張子琛， 郭聖煜， 周新宇， 黃程鎣， 李繼超

(1. 中國地質(zhì)大學(武漢) 經(jīng)濟管理學院， 湖北 武漢 430074； 2. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

建筑工程施工現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復雜，人、機流動性大，生產(chǎn)條件惡劣，施工周期較長，危險源多且不確定，涉及眾多未確知因素、隨機因素和模糊因素，并不斷變化[1]。因此，在建設過程中存在諸多風險，安全風險主要包括人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和環(huán)境的不安全條件，導致安全事故時有發(fā)生[2]，造成不可挽回的經(jīng)濟損失和人員傷亡。工地上對于危險源諸如危險化學品和壓力容器的風險管理日趨嚴格，采取單獨設置存儲空間，控制安全距離等方法改善不安全狀態(tài)；工程配套的安全檢測和監(jiān)測工作體系也改善了環(huán)境的不安全條件。但是，個體和群體的不安全行為風險，由于存在于流動的施工作業(yè)活動中，不易控制，導致不安全行為的風險管理相對較弱。因此，辨析和評價導致事故發(fā)生的不安全行為風險因素，對工程事故預防具有重要意義。

目前，主要通過層次分析法、模糊綜合評價法、蒙特卡羅模擬法、風險矩陣法等進行安全風險評價[3]。其中，風險矩陣法因概念清晰、使用方便、評估結(jié)果簡潔易懂等特點，是實際風險管理工作最常用的方法之一[4]。該方法主要通過專家打分方式開展，是一種定性的風險評估方法。近些年，有研究將風險矩陣法與故障樹分析法[5]、層次分析法[6]以及領結(jié)圖分析法[7]等研究方法相結(jié)合，改善該方法評價主觀性的問題。張曉等[8]將貝葉斯網(wǎng)絡結(jié)合到風險矩陣法中，通過網(wǎng)絡參數(shù)定量確定安全風險的概率。但是針對該方法中安全風險的后果，通常按照風險可能導致事故后的損失(人員傷亡及財產(chǎn)損失)量化確定，依賴專家經(jīng)驗預判，仍然缺乏事前輔助量化的方法。另外，相同的不安全行為風險，可能造成不同類型的事故。按照潛在的事故損失來確定不安全行為風險的后果，更容易受到專家偏見的影響。在當前大數(shù)據(jù)的時代背景下，以自下而上數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究范式逐漸興起，諸如數(shù)據(jù)挖掘算法[9]和復雜網(wǎng)絡[10]等方法開始在工程領域廣泛應用。復雜網(wǎng)絡是大量真實復雜系統(tǒng)的拓撲抽象[11]，將影響系統(tǒng)的因素作為網(wǎng)絡節(jié)點，能夠分析得到不同類型因素對系統(tǒng)的影響程度。本文以事故作為系統(tǒng)，不安全行為風險作為節(jié)點構(gòu)建復雜網(wǎng)絡，通過評價節(jié)點的重要程度，反映不安全行為風險對事故的危害性大小，輔助風險矩陣法定量評價風險后果。

基于歷史事故數(shù)據(jù)構(gòu)建復雜網(wǎng)絡，利用綜合度和集聚系數(shù)的節(jié)點重要性度量方法確定網(wǎng)絡中不安全行為風險對事故的危害性等級，改進傳統(tǒng)風險矩陣法，輔助定量評價不安全行為風險的后果。以中國房建工程為例具體闡述不安全行為風險后果的評價過程和結(jié)果，驗證將節(jié)點重要性的度量方法融入傳統(tǒng)風險矩陣法確定風險后果的效果，以更好指導工程安全風險管理，預防施工事故發(fā)生。

1 風險矩陣法

傳統(tǒng)的風險矩陣法是一種將風險事件發(fā)生的可能性大小和后果的嚴重程度進行綜合考慮，定性確定風險大小的分析方法。數(shù)學表達式為R=PC，R為風險指數(shù)，P為風險因素發(fā)生的概率，C為風險事件的后果。利用該方法評價安全風險時，后果嚴重程度通常是按照風險事件造成事故的后果定性地分為4個等級[12]：(1)災難級Ⅰ：人員死亡或系統(tǒng)報廢；(2)嚴重級Ⅱ：人員嚴重受傷、嚴重職業(yè)病或系統(tǒng)嚴重損壞；(3)輕度級Ⅲ：人員輕度受傷、輕度職業(yè)病或系統(tǒng)輕度損壞；(4)輕微級Ⅳ：人員傷害程度和系統(tǒng)損壞程度都輕于Ⅲ級。對不安全行為風險，專家定性確定風險的后果，往往受到主觀偏見的影響使得評價結(jié)果不夠準確。

