基于FRAM-FAHP的塔吊起重作业事故致因分析*

陈立 翦朝霞 王龙 毛惠宗 徐志强

（河北工程大学矿业与测绘工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引言

塔式起重机是建筑施工现场重要的垂直运输设备，在建设项目全寿命周期中发挥着重要的作用。塔式起重机械具有起重负荷大、起重高度高、作业范围广等特点。近年来，由于人的不安全行为及管理不当等因素导致塔吊事故频发，在较大事故方面，以建筑起重机械为代表的工程事故占总数的82.61%，塔吊作业依然是风险防控的重点和难点。因此，研究塔吊事故对提高塔吊作业效率，减少作业隐患具有重要意义。国内外学者广泛采用理论分析、事故统计、构建模型等方法识别出影响塔吊安全的各种因素。2004年，HOLLNAGEL S［1］首次提出了功能共振分析模型，突破了传统的如故障树等安全分析方法的局限性，为功能共振分析法的发展奠定了基础。随着事故致因理论的不断发展，2020年赵挺生等［2］首次将功能共振分析法用于塔吊事故案例分析中，为塔吊起重作业事故的预防提供了可能。

现代事故分析方法中，功能共振分析法（The Functional Resonance Analysis Method，FRAM）在讨论潜在变化和实际变化时，人员和组织行为的变化都是最受关注的功能部分，并且在确定系统功能时需要考虑功能间的相互耦合作用，能够对整个系统的功能模块进行定性分析；另一方面，模糊层次分析法（The Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）能够将各种事故影响因素进行量化，不仅考虑因素更全面，而且主观影响程度更低，解决了各种变化指标的不确定性问题，能在FRAM的基础上更好的量化各个功能模块之间的相互作用。鉴于此，本文将功能共振分析法和模糊层次分析法相结合，建立了塔吊起重作业事故分析模型（即FRAM-FAHP分析法）。FRAM-FAHP分析法可以从整个系统功能特征角度，采用定性与定量相结合的方法分析功能正常运行的因素，从而获得影响功能正常运行的链接，为塔吊起重作业事故的预防提供了可能。

1 FRAM-FAHP融合机制分析

FRAM-FAHP分析法是将功能共振分析法［1-2］中的随机共振理论和模糊层次分析法［3-6］中的多因素决策理论相结合的定性又定量的分析方法。针对同一事物或现象具有多种属性，需要进行多因素、多层次决策时，FRAM-FAHP分析法能确认多因素间的相互关系，很好的将多因素量化，并根据各因素权重确定最终影响因子。具体来说采取下述步骤对事故进行分析。

1）功能因素的识别与描述。功能因素识别是通过六边形来实现，对塔吊作业人员的事故演化机制研究时，六边形的每个角或顶点对应于作业人员行为功能的某一方面特征，将每一个与塔吊运行有关的事件均作为一个功能模块，并且在描述每个功能模块时，均需从输入（I）、输出（O）、资源（R）、时间（T）、前提（P）、和控制（C）6个方面对功能进行描述。功能因素识别见图1，其中，输入（I）：表示开始做某事的许可或指令，输出（O）：表示功能运行后的结果，资源（R）：表示功能执行需要消耗的事物，时间（T）：表示影响功能执行的约束，前提（P）：表示功能执行前必须存在的条件，控制（C）：表示为了得到预期输出而对功能进行监控或调整的事物，各个功能间的相互耦合关系通过输入、输出端相连，构成功能整体。

图1 功能因素的识别与描述

2）确定多因素评分矩阵。多因素评分矩阵主要根据现场调查和专家访谈等形式对各因素的风险程度进行评估。通过模糊层次分析法将功能特征中的各因素分为目标层、准则层、方案层，从而确定多因素各级权重。

3）分析结果，制定防控措施。功能共振分析法中认为失败和成功同源，事物运行无论正确还是错误都是由于相同的原因引起的，根据成败等价原则确定造成事故发生的影响因素，从而针对影响因素采取相应措施。

FRAM-FAHP融合机制演化流程见图2。

图2 FRAM-FAHP融合机制演化流程

1.1 功能因素定性分析

在考虑功能变化时，本文从3个方面来考虑塔吊作业人员功能的变化特性，分别是人员功能、技术功能和组织功能。

1）人员功能是由人实施的，无论是以个人还是群体形式，前者意味着个人行为，后者意味着群体行为，当涉及安全问题时，人的行为过程常被描述为易出错的环节，例如塔吊司机疲劳上岗、信号工警惕性和注意力不强、司索工焦躁情绪等均可导致在作业过程中产生不安全行为，从而导致人员功能失效。人员功能失效主要影响FRAM中的R、P和I。

