基于動態元網絡的地鐵施工安全事故致因分析*

吳賢國，馮宗寶，王洪濤，張立茂，陳虹宇

(1.華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074；2.中建三局基礎設施工程有限公司,湖北 武漢 430074；3.南洋理工大學 土木工程與環境學院，新加坡 639798)

0 引言

在我國經濟快速發展、城市化進程不斷加深的背景下，各個城市在大力建設地下交通的過程中，有時會發生一些施工安全事故。據不完全統計，2001—2007年，我國一共發生了20多起地鐵施工重大安全事故[1]。因此尋找行之有效的方法來避免或者減少地鐵施工安全事故的發生十分重要[2]。牛豐等[3]從系統論的角度出發，運用STAMP模型對地鐵施工事故進行分析，具有高度的契合性和合理性；馮利軍[4]在對建筑安全事故成因分析的基礎上，提出了建筑安全事故的成因分析模型ARCTM；楊遠程[1]運用改進的ARCTM模型對地鐵施工安全事故致因進行分析，將施工環境考慮進去，符合現代安全管理的系統思想。

動態元網絡模型考慮了人、行為、事件、組織等多元因素的結合，有的學者將動態元網絡模型應用在某些領域并取得了一定成果。張兵等[5]基于動態元網絡理論構建了工程腐敗網絡模型，強調基于多元關系探討腐敗網絡，這為腐敗研究提供了新的視角和思路；劉瀟[6]從微觀企業角度提出了國際貿易網絡的復雜動態元網絡模型框架，為國際貿易網絡的研究提供了新模型；趙良杰等[7]用計算機仿真和統計回歸分析相結合的方法，從動態網絡視角深入考察了技術互依性和組織雙元能力對聯盟創新績效的影響。然而國內目前對動態元網絡模型在隧道施工行業的運用鮮有研究，而地鐵事故的發生是由多種因素作用的結果，因此，運用動態元網絡模型對地鐵建設項目事故進行致因分析具有較大的研究價值。

動態元網絡是復雜網絡的一種，但它又區別于最開始的復雜網絡。動態元網絡充分地將元網絡模型的建模技術、多智能體的建模技術和機器學習等多種方法結合起來，從而建立了動態元網絡分析理論。本文利用動態元網絡的分析方法，將其與地鐵施工安全事故致因理論結合起來，研究地鐵施工安全事故的致因，對導致地鐵施工事故的相關因素進行模擬分析，建立地鐵施工安全事故致因的動態元網絡，找出其內在的聯系，通過相關的分析，選擇合適的打擊策略，進而找出能夠有效減少地鐵施工安全事故的途徑。最后以杭州地鐵一號線的地鐵施工安全事故為實例，建立此工程的地鐵施工安全事故網絡，采用相應的打擊策略，對其進行分析并得出結論。

1 動態元網絡模型及其打擊策略分析

1.1 動態元網絡模型

Carley等[8-10]首次提出元網絡分析模型，并提出了社會技術系統的概念。社會技術系統(social-technical system)是由各個實體組成的，如智能體(agent)，即人員、知識(knowledge)、資源(resources)和組織(organization)等。2000年，Krackhardt和Carley教授共同提出了PCANS模型，此模型包含了人員(agent)、任務(task)和資源(resources)3個節點類型，并確立其之間的5種組合關系，分別是：任務的優先關系，資源的配置關系、任務的分配關系、技能鏈接關系以及人員之間組成的網絡關系。隨后，在2002年，Carley教授將PCANS模型與知識管理、運籌學和社會網絡分析模型相結合，創立了新的模型，即元矩陣模型。1個組織系統主要是由多個要素以及多個要素之間構成的網絡所組成的超矩陣，以人員、知識、任務和組織作為要素，進而確定網絡關系，就可以得到1個元網絡或者元矩陣，如表1所列。

