祁俊雄，李玨，王紅衛(wèi)，b

（華中科技大學(xué)a.自動化學(xué)院；b.管理學(xué)院，武漢 430074）

重大工程是一類對我國政治、經(jīng)濟(jì)、社會、科技發(fā)展、環(huán)境保護(hù)、公眾健康與國家安全等具有重要影響的大型公共工程。當(dāng)前，重大工程施工安全形勢依然十分嚴(yán)峻，重大工程一旦出現(xiàn)安全隱患甚至安全事故，往往容易在社會中引起不良影響，造成極大的人員、經(jīng)濟(jì)損失[1-2]。重大工程施工現(xiàn)場的安全分析和評價是現(xiàn)場安全管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和重要措施，有效的現(xiàn)場安全分析方法，能夠識別、理解和控制施工現(xiàn)場中存在的各類不安全因素，為安全管理提供有效的決策依據(jù)，對重大工程施工現(xiàn)場安全具有重要的意義[2]。

目前常用于施工現(xiàn)場安全分析和評價的方法，在定性分析方面有安全檢查表法、危險及可操作性研究、工作安全分析以及事件因果圖法等[3-4]；而在定量分析方面，包括事件樹分析法、故障樹分析法以及模糊層次分析法等[4-5]，此類傳統(tǒng)方法在施工安全管理中應(yīng)用較為廣泛。但是由于其分析與評價過程較為主觀，且大多屬于事故發(fā)生后的靜態(tài)追溯分析[6]，難以深入分析和預(yù)測施工過程中的多種安全態(tài)勢發(fā)展的可能性?？紤]施工過程的動態(tài)性和不確定性，有學(xué)者提出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析方法[6-7]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法[4]、離散事件仿真方法[8]、基于Agent仿真分析方法[9-10]和基于BIM 的安全分析方法[11]，雖然能夠在很大程度上改進(jìn)傳統(tǒng)方法的不足，實現(xiàn)安全管理實時分析與實時決策，然而其大多考慮的是施工項目層面的安全問題，缺乏對施工現(xiàn)場任務(wù)層面上的個體行為復(fù)雜性、施工設(shè)備運行等方面對于施工現(xiàn)場安全影響作用的考慮[12]?？傊?，上述施工現(xiàn)場安全分析方法在不同側(cè)面存在局限性，尤其缺乏對于安全事故在多因素綜合影響下產(chǎn)生規(guī)律的系統(tǒng)分析和解釋，難以實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全風(fēng)險和安全事故的主動預(yù)防控制。

事實上，從施工現(xiàn)場安全的角度，重大工程現(xiàn)場是一個由人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境構(gòu)成的復(fù)雜安全系統(tǒng)，施工現(xiàn)場安全事故是施工現(xiàn)場人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境非線性復(fù)雜交互的結(jié)果[13]。要做到系統(tǒng)的施工現(xiàn)場安全分析，形成有效的現(xiàn)場安全事故預(yù)防措施，需要充分考慮人機環(huán)非線性復(fù)雜交互的動態(tài)、不確定的過程，深刻認(rèn)識并解釋安全事故的涌現(xiàn)現(xiàn)象。本文從施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性的角度分析施工現(xiàn)場系統(tǒng)安全，通過安全適應(yīng)性分析，解釋施工現(xiàn)場中持續(xù)變化的安全狀態(tài)轉(zhuǎn)移至安全事故狀態(tài)的多種可能結(jié)果，以分析施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)中人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境等關(guān)鍵要素對系統(tǒng)安全狀態(tài)的影響作用，為施工現(xiàn)場安全管理提供更為有效的決策支持。然而，由于重大工程現(xiàn)場人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的復(fù)雜交互過程分析以及對現(xiàn)場安全事故涌現(xiàn)現(xiàn)象的解釋等復(fù)雜性問題，難以從傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)分析方法中找出實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的合理途徑。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，計算實驗被提出并用于解決此類復(fù)雜系統(tǒng)分析問題[14]，計算實驗?zāi)軌驗槭┕がF(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的具體實現(xiàn)提供可行的方法和手段。

本文從施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性的角度分析并評價施工現(xiàn)場安全，結(jié)合重大工程施工現(xiàn)場人-技術(shù)系統(tǒng)-環(huán)境復(fù)雜安全系統(tǒng)在靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為上的復(fù)雜性特征分析，對施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性做出定義，并闡述其在施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)復(fù)雜性影響下的關(guān)鍵內(nèi)涵；同時，提出施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析方法。在此基礎(chǔ)上，本文基于計算實驗方法實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析，為施工現(xiàn)場的系統(tǒng)安全管理提供合理的理論依據(jù)和有效的解決方案，為我國重大工程施工現(xiàn)場安全管理研究與實踐提供新的模式和思路。

