智慧工地本质安全度评价方法研究*

李 华，张旭旭，高 红，王 文，李宇杰

(1.西安建筑科技大学 资源工程学院，陕西 西安 710055；2.中建三局集团有限公司西北分公司，陕西 西安 710065)

0 引言

智慧工地作为传统安全管理方式的转型升级，是依托各种先进的信息化管理手段，对施工现场的数据和信息进行收集、分析及处理，实现作业现场的协同高效管理[1]。住建部编制的《2016—2020年建筑业信息化发展纲要》[2]中明确指出要推动信息技术与施工项目的深度融合，大力发展信息技术在行业中的应用。因此，在现阶段如何借助信息化手段推动智慧工地的建设，是业内关注的重点。姚军军等[3]和史雷萌等[4]分别利用安全信息化管理平台及物联网，对现场人员定位、安全仿真培训、重点部位监控等进行有效管理。Yang等[5]和Christiana等[6]分别基于传感器和BIM技术开发了在线监测环境数据的综合系统，对施工现场环境进行监控、警报和记录。然而，上述研究均是剖析智慧工地的建设过程，缺乏从宏观角度对智慧工地整体运行水平与发展态势的分析与评价。因此，为真实、全面地了解智慧工地项目的安全运行状况，本文引入本质安全的相关理论，对智慧工地的本质安全度进行评价。

本质安全最初主要是指通过设计等手段，使设备或系统本身具有安全性，即使在误操作的情况下，也不会造成事故。随着研究的发展，本质安全理论逐渐被应用于企业的安全管理中。孙大雁等[7]和Zheng等[8]分别对电网企业和矿山企业的本质安全管理体系进行了研究。为了使管理者和决策者更加清晰地认识到企业本质安全管理的现状和不足，从而精准地制定、实施改正措施，需要用客观、直接、全面的评价方法对其进行评价。Yang[9]和Rosa等[10]分别利用功能共振分析方法和贝叶斯方法对丙烷进料系统和空中交管系统进行了评价。刘业娇等[11]和王志军等[12]分别采用BP神经网络和遗传-支持向量分类模型对煤矿的本质安全管理水平进行了评价。魏丹等[13]和邬长城[14]分别利用未确知测度理论和集对分析对化工工艺的本质安全度进行了评价。

综上，本文结合智慧工地的研究现状及智慧工地施工现场安全管理的实际运行情况，引入本质安全相关理论，对智慧工地本质安全度等级进行划分并确定评价指标，运用C-OWA算子确定指标权重，采用未确知测度评价法对本质安全度进行评价，并根据评价结果明确改进方向，以期提升智慧工地本质安全管理水平。

1 智慧工地本质安全度等级

1.1 智慧工地本质安全定义

通过智慧工地及本质安全相关概念的梳理，结合业内专家的理解和定义，对智慧工地本质安全作如下定义：

智慧工地本质安全是指通过将信息技术与施工技术深度融合，在施工全过程中围绕人员、设备、环境、管理等方面，集成应用物联网、大数据、传感技术以及人工智能等先进技术，建立集成化信息管理平台，对建筑施工全过程中的危险源进行辨识、分析、评价，进而对其进行控制、减小、消除，从而能动地满足安全管理的需求，使系统具备预先辨识—消除、实时监测—控制、持续改进—优化的功能，最终达成智慧工地的本质化、一体化和智能化的安全管理目标。

1.2 智慧工地本质安全度等级划分

结合智慧工地本质安全化的定义及智慧工地施工现场安全管理的特点，构建智慧工地本质安全度模型。按照反映智慧工地施工现场安全管理水平由低到高逐渐完善的过程，将本质安全度划分为5个等级，如图1所示，其各等级的具体含义如下。

图1 本质安全度等级划分Fig.1 Classification of intrinsic safety degree levels

1)初始级：处于这1级别的智慧工地的相关建设刚刚起步，施工项目开始运用信息化技术，“智慧工地”具备了人员实名制管理、人员活动管理、危大工程管理3项要素；制定了基本的智慧工地安全生产信息化管理制度；施工人员主要还是依靠传统“惯性思维”进行安全管理。