2）技术功能，一般由于磨损或耗损、周围环境的影响、机械特性或维护不当等原因会造成技术功能下降，但是技术功能退化的过程非常缓慢，在塔吊作业中，主要涉及起重机构、回转机构、液压顶升机构、电缆卷筒机构等部分的功能失效，任意一部分的技术功能失效都可能将对下游功能的输入端产生影响，技术功能失效主要影响FRAM中的I、R、C、P和T。

3）组织功能是在组织层面上进行描述和定义的，本质上是系统的功能，组织将人员功能进行协调，形成自身产出，一般认为组织行为变化通常发生频率较低，但是幅度很大，低频率就意味着组织行为改变缓慢，比如在施工作业时的规则、规章和政策的改变。在塔吊运行过程中，组织管理者需要根据工作环境意外变化，如天气、技术问题、调度命令等，来调整塔吊班组作业模式，组织管理失效可能归结于多种因素，例如安全教育未落实、信号下达不及时、班组内部信任感缺乏以及周边环境影响等都将引起塔吊作业系统功能模块超出事故临界阈值，导致事故发生。组织功能失效主要影响FRAM中的T、C、和P。

1.2 多因素决策定量分析

第1步：建立塔吊作业层次模型，建立正互补判断矩阵。根据功能共振分析方法，明确塔吊作业时输入、输出端影响因素，对准则层、方案层元素进行打分，采用0.1—0.9标度法，分别构造准则层Ci（i=1，2，3，4，5）相对于目标层两两相互比较的正互补判断矩阵A，方案层Pi（i=1，2，3）相对于准则层两两相互比较的正互补判断矩阵B，A、B中元素aij（或bij）需满足：

从而准则层元素两两相互比较构建正互补判断矩阵，见表1。

表1 准则层相对于目标层影响因素评分

其中，若aij>0.5，则说明i比j重要，反之则j比重要。

第2步：进行模糊层次单排序及一致性检验。对于每一个判断矩阵，先计算每个矩阵的特征值，确定最大特征值对应的特征向量，将其归一化，得到的向量wi中的每一个分量即为相应元素单排序的权值。若正互补矩阵中任意指定行和其他各行对应元素之差为某一常数时则一致性检验通过。

第3步：模糊层次分析法的层次总排序。将第2步中方案层对准则层层次单排序的每个准则权重作为列向量与目标层权向量相乘，具体为：

最终得到模糊层次总排序矩阵W，根据矩阵W中各元素Zij比重确定影响因子，从而对方案层进行决策。

2 塔吊起重事故案例分析

起重材料经项目部报备，开始进行吊装工作。司索工绑扎好龙骨型材，下午3点10分左右开始起吊，信号工呼叫塔吊司机起吊，起吊时龙骨型材无滑动迹象，直到吊到约42 m高空处，龙骨型材从吊装绳索中脱落，一部分散掉到工地围档内部，一部分散掉到工地围档外面路道上，并砸到路过的汽车和行人。具体事故报告参见文献［7］。

2.1 基于FRAM的功能因素定性分析

这次事故可分成9个正常功能模块：安全教育培训F1、培训合格人员上岗F2、特种作业持证人员人数充足F3、技术交底F4、司索工器具检查F5、信号工发起吊信号F6、起吊F7、发现滑脱风险F8、避让F9。将从6个方面描述每个功能模块的具体内容，以功能模块“起吊F7”为例，起吊功能的具体内容见表2。在分析功能阶段，应该对FRAM模型的一致性和完整性进行检查。通过确认上下游功能的特征是用相同名称来进行描述的，可检查其一致性。例如上游“塔吊司机接收停机信号”，而下游另一特征功能表述为“塔吊司机接收信号”，那么就需要确认这两者描述的是同一特征还是两种不同特征，若为同一特征，则上下游两个功能描述应一致，若是前后具有不同特征，那么功能描述应该更加显著，凸显两种特征是有区别的。因此，在检验一致性时，要确保功能的每一特征能与其他一个或多个功能特征相呼应。最后根据各个功能模块信息和模块间的相互耦合作用，通过输入（I）、输出（O）端将各个功能之间相互连接，形成如图3的塔吊系统功能共振演化流程图。

图3 塔吊系统功能共振演化流程

表2“起吊”的FRAM表示

在功能共振流程图中，功能F2、F4、F5输入和输出端连接较多，具体来说：F2执行需要上游功能F1输入，与此同时F2的成功输出可作为下游功能F4正常运行的前提；F4输出后可作为F9运行的资源，也可作为功能F5运行时的输入条件；功能F5正常运行时的前提是F1，运行结束后输出成为F6运行的输入端，各个功能环环相扣构成一个功能整体。

