建筑施工事故预防学习系统研究

孙祖航 孙世梅，2教授 杨 娜，3副教授 冯子阳 邱升恒

(1.吉林建筑大学 事故预防科学研究院，吉林 长春 130119；2.吉林建筑大学 应急科学与工程学院，吉林 长春 130119；3.吉林建筑大学 电气与计算机学院，吉林 长春 130119)

0 引言

我国建筑业发展迅速，但由于建筑施工人员普遍存在职业技能、专业素养和文化程度较低等问题，导致建筑业施工事故频发，造成人员伤亡和经济损失的严重后果。建筑施工事故频发的根源在于安全生产管理上存在诸多缺陷，从而导致人的不安全行为。因此，以计算机相关技术为导向，以建筑企业安全培训、安全监管为主要内容，以维护建筑业安全生产、减少建筑安全事故为目的，建立事故预防学习系统，全面推进建筑安全教育培训信息化建设是大势所趋。

预防事故的关键在于研究人的行为安全。行为安全领域的学者研究表明，88%的事故是由人的不安全行为引起的[1]。近几十年，国内外学者对事故预防和培训系统的设计进行大量研究。Clevenger等[2]通过建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和3D技术开发安全培训模块来降低新员工以及文化程度较低者事故率；Rocha等[3]通过研究表明培训系统要因人而异制定培训方案；吴琼等[4]以行为安全“2-4”模型为理论依据，构建煤矿行业相关的行为安全事故预防培训系统，为煤矿安全提供保障；陈秀珍[5]结合建筑施工企业安全培训现状，探讨行为安全“2-4”模型在建筑施工企业安全培训中的应用，指出安全培训过程必须由企业安全部门以外的第三方进行监督，以确保企业安全培训的有效性；丁汉祥等[6]搭建远程培训体系，通过实践验证此模式不仅有效提升培训的覆盖范围，同时具备引导企业组织和个人对于安全隐患进行自查自改的功能，进一步证明远程安全培训的便捷性和有效性；双林熠[7]基于情境学习理论完成对建筑工人用电安全培训系统的开发，为工人提供逼真的虚拟学习环境，创设有意义的任务情境，降低工人认知难度，提高工人学习兴趣，是对建筑工人施工安全培训有意义的探索；王建豪等[8]提出个人行为控制技术，旨在通过消除个人层面的不安全动作进行事故预防，并研发煤矿事故预防个人行为控制培训系统。

上述学者对事故预防的研究多数都把管理手段和技术手段分开研究，没有将两者相结合开展研究，并且当前对于搭建培训系统的研究存在一定局限性。因此，本文运用行为安全“2-4”模型事故致因理论分析建筑事故的成因以及事故中违反的规章制度，建立不安全行为原因的数据库；通过系统的数据采集和方案设计，建立建筑施工事故预防学习系统，为安全培训信息化提供指导，最后通过结构方程模型(Structural Equation Model，SEM)评价分析该学习系统的有效性，从而进一步提升建筑施工人员的职业技能和专业素养，为建筑企业事故预防和培训学习提供强有力支撑。

1 建筑施工事故预防学习系统设计

本系统采用语法较为简洁的Java语言进行软件开发，操作系统为Windows Server 2008 32位或以上，数据库采用SQL Server 2008 32位或以上。

1.1 总体架构设计

建筑施工事故预防学习系统的总体架构参考石油、煤矿等生产领域信息化的结构设计[9]，采用分层架构的形式，分为用户层、业务应用层、应用支撑层、数据层和基础支撑系统5个层级，各层级间分工独立，层与层之间通过软件接口通信。

用户层主要针对系统管理人员、在校师生、建筑企业相关领导、建筑企业安全管理人员、企业员工这5类人群设计；业务应用层是系统的主要功能层，用户在系统中进行的各种操作都是由该层级实现，包含5个模块，下设18个功能项，比如事故样本管理、原因分析管理、行业法规管理、视频学习管理等，其他层级都是实现此层级的技术支撑；应用支撑层作为系统不可或缺的层级，为系统各层级间的有效协作提供技术支撑；数据层主要包含系统中的各类数据库，例如事故数据库、原因数据库、法规数据库等7个数据库，为系统中数据的存贮提供庞大的空间；基础支撑系统为系统整体运行提供网络、通信、存储等基础保障。建筑施工事故预防学习系统的总体架构，如图1。

