考虑事件关联性的施工安全事故致因分析

褚召强，杨高升

(河海大学 商学院， 江苏 南京 211100)

建筑业作为国民经济的支柱产业，是仅次于采矿业第二危险的行业，虽然近年来安全管理方面持续改进，但总体安全生产形势严峻，安全事故和伤亡人数居高不下。因此研究其发生发展机理，提高安全管理水平，加强对安全事故的预防和控制极其重要。

安全隐患的识别与消除是预防和控制施工安全事故的重要手段。现有文献一方面集中在风险因素的辨识上，通过确定关键因子进行针对性管理[1]；另一方面集中在风险演化机理的研究上，阐明风险因素与事故之间的关系进而对风险传播路径加以控制[2]。然而以上研究忽略了因子间的相互作用关系。实际上，建筑项目是一个由人 - 机 - 管 - 环组成的庞大系统，风险因素间的相互作用往往对施工安全造成很大影响[3]。Moura等[4]认为生产活动中元素间的相互作用不容忽视，人类因素、技术和组织之间的复杂互动，能够引发重大灾难；陈伟珂等[5]基于尖点突变理论指出，建筑施工系统中人 - 机 - 管 - 环多因素耦合导致风险演化发生突变，从而引发安全事故的发生；Marle等[6,7]针对风险间的相互作用进行了一系列研究，他认为风险间相互作用是客观存在的事实，传统风险管理方法因缺乏这方面的考虑而存在一定缺陷，首先分析研究了考虑事件相关的23种风险评估方法[6]，然后提出了基于RSM(Risk Structure Matrix)的风险聚类方法，该方法有利于管理协调，提高安全管理的效率[7]。

随着新技术、新方法在建筑施工中的应用，施工系统变得更加复杂，越来越多的学者开始应用不同方法来研究施工安全影响因子间的关系。有学者[8,9]以数理统计和参数检验为基础对因子进行关联分析，如结构方程模型(Structural Equation Modeling，SEM)、χ2检验(卡方检验)等，这些方法一方面受主观因素的影响，另一方面功能单一，对事故进行评估预测不够，宜与其他工具配合使用；另有学者[10]基于大量的事故案例研究通过Apriori算法挖掘风险关联规律，并通过机器自学习用于风险预控、预警，此方法应用于具体的事故案例仍需具体分析；以复杂网络[11]、系统动力学[12]、Stamp等[13]为代表的系统论将风险因子当作节点，因子间的关系使得节点相互联系形成网络系统，演化风险传递的过程，但往往应用于整个施工项目，考虑多个参与方，甚至延伸至宏观层面，较少聚焦于具体的安全事故。

故障树作为一种常见风险分析工具，相较于以上方法应用更加简便。现有研究将故障树广泛地运用在安全工程的各个领域，根据事件间逻辑关系识别风险因素，预测系统失效概率，找出系统失效原因。然而大多研究是建立在基本事件相互独立的假设上，这与实际情况不符。基于此，本文尝试考虑基本事件相关性，对故障树进行改进，提出改进故障树的建立和分析方法，旨在研究基本事件相关性对安全事故的影响，以期对施工预防和管控提供一些帮助。

1 基本事件关联性

1.1 关联性分析

一个施工安全事故的发生往往是多因素共同作用的结果，这些因素之间是彼此联系而非相互独立的。例如警示标识的缺失或者不醒目会加大工人误入危险区域的几率；现场安全监管不负责对工人不系安全带、随意攀爬等行为视而不管，将会放纵施工人员的不安全行为等。像这种某一因素A会对另一因素B的原有发生概率产生影响我们称之为两因素之间存在关联性，即P(B|A)≠P(B) 。一般情况下，正向相关是施工安全研究的重点，正向相关是指因素A的发生会加大因素B的发生概率，即P(B|A)>P(B)。假设某事故T的影响因素合集为(X1,X2,…,Xn)，它们之间的概率关系满足：

P(T)=F[P(X1),P(X2),…,P(Xn)]

(1)

风险因子发生的概率越高，安全事故发生的概率就会越高，即：

(2)

当风险因素之间存在正向相关的时候，因素发生概率增加，安全事故发生概率就会增加，因此在施工安全事故的预测中，基本事件相互独立的假设趋于保守，低估了事件发生的可能性。

1.2 关联性度量

关联度λ是指一个基本事件发生对另一个基本事件发生概率的影响程度，用于测度基本事件间精确的关联程度。λ∈[0,1] ，λ=0表示基本事件相互独立；λ=1表示基本事件绝对相关，即一个基本事件发生时另一基本事件绝对发生；0<λ<1时，其值越大，代表关联程度越大。

