基于事故预防的工程项目安全风险评估及优化策略仿真研究

齐锡晶， 李永超， 张升进

(东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

建设工程项目具有施工人员流动性大、施工环境复杂、露天高空作业多等风险因素，这些因素给安全风险管理带来了挑战，影响到人民生命财产安全，对国民经济发展也造成重大损失[1]。

事故预防是安全风险管理的核心工作[2]。钱七虎[3]从事故发生的类型和原因等对工程建设事故进行分析，指出工程事故预防的可行性，并提出工程建设安全管理实践的对策。贺廿生[4]为提高铁路安全风险管理水平，剖析了近年间发生的铁路施工事故的主次要原因，提出铁路营业线施工事故的预防措施和建议。

这些研究从事故分析角度提出了科学有效的事故预防后续建设措施。但事故预防措施对安全风险的影响机理与量化研究仍有待进一步被重视，以期激励建设单位开展事故预防体系建设。因此，事故预防措施有效性的量化分析逐渐得到专家学者的关注。管仲尧等[5]通过实验研究建筑工人生理和心理疲劳程度与不安全行为的关系，进而对工作时间预警等事故预防措施的有效性进行量化验证。Yijiao Chen等[6]基于事故致因机理研究，建立施工安全评价体系，通过前后安全度对比，分析事故预防措施的风险抑制效果。Hasanzadeh等[7]通过实证研究检验安全干预措施和技术对工人冒险行为的潜在影响，进而对事故预防措施的风险补偿水平进行定量研究。

分析以上文献可知，事故预防机制作用效果的量化研究已受到国内外学者的重视，形成了一系列研究成果，丰富了安全风险管理理论。然而，这些研究大多从静态的角度探讨事故预防措施对安全风险的影响效果，也没有考虑不同项目管理目标之间的相互约束关系，从而无法动态揭示事故预防措施对工程项目安全风险的影响机理。

有鉴于此，本研究将基于系统动力学(System Dynamics,SD)的理论与方法，考虑不同项目管理目标间的约束作用，通过对不同事故预防措施下风险传递路径的分析，建立基于事故预防的安全风险管理系统仿真模型；然后，结合具体案例以安全风险水平为测度，动态模拟不同事故预防措施的实施效果；最后，在此基础上，调控不同事故预防措施的投入比例，探讨提升安全风险管理效率的有效策略。

1 安全风险管理系统框架

根据海因里希因果连锁和安全系统工程理论，人的不安全行为和物的不安全状态是安全风险事故发生的关键，人和物的不安全又由环境因素和管理因素等多维层面共同作用和交互耦合产生。因此，这四个部分构成了一个“人-物-环-管”系统。本文参考现有研究成果[8～10]，考虑技术进步对安全风险管理的影响，将建设工程项目安全风险管理系统要素划分为人员、设备、环境、技术与管理5个子系统。这5个子系统分别受到系统内部风险要素和系统外部措施的影响。根据事故时间节点，可将其分为事故预防及恢复措施。事故预防措施将在事故发生前作为安全屏障有效减少安全风险的累积，从而减少事故发生频率。

基于项目管理视角，工程建设的四大目标安全、质量、进度、成本，是工程各参与方所有工作的主要控制内容[11]。在进行安全风险管理系统设置时，必须考虑质量、进度、成本目标的约束作用。本文将建设工程项目的安全风险水平定义为安全管理目标的偏离水平。质量是通过系统内部质量因子对安全风险水平进行约束；进度则是通过进度压力对安全风险水平进行约束；成本主要是依据预防性安全投入和损失性安全成本对安全风险水平进行约束。

经济学中帕累托最优值理论认为，对于一个风险管理过程来说，只有通过增加预期的风险管理投入才可能降低风险损失。本文将安全风险管理效率定义为单位预防性安全投入带来的预期损失性安全成本的减少值。因此，本文将进一步探讨不同事故预防措施投入比例的变化对安全风险管理效率的影响，研究优化策略。

