趙挺生，胡俊杰，師玉棟，徐 凱

（華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074，E-mail：mrshi@hust.edu.cn）

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔吊）是施工現(xiàn)場重要的垂直運(yùn)輸設(shè)備。塔吊在施工現(xiàn)場的全壽命周期，可分為安裝、頂升、使用和拆卸4個階段，且頂升階段與使用階段互相重合。在這4個階段中，使用階段的持續(xù)時間最長，并以吊運(yùn)作業(yè)為核心功能。據(jù)不完全統(tǒng)計，2010~2019年，我國至少發(fā)生了382例塔吊生產(chǎn)安全事故，其中能夠區(qū)分事故發(fā)生階段的有344例，發(fā)生在塔吊使用階段的事故最多，共207例（占比54.2%），使用階段是塔吊生產(chǎn)安全事故的高發(fā)階段[1，2]。因此，研究塔吊使用階段的作業(yè)安全管理問題具有重要意義。

分析塔吊事故數(shù)據(jù)和塔吊安全影響因素，是改善塔吊安全管理的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于塔吊安全事故與安全影響因素的研究成果豐碩，研究者廣泛采用理論分析、事故統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等方法，識別塔吊安全影響因素，深入探討因素特性，為塔吊安全管理提供了重要參考。丁科等[3]將塔吊安全風(fēng)險因素進(jìn)行了歸納分類，確定了風(fēng)險因素的相對發(fā)生概率。Raviv等[4，5]建立了塔吊未遂事件與事故的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，以 AHP方法為依托，對各集群的風(fēng)險程度進(jìn)行了量化分析。目前鮮有針對塔吊使用階段作業(yè)安全問題的系統(tǒng)性分析研究，但部分研究已經(jīng)引入了系統(tǒng)性事故致因模型，如 Zhou等[6]識別了56項(xiàng)塔吊安全影響因素，建立了塔吊安全的AcciMap模型，提取了關(guān)鍵安全影響因素。功能共振分析方法（Functional Resonance Analysis Method，F(xiàn)RAM）是丹麥學(xué)者Hollnagel[7]在2004年提出的一種系統(tǒng)性事故致因理論，它以了解系統(tǒng)正常運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，進(jìn)而解釋系統(tǒng)未能正確運(yùn)行的原因。該方法已經(jīng)在系統(tǒng)風(fēng)險與事故分析中表現(xiàn)出較強(qiáng)的解釋力度。張曉全等[8]、甘旭升等[9]利用FRAM建模解釋事故致因機(jī)理，識別了事故防控要點(diǎn)。Tian等[10]提出了一種改進(jìn)的 FRAMA（FRAM-based Analysis）模型，對模型功能變化進(jìn)行格式化描述，從而實(shí)現(xiàn)功能變化耦合的窮舉搜索。Patriarca等[11]針對傳統(tǒng)FRAM缺乏量化能力的問題，將蒙特卡洛分析方法與FRAM結(jié)合，提出了一種半定量分析的框架。因此，利用FRAM分析塔吊作業(yè)系統(tǒng)，有望從系統(tǒng)功能角度深入理解塔吊作業(yè)安全問題，指導(dǎo)塔吊作業(yè)安全監(jiān)控。

本文從塔吊作業(yè)功能視角出發(fā)，利用FRAM對塔吊作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對塔吊作業(yè)安全系統(tǒng)功能變化耦合過程實(shí)施定性和定量分析，識別影響塔吊作業(yè)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵功能和功能變化耦合路徑，計算功能耦合關(guān)系的相對重要性評分，進(jìn)而提取塔吊作業(yè)安全監(jiān)控重點(diǎn)內(nèi)容。