1 施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性概念及分析

1.1 施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性

施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)在人的管理控制、技術(shù)系統(tǒng)的可靠性保障和環(huán)境演化等一系列動態(tài)調(diào)整、組織和適應(yīng)過程作用下，其安全狀態(tài)能夠處于一定的安全界限之內(nèi)，以避免產(chǎn)生安全事故[15-16]。然而，一旦施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)動態(tài)調(diào)整和適應(yīng)的能力不足以應(yīng)對其安全需求，在人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)運行故障及環(huán)境風(fēng)險等因素的綜合作用下將導(dǎo)致安全事故發(fā)生[13]。本文提出施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性概念，用于描述和理解重大工程施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)動態(tài)地適應(yīng)施工現(xiàn)場安全狀態(tài)以滿足施工安全需求的復(fù)雜過程，系統(tǒng)分析和解釋施工現(xiàn)場安全事故產(chǎn)生規(guī)律，以實現(xiàn)更為有效的施工現(xiàn)場安全事故預(yù)防控制。

適應(yīng)性這一概念起源于生態(tài)學(xué)研究[17]，指個體或系統(tǒng)通過改善遺傳或行為特征從而更好地適應(yīng)外界變化，并通過遺傳保留下相應(yīng)的適應(yīng)性特征。它的一般意義是指事物或系統(tǒng)適應(yīng)外界環(huán)境因素，并與之保持一致、協(xié)調(diào)發(fā)展的能力[18]。當(dāng)前，適應(yīng)性這一概念已經(jīng)被引用到多個研究領(lǐng)域中，用于討論研究對象對于其外部環(huán)境或某種客觀需求的適應(yīng)能力，如生態(tài)學(xué)研究將適應(yīng)性賦予了通過自身行為改變和遺傳、進(jìn)化來適應(yīng)外界變化的含義[17]；工程施工問題中多以某種施工技術(shù)對于施工環(huán)境的適應(yīng)性為主題進(jìn)行研究[19-20]；公共交通適應(yīng)性是一個適應(yīng)性研究熱點領(lǐng)域[18，21-22]，是指交通基礎(chǔ)設(shè)施和交通運輸方案等在不同的社會和自然環(huán)境下，對于經(jīng)濟(jì)、運輸需求和城市發(fā)展等的適應(yīng)能力；軟件系統(tǒng)工程中軟件產(chǎn)品的適應(yīng)性體現(xiàn)在能夠滿足不同服務(wù)場景中用戶的多樣性需求，且必須滿足一定的可靠性、效率性、易用性等特定要求[23]。由此可見，根據(jù)研究領(lǐng)域的不同，適應(yīng)性的定義和內(nèi)涵有本質(zhì)區(qū)別。結(jié)合適應(yīng)性的一般意義及施工現(xiàn)場領(lǐng)域特點，將施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性定義為：施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)通過系統(tǒng)狀態(tài)的動態(tài)調(diào)整，適應(yīng)施工現(xiàn)場中不同程度的安全狀態(tài)水平，使得施工現(xiàn)場的施工進(jìn)程與施工安全需求保持協(xié)調(diào)一致，從而避免產(chǎn)生安全事故的能力。此外，重大工程施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)的復(fù)雜性特征決定了施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性的內(nèi)涵與上述研究領(lǐng)域中的適應(yīng)性有著本質(zhì)的不同：

（1）施工現(xiàn)場是一個由人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境構(gòu)成的開放性復(fù)雜系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)構(gòu)成要素對施工現(xiàn)場安全均具有重要影響。絕大多數(shù)的適應(yīng)性研究均將研究對象的周邊環(huán)境視作其外部環(huán)境，作為外部輸入影響其適應(yīng)性。在重大工程施工現(xiàn)場中，施工建筑物、構(gòu)筑物等與外界自然環(huán)境構(gòu)成了施工現(xiàn)場環(huán)境，人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境緊密耦合，安全事故是三者非線性復(fù)雜交互的涌現(xiàn)結(jié)果。因此，環(huán)境是施工系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)成要素之一，施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性也受到環(huán)境支配，在這一點上，施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)與其他類型的系統(tǒng)具有本質(zhì)區(qū)別。

