莫俊文，李 甲

（蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070）

1 研究背景

鐵路工程關(guān)系國計民生。近年來我國鐵路項目的建設(shè)力度日益加大，《新時代交通強國鐵路先行規(guī)劃綱要》也明確提出了完善質(zhì)量管理體系、確保工程質(zhì)量安全的要求。在建設(shè)過程中，鐵路工程質(zhì)量易受到來自人員、材料、環(huán)境、設(shè)備、管理等多種風(fēng)險因素的影響，如何對風(fēng)險因素進(jìn)行有效控制成為學(xué)者研究的重點，如唐秋宇等［1］對風(fēng)險影響因素的綜合重要度進(jìn)行排序，找出川藏鐵路雅林段工程建設(shè)質(zhì)量管控重點；盧睿等［2］基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對風(fēng)險因素的敏感性分析與逆向推理，提出了鐵路四電工程質(zhì)量安全三維管理體系；Kuo［3］等利用網(wǎng)絡(luò)理論，以風(fēng)險因素作為節(jié)點、因素間相互影響關(guān)系作為傳遞路徑，建立地鐵施工事故網(wǎng)絡(luò)并找出關(guān)鍵風(fēng)險因素和風(fēng)險傳遞路徑。既有的質(zhì)量風(fēng)險研究大多采用獨立量化各風(fēng)險因素的風(fēng)險值來確定工程整體風(fēng)險等級的風(fēng)險評價模式，然而在實際的鐵路工程施工系統(tǒng)中存在著多個風(fēng)險影響因素，各風(fēng)險因素不僅會單獨作用，更會在傳遞過程中發(fā)生交叉耦合，使得原風(fēng)險擴大或產(chǎn)生新的風(fēng)險。因此，在分析風(fēng)險的發(fā)生機理時，不僅要對單個風(fēng)險因素進(jìn)行分析，還要考慮到風(fēng)險因素之間出現(xiàn)交叉耦合，分析因素的耦合性并對耦合作用強度進(jìn)行度量。而現(xiàn)有的風(fēng)險因素耦合效應(yīng)研究大多集中于交通運輸和煤礦等領(lǐng)域，例如黃文成等［4］基于“觸發(fā)器”概念分析鐵路危險品運輸系統(tǒng)耦合風(fēng)險因素的形成機理，認(rèn)為安全事故的發(fā)生取決于因素風(fēng)險耦合值大小；喬萬冠［5］運用系統(tǒng)動力學(xué)對煤礦事故風(fēng)險因素耦合值進(jìn)行度量，發(fā)現(xiàn)人與管理因素在風(fēng)險因素耦合中參與最多。在工程領(lǐng)域中，F(xiàn)ang 等［6］提出了城市群城市化與生態(tài)環(huán)境的互動耦合理論和時空動態(tài)耦合模型，用于促進(jìn)大城市群的可持續(xù)發(fā)展；周紅波等［7］將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與N-K 模型相結(jié)合，探討了塔吊安全風(fēng)險事故的來源和路徑；Yang 等［8］開發(fā)了基于社交網(wǎng)絡(luò)分析的風(fēng)險分析方法用于評估復(fù)雜綠色建筑項目中的風(fēng)險及其相互作用。

通過分析文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有相關(guān)鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險因素耦合的研究較少，且絕大部分沒有考慮二級子因素之間的耦合效應(yīng)對風(fēng)險總水平值的影響。因此，在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，筆者基于參與地區(qū)科學(xué)基金項目的研究，采用N-K 模型，結(jié)合系統(tǒng)動力學(xué)模型定量計算影響我國鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險的因素耦合值。N-K 模型是 Kauffman［9］提出的一個解決復(fù)雜問題的通用模型，它主要用于分析系統(tǒng)內(nèi)部各個要素間的相互作用對系統(tǒng)整體產(chǎn)生的影響，但是N-K 模型只能計算當(dāng)前主因素之間的耦合值，不能動態(tài)預(yù)測因素的耦合關(guān)系變化對系統(tǒng)風(fēng)險的影響程度，而系統(tǒng)動力學(xué)模型恰好可以通過對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)預(yù)測來剖析系統(tǒng)中各因素之間的相互影響關(guān)系，因此本研究選擇利用系統(tǒng)動力學(xué)模型對N-K 模型進(jìn)行改進(jìn)，建立鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險動態(tài)耦合分析模型。改進(jìn)后的模型從耦合作用的角度對影響鐵路工程質(zhì)量的風(fēng)險因素展開研究，通過計算不同耦合方式下的主因素風(fēng)險耦合值，并對子因素之間耦合值變化對風(fēng)險系統(tǒng)的影響進(jìn)行仿真模擬，動態(tài)預(yù)測風(fēng)險耦合關(guān)系變化對未來風(fēng)險的影響，以探明對鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險管理影響最大的風(fēng)險因素耦合組合，找出風(fēng)險系統(tǒng)的關(guān)鍵脆弱部位并針對結(jié)果提出相應(yīng)的控制措施，為鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險管理和防范提供決策依據(jù)和理論支撐。