1 FRAM 建模與功能變化識別

1.1 塔吊作業(yè)過程分析

分析塔吊作業(yè)過程是識別塔吊作業(yè)系統(tǒng)功能和分析功能變化的基礎(chǔ)?；谠谀彻こ淘O(shè)備管理公司和某橋梁建設(shè)項(xiàng)目開展的實(shí)地調(diào)研訪談，結(jié)合《塔式起重機(jī)操作使用規(guī)程》（JG/T 100-1999）[12]、《建筑施工塔式起重機(jī)安裝、使用、拆卸安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ196-2010）[13]和《起重機(jī)械安全規(guī)程》（GB 6067-2010）[14]等塔吊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參考江漢TC6013-8型塔吊、華誠機(jī)械QTZ63（5510）型塔吊和中昇建機(jī)ZSL750型動臂式塔吊使用說明書，對塔吊作業(yè)過程的主要活動及其相關(guān)要求進(jìn)行梳理，結(jié)果如圖1所示。

1.2 塔吊作業(yè)系統(tǒng)FRAM建模

作業(yè)過程分析屬于任務(wù)分析是功能識別的基礎(chǔ)。任務(wù)是預(yù)期實(shí)現(xiàn)的、理想化的功能，且在時間順序、控制關(guān)系等方面具有一定的結(jié)構(gòu)；功能本身并無順序之分，其相互關(guān)系通過特征之間對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行表達(dá)。識別系統(tǒng)功能，即研究系統(tǒng)正常運(yùn)行，了解系統(tǒng)常規(guī)活動。在系統(tǒng)功能分析上，F(xiàn)RAM建模的抽象層次從高到低分為功能性目的、抽象功能、廣義功能、物理功能和物理形式等5個層次，高層次功能是低層次功能的抽象。

圖1 塔吊作業(yè)過程

FRAM將功能分為前景功能和背景功能，其中前景功能是分析焦點(diǎn)，背景功能用于向前景功能提供條件和環(huán)境。功能之間不存在優(yōu)先級或順序的區(qū)分。每個功能用表1所示的6項(xiàng)特征進(jìn)行描述，特征一般為名詞短語。為滿足模型的一致性要求，不同功能中的同一特征應(yīng)當(dāng)具有一致的命名；同時，模型的完整性則要求任何功能的任一特征均應(yīng)在其他功能的特征中有所對應(yīng)。另外，F(xiàn)RAM也提供了一種圖形化表示方法，用六邊形表示一個功能，每個角作為一個特征，如圖2所示。

表1 功能的6項(xiàng)特征

從物理功能層出發(fā)，分析與人機(jī)交互密切相關(guān)的系統(tǒng)功能。對于塔吊作業(yè)系統(tǒng)，其整體功能目的是將材料、工具、設(shè)備等物料從某個位置吊運(yùn)到目標(biāo)位置。因此，以核心功能“吊運(yùn)”為分析起點(diǎn)，描述該功能的6項(xiàng)特征，如圖3所示。

圖2 功能的圖形化描述

圖3 “吊運(yùn)”功能的特征

核心功能“吊運(yùn)”的各項(xiàng)特征必須與至少一個其他功能的某個特征相對應(yīng)，從而識別出其他功能，如提供指揮信號的“信號指揮”功能，提供司機(jī)的“司機(jī)就位”功能等。結(jié)合上述分析結(jié)果，得到塔吊作業(yè)系統(tǒng)的功能及其特征，如圖4所示。再以“吊運(yùn)”這一核心功能為起點(diǎn)，利用可視化軟件FRAM Model Visualiser進(jìn)行建模，形成塔吊作業(yè)系統(tǒng)的FRAM模型，如圖5所示。

圖4 塔吊作業(yè)系統(tǒng)功能及其特征

圖5 塔吊作業(yè)系統(tǒng)的FRAM模型

2 塔吊作業(yè)功能變化耦合分析

功能變化耦合分析是研究系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時，系統(tǒng)各功能可能處于的變化狀態(tài)，并分析這些功能變化耦合導(dǎo)致系統(tǒng)異常的過程。在FRAM模型實(shí)例化后，可以從時序或因果關(guān)系的角度理解系統(tǒng)功能間的關(guān)系[7]。

