基于模糊DEMATEL-ISM-MICMAC 的脚手架事故致因机理分析

向宇然，夏瑶徽，张国权

（武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉430070，E-mail：xiangmilton@163.com）

在2019年报告的全国房屋市政工程生产安全事故中，按照类型划分，高处坠落事故415起，占总数的53.69%。显然，高空坠落是最重要的安全问题之一，这是造成大量致命伤害的原因，该行业超过30%的死亡是由高空坠落造成的[1]。Xiuwen Sue Dong等[2]指出脚手架是造成高空坠落的主要原因。相较于其他原因，脚手架不仅是跌倒的主要原因，而且是受伤率最高的原因之一[3]。因此，研究脚手架事故致因机理，寻找关键因素并进行监控，可以有效降低脚手架事故的发生。

研究表明，临时结构不管在工作期间还是休息时间，都可能对使用者和周围人员构成危险，甚至造成伤害；脚手架介于临时结构与永久性结构之间，同样面临这样的问题[4]。Robert G.Beale[5]通过回顾过去对脚手架及脚手架结构的研究，发现大多数脚手架失效是由于现场控制不良造成的。Shu Chen等[6]指出安全管理中必须加强对主要引起外部风险的不安全行为的管理。郑霞忠等[7]通过对脚手架坍塌致因分析，得出违章作业和安全责任制度不健全分别是事故发生的直接原因和根本原因。张孟春等[8]借助ANOVA（Analysis of Variance）和t检验统计学方法，分析得出脚手架工人对不使用安全带和高处抛扔物体行为的危险性存在低估。尽管目前对脚手架安全风险研究众多，但是对于导致脚手架事故各因素之间的相互影响关系及路径传递研究却很少。鉴于此，本文通过采用集成模糊DEMATEL（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory）、ISM（Interpretative Structural Modeling）混合建模方法定量地对脚手架施工安全影响因素系统中各个因素的层次结构和内在联系进行梳理，对相似因素进行归类，找出复杂因果关系中的关键因素，并通过交叉影响矩阵分析方法（Matriced Impacts Corises-multiplcation Appliance Classement，MICMAC）对结果进行分析，从而为提高脚手架安全、降低脚手架事故发生提供思路和管理方案。

1 研究方法

决策实验室分析法（DEMATEL）是通过结合图论和矩阵论对复杂系统因素进行分析和决策的方法，能充分对复杂网络中的因素进行识别和分析[9]。DEMATEL被认为是用来寻找评价参数之间因果关系的最佳实用方法之一[10]。该方法说明了变量之间的相互依赖关系及有影响的影响值。由于DEMATEL方法是基于专家经验来进行打分的，其结果受个体差异和专家主观性影响较大，因此将模糊理论和DEMATEL方法结合，可以消除专家评价信息存在语义化和模糊化等问题[11]，通过将专家打分转换成相应的三角模糊数（Triangular Fuzzy Number，TFN），得到直接影响矩阵，然后进行模糊化处理[12]。对处理后的直接影响矩阵求平均，得到平均直接影响矩阵，再求取矩阵中每个元素的期望值[13]。ISM模型以图论为理论基础，借助逻辑矩阵运算来分析、处理复杂系统结构，是一种有效的网络分析工具[14]。ISM通过对复杂系统分解，借助人的经验知识，利用计算机辅助，得到一个多层递阶的结构模型[15]。基于此，DEMATEL和ISM结合，不仅可以识别出指标体系的关键要素和影响程度，而且可以构造指标体系的层级结构[16]。采用MICMAC方法分析，由可达矩阵确定各因素的驱动力和依赖性，绘制象限图，对影响因素所处地位和作用进行分析，以便提出针对性改进建议[17]。

具体操作步骤如下：

（1）面向从事脚手架工程相关项目人员和专家开展调研，在此基础上，采用德尔菲法进行打分，从而建立直接影响矩阵。问卷按照5个等级，来对影响因素进行评价。

（2）通过语义转化表将初始直接影响矩阵转化为TFN（见表1）为第k位专家认为i因素对j因素的影响程度，通过下式求取平均影响矩阵Z中每个元素的期望值。

表1 语义转化表

（3）对平均直接影响矩阵采用标准化处理，计算得出综合影响矩阵T，其中E为单位矩阵。

（4）分析综合影响矩阵T。通过下式计算Fi、Gi影响度和被影响度分别表示第i行或第i列影响因素对其他因素的综合影响值。

中心度mi反映第i个因素在指标体系中的位置，和在故障过程中的重要性。原因度ni反映影响因素的因果关系。区分原因因素和结果因素是通过原因度正负进行判断，正为原因因素，负为结果因素。