（2）涌現(xiàn)性是施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。從系統(tǒng)安全事故產(chǎn)生機理的角度，施工現(xiàn)場安全事故是在人的失誤、技術(shù)系統(tǒng)失效及環(huán)境風(fēng)險的復(fù)雜關(guān)聯(lián)和因果作用下逐漸形成的，施工現(xiàn)場安全事故的產(chǎn)生是復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)性特點的體現(xiàn)[13]；同時，Rasmussen[16]在系統(tǒng)安全風(fēng)險研究中描述了系統(tǒng)安全事故與系統(tǒng)整體涌現(xiàn)出的安全狀態(tài)的關(guān)系，他強調(diào)安全事故是系統(tǒng)安全狀態(tài)退化至其安全邊界，并突破安全邊界所形成的，安全事故僅是上述復(fù)雜系統(tǒng)涌現(xiàn)現(xiàn)象中的一個子集，具有動態(tài)不確定和小概率特性。因此，討論施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性既要考慮復(fù)雜系統(tǒng)的涌現(xiàn)性這一關(guān)鍵特征，即任何安全狀態(tài)甚至安全事故是施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)的不同要素的微觀行為變化所引發(fā)的施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)整體演化的宏觀涌現(xiàn)；同時，也要考慮安全事故產(chǎn)生的不確定性和小概率特征，即解釋安全事故產(chǎn)生與系統(tǒng)安全邊界的關(guān)聯(lián)關(guān)系，定量化表達(dá)安全狀態(tài)和安全事故的“距離”或安全適應(yīng)能力。通過強化系統(tǒng)安全邊界能夠提高施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性，在一定程度上，兩者的含義是近似的。

1.2 施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析

對施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性進(jìn)行分析，需要基于特定的施工情景，考慮人的個體差異、技術(shù)系統(tǒng)選型和不同環(huán)境條件對施工安全事故產(chǎn)生過程的綜合影響，分析施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)適應(yīng)各階段的施工安全需求，進(jìn)而避免產(chǎn)生安全事故的能力。如圖1所示，施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析是對實際施工現(xiàn)場中安全事故的起因、發(fā)展過程以及結(jié)果之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)進(jìn)行綜合分析和解釋的過程。

圖1 施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的主要思路

步驟如下：

（1）分析和識別施工現(xiàn)場的構(gòu)成要素。施工現(xiàn)場的構(gòu)成要素是安全適應(yīng)性分析的基礎(chǔ)，主要包括人、技術(shù)系統(tǒng)、環(huán)境和施工方案等。因此，需要分析和識別人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境中與安全相關(guān)的因素，以及它們之間的交互關(guān)系。

（2）現(xiàn)場安全系統(tǒng)建模與實驗。在構(gòu)建人的個體行為模型、技術(shù)系統(tǒng)運行模型和環(huán)境演化模型基礎(chǔ)上，考慮它們之間的交互關(guān)系，建立基于交互的現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型?，F(xiàn)場安全系統(tǒng)實驗，就是通過設(shè)置各種典型的施工情景，并設(shè)計與施工安全事故相關(guān)的因素及其組合方案，進(jìn)行現(xiàn)場安全系統(tǒng)的仿真實驗，獲得現(xiàn)場安全系統(tǒng)演化的各種可能的結(jié)果，包括各種類型的安全事故。

（3）分析實驗結(jié)果，揭示事故產(chǎn)生機理。實驗結(jié)果分析主要包括：①根據(jù)實驗獲得的現(xiàn)場安全系統(tǒng)行為演化與安全事故的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析施工現(xiàn)場安全事故的產(chǎn)生過程，識別導(dǎo)致特定安全事故的人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)或環(huán)境的不安全狀態(tài)；②分析施工現(xiàn)場不安全行為和不安全狀態(tài)的產(chǎn)生過程，識別導(dǎo)致人的不安全行為與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)的關(guān)鍵因素；③分析和評估上述關(guān)鍵因素對安全事故產(chǎn)生的影響程度。實驗結(jié)果分析可以識別出導(dǎo)致安全事故的關(guān)鍵因素，解釋安全事故的產(chǎn)生過程，并獲得特定施工情景下科學(xué)的安全事故預(yù)防措施以及相關(guān)施工安全經(jīng)驗。

上述安全適應(yīng)性分析方法綜合考慮施工現(xiàn)場的人員、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境在施工方案支配下對于施工安全事故產(chǎn)生過程的影響，從事故起因、發(fā)展和結(jié)果的全過程分析和衡量不同因素對于施工現(xiàn)場安全的影響水平，形成對施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性的分析與評價，為現(xiàn)場安全管理提出更有針對性、更有效的適應(yīng)性決策措施，提高施工現(xiàn)場的主動安全預(yù)防、被動安全容錯以及安全事故分析和恢復(fù)等安全適應(yīng)能力。

實現(xiàn)上述施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析方法的關(guān)鍵在于解決兩個復(fù)雜系統(tǒng)分析問題：

