基于蒙特卡洛法的机械制造企业安全绩效评估研究

2022-12-08杨鑫刚王起全陈文涛柴萧萧

西安科技大学学报 2022年6期

杨鑫刚，王起全，陈文涛，柴萧萧

（1.中国劳动关系学院劳动教育学院，北京 100048；2.中国劳动关系学院安全工程学院，北京 100048；3.中国职业安全健康协会，北京 100011）

0 引言

随着社会生产力的发展，生产规模的扩大，生产设备及技术的不断更新，安全问题也越发引起人们的关注。虽然目前中国的安全生产管理工作已经取得了一定的成绩，但仍然存在很多问题。安全绩效评估能够判断出企业的安全管理运行状态，有利于找出安全管理体系的薄弱环节。因此，安全绩效评估是企业安全管理的实际需要，也是实现企业安全发展的有效途径。安全绩效评估研究具有重要的理论价值和现实意义。

1957年，ROCKWELL最先提出将人员的不安全行为列入到安全绩效评估指标中[1]。当时对于安全绩效的研究大多从事故的伤亡情况出发，常选用事故率、人员伤亡率、疾病发生率等作为评估指标[2-3]。这些指标描述的是过去的安全状况，不符合“预防为主”的安全理念，不能对未来的安全绩效做出预测，更不能指出影响安全绩效的主要因素，无法指导人们如何避免事故的发生，有很大的局限性。随后，由于事故尤其是重大灾难事故的不断发生，人们开始关注人为因素和安全文化对于企业安全的重要作用。SAMELSON和KRAUSE提出组织结构、管理者的安全意识和员工的安全行为都会对安全绩效产生很大影响[4-5]。PAWLOWSKA通过研究60家公司的职业安全与健康（Occupational Health and Safety，OSH）绩效结果，发现绩效水平较高的公司多采用前置指标[6]，因此越来越多的学者倡导使用前置指标来衡量安全绩效。

于广涛和张朋鹏指出，通过加强企业安全文化氛围和安全知识教育可以提高员工的安全意识[7-8]。陈隆展研究发现减少员工不安全行为的有效途径之一是建立相关的安全管理部门和安全准则来管理和约束各部门[9]。王长建提出，增加企业的安全投入，并改善工作环境，对于安全绩效有很大帮助[10]。MULLEN指出，管理层尤其是领导层对安全生产的重视程度的提高，对企业安全绩效影响很大[11]。此外，刘佳等依据情绪感染理论、群体动力理论以及社会认知理论，构建了团队支持氛围对矿工安全绩效的跨层次作用模型。研究发现团队支持氛围正向影响矿工安全绩效[12]。这说明企业的安全绩效指标必须充分考虑人为环境等因素。同时，企业的安全绩效指标也应随企业内外部环境的变化而不断调整完善。目前，常用的安全绩效评估方法有模糊熵权法和结构方程法等[13-14]。这些方法很大程度上依赖于评估人员的专业化水平，而且由于指标之间互有影响，衡量标准不一，评估不可避免地存在主观性和随意性。企业安全生产的影响因素多种多样，且在不同时间不同企业的绩效指标也会有不同的取值结果，这就导致了企业安全绩效评估的复杂性。而蒙特卡洛法基于大量试验的结果直接对事物进行结果验证，可以得到每个指标的估计值，继而有效客观地对企业的安全绩效做出评估。目前蒙特卡洛法已经广泛应用于金融工程学、经济学、社会科学、生物遗传、物理学等多种学科领域，取得了良好的效果[15-16]。因此，文章采用蒙特卡洛法来实现安全绩效评估。

笔者根据文献[6]，确定安全绩效指标体系，采用蒙特卡洛法，模拟分析选择变量，找出符合客观实际的变量的概率分布模型，仿真模拟计算安全绩效结果，并分析评估结果，提出改进建议。

1 企业安全绩效指标分析

1.1 企业安全绩效指标体系的建立

企业安全绩效是指经过安全投入、安全管理措施等一系列安全工作后企业的整体安全状况。安全绩效是企业总体安全运行状态的外在表现，能够体现企业安全工作的结果。由于国内的安全绩效评估方面的研究还不成熟，目前还没有供企业实际广泛应用的安全绩效评估模型，指标的设置也没有统一的标准。安全绩效可以分为安全结果、安全遵守和安全贡献[17]。考虑到企业安全绩效和个人安全绩效的区别，文章具体分析了国际安全评级系统ISRS[18]（International Safety Rating System），综合考虑了国内外不同行业安全绩效指标[1，19-22]的共同因素，将企业安全绩效划分为安全文化、安全管理和安全结果3个维度，最终建立评估指标体系见表1。表中微小事件是指存在人的不安全行为或人的不安全状态但是尚未发生事故的事件。

