基于計算實驗的施工現場安全適應性分析及其應用

祁俊雄，李玨，王紅衛，b

（華中科技大學a.自動化學院；b.管理學院，武漢 430074）

重大工程是一類對我國政治、經濟、社會、科技發展、環境保護、公眾健康與國家安全等具有重要影響的大型公共工程。當前，重大工程施工安全形勢依然十分嚴峻，重大工程一旦出現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、經濟損失[1-2]。重大工程施工現場的安全分析和評價是現場安全管理的關鍵環節和重要措施，有效的現場安全分析方法，能夠識別、理解和控制施工現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，對重大工程施工現場安全具有重要的意義[2]。

目前常用于施工現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]，此類傳統方法在施工安全管理中應用較為廣泛。但是由于其分析與評價過程較為主觀，且大多屬于事故發生后的靜態追溯分析[6]，難以深入分析和預測施工過程中的多種安全態勢發展的可能性?？紤]施工過程的動態性和不確定性，有學者提出貝葉斯網絡分析方法[6-7]、BP神經網絡分析方法[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傳統方法的不足，實現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，缺乏對施工現場任務層面上的個體行為復雜性、施工設備運行等方面對于施工現場安全影響作用的考慮[12]?？傊?，上述施工現場安全分析方法在不同側面存在局限性，尤其缺乏對于安全事故在多因素綜合影響下產生規律的系統分析和解釋，難以實現施工現場安全風險和安全事故的主動預防控制。

事實上，從施工現場安全的角度，重大工程現場是一個由人、技術系統和環境構成的復雜安全系統，施工現場安全事故是施工現場人與技術系統和環境非線性復雜交互的結果[13]。要做到系統的施工現場安全分析，形成有效的現場安全事故預防措施，需要充分考慮人機環非線性復雜交互的動態、不確定的過程，深刻認識并解釋安全事故的涌現現象。本文從施工現場安全適應性的角度分析施工現場系統安全，通過安全適應性分析，解釋施工現場中持續變化的安全狀態轉移至安全事故狀態的多種可能結果，以分析施工現場安全系統中人與技術系統和環境等關鍵要素對系統安全狀態的影響作用，為施工現場安全管理提供更為有效的決策支持。然而，由于重大工程現場人與技術系統和環境的復雜交互過程分析以及對現場安全事故涌現現象的解釋等復雜性問題，難以從傳統的安全系統分析方法中找出實現施工現場安全適應性分析的合理途徑。隨著計算機科學的發展，計算實驗被提出并用于解決此類復雜系統分析問題[14]，計算實驗能夠為施工現場安全適應性分析的具體實現提供可行的方法和手段。

本文從施工現場安全適應性的角度分析并評價施工現場安全，結合重大工程施工現場人-技術系統-環境復雜安全系統在靜態結構和動態行為上的復雜性特征分析，對施工現場安全適應性做出定義，并闡述其在施工現場安全系統復雜性影響下的關鍵內涵；同時，提出施工現場安全適應性分析方法。在此基礎上，本文基于計算實驗方法實現施工現場安全適應性分析，為施工現場的系統安全管理提供合理的理論依據和有效的解決方案，為我國重大工程施工現場安全管理研究與實踐提供新的模式和思路。

1 施工現場安全適應性概念及分析

1.1 施工現場安全適應性

施工現場安全系統在人的管理控制、技術系統的可靠性保障和環境演化等一系列動態調整、組織和適應過程作用下，其安全狀態能夠處于一定的安全界限之內，以避免產生安全事故[15-16]。然而，一旦施工現場安全系統動態調整和適應的能力不足以應對其安全需求，在人的不安全行為、技術系統運行故障及環境風險等因素的綜合作用下將導致安全事故發生[13]。本文提出施工現場安全適應性概念，用于描述和理解重大工程施工現場安全系統動態地適應施工現場安全狀態以滿足施工安全需求的復雜過程，系統分析和解釋施工現場安全事故產生規律，以實現更為有效的施工現場安全事故預防控制。