（1）把握施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)行為演化規(guī)律?，F(xiàn)場施工是以人為主導(dǎo)，在施工方案的指導(dǎo)與約束下，通過人的施工行為與技術(shù)系統(tǒng)的運行改變施工環(huán)境，構(gòu)建施工建（構(gòu)）筑物等施工產(chǎn)品的過程。在施工現(xiàn)場，人由于任務(wù)職能、個體差異等因素，其行為具有自主性、智能性和異質(zhì)性；技術(shù)系統(tǒng)往往是各類機械和電氣等系統(tǒng)的復(fù)合體，其運行受到人的直接控制又受到來自環(huán)境的反饋影響；環(huán)境受到技術(shù)系統(tǒng)和人的擾動，其狀態(tài)變化高度不確定且難以預(yù)測。因此，施工過程中存在著人的認(rèn)知以及情感作用下的復(fù)雜自主行為，技術(shù)系統(tǒng)的機械、電氣變化過程以及環(huán)境的物理、化學(xué)反應(yīng)過程。由于上述一系列施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)化因素，難以通過直接構(gòu)建施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)演化模型的方式表現(xiàn)施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)行為演化機理。從復(fù)雜系統(tǒng)的角度而言，復(fù)雜系統(tǒng)整體宏觀行為產(chǎn)生于復(fù)雜系統(tǒng)中的個體及個體行為之間的交互[24]，在施工過程中，正是由于人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境復(fù)雜交互作用，形成人-技術(shù)系統(tǒng)-環(huán)境的緊密耦合系統(tǒng)，使得施工現(xiàn)場呈現(xiàn)出整體的狀態(tài)演化。因此，通過對施工人員、技術(shù)系統(tǒng)和施工環(huán)境等施工現(xiàn)場構(gòu)成要素交互作用的分析，能夠刻畫和解釋施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)行為演化規(guī)律。

（2）解釋與分析安全事故的涌現(xiàn)現(xiàn)象。在實際現(xiàn)場施工過程中，由于人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的自身狀態(tài)發(fā)展與相互關(guān)聯(lián)作用，在任何階段都可能形成人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)和施工環(huán)境的不安全狀態(tài)，而只有當(dāng)上述兩者或三者的不安全狀態(tài)在一定的時間和空間發(fā)生交互作用時，才可能導(dǎo)致施工安全事故的形成[25]。根據(jù)事故形成過程中所產(chǎn)生能量的承受體的不同[25]，事故可能表現(xiàn)為人身傷害、技術(shù)系統(tǒng)故障或環(huán)境安全事故?？傊?，施工現(xiàn)場的安全事故是施工人員、技術(shù)系統(tǒng)和施工環(huán)境處于不安全狀態(tài)且發(fā)生交互作用所產(chǎn)生的涌現(xiàn)結(jié)果[13]?？傊?，解釋和分析安全事故的涌現(xiàn)現(xiàn)象時，需首要考慮安全事故的涌現(xiàn)性和小概率特性，把握甚至復(fù)現(xiàn)施工現(xiàn)場安全狀態(tài)在人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境復(fù)雜交互作用下形成安全事故的過程。通過描述、量化人的不安全行為以及技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)形成過程的概率變化，辨識它們在交互過程中可能形成的安全事故類型，并量化安全事故發(fā)生的可能性。最后，分析人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境等因素對于安全事故產(chǎn)生的影響作用和影響水平，通過合理的指標(biāo)衡量施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)避免產(chǎn)生安全事故的適應(yīng)能力。

綜上所述，實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的關(guān)鍵在于，首先需要通過施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)中的人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的非線性復(fù)雜交互過程分析，研究施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)行為演化規(guī)律；其次，需要描述和分析施工現(xiàn)場安全事故在人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的非線性交互作用下的涌現(xiàn)現(xiàn)象，綜合衡量各種因素對于安全事故產(chǎn)生的影響程度，以支持安全適應(yīng)性分析。然而，以主觀和靜態(tài)分析為主的傳統(tǒng)分析決策方法難以解決上述復(fù)雜系統(tǒng)分析問題[2，26]。對此，本文綜合多學(xué)科理論研究成果、方法和技術(shù)工具，提出一種施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的計算實驗方法。

2 施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的計算實驗方法

2.1 計算實驗

計算實驗是以綜合集成方法論為指導(dǎo)，融合計算技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)理論等多學(xué)科理論，通過計算機再現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的基本情景及系統(tǒng)構(gòu)成要素的行為及交互，并在此基礎(chǔ)上分析和解釋各種復(fù)雜系統(tǒng)現(xiàn)象、系統(tǒng)演化規(guī)律的一種科學(xué)研究方法[2]。

計算實驗方法采用基于情景的建模思路實現(xiàn)對系統(tǒng)各構(gòu)成要素的有機結(jié)合以及系統(tǒng)宏觀整體規(guī)律的揭示[27]。將情景建模的思想應(yīng)用于施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)的分析與建模中，首先分析施工現(xiàn)場人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境各自的行為演化機理，然后基于人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的交互關(guān)系，將三者的微觀行為機理與施工現(xiàn)場整體行為規(guī)律形成關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)演化規(guī)律的刻畫與解釋。