2 風(fēng)險因素耦合分析

2.1 風(fēng)險因素識別

按照風(fēng)險識別流程，采用人員（man）、設(shè)備（machine）、環(huán)境（medium）、管理（management）的4M 系統(tǒng)理論并參考李夢晨等［10］、Taheri 等［11］和夏銘［12］的研究，秉持清晰全面、便于計算的原則，將鐵路施工質(zhì)量風(fēng)險管理系統(tǒng)分為4 個主因素以及17 個二級子因素（見圖1）。

圖1 鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險因素識別結(jié)果

2.2 風(fēng)險因素耦合機理分析

“耦合”這一概念源于物理學(xué)，表示兩種或兩種以上的系統(tǒng)或運動形式通過相互影響、相互作用彼此趨于協(xié)同的現(xiàn)象［13］。鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險因素耦合過程如圖2 所示。

圖2 鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險因素耦合過程

參考黃文成等［4］、喬萬冠［5］、楊婷等［14］、付邦穩(wěn)等［15］的研究，將鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險因素耦合分為以下3 類：

（1）單因素耦合風(fēng)險，指主因素自身包含的風(fēng)險子因素之間發(fā)生的耦合作用。

（2）雙因素耦合風(fēng)險，指影響鐵路工程施工安全的兩個風(fēng)險主因素間的耦合作用。以a、b、c、d分別代指人為風(fēng)險、設(shè)備及材料風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、管理缺陷風(fēng)險，耦合值分別記為

（3）多因素耦合風(fēng)險，指影響鐵路工程施工質(zhì)量的3 個及以上主風(fēng)險因素間的耦合作用。其中，三因素風(fēng)險耦合值分別記為四因素風(fēng)險耦合值記為T（a,b,c,d）。

3 風(fēng)險因素耦合度量模型

3.1 N-K 模型

N-K 模型可以通過統(tǒng)計某種耦合方式發(fā)生的概率來計算風(fēng)險子系統(tǒng)之間的交互信息［12］。其中，T值表明耦合作用對發(fā)生質(zhì)量風(fēng)險可能性的影響程度，T值越大即質(zhì)量風(fēng)險越大。參照Kauffman［9］的研究，N-K 模型包含2 個參數(shù)：N為構(gòu)成系統(tǒng)中因素的個數(shù)；K為因素之間存在的相互耦合關(guān)系的個數(shù)。如果系統(tǒng)中有N個因素，每個因素有v種不同狀態(tài)，則系統(tǒng)因素耦合方式有vk種；當(dāng)K達(dá)到一定程度的時候，系統(tǒng)因素耦合關(guān)系組合起來便可形成網(wǎng)絡(luò)，K的取值范圍為計算公式如下：

式（1）～（11）中：“*”表示該因素處于未知狀態(tài)；為人在第h種狀態(tài)、設(shè)備及材料在第i種狀態(tài)、環(huán)境在j種狀態(tài)、管理在第k種狀態(tài)下4 種因素風(fēng)險耦合發(fā)生的概率。

3.2 系統(tǒng)動力學(xué)模型

由于N-K 模型無法對由耦合關(guān)系變化造成的影響進(jìn)行動態(tài)預(yù)測，因此參考劉熠林［16］、姜盛玉等［17］和Yang 等［18］的研究，采用系統(tǒng)動力學(xué)方法改進(jìn)N-K模型，以人為和管理（以下簡稱“人-管”）風(fēng)險因素耦合為例，對兩主因素下的子因素耦合情況進(jìn)行仿真模擬，通過調(diào)節(jié)不同耦合因素組合之間的耦合值來觀察一定時期內(nèi)人-管風(fēng)險因素耦合系統(tǒng)的風(fēng)險總水平變化趨勢，篩選出影響人-管風(fēng)險系統(tǒng)風(fēng)險水平變化的關(guān)鍵耦合因素組合。如圖3 所示。