1.2 企业安全绩效指标的量化

企业安全绩效指标根据性质可以划分为2类：定量指标和定性指标。对企业进行安全绩效评估时，需要量化指标的结果，从而进行加权计算得到具体数值，以数值的形式表示企业的总体安全状况。不同类型指标的量化方法不同：对于定量指标，直接统计数量和频次，给出数字化的统计结果，将数值结果分为5个级别，将每个级别进行赋分；对于定性指标采用分段赋值法进行量化，每个选项对应一个分值（具体量化见表2）。其中，“安全管理机构设置和人员配置”指标依据安全生产法相关规定分为符合要求和不符合要求2个等级；“安全生产投入”指标的分级主要依据安全生产法相关规定来划分，其中工程造价中规定企业安全投入需占企业总成本的百分之一[23]。由于机械加工类企业发生的事故大多都是对人体产生微小伤害的事件，所以将“经济损失数”指标的最低层级假设为1 000元以下。

表1 企业安全绩效评估指标体系

1.3 评估结果分级

企业进行安全绩效评估主要目的就是了解企业的整体安全运行状态，对安全绩效评估后，需要对这个结果进行等级划定，以此来确定企业的安全状态等级。文中将评估结果划分为5个等级：评估等级为一级代表企业的安全总体水平处于优秀状态，需要继续保持；等级为二级的企业安全状态处于良好，表示企业的安全工作仍然存在漏洞，需要进一步排查和完善；等级为三级的企业安全状态处于一般，表示企业内部对于安全工作不太重视，投入的安全成本没有得到最大限度的发挥，需要对企业上下加强安全教育，加强企业人员对于安全的重视程度，进一步完善企业的安全工作；等级为四级的企业安全状态处于较差，表现为企业的安全工作没有彻底展开，企业应重视安全管理工作，完善各项机制与部门；等级为五级的企业安全状态处于很差，表现为管理层彻底忽视企业的安全管理工作，员工也不具备一定的安全意识，安全管理机构建制不全或没发挥相应作用，企业需要在根本上完善安全管理机构，并配备专业人员执行相关安全决策。每级相对应的分数见表3。

表2 安全绩效指标的量化表

表3 安全绩效评估结果分级情况

1.4 指标权重的确定

不同指标对安全绩效的结果影响不同，在评估安全绩效时，需要对指标的权重进行计算。文中选用层次分析法来确定指标的权重系数，将影响机械加工企业安全绩效的因素分为以下3个层次：最高层、中间层和最低层。最高层即目标层，代表企业安全绩效评估活动；中间层是准则层，设定为企业安全绩效指标体系中的一级指标；最低层是方案层，设定为企业安全绩效指标体系的二级指标。通过问卷调查征求企业安全管理人员和安全管理方面的专家意见，建立指标判断矩阵，借助层次分析法软件Yaahp计算指标的权重，并通过一致性检验后，得到安全绩效指标值结果见表4。

表4 安全绩效指标值

2 企业安全绩效评估中蒙特卡洛法的应用分析

2.1 蒙特卡洛法的基本原理

蒙特卡洛法（Monte Carlo Method）是基于概率论及数理统计的一种数理方法，用于解决可以被描述为事件的发生频率或某个随机变量的均值的问题。蒙特卡洛法的基本原理主要是确定变量的概率分布，根据概率分布在计算机上生成随机数，以这些随机数作为抽样值，依据所设置的模型进行逻辑关系运算，得到安全绩效的估值结果，并以概率分布的形式呈现出来。

2.2 蒙特卡洛法在安全绩效评估应用中的框架设计

蒙特卡洛法以概率统计为基础，求事件发生的频率或者求某个随机变量的均值。蒙特卡洛法实现安全绩效评估的应用思路如下。

第1步：确定安全绩效的评估指标。对安全绩效的影响因素进行分析，将安全绩效的评估指标主要归纳为安全文化、安全管理和安全结果等3个维度，各个维度下又有二级指标，共计18个。