計算實驗方法借助綜合集成的思想、計算機技術(shù)等進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的計算實驗研究，通過涌現(xiàn)的方式，能夠“生長”出復(fù)雜系統(tǒng)的各類動態(tài)演化現(xiàn)象[14，26]。在解釋和分析施工現(xiàn)場安全事故的涌現(xiàn)現(xiàn)象時，計算實驗通過多次實驗產(chǎn)生特定施工情境下各種可能的施工過程，涌現(xiàn)出人身傷害、技術(shù)系統(tǒng)故障和環(huán)境事故等不同類型的小概率安全事故。同時，利用涌現(xiàn)的方法對施工現(xiàn)場安全事故進(jìn)行觀測、統(tǒng)計、分析和解釋，通過可控制且可重復(fù)的實驗過程考察不同因素對于安全事故的影響作用，最終實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析。

2.2 基于計算實驗的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析

根據(jù)計算實驗的情景建模思想以及計算實驗的一般模型[28]，可提出如圖2所示的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析計算實驗概念模型。概念模型主要包括：①系統(tǒng)輸入的設(shè)計，系統(tǒng)輸入是指計算實驗需要考察的與安全事故相關(guān)的因素及其組合；②特定情景的設(shè)計，包括可控因素和不可控因素的設(shè)置，可控因素是指計算實驗?zāi)Ｐ偷膮?shù)，不可控因素是指計算實驗中事先設(shè)定的事件；③系統(tǒng)輸出的設(shè)計，系統(tǒng)輸出是指人的行為、技術(shù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)和環(huán)境的演化狀態(tài)，以及不同類型的安全事故。根據(jù)實驗結(jié)果，識別導(dǎo)致安全事故的與人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境相關(guān)的因素，并分析這些因素對安全事故產(chǎn)生的影響和影響程度。

圖2 施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的計算實驗概念模型

基于計算實驗的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析過程如圖3所示，包括計算模型構(gòu)建、計算實驗設(shè)計、計算實驗執(zhí)行和安全適應(yīng)性分析4個過程。

圖3 基于計算實驗的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析過程

（1）基于施工現(xiàn)場系統(tǒng)分析，構(gòu)建人的行為模型、技術(shù)系統(tǒng)的運行模型和環(huán)境的演化模型。同時，考慮施工現(xiàn)場的人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的交互關(guān)系，構(gòu)建基于多主體交互的現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型。

（2）根據(jù)安全適應(yīng)性分析目標(biāo)，將人、技術(shù)系統(tǒng)、環(huán)境和施工方案等多種施工現(xiàn)場構(gòu)成要素進(jìn)行組合，設(shè)計多因素、多水平、隨機化、重復(fù)的實驗方案。

（3）基于施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型進(jìn)行實驗計算，反映施工現(xiàn)場各主體及施工現(xiàn)場整體行為演化。由于人的個體屬性會根據(jù)技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的變化而變化，并影響個體的行為決策，故做出短期內(nèi)的適應(yīng)性選擇，從而調(diào)整改變技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的狀態(tài)。技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境之間相互影響，并且它們的狀態(tài)變化又會反過來作用于個體。通過這種自下而上的實驗計算再現(xiàn)人的不安全行為以及技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)交會所產(chǎn)生安全事故的過程。

（4）根據(jù)涌現(xiàn)的安全事故，研究人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)在不同任務(wù)階段、不同時刻的形成概率變化過程，分析這些不安全行為和不安全狀態(tài)所造成的安全事故的時間、空間和類型特點以及概率大小，進(jìn)而分析人員配置、技術(shù)系統(tǒng)選型、環(huán)境類型和施工方案設(shè)計等組合因素對安全事故產(chǎn)生的影響和影響特點。

應(yīng)用計算實驗方法實現(xiàn)施工安全適應(yīng)性分析時，其關(guān)鍵在于：①以計算實驗的情景建模思想，基于人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的交互構(gòu)建現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型，實現(xiàn)各關(guān)鍵構(gòu)成模型的有機結(jié)合；②基于計算實驗再現(xiàn)施工現(xiàn)場安全事故，通過對實驗結(jié)果的統(tǒng)計分析，揭示安全事故的涌現(xiàn)規(guī)律，為施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析提供依據(jù)。