2.1 塔吊作業(yè)功能變化識別

根據(jù)收集到的2016~2019年間的68篇塔吊使用階段生產(chǎn)安全事故報告，對塔吊作業(yè)過程中的 7種常見事故類型（吊物墜落、高處墜落、倒塌、塔吊碰撞、吊物鉤掛、吊物擠撞、零件掉落）定義，按事故直接起因?qū)κ鹿蔬M(jìn)行分類。并統(tǒng)計各項(xiàng)功能在不同事故類型中，以異常變化形式參與事故涌現(xiàn)的頻次及頻率，對具有不同描述的類似功能變化進(jìn)行合并，并按變化程度進(jìn)行初步分類。

事故過程中的功能變化是系統(tǒng)功能的表現(xiàn)，根據(jù)近似調(diào)整和成敗等價原理，還應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下以及導(dǎo)致未遂事件的功能變化。具體地，以事故案例分析提取的功能變化為基礎(chǔ)，補(bǔ)充識別功能的潛在變化，并按其變化程度分類（參考LEC法進(jìn)行，采取一種相對描述方法，按可能性由高到低設(shè)置4種評價：“往往如此”“可能的”“偶爾的”和“罕見的”）。

基于現(xiàn)場調(diào)研和對事故調(diào)查報告的分析歸納，初步判斷各功能變化發(fā)生的可能性。依托某垂直運(yùn)輸設(shè)備安全監(jiān)控聯(lián)合研究基地，邀請具有豐富塔吊管理經(jīng)驗(yàn)的2位專家（10年和7年工作經(jīng)驗(yàn)）和4位一線技術(shù)管理人員（3~4年工作經(jīng)驗(yàn)）參與調(diào)研，獲取專業(yè)技術(shù)人員關(guān)于各功能變化發(fā)生可能性的隱性知識。參考《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 59-99）[15]中，對專職安全管理人員和其他人員檢查評分的賦權(quán)方案，使每個專家的權(quán)重為 0.6，一線技術(shù)管理人員的權(quán)重為 0.4，計算功能潛在變化在不同發(fā)生可能性上的加權(quán)總分，最后作歸一化處理，評價結(jié)果如表2所示。表中，初步判斷結(jié)果是本文基于現(xiàn)場調(diào)研和事故案例分析形成的主觀觀點(diǎn)，專家評價結(jié)果則以其工作經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，兩者在部分功能潛在變化發(fā)生可能性方面具有不同的認(rèn)識。后續(xù)量化分析時，將分別按兩種評價結(jié)果進(jìn)行計算，并作比較分析。

表2 功能潛在變化及其發(fā)生可能性

2.2 定性分析

定性分析是FRAM的典型分析手段，有助于更全面地理解事故的涌現(xiàn)過程。結(jié)合事故案例研究，從塔吊作業(yè)系統(tǒng)的典型安全事故類型出發(fā)，按各事故類型的主要事故形式，分別探究事故涌現(xiàn)過程。綜合來看，塔吊作業(yè)系統(tǒng)有3種事故形成路徑類型，如表3所示，多數(shù)事故是多項(xiàng)功能變化耦合作用的結(jié)果，包括多項(xiàng)功能變化的因果關(guān)聯(lián)和多項(xiàng)功能變化的共振。

表3 塔吊作業(yè)系統(tǒng)的3種事故形成路徑

從功能特征來看，“吊運(yùn)”功能的輸入、前提、資源和控制特征達(dá)6項(xiàng)，是整個系統(tǒng)中受其他功能變化影響最多的功能。某類事故的發(fā)生并不是因?yàn)椤暗踹\(yùn)”功能出現(xiàn)了異常變化，而是“吊掛吊物”和“信號指揮”等其他功能異常變化，在“吊運(yùn)”功能的運(yùn)行過程中發(fā)生了作用。許多事故發(fā)生在“吊運(yùn)（F14）”過程，其異常變化往往被視為事故的直接原因。事故調(diào)查報告的統(tǒng)計規(guī)律也表明“吊運(yùn)”功能的異常變化在事故過程中是多發(fā)的。