2 節(jié)點重要性度量方法

節(jié)點重要性度量方法是評價復雜網(wǎng)絡中節(jié)點重要程度的方法。對于從歷史事故數(shù)據(jù)中提取不安全行為節(jié)點形成的復雜網(wǎng)絡，攻擊重要節(jié)點能夠達到摧毀整個網(wǎng)絡的目的，即有效預防事故。不安全行為節(jié)點在網(wǎng)絡中的重要性，能夠在一定程度上反映不安全行為風險對事故的危害性，輔助風險矩陣法確定風險后果。衡量節(jié)點的重要性依據(jù)其網(wǎng)絡拓撲參數(shù)，包括度、集聚系數(shù)和介數(shù)等。從參數(shù)網(wǎng)絡特性來看，度只考慮節(jié)點自身的鄰居個數(shù)而忽略了鄰居節(jié)點之間的關(guān)聯(lián)性，集聚系數(shù)只考慮節(jié)點鄰居之間的緊密程度而忽略了鄰居節(jié)點的規(guī)模。因此，本文綜合考慮不安全行為節(jié)點的度和集聚系數(shù)，提出評價指標衡量節(jié)點的重要性。

2.1 度和集聚系數(shù)

節(jié)點的度是指網(wǎng)絡中與節(jié)點連接的邊的條數(shù)，常用k表示，有向網(wǎng)絡中，度分為出度kout和入度kin。節(jié)點i的度ki為：

(1)

集聚系數(shù)是網(wǎng)絡中節(jié)點集聚程度的系數(shù)，反映節(jié)點的鄰居節(jié)點間相互連接的程度。節(jié)點i的集聚系數(shù)ci為：

(2)

式中：mi為節(jié)點i的全部鄰居節(jié)點數(shù)，若鄰居節(jié)點全部相互連接，則有mi(mi-1)/2條邊；Ei為節(jié)點i的全部鄰居節(jié)點實際連接邊數(shù)。

2.2 節(jié)點重要性評價指標

參考以往研究的重要性度量方法[13]，本研究綜合考慮節(jié)點的度和集聚系數(shù)對節(jié)點重要性的影響，構(gòu)建評價指標pi，表示為：

(3)

(4)

(5)

通過圖1展示評價指標pi衡量節(jié)點重要程度的合理性。刪除節(jié)點4對該網(wǎng)絡的影響大于刪除節(jié)點3，因為兩節(jié)點的鄰居節(jié)點規(guī)模雖然相同，但節(jié)點4的鄰居節(jié)點的緊密程度更高。通過計算發(fā)現(xiàn)，考慮節(jié)點度和其鄰居度時，k3=k4=3，f3=f4=12，兩者相等。進一步考慮節(jié)點的鄰居節(jié)點之間的關(guān)系時，通過式(3)計算得到p3=0.43，p4=0.82，p4>p3，說明評價指標pi能夠綜合考慮節(jié)點規(guī)模和其鄰居之間緊密程度的雙重影響。

圖1 判斷網(wǎng)絡節(jié)點重要性的示意

2.3 風險矩陣法的改進

節(jié)點重要性的評價指標中，出度針對指出的不安全行為節(jié)點，是導致事故的間接原因，入度針對指向的不安全行為節(jié)點，是導致事故的直接原因。因此，度反映不安全行為風險作為引發(fā)事故原因的頻繁程度。集聚系數(shù)反映網(wǎng)絡的小世界特性，集聚系數(shù)高的不安全行為風險在網(wǎng)絡中的地位顯著，即對引發(fā)事故有突出貢獻。因此，綜合兩者評價不安全行為節(jié)點的重要性，能夠較全面反映不安全行為引起事故的危害程度，改進風險矩陣法，用于輔助定量評價不安全行為風險的后果。根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點的評價指標值，按照從大到小的順序得到不安全行為風險的排序表。參照聚類分析確定等級的方法[14]，仍然將不安全行為風險的后果分成4級，如表1所示。通過對節(jié)點重要性評價指標pi值輔助確定傳統(tǒng)風險矩陣中的后果C，實現(xiàn)風險矩陣法從定性到定量的轉(zhuǎn)變。

