熵權和DEMATEL耦合的塔機操作安全人因影響因素分析

王春燕，危 寧

(1.三峽大學科技學院，湖北宜昌43002；2.湖北特種設備檢驗檢測研究院宜昌分院，湖北宜昌443002)

0 引 言

塔機作為建筑業常用起重設備，操作專業性強，危險性大，塔機安全事故時有發生[1]。據統計，人因操作失誤是塔機安全事故的主要誘因。

目前，國內外學者圍繞塔機的安全事故的成因開展了一定的研究。楊悅等在塔式起重機剛柔耦合動力學模型研究中應用Maple數學軟件建立了動力學模型[1]；劉曉光等采用系統結構可靠性分析，應用數值算例，比較在不同載荷組合下各工況的主要失效模式[2]；陳述等在三峽升船機貝雷架吊裝作業的風險認知研究中，應用模糊檢測提出塔機駕駛作業人員風險認知能力檢測模型[3]；郝麗娜等在多塔機智能安全監控系統的研究與實現中將防碰撞算法應用于塔機安全監控系統中[4]；張青春等依據建設工程塔吊安全監測的現狀，將專用WSN節點應用于設計，結合ZigBee技術于塔吊安全監測預警系統，實現壓力、位移和距離監測功能[5]；宋雙雙等建立社會分析評價指標權重體系時，綜合個人因素、環境因素、管理因素，應用DEMATE方法建立模型[6]；王宏偉等針對現有塔機安全監測存在的抗干擾能力差、實時性不足等問題，提出一種基于聲發射的塔吊安全檢測方法[7]；倪麗莎等采用VC嵌入OPENGL技術，研究面向施工現場的塔式起重機安全監管信息系統[8]；王春雪等研究了情緒對建筑工人故意違章行為的影響，設計情緒對故意違章行為影響實驗，分析不同情緒狀態下建筑工人的故意違章行為風險傾向[9]；張國寶等在鐵路行車人因事故關鍵因素實證分析中，綜合運用信息熵和DEMATEL法，依據人員認知行為理論和人因失誤SRK模型構建鐵路行車人因事故認知行為模型[10]。

以上研究成果為塔機安全事故成因分析奠定了一定的基礎，但對安全事故的成因研究還主要集中在對策分析、技術展望、指標構建、方法融合的初步階段，研究成果也大多集中在對塔機操作安全檢測，對于深入分析安全事故的關鍵影響因素和建立客觀的評價指標體系方面，傳統的分析方法還并不能完全適用。一是在塔機操作安全事故人因分析與評價時研究影響因素的較多，而系統深入地分析其中關鍵因素的較少；二是在進行鐵路人因事故評價時，評價指標過多依賴于主觀分析，在因果關系分析時忽略了因變量之間的相互作用。

表1 塔機安全操作影響因素綜合指標體系

鑒于此，筆者運用信息熵和DEMATEL耦合的方法建立關鍵因素影響識別模型，結合相關數據做實證分析，以期對塔吊安全事故的成因進行分析，確定塔機操作安全事故人因關鍵因素模型、有助于判別人因事故成因的可靠性，降低安全事故的發生率。

1 建立塔機安全操作人因影響因素指標體系

塔機安全施工的發生原因分析中，人因因素的分析一直是重點，而剖析哪些因素會對人的行為產生影響尤為關鍵。按照認知行為理論，人的行為是一個不同過程和階段的動態分析和處理的認知心理過程，在認知過程中的任一環節產生失誤，如果未及時地處理和應對，最終都會導致人的行為出現偏差[11]。

塔機安全操作的認知行為可分為信息感知、信息分析、信息決策和信息執行四個階段，信息感知和信息執行屬于技能型層次的認知行為，信息分析和信息決策屬于規則型及知識型等層次的認知行為[12]。塔機作業作為專業性較強的特種作業，以操作的駕駛員為主導，與地面操作人員相互配合，通過操作系統來完成相應的任務，其中，操作個體、塔機設備、操作任務、工作環境、操作組織等相互影響，導致塔機安全事故人因影響系統有可能受某一具體因素影響，也有可能是多因素綜合作用的結果[13]。

據此，本文依據認知行為，并綜合運用安全行為學、系統工程等相關理論，通過大量塔機作業安全事故的案例統計分析，針對建設工程塔機作業特點，綜合應用認知行為理論、人因工程的理論，遵循評價的系統性、科學性等原則，建立的指標體系如表1所示。