適應性這一概念起源于生態學研究[17]，指個體或系統通過改善遺傳或行為特征從而更好地適應外界變化，并通過遺傳保留下相應的適應性特征。它的一般意義是指事物或系統適應外界環境因素，并與之保持一致、協調發展的能力[18]。當前，適應性這一概念已經被引用到多個研究領域中，用于討論研究對象對于其外部環境或某種客觀需求的適應能力，如生態學研究將適應性賦予了通過自身行為改變和遺傳、進化來適應外界變化的含義[17]；工程施工問題中多以某種施工技術對于施工環境的適應性為主題進行研究[19-20]；公共交通適應性是一個適應性研究熱點領域[18，21-22]，是指交通基礎設施和交通運輸方案等在不同的社會和自然環境下，對于經濟、運輸需求和城市發展等的適應能力；軟件系統工程中軟件產品的適應性體現在能夠滿足不同服務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，根據研究領域的不同，適應性的定義和內涵有本質區別。結合適應性的一般意義及施工現場領域特點，將施工現場安全適應性定義為：施工現場安全系統通過系統狀態的動態調整，適應施工現場中不同程度的安全狀態水平，使得施工現場的施工進程與施工安全需求保持協調一致，從而避免產生安全事故的能力。此外，重大工程施工現場安全系統的復雜性特征決定了施工現場安全適應性的內涵與上述研究領域中的適應性有著本質的不同：

（1）施工現場是一個由人與技術系統和環境構成的開放性復雜系統，每一個系統構成要素對施工現場安全均具有重要影響。絕大多數的適應性研究均將研究對象的周邊環境視作其外部環境，作為外部輸入影響其適應性。在重大工程施工現場中，施工建筑物、構筑物等與外界自然環境構成了施工現場環境，人與技術系統和環境緊密耦合，安全事故是三者非線性復雜交互的涌現結果。因此，環境是施工系統內部構成要素之一，施工現場安全適應性也受到環境支配，在這一點上，施工現場安全系統與其他類型的系統具有本質區別。

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

1.2 施工現場安全適應性分析

對施工現場安全適應性進行分析，需要基于特定的施工情景，考慮人的個體差異、技術系統選型和不同環境條件對施工安全事故產生過程的綜合影響，分析施工現場安全系統適應各階段的施工安全需求，進而避免產生安全事故的能力。如圖1所示，施工現場安全適應性分析是對實際施工現場中安全事故的起因、發展過程以及結果之間的內在關聯進行綜合分析和解釋的過程。

圖1 施工現場安全適應性分析的主要思路

步驟如下：

（1）分析和識別施工現場的構成要素。施工現場的構成要素是安全適應性分析的基礎，主要包括人、技術系統、環境和施工方案等。因此，需要分析和識別人、技術系統和環境中與安全相關的因素，以及它們之間的交互關系。

（2）現場安全系統建模與實驗。在構建人的個體行為模型、技術系統運行模型和環境演化模型基礎上，考慮它們之間的交互關系，建立基于交互的現場安全系統模型。現場安全系統實驗，就是通過設置各種典型的施工情景，并設計與施工安全事故相關的因素及其組合方案，進行現場安全系統的仿真實驗，獲得現場安全系統演化的各種可能的結果，包括各種類型的安全事故。

（3）分析實驗結果，揭示事故產生機理。實驗結果分析主要包括：①根據實驗獲得的現場安全系統行為演化與安全事故的相關數據，分析施工現場安全事故的產生過程，識別導致特定安全事故的人的不安全行為、技術系統或環境的不安全狀態；②分析施工現場不安全行為和不安全狀態的產生過程，識別導致人的不安全行為與技術系統和環境的不安全狀態的關鍵因素；③分析和評估上述關鍵因素對安全事故產生的影響程度。實驗結果分析可以識別出導致安全事故的關鍵因素，解釋安全事故的產生過程，并獲得特定施工情景下科學的安全事故預防措施以及相關施工安全經驗。

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

實現上述施工現場安全適應性分析方法的關鍵在于解決兩個復雜系統分析問題：

（1）把握施工現場安全系統行為演化規律?，F場施工是以人為主導，在施工方案的指導與約束下，通過人的施工行為與技術系統的運行改變施工環境，構建施工建（構）筑物等施工產品的過程。在施工現場，人由于任務職能、個體差異等因素，其行為具有自主性、智能性和異質性；技術系統往往是各類機械和電氣等系統的復合體，其運行受到人的直接控制又受到來自環境的反饋影響；環境受到技術系統和人的擾動，其狀態變化高度不確定且難以預測。因此，施工過程中存在著人的認知以及情感作用下的復雜自主行為，技術系統的機械、電氣變化過程以及環境的物理、化學反應過程。由于上述一系列施工現場安全系統的非結構化因素，難以通過直接構建施工現場安全系統演化模型的方式表現施工現場安全系統行為演化機理。從復雜系統的角度而言，復雜系統整體宏觀行為產生于復雜系統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、技術系統和環境復雜交互作用，形成人-技術系統-環境的緊密耦合系統，使得施工現場呈現出整體的狀態演化。因此，通過對施工人員、技術系統和施工環境等施工現場構成要素交互作用的分析，能夠刻畫和解釋施工現場安全系統行為演化規律。