2)简单级：企业开始重视将信息化技术运用到施工现场的本质安全管理中，并对各部门之间的信息化进行了协调、控制；在初始级的基础上，“智慧工地”具备了人员资质管理、机械设备维护与检查管理、特种设备安全运行监测、远程可视化监控等共7项要素；智慧工地安全生产信息化管理制度已经较为完善；施工人员还无法熟练掌握信息化技术和设备的运用，虽然愿意接受转变，但又担心造成附加的工作量。

3)标准级：智慧工地的本质安全管理进入规范性管理阶段，重点发展集成化的信息管理系统；在简单级的基础上，“智慧工地”具备了危险源排查管理、安全资料管理、作业环境监测、人机交互监测、应急管理等共12项要素；建立了完善的智慧工地安全生产信息化管理制度；施工人员基本可以运用智能化产品对现场实时管控，并开始适应新模式、新理念的转变。

4)成熟级：智慧工地的安全管理重点是对项目全过程的安全生产数据进行管理；在标准级的基础上，“智慧工地”的集成化信息管理平台可以对施工全过程中的危险源进行控制、减小甚至消除，同时应用BIM技术能够有效对施工方案与工艺模拟、危大工程监测管理、安全资料等进行数字化、精细化、可视化管控，显著提高施工项目安全管理的效率；施工人员的思维理念已经转变，能够规范应用及维护信息化的技术设备。

5)卓越级：智慧工地本质安全度的最高级，物联网、互联网、大数据、人工智能等技术融为一体，可以能动地满足安全管理的需求；智慧工地安全监管信息化集成平台具备了预先辨识—消除、实时监测—控制、持续改进—优化的功能，达成了智慧工地一体化、本质化和智能化的安全管理目标。

智慧工地本质安全度等级并不是1个绝对指标，构建智慧工地本质安全度模型是为了对智慧工地的安全管理水平做1个宏观评价，找出智慧工地项目上安全管理的不足，明确改进的具体方向。

2 智慧工地本质安全度评价指标体系

为了保证要素筛选的科学性和全面性，本文首先对《智慧工地管理标准》(T/CECS 651—2019)[1]、《建筑业发展“十三五”规划》[15]、各省市等有关智慧工地安全管理建设的相关标准规范以及本质安全理论、智慧工地、事故致因理论等相关文献进行了研究分析，结合前文给出的智慧工地建设要素，得到初选指标。之后通过征求智慧工地安全管理研究领域的专家和项目管理人员的意见对初选指标进行复选，最终构建了包含人员、设备、现场监测预警和过程控制管理系统4个部分的智慧工地本质安全度评价指标体系，其编码及基本描述如表1所示。

表1 智慧工地本质安全度评价指标体系Table 1 Evaluation index system for intrinsic safety degree of smart construction sites

3 智慧工地本质安全度评价方法

在评价指标确定的基础上，利用C-OWA算子对指标权重进行计算，通过未确知测度评价方法，对智慧工地的本质安全度进行评价，具体评价流程如图2所示。

图2 智慧工地本质安全度评价流程Fig.2 Evaluation procedure for intrinsic safety degree of smart construction sites

3.1 评价指标权重计算

由于层次分析法、聚类分析法等在确定指标权重的过程中均不可避免地受到被调查专家的主观偏好影响，为尽可能避免此类影响，本文采用C-OWA算子计算评价指标的权重，其步骤为：

1)邀请n位专家，采用10分制对智慧工地本质安全评价指标进行打分，分数越高指标越重要，得到n位专家打分的初始数据集A={a1,a2,…,an}，将打分数据由大到小从0开始编号，得到结果B={b0,b1,…,bn-1}。

(1)

(2)

式中：ωj+1为数据集B的加权向量；i为评价指标的个数；bj为排序后的打分数值。

4)评价指标A的相对权重ωi，如公式(3)所示：

(3)