最终，参考BowTie(蝴蝶结)模型[12]，结合关键思路补充细化，安全风险管理系统的框架示意图，如图1所示。

图1 安全风险管理系统框架

本文考虑质量、进度和成本目标的约束作用，从人员、设备、环境、技术和管理5个方面，研究事故发生前内部风险要素和外部预防措施的共同作用演化路径，构建基于事故预防的安全风险管理系统，再针对不同子系统事故预防措施投入方案对损失性安全成本的影响，提出优化安全风险管理效率的策略。

2 风险传递路径分析

系统动力学模型是将系统动态行为特性与计算机仿真技术结合的一种系统工程方法，通过构建复杂系统内部各因素间的因果关系模型，预测系统未来的动态行为，为系统决策提供依据[13]。本部分采用系统动力学研究方法，参考事故预防措施清单，提取系统关键要素，探索其风险传递路径，为系统的仿真分析奠定基础。

2.1 系统约束条件

本部分将系统约束条件与项目管理目标结合进行分析量化。质量Q细化为建设材料及构件质量和工程实体质量，根据系统要素实际情况完成质量综合打分确定。

进度T是通过进度压力对安全风险水平进行约束，进度压力TP计算方式为

(1)

式中：D为实际关键工作完成量；P为计划关键工作完成量，关键工作根据网络进度计划确定。

成本C通过安全成本SC对安全风险进行约束，安全成本可分为预防性安全投入PC及损失性安全成本AC(安全事故引起的额外经济损失投入)[14],由预防性安全投入对安全风险进行预先控制，计算方式为

SC=PC+AC

(2)

(3)

式中：cj为事故预防措施j的预防性安全投入；m为事故预防措施的数量。

2.2 系统要素提取

基于事故预防的安全风险管理系统要素的科学提取是分析风险传递路径，建立SD模型的基础。

系统外部事故预防措施的提取，参考AQ 9019—2019《安全生产责任保险事故预防技术服务规范》的相关服务内容，按照预防作用效果进行归纳整理，绘制事故预防措施清单，如表1所示。

表1 事故预防措施清单

系统内部风险要素的提取，主要通过收集分析工程建设领域相关文献资料，经10位领域内专家(大学教授4人，项目经理3人，项目监理3人)讨论、增补遗漏因子，剔除关联度较低因子进行确定，按照人员、设备、环境、技术和管理5个子系统进行划分。

基于事故预防的安全风险管理系统要素，如图2所示。

图2 基于事故预防的安全风险管理系统要素

2.3 风险传递路径

本文考虑项目管理目标间的约束作用，基于安全风险管理系统要素，以“安全风险水平”为中心，“人员不安全行为”、“设备不安全状态”、“环境不良状态”、“技术失误”、“管理缺陷”为次中心，构建反馈回路。该系统包含9个反馈回路，其中8个是负反馈回路，1个是正反馈回路。各反馈回路如下所列，变量前的符号表示它与前一变量呈正相关(+)或负相关(-)。

