陳　　曦，張　　偉，曹春香　

（華中科技大學(xué)　土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北　武漢　430074，E-mail：403753170@qq.com）

施工安全管理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及可靠性評(píng)判

陳曦，張偉，曹春香

（華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北武漢430074，E-mail：403753170@qq.com）

摘要：安全是工程項(xiàng)目管理的基本目標(biāo)之一，安全管理涉及不同的參與主體、實(shí)施階段和管理要素，具有系統(tǒng)性和復(fù)雜性。選取復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)施工安全管理的系統(tǒng)性進(jìn)行研究。介紹了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的概念、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及3種典型的網(wǎng)絡(luò)模型。將施工安全管理系統(tǒng)分解為6個(gè)子系統(tǒng)，即施工安全的組織管理、技術(shù)措施、資源投入、教育培訓(xùn)、逐級(jí)監(jiān)管和應(yīng)急管理，梳理各子系統(tǒng)中管理因素的相互關(guān)聯(lián)，明確拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立網(wǎng)絡(luò)模型。結(jié)合概率論相關(guān)知識(shí)，依據(jù)要素間關(guān)聯(lián)關(guān)系以及要素的可靠性概率，計(jì)算子系統(tǒng)可靠性概率，得出整個(gè)系統(tǒng)的可靠性概率。該方法對(duì)于系統(tǒng)研究施工安全管理問題具有探索價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)；施工安全；管理系統(tǒng)；可靠性

隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，人類社會(huì)活動(dòng)、生產(chǎn)管理等都與各式各樣的網(wǎng)絡(luò)密不可分，如信息領(lǐng)域的萬維網(wǎng)絡(luò)、交通領(lǐng)域的路線網(wǎng)絡(luò)、工程領(lǐng)域的電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)等［1］。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了組織、個(gè)人以及物之間的緊密聯(lián)系，但網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和脆弱性也可能導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的失效，如大規(guī)模停電、交通擁堵等。施工安全管理同樣是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其中各管理要素間的相互聯(lián)系構(gòu)成了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而可能存在的內(nèi)部缺陷和外部影響因素也成為網(wǎng)絡(luò)崩潰的主要原因［2］。本文運(yùn)用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論來分析施工安全管理中組織、技術(shù)、資源等各要素之間的聯(lián)系，從而構(gòu)建施工安全管理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并依據(jù)概率論相關(guān)知識(shí)和要素的可靠性概率，定量計(jì)算施工安全管理系統(tǒng)的可靠性。該方法可直觀顯示系統(tǒng)以及系統(tǒng)中各要素的可靠性程度，對(duì)有目的性地改進(jìn)系統(tǒng)可靠性，提高安全管理工作效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是大量真實(shí)復(fù)雜系統(tǒng)的拓?fù)涑橄螅瑥?fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論研究的就是這些看上去互不相關(guān)但是實(shí)際上密切關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)之間的共同屬性［3］。從圖形角度來看，所有網(wǎng)絡(luò)都是由節(jié)點(diǎn)和邊構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)代表系統(tǒng)中不同的要素，邊則代表這些要素之間的相互關(guān)聯(lián)。根據(jù)節(jié)點(diǎn)和邊連接方式的不同，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可分為三類：規(guī)則網(wǎng)絡(luò)［4］、隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)［5］、具有一定規(guī)則和隨機(jī)性的其他網(wǎng)絡(luò)（包括小世界網(wǎng)絡(luò)［6，7］、無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)［8］等）。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的探索由相關(guān)理論研究轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用研究，主要研究方向?yàn)檎鎸?shí)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和脆弱性。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性研究起源于對(duì)道路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究，如Main等［9］將連通可靠性界定為交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)兩兩之間保持連通的概率。Petter Holme等［10］、則將網(wǎng)絡(luò)可靠性描述為外界的攻擊破壞對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的影響。楊孝平［11］總結(jié)和篩選可靠性研究結(jié)果，建立了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)脆弱性定義為網(wǎng)絡(luò)由于自身或者外部原因造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能下降［12］，與可靠性相比，脆弱性強(qiáng)調(diào)的是在受到攻擊后所帶來的網(wǎng)絡(luò)功能變化。Reka Kinney等［13］對(duì)北美電網(wǎng)的連鎖故障進(jìn)行了建模和仿真，表明北美電網(wǎng)存在著少部分的脆弱節(jié)點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模事故的發(fā)生。本文將在國內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，分析復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在施工安全管理中的適用性，并構(gòu)建施工安全管理復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，提出系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法。