2.2.1基于人-技術(shù)系統(tǒng)-環(huán)境交互的施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)建模在施工現(xiàn)場中，人是施工的核心，人根據(jù)當(dāng)前施工任務(wù)態(tài)勢，結(jié)合施工目標(biāo)對施工技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和操作，改變技術(shù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，同時改造環(huán)境狀態(tài)，其行為直接主導(dǎo)施工過程。技術(shù)系統(tǒng)在人的操作控制下，與環(huán)境發(fā)生相互作用，并迫使環(huán)境狀態(tài)發(fā)生改變，相應(yīng)的變化被技術(shù)系統(tǒng)傳感器采集，反饋至技術(shù)系統(tǒng)顯示設(shè)備中，作為人下一步操作的依據(jù)。環(huán)境直接或間接地受到來自于技術(shù)系統(tǒng)運行和人的改變或擾動，通過一系列的物質(zhì)、能量交換，環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化。環(huán)境狀態(tài)變化被技術(shù)系統(tǒng)傳感器和人監(jiān)測到，進(jìn)一步對技術(shù)系統(tǒng)運行狀態(tài)及人的認(rèn)知狀態(tài)和行為決策產(chǎn)生影響?？梢哉f，施工現(xiàn)場是人與技術(shù)系統(tǒng)和施工環(huán)境緊密耦合的安全系統(tǒng)，人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的交互，使得施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)呈現(xiàn)出整體行為演化特征。

基于多主體系統(tǒng)建模（Multi-AgentSystems，MAS）是一種使用最廣泛且有效的計算實驗情景建模方法[2，14]。通過MAS方法所構(gòu)建的"人工的"重大工程施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)，能夠反映現(xiàn)實施工現(xiàn)場中人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境之間的相互聯(lián)系，以及施工現(xiàn)場整體行為演化過程，是實現(xiàn)基于計算實驗的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的基礎(chǔ)?；贛AS方法考慮人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的交互關(guān)系，構(gòu)建施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型，主要包括個體行為Agent建模、技術(shù)系統(tǒng)Agent建模、環(huán)境Agent建模以及現(xiàn)場安全系統(tǒng)建模4個部分，如圖4所示。

基于慎思型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建個體行為Agent模型，需要考慮個體認(rèn)知模型[30]的行為形成因子（PerformanceShapeFactors，PSFs）對個體決策推理過程的影響，構(gòu)建行為形成因子計算模型，并以行為概率的方式影響個體行為的選擇，體現(xiàn)施工現(xiàn)場人員的認(rèn)知行為特點?；诜磻?yīng)型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建技術(shù)系統(tǒng)Agent模型。首先，識別和分析技術(shù)系統(tǒng)關(guān)鍵構(gòu)成，將其拆分為各類機械及電氣子系統(tǒng)；然后，依據(jù)子系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)確定子系統(tǒng)建模目標(biāo)以及屬性集和輸入、輸出集合；最后，根據(jù)子系統(tǒng)的邏輯控制方式和運行機理，采用機理建?；驓v史數(shù)據(jù)擬合等建模方式，構(gòu)建各子系統(tǒng)的運行模型?；诜磻?yīng)型結(jié)構(gòu)，構(gòu)建環(huán)境Agent模型，需要依據(jù)環(huán)境物理學(xué)特性，構(gòu)建相應(yīng)的本構(gòu)模型，通過相應(yīng)的數(shù)值分析方法求解、分析環(huán)境的演化過程。由于個體行為、技術(shù)系統(tǒng)運行以及環(huán)境演化建模過程較為復(fù)雜，在此不對上述建模過程進(jìn)行詳細(xì)闡述，通過表1的形式對建模核心思路和方法進(jìn)行說明。

圖4 基于MAS的現(xiàn)場安全系統(tǒng)建模

基于系統(tǒng)理論與MAS 建模方法，在上述構(gòu)建的個體行為Agent模型、技術(shù)系統(tǒng)Agent運行模型以及環(huán)境Agent演化模型基礎(chǔ)上，分析施工現(xiàn)場的人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境之間的交互關(guān)系，建立現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型：考慮個體的環(huán)境狀態(tài)感知以及對個體的認(rèn)知狀態(tài)影響關(guān)系，設(shè)計個體行為Agent與環(huán)境Agent之間的信息交互規(guī)則；考慮個體的技術(shù)系統(tǒng)狀態(tài)感知以及對個體的認(rèn)知狀態(tài)影響關(guān)系，設(shè)計個體行為Agent的狀態(tài)更新規(guī)則和操作知識規(guī)則；考慮環(huán)境演化作用對技術(shù)系統(tǒng)狀態(tài)的影響關(guān)系，同時，分析技術(shù)系統(tǒng)狀態(tài)對典型環(huán)境風(fēng)險的影響路徑，建立技術(shù)系統(tǒng)Agent與環(huán)境Agent之間的影響規(guī)則。最后，基于3 類施工主體之間的時間、空間聯(lián)動關(guān)系，厘清人、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境復(fù)雜邏輯推演規(guī)律，并設(shè)計邏輯推演規(guī)則。