表1 不安全行為風險后果的嚴重性等級

3 應用案例

為了驗證通過節(jié)點重要性度量方法確定不安全行為風險后果的效果，選取中國房建歷史事故案例構(gòu)建復雜網(wǎng)絡，定量評估網(wǎng)絡中具體不安全行為風險對事故的影響。應用案例的實施包括以下4個部分(圖2)：(1)利用復雜網(wǎng)絡，通過中國房建工程的歷史事故數(shù)據(jù)構(gòu)建事故的行為致險鏈網(wǎng)絡；(2)采用Pajek軟件，計算得到行為致險鏈網(wǎng)絡中每個節(jié)點的度ki和集聚系數(shù)ci；(3)根據(jù)式(3)，利用步驟(2)中的度和集聚系數(shù)，計算得到不安全行為節(jié)點重要性的定量評價指標pi；(4)根據(jù)pi，通過K均值聚類算法得到不安全行為風險后果的嚴重性等級，輔助量化不安全行為風險的后果C，改進風險矩陣法。

圖2 應用案例的實施步驟

3.1 應用過程

首先，構(gòu)建行為致險鏈網(wǎng)絡[15]。事故來源于官方網(wǎng)站，如安全生產(chǎn)監(jiān)督局、住房與城鄉(xiāng)建設部、地方各級政府的官網(wǎng)等，因為官方網(wǎng)站通報的事故信息具有權(quán)威性且包含事故過程等信息較為全面。最終，篩選出2010―2017年間249起帶有詳細事故調(diào)查報告的房建工程事故案例。導致這些事故的原因中均涉及到施工人員的不安全行為，僅由于不安全狀態(tài)或者環(huán)境引起的事故未包含在內(nèi)。提取行為致險鏈的過程，主要是對事故案例調(diào)查報告中的發(fā)生經(jīng)過和事故原因兩部分的分析，找出事故中涉及的不安全行為，按照這些行為出現(xiàn)的時序關(guān)系成鏈。這些鏈接關(guān)系中，存在重合部分。例如鏈“21→12→15→14”和鏈“17→15→14”中均存在編號為14和15的不安全行為時序關(guān)系，在網(wǎng)絡中該重合部分合并表達為“15→14”的單鏈。受限于網(wǎng)絡建模和分析的Pajek軟件功能，行為致險鏈網(wǎng)絡為定向無權(quán)網(wǎng)絡，所以未考慮合并鏈節(jié)點權(quán)重的影響。最終，提取38個具體的不安全行為作為節(jié)點，整理得到191條行為致險鏈，通過復雜網(wǎng)絡構(gòu)建的網(wǎng)絡模型如圖3所示。

圖3 房建工程事故行為致險鏈網(wǎng)絡

通過Pajek軟件計算不安全行為節(jié)點的度和集聚系數(shù)兩類拓撲參數(shù)，如圖4所示。從圖中可以看出，度ki排在前五的節(jié)點分別是17，15，1，12，6，代表的不安全行為分別是無許可證件從事特種作業(yè)、未佩戴安全帶、處于不安全位置、臨邊防護措施不到位和違規(guī)操作機械設備，平均度為8，說明這些不安全行為平均會與8個不安全行為存在鏈接關(guān)系，是引發(fā)房建工程事故的常見行為原因。集聚系數(shù)ci排在前六的節(jié)點分別是28，31，25，5，33，7(其中節(jié)點31，25，5，33，7的集聚系數(shù)相等)，代表的不安全行為分別是未按要求搭建作業(yè)平臺、起重設備未按要求吊運物品、未按規(guī)范澆筑混凝土、忘記關(guān)閉設備和未按要求搭設卸料平臺、操作錯誤(指按鈕、閥門、搬手、把柄等的操作)，說明這些節(jié)點的相鄰節(jié)點相互連接程度高，是處在網(wǎng)絡小中心的不安全行為，對引發(fā)事故具有突出貢獻。針對集聚系數(shù)，由于網(wǎng)絡中有6個不安全行為節(jié)點度為1，式(2)分母為0，集聚系數(shù)的計算結(jié)果為999999998，在后續(xù)評價指標的計算過程中將其剔除。

圖4 行為致險鏈網(wǎng)絡節(jié)點的度和集聚系數(shù)

最后，通過基于度和集聚系數(shù)的節(jié)點重要性度量方法，得到網(wǎng)絡中32個不安全行為節(jié)點pi的計算結(jié)果。再利用SPSS Statistics 19軟件的K均值聚類算法功能，得到不安全行為風險相應的后果等級。表2列舉了網(wǎng)絡中一部分不安全行為節(jié)點的評價指標和對應的后果等級，按照pi值從大到小排列。