根據(jù)對各種事故類型的功能變化耦合作用分析，可得到塔吊作業(yè)系統(tǒng)常見的4條功能變化耦合路徑，如表4所示，這些功能變化耦合路徑有時同時出現(xiàn)，且在不同的事故形式中分別表現(xiàn)出不同的重要程度。4條功能變化耦合路徑分別與塔吊設(shè)備質(zhì)量和三類塔吊特種作業(yè)人員的操作有關(guān)。

表4 4條常見功能變化耦合路徑

2.3 定量分析

從風(fēng)險角度理解功能變化耦合關(guān)系的相對重要性，包括變化程度和發(fā)生可能性兩個維度。針對特定的上下游功能變化耦合關(guān)系，Patriarca等[16]提出了一套量化分析方案，用評分“1～4”表征功能在時機(jī)和精確度方面的不同變化程度，分值越大表示變化程度越大。此外，分配變化評分離散化的概率以說明功能變化的隨機(jī)性；引入耦合系數(shù)描述上游功能輸出對下游功能變化的放大或阻尼作用；引入場景系數(shù)描述不同場景條件對功能變化的影響。最后，通過蒙特卡洛分析識別容易出現(xiàn)大幅變化的上下游功能耦合關(guān)系。

為更貼切地描述功能變化，本文根據(jù)所描述的情景，使用1~4的評分方案對功能變化程度進(jìn)行區(qū)分性衡量，延用耦合系數(shù)對功能變化程度進(jìn)行修正，以相對概率分布區(qū)分不同潛在變化出現(xiàn)的相對可能性，無需場景系數(shù)，也不必進(jìn)行蒙特卡洛分析來整合多個評價指標(biāo)。對于一個具體上下游功能耦合關(guān)系，其量化分析過程如下：

（1）評價上游功能各潛在變化的變化程度Vi，其評分范圍為1~4，Vi值越高表明變化程度越大，i為潛在變化的編號。

（2）延用耦合系數(shù)αi，表示上游功能各潛在變化對下游功能的耦合效應(yīng)。

（3）用耦合系數(shù)修正上游功能變化的評分，修正后的功能變化評分CVi=Vi×αi，該評分能夠區(qū)分上游功能的不同潛在變化在變化程度上相對大小。

（4）基于初步判斷結(jié)果和專家評價結(jié)果，分別計算上游功能各潛在變化在發(fā)生可能性上的相對概率具體地：①按初步判斷結(jié)果。參考 LEC法對事故發(fā)生可能性的量化方案（見表5），為功能變化發(fā)生可能性賦分，進(jìn)而作歸一化處理，得相對概率。表6以F1“安全教育培訓(xùn)與安全技術(shù)效底”為例，展示了按初步判斷結(jié)果計算的過程。②按專家評價結(jié)果：以專家評價結(jié)果為各發(fā)生可能性的權(quán)重，結(jié)合賦分策略加權(quán)計算Qi，進(jìn)而

表5 參考LEC法的功能變化發(fā)生可能性量化

表6 以F1為例按初步判斷結(jié)果計算Pi

（6）求各潛在變化綜合評分之和，得該耦合關(guān)系的相對重要性評分

在描述事故案例時，一個功能可能同時發(fā)生于多種變化情景，但在量化分析時假設(shè)功能各潛在變化互斥（），也不會顯著地影響分析結(jié)果。另外，上游功能的一個輸出可能同時是下游功能的多個特征，例如F10輸出的指揮信號，同時是F14的輸入和控制特征，為簡化過程，也不再特意區(qū)分上游功能輸出作為下游功能不同特征的差異。

