工期接近结束时，可适当考虑增加劳动强度，既可以避免后期因疲劳积累带来的风险和损失，也能更快完成计划工程量。

4.4.2 不同天窗兑现率下的仿真结果对比分析

为进一步分析，通过改变延迟误点的赋值模拟不同的天窗兑现率(表4)。

表4 不同天窗兑现率的赋值情况

图9 不同天窗兑现率下的风险水平对比分析

图10 不同天窗兑现率下的施工违章对比分析

图11 不同天窗兑现率下的进度压力对比分析

综合图9~11对比分析，当采用同一种策略模式时，随着天窗兑现率的降低，既有线施工风险水平、施工违章、进度压力均有不同程度的增加，特别是风险水平和施工违章变化明显。由此可以看出，天窗兑现率的高低变化对既有线施工违章情况和风险水平影响较大。为有效增强和完善既有线施工安全管理，运营部门应进一步优化运输组织，提高天窗兑现率。

5 结论

1) 在实践基础上对多目标视角下既有线施工管理面临的关键问题(安全和进度)进行识别，再加入成本因素对既有线施工多目标决策问题进行SD模型构建，系统展示天窗条件下施工风险水平、进度压力和成本之间的互相影响关系，并据因果关系做出定性分析。

2) 结合案例背景对多目标视角下的既有线施工安全管理进行SD仿真，通过改变变量权重赋值，模拟不同行为策略下施工安全水平、进度压力水平和成本损失的变化趋势，据对比分析给出不同系统目标下的优化建议；模拟不同天窗兑现率下施工安全水平、违章情况和进度压力的变化趋势，结果表明随着天窗兑现率的降低，违章情况和施工风险水平明显增加。

3) 将SD引入既有线施工的多目标决策优化，再次验证了SD在处理复杂系统问题方面的优越性，为相关领域的管理决策问题提供了参考和研究基础。由于既有线施工安全管理系统涉及因素复杂，各子系统间的函数关系难以确定，模型构建过程中结合历史数据和专家咨询对模型进行了简化，后续研究可不断完善。

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Multi-objective decision making in construction safety management of railway in service based on system dynamics

TIAN Bi, HUANG Jianling, CHEN Huihua, YANG Dingying, ZENG Xiaoye

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In view of the current problems of high incidence of existing railway construction risk accidents and the difficult development of engineering progress, a multi-objective decision analysis method based on system dynamics was proposed. On the basis of practice, the key problems of safety and progress faced by existing railway construction were identified, and a block diagram of construction management system was built from the perspective of multi-objective. On this basis, the model boundary and subsystems were identified, and the interaction relationship between the different system goals was deeply reflected by factors such as the number of labor, operation level, repetition rate, and according to the system causality diagram, the feedback loop analysis was carried out and the optimization suggestions were proposed. The SD model simulation was carried out with case study and, the comparative analysis about the trend of system changes under the different policy patterns and realization possibility of skylight was conducted, and as a base of it, the system satisfactory solution was obtained, the optimization strategy under different system targets was given, and the analysis result shows the height of the realization possibility of skylight has great influence on the construction violation and risk level of existing lines. The research provides policy support and reference for the safety management of existing railway construction.

safety management; construction of existing line; system dynamics (SD); model; multi-objective decision

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.03.035

U29；TU714

A

1672 − 7029(2019)03 − 0827 − 08

2018−05−17

国家自然科学基金资助项目(51378509)

黄健陵(1965−)，男，湖南醴陵人，研究员，从事工程项目组织与实施、项目风险管理和建筑企业管理研究；E−mail：hjl1201@mail.csu.edu.cn

(编辑 阳丽霞)