要想得到基本事件间精确的关联度λ，需要对完整的事故数据进行训练或者采用问卷调查法得到。因为事故统计的不完整性[14]，宜采用问卷调查的形式对建筑行业施工及管理人员展开调查以获得原始数据，运用SPSS软件对问卷结果进行信度检验，当各基本事件具有较高的信度水平时，方可继续分析。

为避免直接定量分析与实际的不对应，首先对可能存在的关系进行定性分析，在此基础上，进一步对存在相关关系事件间的关联程度进行度量，对分析结果为相互独立的变量不做计算。用Person相关系数来表示基本事件间的相关程度[15]，其值在-1～1之间，绝对值越大，表示关联程度越强，运用SPSS软件根据Person相关系数公式对相关程度进行计算：

(3)

2 考虑事件关联性的安全分析模型

经过上述分析，考虑事件关联性将影响施工安全事故发生概率评估的结果。故障树作为一种常用的预测安全事故或是特定系统失效概率的工具，能够很好的体现事件之间的因果关系，但在实际应用中往往假设事件之间相互独立。本文将建立考虑事件关联性的改进故障树模型，分析事件关联性对施工安全事故概率预测的影响。

2.1 改进故障树的建立

(1)传统故障树的建立

建筑施工安全事故故障树的建立首先选择需要分析的事故类型作为顶上事件，在详细的资料调查基础上以系统思想自上而下演绎推理事件间的逻辑关系，最后以树状图的形式表达出整个事件的致因机理。

(2)基本事件关联性定性分析

造成施工安全事故的因素巨多，依据4M理论主要分为四类：人(Man)、物((Machine)、管(Management)、环(Medium)[16,17]，它们会直接影响事故发生的概率[18]，对各类风险因素进行深究可得到许多二级风险因子，如表1所示。

表1 建筑安全事故风险识别

本文重点对人为因素进行研究，因为人是建筑安全事故中的核心，人不仅是施工最直接参与者、接触者，也是施工安全的实现者，物因、管因、环因以及人为因素本身均会对人的不安全行为造成影响。风险因素间的关系如图1所示。

图1 风险因素关系图

各类因素之间的关系是通过二级风险因子的联系确定的，许多研究已经验证了因素之间的影响路径，具体表现在以下三点：

(1)物因主要是指物的不安全状态，是事故隐患和危险源所在。物对人的作用体现在建筑材料、机械设备及防护装置等不合格或不合理对人的不安全行为造成的影响。机械设备设计的不合理与施工人员的普遍认知、工作习惯不匹配，超出工人控制范围，导致不安全行为的产生；或者贪图省事而故意违反规程主动产生的不安全行为都会增大事故产生的可能性。而防护对人员的影响主要在于防护警示的不合理使施工人员误入危险区域、防护设备不合理使人员难以运用等[19]。

(2)管因是事故发生的根本，是控制整个施工环境的最深层因素。管对人的作用是建筑施工事故中联系最紧密的一种关系，主要体现在管理不当的各个方面对工人违规操作和操作失误的影响。管理不注重安全文化的传播，忽视安全教育培训以及现场、预警管理，使员工安全意识淡薄、专业技能不足，不能及时有效地识别危险源，主动或被动地做出不符合规定的不安全行为，突破层层防线与事故直接接触，大大提高了事故发生的概率。Bird 指出失控的管理过程造成了人的不安全行为[20]，许多研究[21,22]也验证了管理因素对人行为的影响路径及关系。

(3)环因指环境的不良状态，是引起事故的物质基础，建筑活动的特点使得施工过程受环境影响较大。作业环境与人员直接接触，是导致人的不安全行为的重要因素。作业环境的缺陷一方面使作业人员在进出场地、施工动作、施工转移中造成困难而操作失误；另一方面作业人员为顺应环境缺陷施工而违规操作，此类不安全行为均会促进事故的发生。莱温的“场论”和“破窗理论”表明不良作业环境不仅会对工人安全心理造成暗示，诱导工人趋于疏忽和放纵，也会影响工人的行为选择，增大工人不安全行为出现的可能性[19,23]。因子间的关联关系总结如图2所示。

图2 因子联络图

(4)改进故障树的建立

图3 改进故障树模型

2.2 改进故障树的计算

(1)基本事件概率预测

基本事件发生的概率具有不确定性，不同的施工条件下，各基本事件发生的概率是变化的，且难以估计准确数值。采用专家调查法对各基本事件发生概率区间进行估计，依据IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)提出的七级风险概率描述对事件发生的可能性进行打分，如表2所示。