1　研究方法

如何將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論引入管理領(lǐng)域，是近年來管理學(xué)科研究的熱點(diǎn)，而工程領(lǐng)域中的管理活動(dòng)涉及人身安全，更是研究的重點(diǎn)所在。分析可知施工安全管理系統(tǒng)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)都具有復(fù)雜性、小世界性和無標(biāo)座性特性。施工安全管理系統(tǒng)是由組織、技術(shù)、資源等要素構(gòu)成的一個(gè)多目標(biāo)、多干擾的開放性復(fù)雜系統(tǒng)，具有要素眾多、規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)多樣的復(fù)雜性特征；施工安全管理系統(tǒng)中各要素相互聯(lián)系，但連接兩個(gè)要素的中介變量往往不會(huì)太多，這反映出安全管理系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)間距離較短，即小世界特征；無標(biāo)度性體現(xiàn)在施工安全管理系統(tǒng)中要素之間的相互作用程度存在較大的差異，某些節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度較高，度數(shù)較大，如制度要素，即系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在“不均勻”性。

要想更好地實(shí)現(xiàn)安全管理目標(biāo)，必須運(yùn)用系統(tǒng)工程學(xué)的原理，先將系統(tǒng)分解為若干子系統(tǒng)，梳理子系統(tǒng)間以及子系統(tǒng)與整個(gè)系統(tǒng)之間的關(guān)系，然后再將子系統(tǒng)進(jìn)行整合。通過科學(xué)、系統(tǒng)的分類，將施工安全管理分為安全組織、技術(shù)、資金、設(shè)備與工具、教育培訓(xùn)、逐級(jí)監(jiān)管以及應(yīng)急管理，其網(wǎng)絡(luò)圖如圖1。

圖1　　施工安全管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

2　基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的施工安全管理系統(tǒng)

2.1建模原則

鑒于施工安全管理系統(tǒng)是無形網(wǎng)絡(luò)，不同于以往復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)，因此為建立更加直觀的施工安全管理拓?fù)淠Ｐ?，提出如下?gòu)建原則：

（1）施工安全管理系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)，即 6個(gè)子系統(tǒng)中，任何一個(gè)子系統(tǒng)發(fā)生故障，都會(huì)導(dǎo)致施工安全管理系統(tǒng)崩潰，6個(gè)子系統(tǒng)的可靠性共同決定施工安全管理系統(tǒng)的可靠性。

（2）子系統(tǒng)模型中，要素間的交互關(guān)系可用控制子樹（分為順序子樹和非順序子樹2種類型）來描述，如圖2所示。順序子樹表現(xiàn)為前一行為結(jié)束后順序進(jìn)行后續(xù)行為，要素行為存在先后發(fā)生順序，模型中以“→”表示（見圖 2（a）），A1，A2，A3為A的下一級(jí)要素，且A1、A2、A3依次發(fā)生，A的可靠性概率為A1、A2、A3可靠性概率的乘積；非順序子樹表現(xiàn)為要素行為不存在發(fā)生的先后順序，共同保證系統(tǒng)安全，模型中以“—”表示（見圖2（b）），B1，B2，B3為B的下一級(jí)要素，B1，B2，B3可同時(shí)發(fā)生，B的可靠性概率由 B1，B2，B3可靠性概率按權(quán)重求和可得。

（3）由于要素之間是虛擬連接，故將網(wǎng)絡(luò)中所有邊簡化為無向無權(quán)邊。

圖2　　控制子樹網(wǎng)絡(luò)圖　　

2.2子系統(tǒng)模型構(gòu)建

按上述原則，各子系統(tǒng)模型建立如下：

（1）安全組織管理。安全組織管理是施工安全管理系統(tǒng)運(yùn)行的核心，理清公司和項(xiàng)目部層級(jí)間的組織關(guān)系，有利于構(gòu)建系統(tǒng)整體框架，為系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供組織基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3　　安全組織管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