3.2 本质安全度综合评价

智慧工地本质安全度综合评价指标多为定性指标，由于认知受限，专家在进行评价时往往因为掌握的信息难以确定事物的真实状态，会产生纯主观认识上的不确定性。因此，在进行智慧工地本质安全度综合评价时，采用未确知测度理论，不仅可以解决评价系统中由于存在诸多因素对研究造成的不确定性问题，还可以将不确定性的因素进行定量分析[16]。除此之外，未确知测度评价方法计算简便、可操作强，使结果更趋于实际，更具有实际应用价值。其具体评价过程如下：

1)评价等级的确定。本文将智慧工地的本质安全度分为5个等级，每个等级有其对应的评分等级标准，具体如表2所示。

表2 智慧工地本质安全度评分等级标准Table 2 Scoring grade standard for intrinsic safety degree of smart construction sites

2)指标测度函数的构造。目前，应用最广、可操作性最强的是直线型未确知测度函数，因此，本文采用直线型未确知测度函数，构造的具体函数式如公式(4)～(8)所示：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3)单指标未确知测度计算。邀请m位专家对各二级指标进行打分，经均值处理后得到其平均评价得分xij，将平均评价得分代入式(4)～(8)，得到二级指标的未确知测度值μij1，μij2，μij3，μij4，μij5，进而得到一级指标的未确知测度矩阵，如公式(9)所示：

(9)

其中，根据前文一、二级指标的数量，上式满足条件(i=1，j=5；i=2，j=3；i=3，j=4；i=4，j=4)。

4)多指标未确知测度计算。结合二级指标权重，计算一级指标的未知测度向量Ai，如公式(10)所示：

Ai=ωi·Bi

(10)

式中：ωi为二级指标权重；Bi为一级指标未确知测度矩阵。

进而得出综合测度矩阵，如公式(11)所示：

(11)

则综合测度向量μ如公式(12)所示：

(12)

式中：ω为一级指标权重；A为综合测度矩阵。

5)置信度识别。设置λ为置信度(λ≥0.5，一般取0.6或0.7)，本文取λ=0.6，k0如公式(13)所示：

(13)

则判定智慧工地本质安全度属于第k0个等级。

4 实例分析

以西安市地铁某智慧工地项目为例，评价其本质安全化程度。

4.1 评价指标权重计算

本文邀请建筑领域专家及项目安全管理人员共5位，参照项目相关资料对评价指标进行打分，以一级指标为例进行具体计算，具体打分分值如表3所示。

表3 一级指标专家打分分值Table 3 Scoring values of experts on first-level indexes

将指标B1的评分数据由大到小排列得{9,9,8,8,8}，专家数n=5，由上文公式(1)可得加权向量ωj=[1/16,4/16,3/16,4/16,1/16]，再根据式(2)可得，指标B1的绝对权重为6.812 5，同理可计算出B2，B3，B4的绝对权重分别为：4.625 0，6.437 5，6.187 5，则由公式(3)可得B1～B4的相对权重为：

ω0=[0.283 0.192 0.268 0.257]。

同理，可分别计算二级指标的相对权重，以ω1，ω2，ω3，ω4分别表示B11～B15、B21～B23、B31～B34、B41～B44的相对权重，则：

ω1=[0.208 0.121 0.231 0.246 0.194]，

ω2=[0.255 0.326 0.419]，

ω3=[0.157 0.209 0.353 0.281]，

ω4=[0.359 0.206 0.261 0.174]。

4.2 本质安全度综合评价

在前文对智慧工地本质安全度评价指标进行权重计算的基础上，利用未确知测度评价方法对该项目的本质安全化程度进行综合评价。邀请智慧工地领域专家及该项目的安全管理人员共7位，结合该项目的实地调研情况，对各二级指标进行打分，为确保数据的客观、真实性，选取去掉最高分和最低分后的平均分作为最终数据，各二级指标平均分分值如表4所示。