表1 現(xiàn)場安全系統(tǒng)中各類Agent建模方法說明

2.2.2基于計算實驗的施工現(xiàn)場安全事故涌現(xiàn)為刻畫、分析和解釋施工現(xiàn)場安全事故的涌現(xiàn)現(xiàn)象，需要以施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，在計算實驗生成施工現(xiàn)場整體演化過程中再現(xiàn)安全事故的涌現(xiàn)過程。因此，需要在構(gòu)建的現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型基礎(chǔ)上，考慮人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)形成的可能性、三者的時空關(guān)系以及與安全事故的因果關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建相應(yīng)的事故概率模型。然后，在系統(tǒng)演化過程中，通過事故概率模型計算事故的發(fā)生概率，模擬事故產(chǎn)生。其基本過程如圖5所示。

圖5 施工現(xiàn)場安全事故涌現(xiàn)的基本過程

首先，根據(jù)施工現(xiàn)場安全事故的類型和特點構(gòu)建相應(yīng)的事故概率模型。施工現(xiàn)場的典型安全事故，如人身傷害、技術(shù)系統(tǒng)故障、環(huán)境事故等，通常是由施工人員、技術(shù)系統(tǒng)和施工環(huán)境非線性交互的系統(tǒng)涌現(xiàn)結(jié)果[13]。要刻畫施工過程中安全事故的涌現(xiàn)特性，必然要分析施工過程中人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)3類導(dǎo)致安全事故的事件之間的順序相關(guān)性和時序性[32]。通過分析施工現(xiàn)場中人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)之間的動態(tài)、時序邏輯關(guān)系，基于三者與安全事故的因果關(guān)聯(lián)關(guān)系，可用如動態(tài)故障樹和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法構(gòu)建動態(tài)樹狀或網(wǎng)狀的事故概率模型[33-35]。

其次，根據(jù)事故概率模型計算安全事故發(fā)生概率，模擬事故產(chǎn)生。根據(jù)安全適應(yīng)性分析目標(biāo)，將施工方案、施工人員、技術(shù)系統(tǒng)和施工環(huán)境等因素的不同類型組合作為系統(tǒng)輸入，設(shè)計并執(zhí)行計算實驗。在實驗計算過程中，由每一時刻現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型產(chǎn)生的系統(tǒng)運行狀態(tài)，可以計算人身傷害、技術(shù)系統(tǒng)故障和環(huán)境事故等安全事故在每一時刻的動態(tài)發(fā)生概率?；诿商乜宸椒?，根據(jù)安全事故的發(fā)生概率，通過隨機抽樣的方式模擬事故產(chǎn)生，可以表現(xiàn)安全事故涌現(xiàn)的不確定性和小概率特性。

3 盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的計算實驗應(yīng)用

3.1 盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)分析

目前，盾構(gòu)施工方法廣泛應(yīng)用于地鐵隧道的建設(shè)當(dāng)中，以解決城市的交通擁堵問題。盾構(gòu)施工作為重大工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的一部分，是一個以人主導(dǎo)，由盾構(gòu)施工人員、盾構(gòu)施工技術(shù)系統(tǒng)和盾構(gòu)施工環(huán)境3類要素構(gòu)成的復(fù)合系統(tǒng)。盾構(gòu)施工現(xiàn)場的構(gòu)成如圖6所示。

（1）盾構(gòu)施工現(xiàn)場的核心是盾構(gòu)施工人員，包括盾構(gòu)操作人員、施工管理人員、監(jiān)理人員和應(yīng)急處置人員等多類職能各異的人員。在盾構(gòu)施工過程中，各類人員溝通與協(xié)作頻繁，人員的行為主導(dǎo)盾構(gòu)施工過程，人員的認(rèn)知過程對盾構(gòu)施工安全具有重要影響。

（2）盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)包含子系統(tǒng)和技術(shù)參數(shù)眾多，各子系統(tǒng)有各自的演化機理。同時，技術(shù)參數(shù)之間耦合性較高，導(dǎo)致盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)的故障也表現(xiàn)出復(fù)雜的耦合性。

（3）盾構(gòu)施工環(huán)境包括盾構(gòu)隧道周圍的土體以及地表建（構(gòu)）筑物，直接或間接地受到來自于盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)運行和盾構(gòu)施工人員活動的改變或擾動。在人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境動態(tài)交互過程中，環(huán)境的演化如土體應(yīng)力變化、地表建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化等，存在著極其復(fù)雜的物理過程。因此，在外界改造或擾動下，環(huán)境的演化充滿不確定性。

3.2 盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析計算實驗系統(tǒng)

為分析盾構(gòu)施工現(xiàn)場人的不安全行為、技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的不安全狀態(tài)對盾構(gòu)施工安全事故的影響作用，揭示安全事故產(chǎn)生機理，根據(jù)盾構(gòu)施工現(xiàn)場的特點，采用JADE[36]作為計算實驗運行支撐平臺，構(gòu)建了分布式的盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析計算實驗系統(tǒng)，如圖7所示。系統(tǒng)主要由計算實驗控制臺、計算實驗方案管理、計算實驗可視化和盾構(gòu)施工現(xiàn)場多Agent系統(tǒng)4個部分構(gòu)成。