（5）计算整体影响矩阵。

（6）设置阈值，计算可达矩阵。

λ为阈值，取值范围在[0，1]间，本文取λ=0.2；kij为因素i与j元素的关联值。

（7）计算各影响因素的可达集合R(si)和前项集合A(si)。

（8）建立ISM模型。

（9）通过可达矩阵，利用MICMAC方法，通过计算的依赖性与驱动力结果绘制象限图，进一步分析影响因素的地位和所起作用，明确各影响因素的不同特性，为提出建议或采取措施提供依据。

2 脚手架事故致因指标体系

通过以往数据可知，坍塌、高处坠落、物体打击为3种最常见的脚手架事故。为寻找脚手架事故致因机理，通过查阅脚手架事故影响因素的文献资料，结合专家访谈结果，对影响因素进行合并，最终确定为5个方面的因素，即人的失误、管理方法、材料及机械设备因素、恶劣环境、其他因素。具体指标及指标说明如表2所示。

表2 脚手架事故影响因素指标体系说明

3 案例分析

3.1 基于模糊DEMATEL 脚手架事故影响因素分析结果

在群体规模与决策关系的研究中指出以质量一致为重点，5～10人最为合适[18]。此外，采用调查员三角测量法，使用不同研究成员团队的数据，可以减少偏见，保证研究的有效性和可靠性[19]。基于此，本文邀请了10位经验丰富的研究建筑风险和从事脚手架工程领域的专家，其中5位来自学术研究人员、5位来自行业从业人员。通过自身从业经验，结合近5年全国发生的典型脚手架事故，根据构建的脚手架施工安全风险指标体系，由10位专家对风险影响因素间的作用强度，按表1中的5个等级分别赋值，并对初始直接影响矩阵进行TFN处理。对处理后的10个直接影响矩阵求平均，得到平均直接影响矩阵。用式（1）求得矩阵中元素kij，结果如表3所示。

通过式（2）和式（3）对表3做标准化处理，得到综合影响矩阵T，如表4所示。

表3 期望值直接影响矩阵

按照式（4）至式（7）计算表4，通过计算出的中心度和原因度值，绘制脚手架事故致因中心和原因度图，如图1所示。

在脚手架事故致因体系中有7个因素为原因因素；8个因素为结果因素。由大到小对原因因素排序结果为：行政监管不到位、安全监督不到位、安全检查整改不到位、现场管理混乱、安全教育培训不充分、气候条件、施工技术方案过程控制不到位。结果因素按绝对值，由大到小排序为：三违行为、设备故障、未正确使用安全防护、未持证上岗、现场环境、工人安全意识淡薄、安全装置缺失、材料是否合格。

由原因-结果图（见图1）可知，脚手架事故致因形成因子聚集为四类。中心度与其影响程度为正相关关系，因此，对强原因因素集（Ⅰ）和强结果因素集（Ⅳ）需要进行重点关注。对Ⅰ、Ⅳ区因素，按照中心度由大到小进行排序，即三违行为、未正确使用安全防护、工人安全意识淡薄、未持证上岗、安全装置缺失、行政监管不到位、安全检查整改不到位、安全监督不到位。

图1 脚手架事故致因中心和原因度图

3.2 基于ISM 的脚手架事故致因指标体系整体影响分析

为剔除影响程度小的因素，通过设置λ=0.22的阈值，将表4综合影响矩阵进行化简，得到邻接矩阵如表5所示。

表4 综合影响矩阵

表5 邻接矩阵

邻接矩阵加上单位矩阵得到可达矩阵，根据可达矩阵分别构建可达集合与先行集合及其交集表（见表6）绘制脚手架事故致因ISM模型如图2所示。

通过对脚手架事故致因分析，得到解释结构模型。由表6并结合图2可以看出，行政监管不到位为最底层的因素，并作用于其他因素，说明E1是影响脚手架事故的最根本因素。三违行为和设备故障位于最顶层，是最直接影响因素。第四层施工技术方案过程控制不到位、安全教育培训不充分和第五层现场管理混乱、安全监督不到位这些因素均来自管理方法维度，受最底层因素影响又作用于其他指标影响，是比较深层次的影响因素。