圖3 鐵路工程質(zhì)量人-管風(fēng)險因素因果關(guān)系

4 實證分析

4.1 N-K 模型計算主因素耦合度

2019 年1 月—2020 年8 月，國家鐵路局官方網(wǎng)站共通報事故調(diào)查處理結(jié)果和行政公開處罰信息132起（以下簡稱“樣本工程事件”），整理所得不同耦合方式導(dǎo)致事故發(fā)生的次數(shù)p和頻率P如表1 所示。

表1 2019 年1 月—2020 年8 月我國鐵路事故統(tǒng)計

要想計算各風(fēng)險因素耦合作用后產(chǎn)生的風(fēng)險T值，首先需得確定條件下樣本工程事件中單因素、雙因素和多因素發(fā)生概率，以為例，其計算過程如式（12）～（14）所示。

同理可得剩余單因素、雙因素和多因素確定條件下發(fā)生概率（如表2 所示）。

表2 確定條件下樣本工程事件中風(fēng)險因素的耦合概率

根據(jù)表2 以及式（1）～（11），可以計算出不同風(fēng)險因素耦合方式下的耦合風(fēng)險值T，計算結(jié)果見表3。

表3 樣本工程事件中風(fēng)險因素的耦合值

4.2 人-管因素耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型仿真

在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計時，人-管因素出現(xiàn)耦合的概率最大，根據(jù)Frank Bird 在海因里希事故因果連鎖理論的基礎(chǔ)上提出的現(xiàn)代事故因果連鎖理論，盡管人的不安全行為導(dǎo)致事故的重要原因，但認(rèn)真追究事故的根本原因是管理失誤［19］，因此選擇人-管風(fēng)險因素耦合系統(tǒng)為本次仿真對象，利用Vensim PLE 軟件進(jìn)行仿真模擬，仿真邊界是一個完整的鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險管理系統(tǒng)中的人為因素子系統(tǒng)和管理因素的子系統(tǒng)。模型仿真的時間邊界為24 個月，運行步長為1 個月。系統(tǒng)流圖如圖4 所示。其中，L表示人-管系統(tǒng)因素耦合風(fēng)險水平總值；L(A)表示人為因素風(fēng)險水平，L(D)表示管理缺陷風(fēng)險水平，L(mn)表示人-管風(fēng)險因素子系統(tǒng)第m類風(fēng)險因素的第n個指標(biāo)的風(fēng)險水平；R(A)表示人為因素風(fēng)險水平變化量，R(D)表示管理缺陷風(fēng)險水平變化量，R(mn)表示第m類風(fēng)險因素的第n個指標(biāo)的風(fēng)險水平變化量；表示第m類風(fēng)險因素的第n個指標(biāo)與第類風(fēng)險因素的第 個指標(biāo)之間的風(fēng)險耦合值。其中

圖4 樣本工程事件人-管風(fēng)險因素存量流量圖

在進(jìn)行仿真前，首先要確定9 個二級子因素之間的耦合值及權(quán)重，利用層次分析法（AHP）確定權(quán)重，然后參考夏銘［12］的研究，利用多層次灰色評價方法計算各因素的耦合值。

鐵路工程人-管風(fēng)險子因素對鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險的功效函數(shù)的表達(dá)式如下：

灰色評價模型的數(shù)字特征計算結(jié)果如表4所示。

表4 樣本工程事件風(fēng)險因素灰色評價模型的數(shù)字特征

根據(jù)對功效函數(shù)的分析，假設(shè)一個系統(tǒng)中子系統(tǒng)的個數(shù)為s，那么第m個與第m'個子系統(tǒng)兩兩耦合的耦合度模型可以表述如下：

根據(jù)功效系數(shù)和因果回路圖依次計算人-管系統(tǒng)子因素兩兩耦合的耦合值，結(jié)果如表5 所示。

表5 樣本工程事件中風(fēng)險變量取值

將表5 中計算所得數(shù)據(jù)代入系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行仿真模擬，可以得到24 個月內(nèi)人-管系統(tǒng)因素耦合風(fēng)險水平總值L的變化趨勢如圖5 所示。從圖5可以看出，在風(fēng)險耦合作用下，風(fēng)險的增長速度與水平值隨時間增加而增加，在第24 個月，系統(tǒng)的風(fēng)險總水平值達(dá)到71.183 9。