图1 建筑施工事故预防学习系统架构示意图Fig.1 The architecture diagram of the learning system for the accident prevention of the building construction

1.2 系统功能设计

本系统的业务范围是针对建筑业的安全培训，为了在系统总体架构的基础上更好地实现系统功能，在系统功能建设方面保持线性规则，其功能设计主要包括培训资料数据管理、信息浏览论坛交流、安全知识学习培训、安全教育培训考核和支持决策5大功能板块。具体操作如下：在系统数据库中上传事故案例及调查报告、法规标准、管理制度、操作技能等培训资料，同时具备删除、修改等操作功能；通过通知公告、新闻摘要、安全社区、邮件系统等方式保障系统用户间信息的交流互动，用户可以探讨、发表对系统培训资料的理解与想法；根据培训计划进行全面系统的培训学习，提升职业技能；系统自动判断学习进度生成考题，建筑施工人员可在线上进行相关考试，然后系统自动判卷；最终系统对事故案例、培训进度、考核成绩等进行统计分析，建筑企业相关领导可根据分析结果安排后续工作的决策部署，间接实现对事故的预测预警，进而及时排查、完善、处理企业内部存在的安全隐患，为企业和行业发展做好保障。其中的安全知识学习培训、安全教育培训考核和决策支持3个功能板块是基于主要行为原因而有计划、有针对性的设计，具体建筑施工事故预防学习系统功能的设计，如图2。

图2 建筑施工事故预防学习系统功能设计图Fig.2 The functional design diagram of the learning system for the accident prevention of the building construction

1.3 业务应用层

基于行为安全“2-4”模型[10]对建筑施工事故不安全行为原因进行系统分析并建立不安全行为原因数据库，基于此开发业务应用层的功能。业务应用层共计5大模块，包含18个功能项，又在其下设置子模块83个，以细化业务功能和管理功能。经统计，本系统操作功能总计256项。系统大部分功能需用户注册和登录后才可使用。

1.3.1 基于“2-4”模型建立数据库

选取42起建筑施工物体打击事故的调查报告，基于行为安全“2-4”模型[10]统计分析个人和组织2个层面不安全行为频发的原因和频次，为系统数据采集和方案设计提供理论依据。结果表明：物体打击事故发生的主要不安全动作以现场安全监管缺陷、未组织安全培训教育、不具备作业资格、未按照操作规程施工、现场缺少防护措施5类占比最高，发生率分别为76.19%、71.43%、52.38%、50.00%、47.62%，5类不安全动作的具体情况，见表1。

从表1可以得出，管理人员以现场安全监督检查不到位和未对一线操作人员安全培训2项不安全动作发生频率较高，分别为66.67%、33.33%；一线作业人员不安全动作以无特种作业资格发生频率最高为33.33%。行为安全“2-4”模型指出不安全物态是引发物体打击事故的直接原因之一，习惯性不安全行为是事故发生的间接原因。因此，为有效减少不安全行为，相关管理人员首先做好自身安全建设，要有安全意识，建立合理的安全监督制度、安全培训制度、操作资格考试制度，特别是表1分析得出的事故发生率较高的行为要有针对性的培训。

根据行为安全“2-4”模型可知，安全管理体系缺欠是事故发生的根本原因。从表2可知，安全监查和检查制度不完善、安全培训管理制度不健全所占比例最高，分别为15.09%和14.15%，事故预防学习系统要重点对这2点进行教育培训。

表2 建筑施工物体打击事故安全管理体系欠缺主要情况分析Tab.2 The analysis of the main lack of the safety management system in object strike accidents