第2步：得到变量的概率分布函数模型。通过层次分析法求得指标的权重系数，选取对安全绩效有重大影响的指标作为蒙特卡洛模拟的随机变量，通过问卷调查和实地调研得到具体数据，对数据进行统计分析，得到变量的概率分布函数模型。变量的概率分布类型主要是正态分布、三角分布和泊松分布等。

第3步：根据层次分析法得到的权重和筛选出的变量构建安全绩效的数学模型。

第4步：利用Matlab软件编写程序，输入变量的概率分布，生成随机数。一般实际操作中都是采用“伪随机数”代替真正的随机数[24]。

第5步：计算安全绩效结果值。编写程序，将计算机产生的随机数代入构建的数学模型中，每组随机数都会产生一个安全绩效结果值。经过计算机的多次模拟，可以得到安全绩效评估结果的期望值、方差和概率分布等，采用安全绩效的期望值作为企业安全绩效评估的结果，从而将期望值与安全（表2）的分级相对应，确定企业的总体安全状态级别。

3 实例运用

本章将蒙特卡洛法应用于某企业的安全绩效评估，继而更好指导企业的安全生产。

3.1 企业概况及安全生产特点

某中型机械制造企业主要从事焦炉捣固机设备及零件的研发制造。在生产过程中运用半自动装配线，人机交互现象大量出现。在这种情况下，主要会出现以下安全问题[25]。

1）机械伤害。例如员工在进行车床、铣床等机床操作时，会被机床上的刀具割伤，同时，飞溅的铁屑也容易对人眼造成伤害。

2）电器伤害。员工在接触公司的电器设备时，直接或间接触电，受到伤害。

3）噪音伤害。机械制造加工时，会产生很大的噪音，对员工的听力系统产生危害，造成不可逆的损伤。

4）辐射或加工物质伤害。机械加工时需要用到焊枪，员工电焊时，焊接会产生大量弧光，对操作人员的眼睛造成伤害。

5）疲劳。由于加工机床设备不符合人机工程学原理或者不注意休息，导致人员产生疲劳感。

3.2 安全绩效指标数据来源及处理

定量指标的数据通过现场数据调查法得到，并对应表2得到赋值结果。定性指标的数据由问卷调查获得。每个题目有5个选项，调查对象在回答时只能选取一个选项，每个选项对应一个分值，统一将选项A，B，C，D，E的得分设置为0，25，50，75，100，每个题目满分为100。问卷调查的对象为工厂管理人员、安全检查人员以及基层工作人员。问卷一共设置了：是否在工作时会严格遵守公司的安全规定、是否了解所处的工作环境的风险及防范措施、在工作时是否能够做到始终把安全放在第1位、认为公司的安全检查是否全面、认为公司的安全检查的频次如何、认为公司的管理人员对安全的重视程度如何、公司是否组织过关于应对自己工作区域内紧急情况方面的培训、公司是否会定期组织应急演练及演练效果等8道题目，发放151份问卷，回收率为100%。通过计算相关题目的平均分值得到该项指标分值。

3.3 基于蒙特卡洛法的安全绩效评估

3.3.1 选取变量

从指标体系中筛选出对安全绩效有重大影响的关键性指标作为随机变量。文中选用层次分析法来确定指标的权重系数，按照权重值从大到小排列，挑选出权重较大的前8个指标，它们的权重系数之和大于0.8，结果见表5。因此，选取经济损失数、较大事故发生率、微小事件数、员工安全行为、员工的安全意识、安全检查力度、领导的安全承诺与支持、应急管理水平等8个指标作为蒙特卡洛模拟的随机变量。

3.3.2 确定数学模型

根据3.3.1的变量选取结果，建立安全绩效数学模型

v=f（ωi,xi）（i=1,2,…,8）

式中xi为第i个变量;ω为第i个变量的权重系数（权重系数值见表5），f（ωi,xi）为xi的线性加权组合函数。

3.3.3 变量概率分布的确定

在实际操作时，很难获得全面、准确的历史数据，可以采用主观确定的方法来判断随机变量的概率分布[26]。由于大多数事物的发展都符合正态分布，且正态分布可以近似代替或导出其他概率分布[27]，所以采用正态分布来描述这些变量。通过SAS对概率分布中的参数进行取值确定，得到变量概率分布和取值情况见表6。