(1)第1条为正反馈回路：安全风险水平—(+)事故工期损失—(+)进度压力—(+)安全风险水平；

(2)第2条为负反馈回路：人员不安全行为—(+)人员安全投入水平—(+)安全生产教育培训—(-)人员不安全行为；

(3)第3条为负反馈回路：设备不安全状态—(+)设备安全投入水平—(+)安全检查组织开展—(-)设备不安全状态；

(4)第4条为负反馈回路：环境不良状态—(+)环境安全投入水平—(+)生产安全事故隐患排查—(-)环境不良状态；

(5)第5条为负反馈回路：环境不良状态—(+)环境安全投入水平—(+)安全标注及防护设置—(-)环境不良状态；

(6)第6条为负反馈回路：技术失误—(+)技术安全投入水平—(+)安全风险辨识、评估和安全评价—(-)技术失误；

(7)第7条为负反馈回路：技术失误—(+)技术安全投入水平—(+)安全生产科技推广应用—(-)技术失误；

(8)第8条为负反馈回路：管理缺陷—(+)管理安全投入水平—(+)生产安全事故应急预案演练—(-)管理缺陷；

(9)第9条为负反馈回路：管理缺陷—(+)管理安全投入水平—(+)安全生产标准化建设—(-)管理缺陷。

最终，基于事故预防的安全风险管理系统仿真模型因果关系图，如图3所示。

图3 基于事故预防的安全风险管理系统仿真模型因果关系

3 模型构建

3.1 系统存量流量图构建

存量流量图是在系统的因果回路分析基础上，通过界定变量性质，借助更为直观的变量符号准确描述系统要素间的内在逻辑，为后续定量分析打下基础的图形表示方法。存量流量图不仅可以体现出不同性质变量的特征，而且可以根据因果关系图中变量的演化机制，建立因素之间的数量关系，进而清晰地描述影响反馈系统的动态性能的积累效应[15]。本文通过对图3所体现的因果关系进行分析，利用系统动力学Vensim PLE软件进一步描绘了基于事故预防的安全风险管理系统仿真模型存量流量图，如图4所示。

图4 基于事故预防的安全风险管理系统仿真模型存量流量

3.2 模型仿真参数及方程的确定

对相关变量的影响关系参数方程进行设定，是构建SD模型的重要过程。需要考虑的是，各个系统要素的影响程度存在一定的模糊性和主观性，一般难以用精确数值来度量，因此本文拟采用三角模糊数和层次分析法相结合的方法以尽量减少主观误差。其参数权重计算步骤为：

步骤1：根据专家意见，对每项影响因素的重要性进行打分，构造各层次的判断矩阵B。

(4)

步骤2：选取10名专家，对判断矩阵B中xij项的三角模糊数Xy进行判定。

Xy=(ly，my，ty)

(5)

式中：y为专家序数，取1～10之间整数；t为模糊集的上界；m为一般值；l为下界。一般值即为专家判断出现频次最多、可能性最大的数值。

步骤3：运用模糊数求平均值的公式，对各专家所得三角模糊数求平均值。

(6)

步骤4：参考Chamodraks等[16]对三角模糊数X(a,b,c)去模糊化的方法，得到xij的清晰值。

(7)

形成最终判断矩阵B。

步骤5：计算两两判断矩阵各行乘积。

(8)

步骤6：对Hi的n次方根进行计算。

(9)

步骤7：确定权重。

(10)

步骤8：计算判断矩阵最大特征值λmax。

(11)

步骤9：进行一致性检验。

(12)

式中：n为判断矩阵的阶数；RI为随机一致性指标，相关取值如表2所示。当CR<0.1时，认为判断矩阵一致性满足要求；否则，重新进行调整，直到满足要求。

表2 随机一致性RI取值

限于文章篇幅，本文以人员子系统要素权重计算为例，设A1～A4分别代表人员生理及心理健康状况、人员操作生疏程度、人员持证上岗情况以及安全生产教育培训，去模糊化的判断矩阵计算结果，如表3所示。

表3 人员子系统要素权重

同理，可计算其他系统要素的权重值，从而确定各参数方程中变量的系数。

主要变量参数方程，如表4所示。其中，IF THEN ELSE 为条件函数，根据括号内变量条件真假的判断，选择输出值；WITH LOOKUP为表函数；INTEG 为积分函数。

表4 主要变量参数方程

4 实证分析

4.1 示例项目选取

为进一步验证上述SD模型的有效性，本文以某建设单位于2021年建设的沈阳市某工程项目为实例，进行仿真分析。该项目占地面积62966.08 m2，建筑面积155750.78 m2，计划工期50个月。现对该项目潜在安全风险进行测度，优选风险预防策略。