（2）解釋與分析安全事故的涌現現象。在實際現場施工過程中，由于人與技術系統和環境的自身狀態發展與相互關聯作用，在任何階段都可能形成人的不安全行為、技術系統和施工環境的不安全狀態，而只有當上述兩者或三者的不安全狀態在一定的時間和空間發生交互作用時，才可能導致施工安全事故的形成[25]。根據事故形成過程中所產生能量的承受體的不同[25]，事故可能表現為人身傷害、技術系統故障或環境安全事故?？傊┕がF場的安全事故是施工人員、技術系統和施工環境處于不安全狀態且發生交互作用所產生的涌現結果[13]?？傊?，解釋和分析安全事故的涌現現象時，需首要考慮安全事故的涌現性和小概率特性，把握甚至復現施工現場安全狀態在人與技術系統和環境復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系統和環境的不安全狀態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，并量化安全事故發生的可能性。最后，分析人與技術系統和環境等因素對于安全事故產生的影響作用和影響水平，通過合理的指標衡量施工現場安全系統避免產生安全事故的適應能力。

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

2 施工現場安全適應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，融合計算技術、復雜系統理論等多學科理論，通過計算機再現復雜系統的基本情景及系統構成要素的行為及交互，并在此基礎上分析和解釋各種復雜系統現象、系統演化規律的一種科學研究方法[2]。

計算實驗方法采用基于情景的建模思路實現對系統各構成要素的有機結合以及系統宏觀整體規律的揭示[27]。將情景建模的思想應用于施工現場安全系統的分析與建模中，首先分析施工現場人與技術系統和環境各自的行為演化機理，然后基于人與技術系統和環境的交互關系，將三者的微觀行為機理與施工現場整體行為規律形成關聯，實現對施工現場安全系統演化規律的刻畫與解釋。

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

2.2 基于計算實驗的施工現場安全適應性分析

根據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所示的施工現場安全適應性分析計算實驗概念模型。概念模型主要包括：①系統輸入的設計，系統輸入是指計算實驗需要考察的與安全事故相關的因素及其組合；②特定情景的設計，包括可控因素和不可控因素的設置，可控因素是指計算實驗模型的參數，不可控因素是指計算實驗中事先設定的事件；③系統輸出的設計，系統輸出是指人的行為、技術系統的運行狀態和環境的演化狀態，以及不同類型的安全事故。根據實驗結果，識別導致安全事故的與人、技術系統和環境相關的因素，并分析這些因素對安全事故產生的影響和影響程度。

圖2 施工現場安全適應性分析的計算實驗概念模型

基于計算實驗的施工現場安全適應性分析過程如圖3所示，包括計算模型構建、計算實驗設計、計算實驗執行和安全適應性分析4個過程。

圖3 基于計算實驗的施工現場安全適應性分析過程

（1）基于施工現場系統分析，構建人的行為模型、技術系統的運行模型和環境的演化模型。同時，考慮施工現場的人、技術系統和環境的交互關系，構建基于多主體交互的現場安全系統模型。

（2）根據安全適應性分析目標，將人、技術系統、環境和施工方案等多種施工現場構成要素進行組合，設計多因素、多水平、隨機化、重復的實驗方案。

（3）基于施工現場安全系統模型進行實驗計算，反映施工現場各主體及施工現場整體行為演化。由于人的個體屬性會根據技術系統和環境的變化而變化，并影響個體的行為決策，故做出短期內的適應性選擇，從而調整改變技術系統和環境的狀態。技術系統和環境之間相互影響，并且它們的狀態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人的不安全行為以及技術系統和環境的不安全狀態交會所產生安全事故的過程。

（4）根據涌現的安全事故，研究人的不安全行為、技術系統和環境的不安全狀態在不同任務階段、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，進而分析人員配置、技術系統選型、環境類型和施工方案設計等組合因素對安全事故產生的影響和影響特點。

應用計算實驗方法實現施工安全適應性分析時，其關鍵在于：①以計算實驗的情景建模思想，基于人與技術系統和環境的交互構建現場安全系統模型，實現各關鍵構成模型的有機結合；②基于計算實驗再現施工現場安全事故，通過對實驗結果的統計分析，揭示安全事故的涌現規律，為施工現場安全適應性分析提供依據。