基于此，對功能變化耦合關(guān)系做量化分析結(jié)果如表7所示。其中，未分析其與F8、F11、F17等次要功能相關(guān)的耦合關(guān)系。

表7 功能變化耦合關(guān)系的量化分析結(jié)果

按功能變化發(fā)生可能性的初步判斷結(jié)果和專家評價結(jié)果分別計算，所得到的評分在整體上具有一致性。相較而言，被調(diào)研者對F2、F3和F4等功能變化程度的評價更高，反映了對特種作業(yè)人員無證、持假證、狀態(tài)不佳等情況發(fā)生可能性的更高估計。初步判斷結(jié)果則對F1和F9的功能變化程度給出了相對高的評價，這種傾向是對事故調(diào)查報告統(tǒng)計規(guī)律的反映。綜合二者，取均值作為功能變化耦合關(guān)系的量化評價結(jié)果，提取評分高于2.5的關(guān)鍵功能變化耦合關(guān)系，如圖6所示。

2.4 分析結(jié)果對比

圖6 高評分的功能變化耦合關(guān)系

（1）定性和定量分析的一致性。一是定性分析指出“吊運(yùn)”是系統(tǒng)運(yùn)行的核心功能，較多地受其他功能運(yùn)行情況的影響，常常成為事故涌現(xiàn)的平臺。定量分析也表明，“吊運(yùn)”與 4項(xiàng)上游功能具有高于2的評分，易與其他功能發(fā)生較大的變化耦合；二是安全教育培訓(xùn)與安全技術(shù)交底是定性分析所得關(guān)鍵功能變化耦合路徑的重要部分，也在定量分析中得到較高的評分，突出了與該功能有關(guān)的特種作業(yè)人員本質(zhì)安全性的重要性；三是現(xiàn)場安全監(jiān)管向大量功能提供控制特征，定性分析中該功能在各類事故中均常常表現(xiàn)為異常變化，定量分析則表明，該功能與下游功能耦合關(guān)系的相對重要性評分整體較高。

（2）定性和定量分析的區(qū)別。定性分析得到的與特種作業(yè)人員行為相關(guān)的關(guān)鍵功能變化耦合路徑，例如“F2—F14”“F10—F14”“F12—F13—F14”等在定量分析中未得到高評分。定量分析更多說明了安全教育培訓(xùn)與安全技術(shù)交底、現(xiàn)場安全管理人員就位、現(xiàn)場安全監(jiān)管等管理相關(guān)功能變化的重要性，這表明在塔吊作業(yè)系統(tǒng)中，管理活動相關(guān)功能相對于特種作業(yè)人員操作相關(guān)功能，具有更高的功能變化風(fēng)險，但其功能變化卻不一定引發(fā)事故涌現(xiàn)。但是，影響事故發(fā)生與否的關(guān)鍵功能變化，仍然是特種作業(yè)人員操作相關(guān)功能的變化。特種作業(yè)人員操作相關(guān)功能的異常變化與其前提和控制特征的失效有關(guān)，管理活動相關(guān)功能又負(fù)責(zé)提供這些前提和控制特征，因而在事故涌現(xiàn)過程中，管理活動相關(guān)功能也多處于異常變化狀態(tài)。

3 結(jié)語

塔吊作業(yè)系統(tǒng)中存在許多影響系統(tǒng)運(yùn)行安全的功能和功能變化耦合關(guān)系，必須對其實(shí)施監(jiān)控措施以約束系統(tǒng)的異常表現(xiàn)，而在定性和定量分析提取的關(guān)鍵功能和關(guān)鍵功能變化耦合關(guān)系，則為實(shí)施塔吊作業(yè)安全管理措施提供了依據(jù)。定性分析得到了4條關(guān)鍵功能變化耦合路徑，雖然還存在許多其他功能變化耦合路徑，但這些次要的耦合路徑，最終也是以影響關(guān)鍵耦合路徑的方式參與事故涌現(xiàn)過程。解耦關(guān)鍵功能變化耦合路徑，即可解耦事故?！暗踹\(yùn)”是4條關(guān)鍵耦合路徑共有的重要功能，并且定性和定量分析結(jié)果均表明，“吊運(yùn)”功能是參與各類事故涌現(xiàn)的核心功能。因此，管控和抑制“吊運(yùn)”功能的異常變化，是提升塔吊作業(yè)系統(tǒng)安全管理水平最直接有效的措施。