2.2 基于FAHP的功能因素定量分析

从功能共振分析原理出发，将塔吊成功起吊作为目标层；为减少对F1~F9评分时的主观影响，根据人员功能变化特性，将其分为3类，分别为人员功能P1（F3、F8、F9）、技术功能P2（F5、F6、F7）、组织功能P3（F1、F2、F4），这3类作为方案层。针对功能模糊性评分时，本文主要参考了量化分析塔吊起重滑脱事故的文献［2，8-10］，获得塔吊起重成功的5大类因素：安全教育培训C1、环境C2、人员心理素质C3、人的安全行为C4、塔吊正常运转C5，将其5大类作为功能的准则层，并对准则层和方案层影响程度进行评分，得到功能模块“起吊”输出共振层次流程图（图4）。

图4 功能模块“起吊”输出共振层次流程

由于专家打分法是构建模糊评分矩阵的重要依据，因此，针对此次事故邀请具有丰富项目管理经验的专家和参与一线施工的技术工人进行打分，并以实际参考资料为依托，形成两两相互比较的模糊评分矩阵（表3）。

表3 两两相互比较的模糊评分矩阵

其中：A表示准则层各因素相对于目标层O评分矩阵；B1、B2、B3、B4和B5分别表示方案层相对于准则层因素C1、C2、C3、C4和C5评分矩阵。

对每个正互补矩阵的特征向量进行归一化处理后，准则层各元素对总目标的权向量如下：

w2=（0.250 9，0.208 5，0.250 9，0.166 0，0.123 6）T（3）

同理分别可得方案层Pi对各准则层Ci的权重向量：

最后确定模糊层次总排序矩阵W：

2.3 塔吊起重事故主要影响因素分析

根据式（3）—（4）计算结果可知，对于塔吊成功“起吊”，准则层安全教育培训C1、人员心理素质C3影响较大，对于C1、C3，方案层人员功能P1（F3、F8、F9）、组织功能P3（F1、F2、F4）权重较大，因此功能共振模型中F3、F8、F9一旦失效就更容易造成塔吊事故。

结合塔吊系统功能共振演化流程图可知，具体失效表现为：第一，F3（O）-F4（I）中，特种作业持证人员人数不足，这样造成工作流程混乱，未及时意识到不安全行为，各方作业人员施工前未及时进行技术交底；第二，F1（O）-F5（P）中，施工单位对作业人员岗前安全教育工作不够重视，司索工在吊挂龙骨型材时未仔细检查挂钩是否稳定；第三，F4（O）-F9（R）中各方作业人员均未及时发现重物滑脱风险，信号工未及时发送停止作业信号，导致司机未及时避让行人及汽车，造成人员伤亡及财产损失。

针对功能描述以及模糊判断评分，可以确认塔吊起重的成功因素，也可以确定起重的失败因素，因此通过功能共振分析中的近似调整原则，对权重较高的失效功能采取安全防范措施，以F3（O）-F4（I）为例，如施工单位加强施工现场管理，对在岗人员进行明确的责任划分，规范作业行为，积极落实作业人员岗前培训，满足特种作业人员持证数量要求，开工前做好技术交底。

3 结论

本文将功能共振分析法和模糊层次分析法相结合，运用FRAM-FAHP分析法来分析广东汕头某项目塔吊起重作业事故影响因素及其权重，同时提出了预防事故发生的具体措施，相关结论如下：

1）采用FRAM-FAHP分析法，定性和定量相结合，针对塔吊起重作业事故，对模型中的9类功能进行模糊层次划分并确定每部分功能权重，根据权重大小确认失效关键节点和相应的对策措施，为塔吊起重作业事故的预防控制和安全生产提供了理论支撑。

2）根据广东汕头某项目塔吊起重事故分析结果表明：人员功能、技术功能、组织功能的影响程度分别为0.389 0、0.273 4、0.345 7，其中人员功能对事故的发生影响最大，具体来说施工单位岗前安全教育和技术交底不够重视、特种作业持证人员不足等危险因素导致各自功能模块发生变化，最终超过功能可承受的阈值，导致事故发生。

3）相比于传统事故分析方法，FRAM-FAHP分析法能够在一定程度上针对多层次、多维度的功能特征间的相互耦合分析具有较强的动态特征，能更好地将专家意见集成到决策中，对多因素复杂问题评价效果比较明显。与实际事故原因相比，采用FRAMFAHP分析法得出的事故原因与实际事故原因契合度较高，在实际事故调查过程中具有参考价值。下一步可考虑将FRAM-FAHP分析法在流程上进行优化，在功能共振演化流程方面，使其更加简洁流畅，应用范围更广。