3.2 應用結(jié)果

根據(jù)表2中評價指標pi的計算結(jié)果，排在前5的不安全行為分別為節(jié)點25，17，15，12，5。其中，節(jié)點25(未按規(guī)范澆筑混凝土)后果為Ⅰ類最高等級。從網(wǎng)絡中節(jié)點的度來看，該節(jié)點的度值小，說明節(jié)點規(guī)模小，這個不安全行為并非引發(fā)事故的常見行為原因。但是該不安全行為節(jié)點的集聚系數(shù)大，反映的現(xiàn)實意義是該行為一旦出現(xiàn)，很大程度上可能引發(fā)坍塌類房建工程事故，說明該不安全行為對特定類型事故后果的危害性大，這個結(jié)果也從側(cè)面反映出不安全行為節(jié)點的重要性度量綜合考慮了節(jié)點度和集聚系數(shù)的綜合影響，能較全面地定量刻畫不安全行為風險的后果。其余4個不安全行為后果為Ⅱ類次高等級。我國《安全生產(chǎn)法》和《安全行政處罰條例》等法律法規(guī)要求從事特種作業(yè)(焊接、起重、登高架設等)的人員必須取得特種作業(yè)操作資格證書，反映無特種證件從事特種作業(yè)這個不安全行為的危害性大。房建工程涉及到大量的高處作業(yè)，出現(xiàn)未佩戴安全帶或臨邊防護措施不到位的不安全行為，都可能導致高處墜落的事故，造成人員傷亡的嚴重后果。關(guān)于這兩個不安全行為的危害性，在另外一些研究中也得到證實[16,17]。忘記關(guān)閉設備的不安全行為與工程機械設備相關(guān)，人機交互作業(yè)過程中易引起物體打擊、起重傷害和機械傷害等多種類型的事故，同樣具有較大的危害性。通過對聚類結(jié)果的分析，說明采用節(jié)點重要性度量方法評價不安全行為風險的后果，具有一定的合理性。

表2 部分節(jié)點的評價指標和對應后果等級

4 結(jié) 語

本文通過歷史事故數(shù)據(jù)構(gòu)建復雜網(wǎng)絡，利用基于度和集聚系數(shù)的節(jié)點重要性的度量方法，輔助定量評價不安全行為風險造成事故的后果，改進傳統(tǒng)的安全矩陣法。以我國房建工程的不安全行為風險后果評價作為應用案例，對32個不安全行為造成事故后果的危害程度做出了排序，按照K均值聚類算法得到了這些不安全行為造成事故后果的危害性等級。其中包括未按規(guī)范澆筑混凝土、無許可證件從事特種作業(yè)、未佩戴安全帶、臨邊防護措施不到位和忘記關(guān)閉設備的5個不安全行為的危害性最大，在風險矩陣法的評價中應當引起重視。

從理論角度來講，本研究改善了傳統(tǒng)的風險矩陣法。通過節(jié)點重要性的度量方法，從歷史事故數(shù)據(jù)構(gòu)建的復雜網(wǎng)絡中得到反映不安全行為風險后果的評價指標，使得風險矩陣法的應用更加客觀，為該方法從定性化方法轉(zhuǎn)變?yōu)槎炕椒ㄌ峁┧悸?。從實際角度來講，本研究有利于加強工程不安全行為風險管理。目前工程中普遍采用風險矩陣法制定安全風險的預控表。節(jié)點重要性的度量方法輔助定量確定不安全行為風險造成事故后果的危害性等級，為風險矩陣法的評價提供數(shù)據(jù)支撐，制表更加合理。另外，找出了對我國房建工程事故影響大的不安全行為風險。依據(jù)帕累托法則，重點控制對事故影響大的不安全行為風險能有效預防事故。工程管理人員可以對這些不安全行為有針對性地制定風險控制策略，提高安全風險管理能力。

本文仍存在一些不足，節(jié)點重要性的度量方法未考慮介數(shù)。介數(shù)能反映不安全行為風險在事故網(wǎng)絡中的擴散能力，對評價風險造成事故的危害性同樣具有一定的影響。此外，行為致險鏈網(wǎng)絡未考慮節(jié)點權(quán)重，忽視了某些反復出現(xiàn)不安全行為風險的疊加效應造成事故的影響。下一步研究將綜合分析度、集聚系數(shù)和介數(shù)，評價網(wǎng)絡中不安全行為節(jié)點的重要性，以及探索納入節(jié)點權(quán)重的網(wǎng)絡分析方法。