（2）安全技術(shù)管理。安全技術(shù)管理是施工安全管理系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵，制定安全技術(shù)規(guī)程和安全技術(shù)保障措施可有效控制人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)以及環(huán)境的不安全條件，為系統(tǒng)的有效運(yùn)行創(chuàng)造良好生產(chǎn)環(huán)境和條件，如圖4所示。

圖4　　安全技術(shù)管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

（3）安全資源投入管理。安全資源投入管理是指對(duì)資金、設(shè)備與工具的管理，是施工安全管理系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)的有效運(yùn)行提供必備的物質(zhì)條件，如圖5所示。

圖5　　安全資源投入管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

（4）安全教育培訓(xùn)。安全教育培訓(xùn)是施工安全管理系統(tǒng)運(yùn)行的根本，重視對(duì)管理人員、作業(yè)人員的安全知識(shí)宣傳以及操作技能培訓(xùn)，可有效提高系統(tǒng)各人員的安全意識(shí)，保障系統(tǒng)安全性，如圖6所示。

圖6　　安全教育培訓(xùn)管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

（5）安全逐級(jí)監(jiān)管。安全逐級(jí)監(jiān)管是施工安全管理系統(tǒng)運(yùn)行的保障，公司、項(xiàng)目部、班組三級(jí)監(jiān)管，可提前預(yù)防系統(tǒng)中出現(xiàn)事故，最大程度減少事故發(fā)生的損失，事前保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如圖7所示。

（6）安全應(yīng)急管理。安全應(yīng)急管理是施工安全管理系統(tǒng)的保證，是系統(tǒng)不可或缺的一部分，針對(duì)事故發(fā)生迅速做出反應(yīng)的全面管理，可提高對(duì)事故后果的控制能力，事后保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。安全應(yīng)急管理包括應(yīng)急預(yù)案制定與演練、安全隱患發(fā)現(xiàn)與處理以及安全事故上報(bào)與處理三個(gè)方面內(nèi)容，如圖8所示。

3　施工安全管理系統(tǒng)可靠性評(píng)判

3.1可靠性評(píng)判方法

施工安全管理系統(tǒng)的可靠性取決于各子系統(tǒng)的可靠性，而各子系統(tǒng)的可靠性又取決于各要素。根據(jù)要素順序子樹和非順序子樹兩種關(guān)系，運(yùn)用概率論相關(guān)知識(shí)，可定量對(duì)各子系統(tǒng)、整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)判。

圖7　　安全逐級(jí)監(jiān)管子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

圖8　　安全應(yīng)急管理子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖　

3.1.1順序子樹關(guān)系可靠性評(píng)判

順序子樹關(guān)系表示先后發(fā)生，在概率論中用下級(jí)指標(biāo)概率求乘積得到上級(jí)指標(biāo)概率。有n個(gè)要素的順序子樹系統(tǒng)的可靠性計(jì)算公式為：

式中，P表示可靠性概率值；pi表示順序子樹要素中第i個(gè)要素發(fā)生的概率。

3.1.2非順序子樹關(guān)系可靠性評(píng)判

非順序子樹表示同時(shí)發(fā)生，在概率論中用下級(jí)指標(biāo)按權(quán)重求和，得到上級(jí)指標(biāo)概率。有n個(gè)要素的非順序子樹系統(tǒng)的可靠性計(jì)算公式為：

式中，ai表示非順序子樹中第i個(gè)要素所占權(quán)重。

3.2實(shí)例計(jì)算

以M施工單位為研究對(duì)象，分析其組織管理系統(tǒng)的可靠性。通過整理公司提供的資料和對(duì)公司、部分項(xiàng)目部參與方發(fā)放調(diào)查問卷，可得出M施工單位組織管理子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系如圖9所示，各節(jié)點(diǎn)要素含義如表1所示。