4.2 系统参数的赋值

为了预防和管理安全风险，项目启动风险决策，进行了系统仿真参数设置。

(1)系统参数的取值。根据工程实际，在Vensim软件中按以下方式设置模型：起始时间为0，结束时间为50，步长为1，时间单位为月。

(2)定性常量的赋值。为确保结果的一致性和可比性，各定性常量指标采用专家评估方法进行计算，取值范围为[0,1]。

(3)变量的量化标准。安全风险水平的量化等级及标准，如表5所示。

表5 安全风险水平量化等级及标准

4.3 仿真结果及分析

(1)事故预防措施效果分析

为测试事故预防措施实施的效果，本部分模拟了未采取事故预防措施和采取全部事故预防措施下的安全风险水平仿真结果，如图5所示。

图5 事故预防措施安全风险水平仿真结果

根据模拟趋势，项目施工初期由于各子系统投入产出存在延迟(事故预防措施初值为“0”，随预防性安全投入、时间动态调整)，导致在施工初始阶段风险水平不断上升。随着项目的推进，安全风险管理系统的负反馈回路发挥“寻的”特性，实现动态调整，安全风险水平最终趋于稳定状态。系统仿真结果合理，遵循系统设计原理，并与工程实际一致。

根据模拟结果，事故预防措施对于建设工程项目安全风险水平具有较为显著的抑制作用，使最终的安全风险水平降低36.6%。因此，本文进一步探索能够有效抑制安全风险的关键措施。

如图6所示，对比不同事故预防措施在项目结束时的预期安全风险水平可知，采取安全生产标准化建设S8后安全风险水平下降幅度最大，说明该措施抑制效果最好。各个事故预防措施的风险抑制效果由高到低排序为：安全生产标准化建设S8、安全生产科技推广应用S6、安全生产教育培训S1、安全风险辨识评估和安全评价S5、生产安全事故应急预案演练S7、生产安全事故隐患排查S3、安全检查组织开展S2和安全标志及防护设置S4。与之对应的安全风险水平相对于未采取事故预防措施时下降11.44%～1.21%。

图6 单一事故预防措施预期安全风险水平仿真结果

(2)事故预防措施效率分析

为研究不同事故预防措施投入下的安全风险管理效率，采用正交试验方式，保证总投入为1个单位，制定不同方案进行模拟，如表6所示。

表6 不同事故预防措施下投入率方案

不同投入方案下损失性安全成本的仿真结果，如图7 所示。单位预防性安全成本投入下，仅Current4和Current5明显优于Current0(初始方案)。这说明增加技术和管理子系统事故预防措施投入比例，注重安全生产标准化建设和生产安全事故应急预案演练，提高安全生产科技推广应用以及安全风险辨识评估和安全评价水平，对系统安全风险管理效率呈正向影响，决策者可以据此进行风险策略优化。

图7 不同投入方案下损失性安全成本仿真结果

5 结论与建议

本文采用系统动力学方法，从动态视角出发，考虑项目管理目标间的约束关系，构建了基于事故预防的安全风险管理系统仿真模型，探索了事故预防措施对工程项目安全风险的影响机理，并设计模拟不同事故预防措施投入方案，以探究有效提升安全风险管理效率的策略。研究结果表明：

(1)结合示例项目分析，采取事故预防措施对工程项目安全风险水平有明显的抑制作用，并进一步明确了各个事故预防措施的风险抑制效果排序，从而确定了实施事故预防措施的优先顺序。

(2)通过调控不同事故预防措施的投入比例，甄别最优投入方案。就示例项目而言，决策者可适度增加技术和管理子系统事故预防措施投入比例，参考事故预防措施清单，有针对性地进行事故预防体系建设。研究结果一定程度上可为工程项目的事故预防体系建设提供量化依据，为制定投入方案点明方向。

本文建立的仿真模型有利于帮助研究人员和决策者了解基于事故预防的安全风险管理系统项目管理目标间的动态约束关系，且有助于加深建设单位对事故预防措施有效性的理解，激励并指导其开展事故预防体系建设。此外，本研究通过不同事故预防措施投入方案，模拟探索了提升安全风险管理效率的有效路径，从而为促进实践中的工程项目安全风险管理提供了更清晰、更明确的指导。但本文研究仍存在一定的局限性，对系统要素间的相互作用刻画不够深入，后续工作中将着重探索系统要素间的关联作用。