表1 元網絡/元矩陣Table 1 Meta-network/meta-matrix

近年來，以Carley 教授為代表的學者在元網絡的基礎上，提出了動態網絡分析 DNA(Dynamic Network Analysis)這種創新性分析方法。動態網絡分析與傳統的單矩陣或單時點快照的靜態網絡建模方法不同，以元網絡模型為核心和基礎，將復雜系統表述為時間序列元網絡，將控制復雜系統演化的因素同多智能體系統方法結合起來對網絡結構動力學進行分析。動態元網絡的結構是1個類似于“樹狀”的層次結構，即動態元網絡由多個元網絡組成，而每個元網絡又由多個節點和多個網絡組成。節點都具有節點類型，由此確定的網絡有2種：1-模矩陣和2-模矩陣。1-模矩陣是指由相同節點類型構成的網絡，如表1中的社會網絡、信息網絡和任務流網絡等；2-模矩陣是指由不同節點類型所構成的二元關系網絡，如表1中的指派網絡、需求網絡和組織能力網絡等。

1.2 動態元網絡的打擊策略分析

復雜網絡理論與傳統社會網絡理論不同，它認為引起復雜網絡結構變化的原因主要是動態地增加節點、刪除節點、增加連接線、刪除連接線等。盡管復雜網絡理論相較于傳統社會網絡理論已經有了一些進步，但是傳統的社會網絡理論和復雜網絡理論都存在著一定的缺陷，因此Carley教授于2003年首次提出Dynamic network analysis一詞，并指出，動態元網絡與復雜網絡的生成機制一點也不相同，動態元網絡充分地將元網絡模型的建模技術、多智能體的建模技術和機器學習等多種方法結合了起來，從而建立了動態元網絡分析理論。

在構建好了動態元網絡模型之后，可以選取參考指標來對節點進行打擊分析找出重點控制對象。在動態元網絡中有很多參考指標，本文選擇權威中心度、總度中心度和緊密中心度3種參考指標。在動態元網絡的打擊策略中，主要分為隨機打擊和重點打擊2種方式[11-12]。隨機打擊即對需要打擊的點隨機進行打擊，沒有特定的打擊順序或者打擊方式，隨機生成一組打擊序列然后對其進行打擊，最后得到打擊效果圖。重點打擊又分為2類，即對點的打擊策略和對邊的打擊策略[13-14]。對點的一般性打擊策略如下，將人員節點、組織節點和行為節點按照一定的評價標準進行排序，確定打擊序列，依次進行刪除(或替換)處理，分析此時事故網絡的連接線數量，借此分析不同的打擊策略下的打擊效果，并對其進行對比分析和評價。

本文將采取隨機打擊和重點打擊的打擊策略，隨機生成多組打擊序列，以網絡圖中連接線的數量為評價標準得到打擊效果圖。重點打擊將涉及到的節點按照權威中心度、總度中心度和緊密中心度為參考指標，確定打擊節點的序列，并以打擊后的地鐵施工安全事故網絡圖的連接線的數量作為打擊效果的評價標準，以此來分析不同的打擊策略下的打擊效果，并對其進行對比、分析和評價。

2 地鐵施工安全事故動態元網絡模型的構建

2.1 地鐵施工安全事故微觀要素

近幾十年來，科學界不同領域的學者從不同研究角度對事故發生和運行的機制進行了探索和研究，也因此誕生了各種各樣的事故致因理論[15]。其中部分理論比較偏重客觀性，因此為了充分發揮人的主觀能動性，從而避免事故的發生，本文將對地鐵施工過程中可能存在的危險源與人的主觀能動性進行關聯分析。地鐵施工中涉及到的行為人、機械器具、施工材料、施工環境、管理失誤都是安全事故發生的危險源，且都與人的主觀能動性有很大關聯。所以依據上述分析，本文確定地鐵施工安全事故網絡微觀要素為：人員、行為、事件和組織4類節點，各類節點的英文表示和具體含義如表2所列。

2.2 地鐵施工安全事故網絡模型的構建

通過上一節對地鐵施工安全事故微觀要素的分析，可以得到地鐵施工安全事故元網絡模型框架，如表3所列。其中，可以知道節點與節點之間的關系，例如A-B網絡圖中是以人員和行為為節點、人員的行為為邊，建立由人員和行為節點組成的2-模網絡，其形為：GAB=(A，B，EA-B)。其中A為人員集合；B為行為集合；EA-B代表邊集合。因此可以得到地鐵施工安全事故二元關系網絡模型表示(見表4)。

表2 地鐵施工安全事故網絡微觀要素Table 2 Microscopic elements of subway construction safety accident network