2.2.1基于人-技術系統-環境交互的施工現場安全系統建模在施工現場中，人是施工的核心，人根據當前施工任務態勢，結合施工目標對施工技術系統進行監控和操作，改變技術系統運行狀態，同時改造環境狀態，其行為直接主導施工過程。技術系統在人的操作控制下，與環境發生相互作用，并迫使環境狀態發生改變，相應的變化被技術系統傳感器采集，反饋至技術系統顯示設備中，作為人下一步操作的依據。環境直接或間接地受到來自于技術系統運行和人的改變或擾動，通過一系列的物質、能量交換，環境狀態發生變化。環境狀態變化被技術系統傳感器和人監測到，進一步對技術系統運行狀態及人的認知狀態和行為決策產生影響。可以說，施工現場是人與技術系統和施工環境緊密耦合的安全系統，人與技術系統和環境的交互，使得施工現場安全系統呈現出整體行為演化特征。

基于多主體系統建模（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方法所構建的"人工的"重大工程施工現場安全系統，能夠反映現實施工現場中人、技術系統和環境之間的相互聯系，以及施工現場整體行為演化過程，是實現基于計算實驗的施工現場安全適應性分析的基礎?；贛AS方法考慮人、技術系統和環境的交互關系，構建施工現場安全系統模型，主要包括個體行為Agent建模、技術系統Agent建模、環境Agent建模以及現場安全系統建模4個部分，如圖4所示。

基于慎思型結構，構建個體行為Agent模型，需要考慮個體認知模型[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，體現施工現場人員的認知行為特點。基于反應型結構，構建技術系統Agent模型。首先，識別和分析技術系統關鍵構成，將其拆分為各類機械及電氣子系統；然后，依據子系統功能和性能指標確定子系統建模目標以及屬性集和輸入、輸出集合；最后，根據子系統的邏輯控制方式和運行機理，采用機理建?；驓v史數據擬合等建模方式，構建各子系統的運行模型?；诜磻徒Y構，構建環境Agent模型，需要依據環境物理學特性，構建相應的本構模型，通過相應的數值分析方法求解、分析環境的演化過程。由于個體行為、技術系統運行以及環境演化建模過程較為復雜，在此不對上述建模過程進行詳細闡述，通過表1的形式對建模核心思路和方法進行說明。

圖4 基于MAS的現場安全系統建模

基于系統理論與MAS 建模方法，在上述構建的個體行為Agent模型、技術系統Agent運行模型以及環境Agent演化模型基礎上，分析施工現場的人、技術系統和環境之間的交互關系，建立現場安全系統模型：考慮個體的環境狀態感知以及對個體的認知狀態影響關系，設計個體行為Agent與環境Agent之間的信息交互規則；考慮個體的技術系統狀態感知以及對個體的認知狀態影響關系，設計個體行為Agent的狀態更新規則和操作知識規則；考慮環境演化作用對技術系統狀態的影響關系，同時，分析技術系統狀態對典型環境風險的影響路徑，建立技術系統Agent與環境Agent之間的影響規則。最后，基于3 類施工主體之間的時間、空間聯動關系，厘清人、技術系統和環境復雜邏輯推演規律，并設計邏輯推演規則。

表1 現場安全系統中各類Agent建模方法說明

2.2.2基于計算實驗的施工現場安全事故涌現為刻畫、分析和解釋施工現場安全事故的涌現現象，需要以施工現場安全系統模型為基礎，在計算實驗生成施工現場整體演化過程中再現安全事故的涌現過程。因此，需要在構建的現場安全系統模型基礎上，考慮人的不安全行為、技術系統和環境的不安全狀態形成的可能性、三者的時空關系以及與安全事故的因果關聯關系，構建相應的事故概率模型。然后，在系統演化過程中，通過事故概率模型計算事故的發生概率，模擬事故產生。其基本過程如圖5所示。

圖5 施工現場安全事故涌現的基本過程

首先，根據施工現場安全事故的類型和特點構建相應的事故概率模型。施工現場的典型安全事故，如人身傷害、技術系統故障、環境事故等，通常是由施工人員、技術系統和施工環境非線性交互的系統涌現結果[13]。要刻畫施工過程中安全事故的涌現特性，必然要分析施工過程中人的不安全行為、技術系統和環境的不安全狀態3類導致安全事故的事件之間的順序相關性和時序性[32]。通過分析施工現場中人的不安全行為、技術系統和環境的不安全狀態之間的動態、時序邏輯關系，基于三者與安全事故的因果關聯關系，可用如動態故障樹和貝葉斯網絡等方法構建動態樹狀或網狀的事故概率模型[33-35]。