图2 多层次ISM 模型

表6 可达集合与先行集合及其交集表

3.3 基于MICMAC 脚手架事故影响因素分析结果

通过计算各指标的驱动力（Q）和依赖性（Y）进行指标间的分层，驱动力是可达矩阵各行元素之和，依赖性是可达矩阵各列元素之和。据此绘制影响因素Q-Y分类图，以驱动力和依赖性的平均值为分界线，最终划分为4个象限，如图3所示。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限分别为自治簇、依赖簇、联系簇、独立簇。依赖性越大表明越依赖其他因素来解决该因素，驱动力越大表明该因素可以帮助解决其他因素的程度越大。

图3 影响因素Q-Y 分类

对脚手架事故致因进行MICMAC分析，得出指标驱动力依赖矩阵。属于第Ⅰ象限的因素有材料是否合格、气候条件、现场作业环境，其共同点是较低驱动力和依赖性，在评价时需要对这3个因素进行单独考虑。属于第Ⅱ象限的因素有现场管理混乱、施工技术方案过程控制不到位、安全教育培训不到位、安全监督不到位、安全检查整改不到位、行政监管不到位，其特点是具有较低的依赖性和较高的驱动力；这些指标位于ISM 模型中的底层，属于较深层次的影响因素，其他影响因素的解决依赖于这些指标因素的解决；并且这些因素都属于管理方法指标和其他因素指标，在事故发生中属于间接因素，不易被观测，故需要进行重点把控。第Ⅲ象限因素同时具有较高驱动力和依赖性，工人安全意识淡薄、未持证上岗，说明这两个因素间的关联性很大。属于第Ⅳ象限的因素有三违行为、未正确使用安全防护、安全装置缺失、设备故障，这些因素都是具有较低驱动力和较高依赖性的特点，处于ISM模型中的第一层和第二层的位置，需要通过解决其他因素才能被解决。

3.4 政策建议

（1）行政监管不到位是底层因素。需要加大行政监管力度，这样有助于提高施工单位的安全管理水平，降低脚手架事故的发生。具体来说，需要完善法律法规、增加对企业的处罚力度和提高巡查频率；除此之外，可以考虑设立奖惩制度、引入信息化管理技术，通过设置电子监控进行辅助检查。

（2）管理因素维度属于较深层次影响因素。解决好这些影响因素也会对其他因素产生正反馈。通过对传递路径的分析，监理人员或者施工单位管理人员若对安全监督不到位，将导致安全教育培训流于形式、安全检查整改不及时，进而工人降低对风险的安全意识、使用不合格材料、没有配备安全防护装置，最终由于三违行为或者设备故障引起事故的发生。基于此，可知管理因素是导致人的失误和材料及机械设备因素的主导因素。由于管理方法因素是造成事故发生的关键致因，因此，加强对管理方法维度的监管，可以降低三违行为、设备故障的发生，进而降低脚手架事故的发生。

（3）三违行为和设备故障作为事故发生的最直接因素，需要加大对工人不安全行为的识别、对机械设备检查。通过应用计算机视觉识别或者BIM技术对工人行为进行研究，及时发现问题，再通过视频动画模拟安全教育的方式，加深工人的危险感知能力，进而降低三违行为的发生。进场时，脚手架材料需具备生产许可证和测试报告，抽查施工材料是否达到施工要求；同时，定期对机械进行维修检测也是有效降低机械故障的途径。

4 结语

目前，我国脚手架安全事故频发，且具有易导致群死群伤的的特点，一旦发生，将对建设单位和社会带来严重的经济损失和负面影响。脚手架安全事故发生的原因是复杂多样的，对造成脚手架事故发生的安全风险进行识别与分析，是进行脚手架安全风险防范，预防和减少事故发生的重要前提。本文通过文献分析和专家访谈确定5个维度，15个因素的影响脚手架事故发生的指标体系，应用模糊DEMTEL、ISM和MICMAC构建的组合评价模型，对脚手架事故影响因素进行研究，通过模型分析，找出了各因素之间的关联及传递关系，使导致脚手架事故发生的机理更加清晰。结果表明，行政监管不到位是造成脚手架事故的最深层次的因素，管理方法维度处于较深层次因素，人的失误、材料和设备因素、恶劣环境是造成脚手架事故的直接因素。根据驱动力依赖矩阵找出需要重点防控的因素，并对其提出相应的解决措施，以期可以从源头把控，减少脚手架事故的发生，对建设单位在脚手架施工防范事故发生具有一定参考价值。