圖5 樣本工程事件人-管系統(tǒng)因素耦合風(fēng)險水平總值的時間變化

根據(jù)海希里因的事故因果連鎖理論，事故的發(fā)生過程如同推倒多米諾骨牌，抽出一張牌即可破除事故鏈從而達(dá)到防止事故發(fā)生的目的［20］，因而在實際操作過程中完全避免某一風(fēng)險因素是幾乎不可能的，但降低風(fēng)險因素之間的耦合值就如同拉開骨牌之間的距離，可以減少事故發(fā)生。為了確定風(fēng)險因素兩兩耦合的耦合值發(fā)生變化對總風(fēng)險水平的影響程度，將11 個耦合組合的耦合值各減少20%，再次模擬計算24 個月內(nèi)的風(fēng)險總水平值，觀察風(fēng)險總水平值變化情況，變化值越大則對應(yīng)因素發(fā)生耦合對總風(fēng)險影響越大。模擬結(jié)果如表6 所示。

表6 樣本工程事件風(fēng)險總水平值變化情況

5 結(jié)論

鐵路工程質(zhì)量風(fēng)險管理系統(tǒng)受人員、設(shè)備、材料、環(huán)境、管理等多個主要影響因素的耦合效應(yīng)影響，本研究構(gòu)建了N-K 模型與SD 模型相結(jié)合的新型風(fēng)險因素耦合效應(yīng)分析模型，梳理因素之間的耦合關(guān)系，量化風(fēng)險要素耦合效應(yīng)的危險程度。從實證計算結(jié)果可知，耦合值的大小基本與參與耦合的風(fēng)險因素數(shù)量成正比，而質(zhì)量風(fēng)險事故發(fā)生概率與耦合值正相關(guān)，耦合值越大則發(fā)生質(zhì)量風(fēng)險事故的可能性就越高。在N-K 模型計算的T值中，有風(fēng)險A和風(fēng)險D參與的雙因素和多因素耦合時T值均較高，其中在雙因素耦合中，T25明顯高于其他雙因素耦合模式，說明風(fēng)險B和風(fēng)險D之間存在著較大的耦合性，一旦出現(xiàn)耦合則風(fēng)險發(fā)生的概率較大。SD 模型仿真模擬結(jié)果表明，耦合值降低會使人-管系統(tǒng)風(fēng)險水平總值降低，同時也會降低風(fēng)險增加的速度，因此，識別關(guān)鍵風(fēng)險耦合因素組合和降低風(fēng)險因素之間的耦合值是控制風(fēng)險增長速度的有效辦法。

綜合來看，在實際施工過程中，首先要加強對原材料和設(shè)備的管理，對二者進(jìn)行嚴(yán)格檢測，風(fēng)險管理人員應(yīng)結(jié)合工程項目的布置、施工現(xiàn)場條件、施工程序和施工工藝，控制設(shè)備及材料的選擇、檢驗、使用和維護(hù)，降低兩因素之間的耦合效應(yīng)以保障工程質(zhì)量。其次要從人為風(fēng)險因素著手，重點防范人員錯誤行為與其他風(fēng)險因素發(fā)生耦合，例如可以通過崗前教育、講習(xí)會、座談會等形式讓作業(yè)人員學(xué)習(xí)正確的作業(yè)方法，規(guī)范人員日常操作，提高技術(shù)水平；加強作業(yè)人員教育培訓(xùn)，通過“時時講、天天講”提高人員的責(zé)任感，由內(nèi)驅(qū)動作業(yè)人員牢牢樹立質(zhì)量安全意識；對有違紀(jì)吸煙、飲酒上崗等行為的人員進(jìn)行教育和適當(dāng)處罰并督促整改，從源頭防范錯誤行為的發(fā)生。最后建立定期質(zhì)量風(fēng)險管理檢查制度，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患及時反饋，要求落實整改時間，并對整改情況進(jìn)行復(fù)查來降低風(fēng)險因素之間的耦合度，進(jìn)而降低風(fēng)險總水平值。