圖9　　M施工單位組織管理子系統(tǒng)圖　

表1　　節(jié)點(diǎn)要素含義　

問卷分為兩個(gè)部分，第一部分為個(gè)人基本信息填寫，主要是了解調(diào)研對(duì)象的工作崗位，鑒于調(diào)查目的是掌握公司和項(xiàng)目層面的組織管理現(xiàn)狀，故調(diào)研對(duì)象僅涉及企業(yè)和項(xiàng)目部的管理人員。問卷第二部分為組織管理現(xiàn)狀調(diào)查，從組織機(jī)構(gòu)、人員資格、生產(chǎn)責(zé)任制、績效考核以及生產(chǎn)激勵(lì)機(jī)制5個(gè)方面來設(shè)題，采用五級(jí)衡量指標(biāo)（差、較差、中、良好、優(yōu)秀），調(diào)研對(duì)象選擇對(duì)應(yīng)答案來完成數(shù)據(jù)收集。

問卷共發(fā)放111份，回收有效問卷100份，根據(jù)問卷個(gè)人信息填寫情況可知，公司層面涉及公司生產(chǎn)負(fù)責(zé)人、總工程師、安質(zhì)科科長等，項(xiàng)目部層面為隨機(jī)選取5個(gè)在建工程的項(xiàng)目部，調(diào)研對(duì)象是項(xiàng)目經(jīng)理、總工、副經(jīng)理、項(xiàng)目部各部門部長以及專職安全員等管理人員。

3.2.1可靠性概率計(jì)算

問卷調(diào)查中對(duì)各組織管理節(jié)點(diǎn)要素實(shí)施效果采用五級(jí)衡量標(biāo)準(zhǔn)，即取差、較差、中、良好、優(yōu)秀的概率區(qū)間為［0，0.2）、［0.2，0.4）、［0.4，0.6）、［0.6，0.8）和［0.8，1.0］，分別取很差、差、一般、好、極好的概率為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9。

例如，問卷調(diào)查人員關(guān)于要素節(jié)點(diǎn) 111（公司成立安全生產(chǎn)管理委員會(huì)）選擇實(shí)施效果為“中”共40人，選擇“良好”共56人，選擇“優(yōu)秀”4人，可計(jì)算要素節(jié)點(diǎn)111的可靠性概率

p111=（0.5×40+0.7×56+0.9×4）÷100=0.63

同理，可計(jì)算其他節(jié)點(diǎn)可靠性概率值如表2所示。

表2　　節(jié)點(diǎn)要素實(shí)施效果調(diào)查統(tǒng)計(jì)表　

3.2.2要素權(quán)重確定

采用專家打分法和熵權(quán)法確定各要素權(quán)重，共有5位專家對(duì)各要素影響程度進(jìn)行打分，打分采用10分制（數(shù)字越大表示影響程度越高），各要素影響程度專家分析評(píng)價(jià)表如表3所示。

表3　　節(jié)點(diǎn)要素影響程度專家評(píng)分表　

由表3可知評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)目m=14，專家個(gè)數(shù)n=5，可得14×5的評(píng)價(jià)矩陣；在應(yīng)用熵值法時(shí)若遇見負(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，則需要將數(shù)據(jù)先進(jìn)行非負(fù)化。鑒于本文中數(shù)據(jù)皆為正值故省略此步。為了保證求熵值時(shí)數(shù)據(jù)的有效性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平移，本文為越大越好的指標(biāo)，故采用公式：

式中，i=1，2，…m；j=1，2，…n，m表示方案數(shù)目，n為評(píng)估指標(biāo)個(gè)數(shù)，若max=m in，X’ij取值為1。

Pijln Pij=0。

w1=（1-e1）/Σ（1-ei）=0.05，同理可計(jì)算w2…w14；

將w1至w14歸一化處理可得：a111=w1/（w1+w2）=0.48，同理可計(jì)算出各要素節(jié)點(diǎn)權(quán)重 aij，節(jié)點(diǎn)要素可靠性概率及權(quán)重如表4所示。