3 實例分析

3.1 案例背景

2008年11月15日15時20分，位于浙江省杭州市蕭山風情大道的地鐵一號線施工工地發生基坑坍塌事故，路面坍塌的長度為75 m，下陷15 m，造成了大量人員傷亡和經濟損失。圖1為現場事故圖。根據此次事故的調查報告顯示，引起這場地鐵施工事故的直接原因是施工過程不規范、現場施工人員嚴重缺乏相關工作經驗和理論儲備、以及業主和相關工作人員對縮短工期的操之過急。本文以此次工程事故為例，建立以人員、行為、事件和組織為節點的節點體系，構建事故致因的動態元網絡模型，采取對點的打擊策略來找出此次事故的最大致因，以便在今后的地鐵施工中進行改進。

3.2 杭州地鐵一號線施工安全事故網絡模型的構建

根據地鐵施工安全事故元網絡模型框架、杭州地鐵一號線的施工事故背景、以及杭州地鐵一號線事故處理報告，將涉及到的人員、行為、事件、組織全都考慮進去，可以確定杭州地鐵一號線安全事故網絡節點代碼及其具體信息，如表5所列。

表3 地鐵施工安全事故元網絡模型框架Table 3 Meta-network model framework subway construction safety accident

表4 地鐵施工安全事故二元關系網絡模型表示Table 4 Representation of binary relationship network model for subway construction safety accident

圖1 杭州市地鐵一號線工程湘湖站工段事故現場Fig.1 Accident scene of the section of Xianghu Station in Hangzhou Metro Line 1 Project

要素要素內容與代碼人員人員按A01～A20編號行為B01:培訓不規范、B02:違規施工、B03:施工監測不力、B04:未采取有效補救措施、B05:監督不盡力事件E01:湘湖站工地北2基坑發生坍塌、E02:造成21人死亡、1人重傷、3人輕傷、E03:直接經濟損失4 900余萬元組織組織按O01～O06編號

根據表5內容，深度分析其中各個要素之間的關系，可以分別得到AA，AB，AE，AO，BB，BE，BO，EE，EO，OO共10種二元關系網絡。網絡關系見表6。

本文通過構建工程事故網絡矩陣，分析事故網絡的特征以及網絡打擊效果。在事故網絡的9種關系集中，如果要素之間存在關系，則將二者之間的關系設為“1”，否則為“0”，在此基礎上形成了事故網絡。通過對這9種二元關系網絡圖進行合成，得到杭州地鐵一號線施工事故網絡。所有節點之間的連接線的數量為277，具體如圖2所示。

圖2 杭州地鐵一號線施工事故安全網絡模型Fig.2 Construction accident safety network model of Hangzhou Metro Line 1

3.3 杭州地鐵一號線施工安全事故網絡的打擊策略分析

3.3.1 個體視角網絡打擊效果分析

該施工事故網絡是由人、行為、組織綜合的結果，每一個個體都是這個網絡的基本單元。事故關系網絡打擊就是瓦解行為人之間的關系網絡，從而降低和打壓事故網絡造成事故行為的能力，個體視角的事故網絡打擊就是通過持續打擊事故關系節點，擾動事故關系網絡，找出事故網絡的重要點，從而瓦解整個事故網絡。因此本節采取隨機打擊和重點打擊2種方式從個體視角對網絡進行打擊分析。首先隨機生成打擊序列:A04，B04，A17，A05，A12，O02，B02，B03，A20，A13，A01，A14，A18，O01，A16，A09，O06，A19，A07，B05，A10，O04，A11，A02，O05，O03，A08，A15，B01，A06，A03以及另外99組共100組隨機打擊序列，并取打擊后連接線的均值。對節點進行持續打擊得到隨機打擊效果圖，再以權威中心度、總度中心度以及緊密中心度為參考指標，對該案例的安全事故網絡中的節點進行重點打擊分析。以總度中心度為參考指標舉例，分別得到人員節點、行為節點和組織節點的總度中心度，可以得到人員、行為、組織3類所有節點的總度中心度的排序，如圖3所示。并依據總度中心度由高到低的次序對杭州地鐵一號線施工安全事故網絡進行打擊，對節點進行重點打擊，通過計算分析網絡的連接線的數量，最后可得隨機打擊和以3種中心度為指標的打擊效果對比圖(見圖4)。