1.3.2 事故样本和原因分析模块

建筑事故主要是由不安全行为导致的，因此构建基于行为安全的原因分析模块必不可少。因建筑事故的基本信息来源是事故调查报告，构建事故样本模块有助于事故样本信息的收集，更有利于对事故发生时间、地点、伤亡人数等基础信息进行统计分析。本系统实现对文本信息的添加、下载、编辑、删除和电子报告文件的上传。同时，实现基于事故编号、事故名称、事故等级、所属行业、事故类型5类条件的单一条件和多条件组合检索的业务功能，保证系统数据库内的所有信息都可以进行分类分级定位和查找。

原因分析模块中一部分与事故样本模块的基础信息相一致，另一部分在原有数据基础上建立“新增原因分析”和“原因分析列表”2项子模块，经由专业分析人员基于行为安全“2-4”模型对事故报告个人层面和组织层面的原因进行分析并分类上传，保证事故样本和原因明细的信息匹配。

1.3.3 安全培训和考核模块

建筑安全教育培训和考核是建筑施工事故预防学习系统的主要业务，为企业的安全培训提供统一的工作平台。安全培训和考核模块包括“行业法规管理”“理论学习管理”“视频学习管理”“试题信息管理”和“考核结果管理”5个子模块。

行业法规是对建筑行业内已颁布的相关法律法规进行整理、归纳，方便系统用户进行针对性学习。行业法规的学习不仅对建筑施工人员起到约束作用，而且能够保障施工作业的顺利进行。

理论学习管理是对安全各类理论知识进行汇总，具备理论基础信息展示和详细内容体现2项主要功能。为有效帮助使用者进行知识摄取，可在对应理论知识处添加详细内容说明，包括各类电子文档、表格、图片等文件。

视频学习管理具备对视频文件的管理编辑和预览功能。针对参与培训的不同类型人员，如三类人员、特种作业人员、院校学生等，根据其岗位职能进行专项理论和技能视频课程的推送。

用户登录后系统自动判定该用户的培训状态。对尚未开始培训的用户，系统自动生成培训计划，包括事故案例材料、法律法规及标准内容、培训课件等；用户开始培训后，系统自动记录用户的培训进度，可以查询显示已经完成的培训内容和还需要培训的内容；系统可以判断用户是否已经完成培训内容的学习，学习时间是否满足培训要求，合格用户则会对其开放考核功能。

试题信息管理是由管理人员进行试题的添加管理和组卷管理，同时生成试卷列表管理。为保证试题在投入考核时能有效检测并巩固受教育人员的知识掌握程度，管理者会提前编撰每道题目的答案解析。

考核结果管理包括分数查询和试卷具体情况查询。考虑到培训人员的数量和管理需求，管理者可通过人员的账号、姓名等信息进行多重条件查询，快速筛选个人考核信息并为每位参与者提供具体应对措施，提高考核管理的效率。

除此之外，业务应用层还拥有基本信息模块、信息浏览和论坛交流模块以及安全管理模块，为用户划分、信息采集、用户间沟通交流以及隐私安全等功能的实现提供有效保障，并为系统整体功能的实现发挥着重要作用。

1.4 其他层级

本系统涉及到大量人员信息、培训资料信息、考核信息等数据资源的输入、存储、传递、加工处理、输出等操作管理，例如事故样本和原因分析、法律法规与制度、培训材料(音频、视频、文字等)、培训考试题库等数据信息，这些必须有序存储到数据库中，然后通过数据管理(录入、更新、汇总、过滤等)操作，确保数据资源的实时性、准确性、完整性，保障系统工作时的即时访问与共享。因此，建设系统数据中心是保障和支撑事故预防学习系统的基础。稳定、可靠的系统数据中心是用户信息、业务信息和监管信息的集中式存储，数据的处理过滤，相关指令的上传下达，多系统多用户共享，以及访问查询等操作的必要条件。为保证系统数据的准确、完整和连续，同时兼顾数据中心节约建设成本，系统数据中心采用租用阿里ECS云平台的模式，大幅减少机房、服务器、防火墙、网络交换机等硬件设备的投入，同时减少系统运行维护成本和人力成本的支出。