表4　　節(jié)點(diǎn)要素可靠性概率及權(quán)重表　

由上述可靠性計(jì)算公式可得出組織管理系統(tǒng)可靠性概率為：

計(jì)算可知，M施工單位組織管理子系統(tǒng)的可靠性概率為0.44，級(jí)別為“中”，管理上存在較為明顯的缺陷。針對(duì)計(jì)算結(jié)果，就如何有效提高該單位管理的可靠性和安全性，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）組織機(jī)構(gòu)合理占組織管理子系統(tǒng)可靠性的權(quán)重較高，因此優(yōu)先保證此節(jié)點(diǎn)要素的可靠性。如項(xiàng)目部層面重視領(lǐng)導(dǎo)協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)立，成立安全生產(chǎn)領(lǐng)導(dǎo)小組，加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目部定期和不定期的安全檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中存在的安全問題，并加大對(duì)解決問題的監(jiān)管力度；公司、項(xiàng)目部都必須嚴(yán)格按照《建設(shè)工程安全生產(chǎn)管理?xiàng)l例》中安全員配置標(biāo)準(zhǔn)來合理配備專職、兼職安全員，嚴(yán)格保證安全員數(shù)量以及重視對(duì)安全員的培訓(xùn)。

（2）管理人員資格能力和經(jīng)驗(yàn)是系統(tǒng)中關(guān)鍵要素——人的可靠性的直接表現(xiàn)，因此提高此要素可靠性可有效防止人的不安全行為。如重視管理人員的持證上崗，管理人員的素質(zhì)直接決定安全管理的成效，加強(qiáng)對(duì)管理人員的教育培訓(xùn)；重視特種作業(yè)人員持證上崗，操作人員的職業(yè)技能水平直接決定了作業(yè)完成的質(zhì)量，加強(qiáng)對(duì)操作人員職能證書的管理審查以及再培訓(xùn)。

（3）生產(chǎn)責(zé)任制落實(shí)、安全生產(chǎn)績效考核評(píng)價(jià)、安全生產(chǎn)激勵(lì)機(jī)制等相關(guān)制度建設(shè)應(yīng)完善，讓管理行為規(guī)范化。如制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和辦法，相關(guān)部門有依據(jù)地對(duì)員工行為進(jìn)行考核評(píng)價(jià)，并合理進(jìn)行獎(jiǎng)罰，預(yù)防不安全行為，激勵(lì)良好行為。

4　結(jié)語

基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論，本文對(duì)施工安全管理系統(tǒng)及系統(tǒng)可靠性進(jìn)行相關(guān)研究。量化各要素、各子系統(tǒng)可靠性概率，可優(yōu)化項(xiàng)目資源導(dǎo)向，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上大幅度提高系統(tǒng)安全性，該研究可為保障施工安全管理系統(tǒng)可靠性提供一個(gè)新的方向。需要說明的是，本文更側(cè)重于探討復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在施工安全管理系統(tǒng)中的理論可行性，在網(wǎng)絡(luò)建模和可靠性評(píng)判方法上也做了一定的探索，研究的深度和細(xì)度還有待提高。

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陳曦（1991-），女，碩士研究生，研究方向：施工安全管理；

張偉（1980-），男，博士，副教授，研究方向：施工安全，工程項(xiàng)目管理，合同管理；

曹春香（1991-），女，碩士研究生，研究方向：施工安全管理。

中圖分類號(hào)：TU714

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8859（2016）03-031-06

DOI：10.13991/j.cnki.jem.2016.03.005

作者簡介：

收稿日期：2016-04-24.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51308240）.

Construction Safety M anagement System Based on Com p lex Network Theory

CHEN Xi，ZHANG Wei，CAO Chun-xiang
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China，E-mail：403753170@qq.com）

Abstract：Safety is one of the basic objectives of construction project management.Since a construction project involves different participants，processes，and influencing factors，safety management is a typically systematic and complex issue.Thus this paper adopts the complex network（CN）method to illustrate construction safety management as a system.First，the mechanism of the CN theory and three kinds of network models w ere expatiated.Then，the topological structure of construction safety management w as built.Construction safety management was decomposed to six groups，namely，organization，technical measures，resources，training，controlling，and contingency management about construction safety.Relations between the factors in different groups were described as a network diagram.Finally，according to the relation and probability of factors，reliability probability of subsystems，and the w hole system were calculated.The research provides a new idea and direction for the study on the reliability of construction safety management system.

Keywords：comp lex netw ork；construction safety；management system；reliability