圖6 盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全系統(tǒng)構(gòu)成分析

基于盾構(gòu)施工安全適應(yīng)性分析計算實驗系統(tǒng)，可以設(shè)計實驗研究不同人員類型、環(huán)境類型、盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)選型和盾構(gòu)施工方案的安全適應(yīng)性。具體的實驗設(shè)計內(nèi)容如表2所示。

表2 盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析計算實驗設(shè)計

3.3 實驗案例

不同類型的操作人員由于其個體特征的差異（如年齡、性格和經(jīng)驗等），其在執(zhí)行操作任務(wù)時的行為表現(xiàn)會有所不同，進(jìn)而對盾構(gòu)施工安全產(chǎn)生不同影響。為了分析不同類型操作人員對盾構(gòu)施工安全的影響，案例以盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)的刀盤結(jié)餅事故為施工情景，設(shè)計了3 組實驗，分別研究操作人員的性格、經(jīng)驗和年齡差異對盾構(gòu)施工安全的影響，如表3所示。該情景模擬土壓平衡盾構(gòu)機在粘土地層中的掘進(jìn)過程（相應(yīng)參數(shù)如表4、5所示），并在掘進(jìn)過程設(shè)置"土倉壓力偏大"的盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)異常狀態(tài)。計算實驗可根據(jù)刀盤結(jié)餅的概率變化，分析不同操作人員類型對刀盤結(jié)餅事故的影響程度，實驗結(jié)果如圖8所示。

圖7 盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析計算實驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

表3 操作人員個體特征屬性的實驗設(shè)計

表4 盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)的實驗設(shè)計

表5 環(huán)境主要土體參數(shù)的實驗設(shè)計

實驗結(jié)果表明，不同類型的操作人員對于土倉壓力異常處置的方式（處置時間、相應(yīng)的操作）和處置力度（參數(shù)調(diào)整量）存在不同，導(dǎo)致刀盤結(jié)餅概率變化存在差異。具體表現(xiàn)為：

（1）當(dāng)盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)運行出現(xiàn)異常時，操作人員的異常處置能力與其性格和經(jīng)驗有關(guān)，而與其年齡的相關(guān)性較弱。具體而言，內(nèi)向的操作人員在其經(jīng)驗欠缺時，其處置異常的時間通常比較滯后，而外向的操作人員在異常發(fā)生后的處置方式較為積極，往往能較早做出響應(yīng)；同時，異常處置能力與操作人員的經(jīng)驗呈正相關(guān)，當(dāng)不同的操作人員均具有3年以上的工作經(jīng)驗時，他們的異常處置能力差別不大，且均具有較強的異常處置能力。

（2）當(dāng)盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)運行處于正常狀態(tài)時，不同類型的操作人員維持盾構(gòu)技術(shù)系統(tǒng)運行安全的能力基本無差別。

4 結(jié) 語

圖8 盾構(gòu)操作人員個體差異對刀盤結(jié)餅事故的影響作用

重大工程施工現(xiàn)場的復(fù)雜特性為安全管理帶來了新的要求，本文提出施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析方法，充分考慮重大工程施工現(xiàn)場整體行為演化規(guī)律、施工現(xiàn)場安全事故的涌現(xiàn)性與小概率特性，以安全適應(yīng)性的角度分析施工現(xiàn)場安全。結(jié)合計算實驗的情景建模思路和MAS理論，考慮人與技術(shù)系統(tǒng)和環(huán)境的復(fù)雜交互關(guān)系構(gòu)建現(xiàn)場安全系統(tǒng)模型，并基于計算實驗涌現(xiàn)出施工現(xiàn)場安全事故。最后，以盾構(gòu)施工現(xiàn)場為實例進(jìn)行計算實驗應(yīng)用實現(xiàn)和計算實驗設(shè)計。基于計算實驗的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析方法的提出，能夠為施工現(xiàn)場安全管理提供更有針對性、安全適應(yīng)性更強的決策建議，形成重大工程施工現(xiàn)場安全管理的新思路和新模式。

本文解決了基于計算實驗實現(xiàn)施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的可行性問題。后續(xù)研究將首先對施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性分析的計算實驗系統(tǒng)的有效性進(jìn)行驗證；同時，在計算實驗結(jié)果分析方面，探索計算實驗結(jié)果分析處理方法，如數(shù)據(jù)挖掘方法等，并建立科學(xué)的施工現(xiàn)場安全適應(yīng)性評價指標(biāo)體系；最后，利用計算實驗結(jié)果，基于計算實驗平臺，在安全檢查、安全培訓(xùn)、安全技術(shù)交底等方面做進(jìn)一步的功能實現(xiàn)。