表4 各二级指标平均分分值Table 4 Average score of each second-level index

将二级指标的平均得分分别代入式(4)～(8)，得到各一级指标的未确知测度矩阵：

将各二级指标权重与一级指标未确知测度矩阵代入式(10)中，得到各一级指标的未确知测度向量：

A1=[0 0.24 0.64 0.12 0]

A2=[0 0.24 0.76 0 0]

A3=[0 0.23 0.72 0.05 0]

A4=[0 0.35 0.65 0 0]

则该项目的综合测度矩阵为：

进而将一级指标权重与综合测度矩阵代入式(12)，得出综合测度向量为：

μ=ω·A=[0 0.26 0.69 0.05 0]

由式(13)可知，由小到大，有μ1+μ2+μ3=0+0.26+0.69=0.95>λ=0.6，此时k0=3，由大到小，有μ5+μ4+μ3=0+0.05+0.69=0.74>λ=0.6，此时k0=3，2次结果一致，因此该项目的本质安全度等级为标准级。通过现场调研，该智慧工地的本质安全管理实现标准化，建立了人员智能管控系统、施工全过程视频监控智能管控系统、暗挖隧道智能管控系统、盾构施工智能管控系统等，具备了“标准级”的12项元素；制定了完善的智慧工地相关建设要求及管理办法、轨道建设智慧工地管控平台管理办法等。根据现场分析本质安全度分类结果与模型综合评价结果基本一致，因此，本文构建的智慧工地本质安全度评价模型具有可行性与可操作性。

该智慧工地的本质安全度等级为第3级“标准级”，表明其本质安全化还有待更深入、更全面的提高，需加速智慧工地集成化信息管理平台的应用及落实，同时加强对BIM技术的应用，实现施工全过程数字化、精细化、可视化管控，显著提高施工项目安全管理的效率。

4.3 改进分析

通过运用未确知测度对项目的本质安全度进行综合评价，采用本质安全管理优先改进区域法确定智慧工地安全管理过程的优势和不足，从而确定改进方向。该智慧工地本质安全化程度评价指标权重与平均得分的具体数值如表5所示。

表5 评价指标权重与得分Table 5 Weights and scores of evaluation indexes

以各指标权重为纵坐标，以专家打分的平均分数为横坐标，绘制该智慧工地本质安全度指标现状分布图，如图3所示。

图3 本质安全度评价指标分布Fig.3 Distribution of evaluation indexes of intrinsic safety degree

在图3中将评价指标依据绝对权重及平均得分的分布情况划分为4个区域，各区域存在指标及改进分析如表6所示。

表6 智慧工地本质安全度改进分析Table 6 Improvement analysis on intrinsic safety degree of smart construction sites

在本质安全度等级中，每个等级都明确了要达到此等级的关键指标和过程，为智慧工地的建设明确了具体的改进方向。由图3可知，对于“人机交互监测B14”、“远程可视化监控管理B41”等处于第Ⅰ区域的5个指标要重点改进，同时兼顾“特种作业人员准入管理B15”、“机械设备保养及巡检管理B22”等处于第Ⅲ区域的5个指标。因此，该智慧工地需制定专项整改方案，严抓“用没用、怎么用”的问题，将已经建立的智能管控系统严格落实到工程实处，明确推进计划和时间节点，加强目标考核。同时也要对其他区域的指标实时监测，稳步推进智慧工地本质安全管理的发展。

5 结论

1)建立智慧工地本质安全度评价模型，该模型包括评价等级、评价指标、评价方法、改进措施4部分。确定智慧工地本质安全度等级分为初始级、简单级、标准级、成熟级和卓越级5级，并详细介绍了各等级对应的特征；构建智慧工地本质安全度评价指标体系；提出C-OWA算子与未确知测度评价相结合的智慧工地本质安全度评价方法。

2)以西安地铁某智慧工地试点项目为例，验证智慧工地本质安全度评价模型的有效性和适用性。通过对智慧工地的本质安全度等级的评价，有助于企业正确掌握智慧工地本质安全管理的现状和不足；通过对智慧工地的本质安全要素及指标的分析，明确具体的改进方向，从而精准地制定、实施改正措施。