其次，根據事故概率模型計算安全事故發生概率，模擬事故產生。根據安全適應性分析目標，將施工方案、施工人員、技術系統和施工環境等因素的不同類型組合作為系統輸入，設計并執行計算實驗。在實驗計算過程中，由每一時刻現場安全系統模型產生的系統運行狀態，可以計算人身傷害、技術系統故障和環境事故等安全事故在每一時刻的動態發生概率?；诿商乜宸椒?，根據安全事故的發生概率，通過隨機抽樣的方式模擬事故產生，可以表現安全事故涌現的不確定性和小概率特性。

3 盾構施工現場安全適應性分析的計算實驗應用

3.1 盾構施工現場安全系統分析

目前，盾構施工方法廣泛應用于地鐵隧道的建設當中，以解決城市的交通擁堵問題。盾構施工作為重大工程基礎設施建設的一部分，是一個以人主導，由盾構施工人員、盾構施工技術系統和盾構施工環境3類要素構成的復合系統。盾構施工現場的構成如圖6所示。

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

（2）盾構技術系統包含子系統和技術參數眾多，各子系統有各自的演化機理。同時，技術參數之間耦合性較高，導致盾構技術系統的故障也表現出復雜的耦合性。

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

3.2 盾構施工現場安全適應性分析計算實驗系統

為分析盾構施工現場人的不安全行為、技術系統和環境的不安全狀態對盾構施工安全事故的影響作用，揭示安全事故產生機理，根據盾構施工現場的特點，采用JADE[36]作為計算實驗運行支撐平臺，構建了分布式的盾構施工現場安全適應性分析計算實驗系統，如圖7所示。系統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施工現場多Agent系統4個部分構成。

圖6 盾構施工現場安全系統構成分析

基于盾構施工安全適應性分析計算實驗系統，可以設計實驗研究不同人員類型、環境類型、盾構技術系統選型和盾構施工方案的安全適應性。具體的實驗設計內容如表2所示。

表2 盾構施工現場安全適應性分析計算實驗設計

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、性格和經驗等），其在執行操作任務時的行為表現會有所不同，進而對盾構施工安全產生不同影響。為了分析不同類型操作人員對盾構施工安全的影響，案例以盾構技術系統的刀盤結餅事故為施工情景，設計了3 組實驗，分別研究操作人員的性格、經驗和年齡差異對盾構施工安全的影響，如表3所示。該情景模擬土壓平衡盾構機在粘土地層中的掘進過程（相應參數如表4、5所示），并在掘進過程設置"土倉壓力偏大"的盾構技術系統異常狀態。計算實驗可根據刀盤結餅的概率變化，分析不同操作人員類型對刀盤結餅事故的影響程度，實驗結果如圖8所示。

圖7 盾構施工現場安全適應性分析計算實驗系統總體結構

表3 操作人員個體特征屬性的實驗設計

表4 盾構技術系統主要技術參數的實驗設計

表5 環境主要土體參數的實驗設計

實驗結果表明，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、相應的操作）和處置力度（參數調整量）存在不同，導致刀盤結餅概率變化存在差異。具體表現為：

（1）當盾構技術系統運行出現異常時，操作人員的異常處置能力與其性格和經驗有關，而與其年齡的相關性較弱。具體而言，內向的操作人員在其經驗欠缺時，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生后的處置方式較為積極，往往能較早做出響應；同時，異常處置能力與操作人員的經驗呈正相關，當不同的操作人員均具有3年以上的工作經驗時，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）當盾構技術系統運行處于正常狀態時，不同類型的操作人員維持盾構技術系統運行安全的能力基本無差別。

4 結 語

圖8 盾構操作人員個體差異對刀盤結餅事故的影響作用

重大工程施工現場的復雜特性為安全管理帶來了新的要求，本文提出施工現場安全適應性分析方法，充分考慮重大工程施工現場整體行為演化規律、施工現場安全事故的涌現性與小概率特性，以安全適應性的角度分析施工現場安全。結合計算實驗的情景建模思路和MAS理論，考慮人與技術系統和環境的復雜交互關系構建現場安全系統模型，并基于計算實驗涌現出施工現場安全事故。最后，以盾構施工現場為實例進行計算實驗應用實現和計算實驗設計。基于計算實驗的施工現場安全適應性分析方法的提出，能夠為施工現場安全管理提供更有針對性、安全適應性更強的決策建議，形成重大工程施工現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施工現場安全適應性分析的可行性問題。后續研究將首先對施工現場安全適應性分析的計算實驗系統的有效性進行驗證；同時，在計算實驗結果分析方面，探索計算實驗結果分析處理方法，如數據挖掘方法等，并建立科學的施工現場安全適應性評價指標體系；最后，利用計算實驗結果，基于計算實驗平臺，在安全檢查、安全培訓、安全技術交底等方面做進一步的功能實現。