2 培训结果验证

为验证本系统具备安全培训以及改变不安全行为的功能，通过借鉴SMART(Specific，Measurable，Attainable，Relevant，Time-based)原则、CIPP(Context，Input，Process，Product)评估模型以及企业安全培训品牌课程建设的实践经验，从内容、师资、方式、资料、效果5个维度分析系统对安全知识获取行为的影响。并通过SPSS和AMOS软件，对假设模型进行验证性因子分析，探究受教育者安全知识获取行为的影响因素及其关系。

首先，对模型的参数变量进行假设。H1：安全培训内容对系统平台参与用户安全知识获取行为有积极影响。H2：安全培训师资对系统平台参与用户安全知识获取行为有积极影响。H3：安全培训方式对系统平台参与用户安全知识获取行为有积极影响。H4：安全培训资料对系统平台参与用户安全知识获取行为有积极影响。H5：安全培训效果对系统平台参与用户安全知识获取行为有积极影响。

其次，使用李克特五级量表制作问卷并通过网络发放问卷220份，收集有效问卷200份，有效回收率为90.1%。采用SPSS23.0软件对收集到的原始数据进行信度分析，得到安全培训内容、师资、方式、资料、效果以及安全知识获取行为的Cronbach's Alpha值分别为0.838、0.769、0.829、0.831、0.813和0.815，各变量的Cronbach's Alpha系数均大于0.7，说明样本数据具有良好的内部一致性和信度，各问项均可保留。效度是用来衡量用户打分的正确性和有效性，以及验证问卷研究内容和测量内容是否吻合。由表3可知，该问卷的效度KMO为0.779，效度较好；近似卡方Chi-Square为1 403.398；Bartlett的球形度检验自由度df为120；显著性Sig值0.000小于0.01，极度显著，说明问卷的整体效度良好。

表3 KMO和Bartlett的检验Tab.3 The test of the KMO and Bartlett

在信度和效度评价分析均符合标准后，通过AMOS23.0搭建安全知识获取行为评价SEM模型，拟合度指标评价(见表4)；结构方程模型图(如图3)；模型路径相关系数，见表5。

表4 模型拟合度指标评价Tab.4 The evaluation of the model fitness index

图3 安全知识获取行为评价SEM模型图Fig.3 The SEM model diagram of the behavior evaluation of the safety knowledge acquisition

表5 模型路径相关系数Tab.5 The correlation coefficient of the model path

从表5中可以看出，本研究的测量模型与调研的实际数据契合度较高，各指标均符合标准，故模型的适配度良好。安全培训内容、师资、方式、资料、效果对安全知识获取行为的影响标准化路径系数分别为0.250(P<0.01)、0.196(P<0.05)、0.210(P<0.01)、0.200(P<0.01)、0.281(P<0.001)，即5项指标对安全知识获取行为有正向显著影响。假设H1、H2、H3、H4、H5均成立。本系统培训有效性得到验证。

3 结论

本文设计开发建筑施工事故预防学习系统，为企业提供行之有效的安全管理手段。本系统对事故案例和安全标准信息进行收集、分析、存储、管理，通过数字化方式帮助企业管理者对作业人员进行培训学习和考核，有效提升企业安全管理能力，改善从业人员不安全行为，以建筑安全教育培训信息化的方式提高建筑安全管理水平，减少建筑施工事故的发生。

(1)本文选取42起物体打击事故的调查报告，运用行为安全“2-4”模型统计分析个人和组织2个层面的不安全行为，得出安全监督检查制度不健全、安全培训管理制度不健全是最主要原因，为系统建立不安全行为原因数据库提供理论依据，并基于此完成本系统业务应用层256项操作功能的开发。

(2)为验证本系统能有效进行安全培训，基于系统中安全培训的内容、师资、方式、资料、效果5个维度构建安全知识获取行为的评价模型，并利用结构方程模型分析软件进行分析验证，结果表明本系统培训的有效性。