表6 關系網絡總表Table 6 AE binary network

圖3 節點總度中心度排序Fig.3 Node total degree centrality ranking histogram

圖4 打擊效果對比Fig.4 Strike effect comparison chart

由圖4可知，隨機打擊和以權威中心度、緊密中心度為指標的重點打擊的差距并不很明顯，但是重點打擊中以總度中心度為參考指標的打擊效果最好，也明顯優于隨機打擊，可以得到節點的重要度排序如下：B05，O03，A08，A09，A10，A11，A12，A13，A14，A15，A16，O02，O01，B01，B02，A01，A02，A03，A04，A05，O04，O05，B03，B04，O06，A06，A07，A19，A20，A17，A18。通過動態元網絡模型構建了杭州地鐵一號線事故中所涉及到的人員、行為、組織31個節點，最后以總度中心度為參考指標，采取的重點打擊策略的效果最優，得到了節點的重要度排序，從排序中可以知道哪些節點對事件的發生的影響是最大的。因此在地鐵施工過程中，應該特別注意排在較前面的節點，對其進行連續打擊來減弱發生事故的聯系，直至整個網絡被瓦解，也就能有效阻止事故的發生，即通過對其進行有效的監督和管理，制定完善的體制、完備的預案等措施和手段，從而可以有效地減少或者避免地鐵施工安全事故的發生。

3.3.2 網絡打擊過程分析

事故網絡在打擊過程中，每個節點的重要度以及該節點與其他節點之間的聯系程度不同，因此為了展現整個網絡打擊的過程和每個節點與其他節點之間的聯系程度，本節以總度中心度的高低為順序，從最高總度中心度依次選擇打擊節點，直至徹底瓦解整個網絡。圖5是以總度中心度為指標的持續打擊的效果圖。最先打擊的是B05節點，節點之間連接線的數量從277減少到了258，但是在打擊過程中整個網絡并非隨著聯系最廣泛的行為被清除而瓦解，剩余節點之間的聯系依然緊密，隨著持續打擊的結果，節點之間的聯系開始減少，最后打擊至最后一個節點A18時，整個網絡隨之瓦解。

圖5 以總度中心度為指標的打擊過程Fig.5 Strike process with total centrality as an indicator

3.3.3 組織視角網絡打擊效果分析

安全事故的發生往往不是某個人或者某種行為作用的結果，而是某個組織或是多種行為共同作用的結果。組織因素是事故網絡中的重要因素，在事故網絡中行為人代表著不同的組織。因此在對事故網絡進行打擊時，應對組織層面的關系及聯系給予考慮和關注。本節從整體網絡出發，以總度中心度為指標，從組織視角對事故網絡進行打擊分析，可知在組織層面中O03和O02的影響范圍最廣，即分包單位的影響范圍最大；從個體視角來看，A08～A16影響范圍最廣，這9個個體都是組織O03的所屬人員，可見O03組織在此次事故中所起的作用是很大的，以總度中心度為指標的打擊效果見圖5，由圖可知，在網絡打擊中，持續打擊B05，O03以及其所屬人員A09～A16，整個網絡的關系數從277降低到了112，減少了將近60%，表明在此次地鐵施工安全事故網絡中，組織O03是需要著重控制的對象。

4 結論

1)將動態元網絡分析方法應用到施工事故安全領域，通過微觀要素分析，加入人的主觀能動性的概念，提出了人員、行為、事件和組織節點體系，在拓展了此方法的應用范圍的同時，也為研究地鐵施工安全事故提供了新的思路和角度。

2)對杭州地體一號線施工安全事故進行分析，結合事故調查報告，在建立地鐵施工安全事故致因節點體系的基礎上，確定了事故安全網絡中各個節點以及節點之間的相互關系，建立了杭州地鐵一號線施工安全事故網絡模型，并對網絡模型進行分析，通過打擊對比，以總度中心度為參考指標的打擊效果最優，分析論證了如何有效地打擊杭州地鐵施工安全事故網絡，即通過對節點的持續打擊，避免類似施工安全事故的再次發生。

3)以總度中心度為參考指標，將節點重要度進行排序，結果表明，有效的監督以及分包單位相關節點為重點控制節點，即為了有效避免或減少此類事故的發生，應當加強監督工作，并控制與監督工作相關的人員、組織的行為。