表2 IPCC概率描述

(2)最小割集分析

每个最小割集就是一条风险传播路径，对最小割集发生概率预测可以找到事件发生的关键路径，从而针对性地进行控制。首先对最小割集的组成形式进行分析，共得到三类最小割集。第一类是基本事件间彼此独立；第二类是最小割集中基本事件间有相关性关系并连成有向无环链；第三类是最小割集中存在若干个有向无环链，但相关链间相互独立。最小割集中基本事件的关系如图4所示。

图4 最小割集分类

(3)路径概率计算

假设施工安全故障树的最小割集合集为K={K1,K2,…,Km}，接下来分别对三类最小割集的发生概率展开计算。

第一类：当基本事件相互独立的时候，则第j(1≤j≤m)个最小割集发生的概率为：

第二种方法是做点手脚，在Photoshop中使用动感模糊工具。这张照片我们用的是第二种方法，然后给画面右侧的小码头制造出明显的重影效果，这样多少可以让人认出拍摄地。最后的效果看起来相当不错。

P(Kj)=P(X1∩X2∩…∩Xn)

(4)

式中：P(Xi)指第i个基本事件发生的概率，Xi包含在最小割集Kj中；n为基本事件的个数。

第二类：当基本事件之间存在关联关系时，假设最小割集中只存在两个基本事件，即n=2，X1与X2的关联度为λ，则最小割集发生的概率利用哈马邱尔积算子[24]求解为:

(5)

当n≥3时，最小割集发生的概率为：

P(Kj)=P(X1∩X2∩…∩Xn)

=P(X1)P(X2|X1)P(X3|X1X2)…

P(Xn|X1X2…Xn-1)

(6)

首先计算X1与X2同时发生的概率，将其同时发生看作一基本事件，按上式计算它与X3同时发生的概率，因发生概率较大的风险因素会产生更大风险流，耦合风险偏向于风险流较大的风险因素[24,25]，所以取两者发生概率大者与X3的关联度近似看作共同发生事件与X3的关联度，然后将X1，X2，X3同时发生看作一基本事件，按上式计算其与X4同时发生的概率，以此类推，最终最小割集发生的概率为：

(7)

第三类：假设第三类最小割集中含有k个独立的事件相关链或基本事件，每个有向无环链的概率按第二类最小割集的算法计算，第l个事件相关链用Dl表示，则第三类最小割集的概率采用下式计算。

(8)

3 实例分析

高处坠落事故作为“五害之首”，事发频繁，伤亡惨重，是安全监控的重中之重。截止2019年7月24日，住建部[26]共通报安全事故427例，造成491人死亡，32人重伤。其中高处坠落225例，占比52.69%，为所有安全事故类型之最，因高空坠落死亡237人，占比48.27%，同样为所有安全事故中最多。统计发现，高空坠落事故平均每天发生1.10例，造成1.15人次死亡，虽然国家和行业高度重视此类事故，但事故案例及伤亡仍居高不下，因此对建筑施工高处坠落事故的分析研究很有必要。

3.1 改进故障树的建立及概率预测

本文选取研究较为成熟的案例作为样本，在其基础上进行改进并与之比较。张明轩等[27]所作的研究是用传统故障树分析高处坠落事故的经典文献，在知网同类文章中有最高的下载量和引用，具有较高认同。本文在其构建传统故障树模型基础上，默认地面防护失效，将下坠事件与坠落事故等同，根据4M理论对因素分类稍作调整，得到传统故障树原型。基本事件发生概率难以预测，邀请五位专家对概率区间进行打分，得到概率区间的平均值，取区间中位数作为高处坠落事故基本事件的概率，如表3所示。

表3 基本事件概率

续表3

如上文所述，首先将27个基本事件归类到本文所识别的二级因子下，如表3所示。基本事件间的关系服从所隶属的二级因子的关系，例如X4现场缺乏安全检查或安全检查不全面、不彻底属于B15现场安全监管，X14攀坐不安全位置属于B6违规操作，则X4与X14的关系服从于B15与B6的关系，即X4的发生会增大X14发生的概率。在传统故障树基础上添加基本事件关系得到高处坠落改进故障树模型如图5所示。

图5 高处坠落改进故障树模型

3.2 最小割集分析

运用FreeFta软件进行最小割集的求解，共得到720个最小割集。每个最小割集均由三个基本事件组成，即当任一最小割集中的三个基本事件同时发生时，则高处坠落事故发生。根据基本事件间的关系，可将720个最小割集分成三类，第一类最小割集共有273个；第二类最小割集共有87个；第三类最小割集共有360个。