表5 变量的权重系数值

表6 变量概率分布模型

3.3.4 随机抽样

在进行蒙特卡洛模拟时，需要生成大量的随机数来作为变量的抽样值。在实验中，这些随机数通过Matlab软件自动生成。

3.3.5 确定模拟次数

通常情况下，用计算机进行模拟试验时，模拟次数会对模拟的结果产生较大的影响。一般情况下，模拟次数的增加会降低实验结果的标准偏差。因此，模拟的次数不应少于2 000次[28]。分析表明，对于大多数的工程问题，模拟次数在3 000～5 000次之间就可以达到工程精度要求[29]。因此，将计算机模拟试验的次数设定为5 000次[30]。

3.3.6 模拟结果

根据分析得到这8个变量的概率分布模型，利用Matlab对安全绩效评估结果值进行蒙特卡洛模拟（试验次数为5 000次），得到最后模拟的估值结果的概率密度分布图和直方图，如图1所示。通过模拟，可以得到安全绩效的估值结果为平均值47.51分，方差为6.42，区间为[44.98，50.04]。为确保数据的准确性与可靠性，对上述试验的次数进行调整，模拟1 000 000次得到的均值为47.45，方差为6.49。与模拟1 000 000次相比，模拟5 000次的误差仅为0.06，由此可见Matlab模拟5 000次就能得到较为可靠的估值结果。

图1 安全绩效概率分布Fig.1 Probability distribution of safety performance

3.4 评估结果分析与建议

根据蒙特卡洛法对企业的安全绩效进行模拟分析，经过计算机5 000次的抽样运算，对企业的安全绩效进行估值，安全绩效的平均值为47.51，方差为6.42。根据表3，得出该企业的安全总体水平为3级，安全状况一般。将变量均值与安全绩效估值进行对比，发现除却“经济损失数”指标不可控制之外，员工的安全行为、员工的安全意识、安全检查力度、领导的安全承诺与支持、应急管理水平等5个随机变量的均值都低于企业的安全绩效值47.51。因此，要提高企业的安全总体运行状态，就需要对这5个方面的工作进行改进完善。

3.4.1 制定全员、全方位、全过程的管控措施，彻底消除人的不安全行为

对于企业中各个生产环节可能出现的人的不安全行为进行逐项逐步辨识、分析和整理[31]，务必对人的不安全行为做到覆盖企业的每个人员、每个岗位、每道工序。此外，针对不安全行为高发的作业、人群、时段等，制定针对性管控措施。通过精细化的行为管理，彻底消除人的不安全行为。

3.4.2 加强员工的安全培训，提高员工的安全意识

企业内部安全培训是提高员工安全素养和安全意识的重要方法[32]。企业要根据生产组织形式和企业发展现状，针对人员增减、岗位调整、新设备及新技术的使用、环境变化等因素，对员工进行有针对性的培训。同时，要合理规划培训的形式和内容，充分考虑员工个人的性格特点，消除员工的不安全心理，提高员工安全意识，避免不安全行为的发生。

3.4.3 加大安全监督检查力度，提高安全管理水平

安全监督检查是企业安全管理的重要手段。企业要按照“党政同责、一岗双责、失职追责”的要求，落实好安全生产责任制，把部门责任、岗位责任、主体责任层层压实，各负其职、各负其责。此外，要紧紧抓住易发生事故的重点部门和岗位，深入开展安全专项治理，加大监督检查力度，以检查促安全意识提升和隐患排查到位。

3.4.4 领导要加强对安全工作的承诺与支持，充分调动员工参与安全工作的热情

企业领导是企业发展的主心骨、带头人。企业领导要积极建立和员工的良好互动关系，并鼓励员工积极参与到企业的安全管理工作中。此外，企业要加大对安全工作人、财、物等方面的投资力度，加强对员工安全工作的物质和精神上的双重奖罚考核，及时掌握员工的思想动态，切实关心员工生活，激发每个员工参与安全工作的热情。

3.4.5 加强企业应急管理体系建设，提高企业的应急管理水平

应急管理是企业生产和运营的重要组成部分。企业要提高员工对应急管理的认识，科学合理编制应急管理预案，配足应急救援物质，建立健全应急救援管理队伍，定期开展应急演练[33]。其中，应急救援演练是提高应急能力的最直接手段。为提高应急演练效果，可以邀请专业人士入企对演练进行指导与评价，进一步提高企业应急管理水平。