3.3 相关度分析

本文以问卷调查形式对32名建筑行业高处作业施工及管理人员展开调查以获得原始数据。问卷采用李克特5分量表，1～5分别表示基本事件对高处坠落事故的影响程度为不重要、稍微重要、一般重要、比较重要、非常重要。运用SPSS软件对问卷结果进行信度检验，各基本事件的Cronbach’sα均大于0.7，具有较高的信度水平。运用SPSS软件根据Person相关系数公式对相关程度进行计算，结果如表4所示。

表4 基本事件相关度

3.4 结果分析

运用上述计算公式将数据代入计算，得出以下结果：

(1)最小割集概率分析

将三类最小割集的发生概率分别按照从小到大的顺序排列，如图6所示。每类最小割集有明显的层次，显现出不同的特点。第一类最小割集总体发生概率最小，浮动范围小；第二类最小割集发生概率最大，浮动范围大；第三类最小割集发生概率及浮动范围处于一二类之间。由式(7)可知，最小割集的概率由基本事件发生概率及关联关系两部分决定，而关联程度由关系复杂性和关联紧密性两部分构成。三类最小割集从关系上来看，第二类割集中基本事件联系最紧密，其次是第三类，再者是第一类。从概率上来看第一类最小割集中一些基本事件概率大的组合超过第三类，第三类最小割集中一些关联度大的组合甚至超过第二类，因此得出结论，基本事件概率越大，基本事件间的关系越复杂，联系越紧密，风险路径发生的可能性越大。同时通过计算得出(违章指挥，使用不安全设施，作业面狭小)最小割集发生概率最大，即此条传播路线是造成高处坠落的关键路径，该路径上的因素是需控制的关键因素。

图6 最小割集概率分析

图7 最小割集概率比较

(2)相关、独立比较

按传统故障树求解方式计算每个最小割集发生的概率，求解方式与第一类最小割集相同，将其与改进故障树作比较，如图7所示。在基本事件相互独立的假设下求出的路径发生概率比基本事件相互关联分析下求出的概率要低，且不同的关联情况呈现不同的差距，第一类基本事件相互独立因此结果相同，第三类在分析基本事件关系后概率相对提高，第二类提高更多。因此，基本事件间的相互关系越复杂，独立假设下的概率与实际相差越大。本文对基本事件相互关系进行了定性分析和定量计算，提高了路径发生概率估算的精度。

4 结论及启示

本研究旨在分析因素关联对事故造成的影响。首先定性分析了以人为核心的基本事件之间的关联关系，提出考虑基本事件关联性的改进故障树建立方法；其次运用哈马邱尔算子对各最小割集的概率分类求解，实现不同关联情况下的概率预测；在高处坠落事故的应用中，数据表明基本事件关联度越高，对事故的影响程度越大，改进故障树模型能提高事件预测的精度，对关键线路和关键因素的提取也更加准确。新模型具有较强适用性，对提升安全管理针对性及效率有一定帮助。基于改进故障树模型，本文提出如下管理建议：

(1)安全管理工作要点面结合。首先安全管理的任务之一是尽量避免安全事故的发生，施工的复杂性决定了安全管理要全面系统识别风险因素并对其进行控制，其中风险因素间的关联同样应该重视，因为其改变了风险传播的轨迹。改进故障树兼具传统故障树的风险识别功能，并能对考虑关联性后的因素间及事故的关系进行度量，可以成为安全管理的应用工具。其次安全管理的另一目标是抓住重点，针对性地对发生频率高、影响后果严重的因素进行严格控制。改进故障树在风险识别的基础上，更精确地提取出造成安全事故的关键因素和关键线路，在施工前可对施工现场的各处潜在事故点进行分析，指导现场监管及施工人员工作，可有效降低事故率。

(2)安全管理要从源头抓起，对现场负责。管理因素是安全预控的根本，首先要加强制度建设，建立全面的安全管理制度体系并严格执行。管理因素与人的行为有紧密联系，良好的管理有利于形成和谐的工作氛围，增强员工整体安全意识及安全生产意愿，提高应对风险的能力并减少不安全行为的发生。因此要健全操作规程，合理组织劳动，加强安全教育培训。另一方面，人是事故发生的主体，加强现场监管是控制事故发生的关键，应严格监督施工人员行为，确保主体行为的正确，远离危险；另外要保证施工环境，提供安全工作条件，减少危险源。在高处坠落改进故障树割集分析中，管理因素从根源影响事故发生，和人为因素构成事故发生的必然条件，揭示了安全管理的方向。