2 基于熵權和DEMATEL的塔機安全操作人因影響因素分析模型

塔機操作安全的誘發因素既有可能受某一具體因素影響，也有可能是多因素綜合影響的結果。本文將熵權法和DEMATEL兩種主觀和客觀方法結合，提出一種基于信息熵和DEMATEL耦合的關鍵影響因素識別建模方法，量化因素間的間接關系，使組合權重值更加客觀有效。

2.1 信息熵計算因素權重

(1)單因素影響指標評價。首先要求有工作經驗的專家進行獨立打分，假定各個因素對安全的影響程度為1～5的范圍，分別代表“沒有影響”到“很大影響”，得到單指標評價矩陣M。

(2)矩陣標準化

(1)

式中，xij為安全影響事故影響因素的標準化值；Pij為第j項第i年份指標值的比重；m為待評方案個數。

(3)求指標信息熵

(2)

式中，K為常數，K=1/ln(m)；Ej為塔機安全事故影響因素的信息效用。

(4)求指標權重

(3)

式中，Wj為第j項塔機操作安全事故影響因素指標的權重；dj為1-Ej。

2.2 DEMATEL計算綜合影響關系

(1)建立直接影響矩陣A。建立塔機施工過程中人因事故影響因素間的直接影響關系矩陣，每一個打分者都會得到一個直接影響矩陣，計算所有相同因素的均值求得平均矩陣A。假設0，1，2，3，4分別代表“無直接影響關系”“關系較弱”“關系一般”“關系很強”“關系極強”。由檢驗專家對各影響因素兩兩比較，判斷要素的直接影響程度，確定各因素間的作用關系，建立直接影響矩陣。

(2)求標準化矩陣X。依據公式(4)，規范化直接矩陣A可得

(4)

式中，aij為矩陣A第i個方案第j個指標的數值；n為評價指標的個數。

(3)求綜合影響矩陣T。求得標準化矩陣X后，可得到綜合影響矩陣

T=X(I-X)-1

(5)

式中，I為單位矩陣。

(4)求中心度和原因度。計算第i個塔機安全事故影響因素的影響度fi和第j個塔機安全事故影響因素的被影響度ej。

(6)

(7)

由fi+ej可得因素i在系統評價中的重要性排序。fi-ej為系統評價中該因素與其他因素的因果關系，若為正，則為原因因素，對其他因素產生影響；若為負，則為結果因素。mi=(fi+ej)和ni=(fi-ej)分別稱為中心度和原因度。

2.3 綜合信息熵和DEMATEL求組合權重

依據信息熵求得的熵權排序、DEMATEL獲得的中心度和原因度，綜合兩者，用加權乘法求組合權重

(8)

3 案例應用

3.1 實證分析

通過實際調研，特邀宜昌市特種設備檢驗所的5位有10年以上工作經驗的檢驗師和5位有5年以上工作的檢驗員進行獨立打分，專家根據每個因素的影響程度進行賦值，獲得如下一個10×12的評價矩陣。

(1)通過式(1)和式(2)計算指標熵值，得到(0.989 49，0.998 17，0.990 20，1.005 93，0.997 96，1.004 55，1.006 01，0.999 20，0.989 99，0.990 85，0.998 32，0.977 44)。

(2)由式(3)獲得各指標的最終熵權為(0.083 497，0.083 396，0.083 441，0.083 637，0.083 507，0.083 566，0.083 58，0.083 47，0.083 47，0.083 257，0.083 51，0.081 701)。

(3)同時，要求宜昌市特種設備檢驗所的10位檢驗專家根據各個指標間的相互影響程度進行賦值，獲得平均矩陣，即

表2 中心度和原因度

(4)確定各因素之間的直接影響關系。根據10位特檢人員的專家的討論結果，判斷因素的有向關系圖。其中無=0，弱=1，中=2，強=3，極強=4。A=(aij)n*n，其中，aij表示Fi因素對Fj因素的影響程度，aij=0，1，2，3或4，依據式(4)把直接矩陣A規范化得X。

(5)計算綜合影響矩陣T。通過式(5)應用EXCEL的矩陣計算函數，求得因素間的總影響關系矩陣T。

(6)根據總影響關系矩陣T，依據式(6)和式(7)計算中心度和原因度，計算結果見表2。

(7)由于DEMATEL考慮指標間的影響程度，中心度表示指標在系統中的重要程度，所以通過式(8)用中心度的修正式所得的最終熵權值，求得最終組合權重見表3。

3.2 分析結果

由表2、3可知：

(1)12個安全致因中，設備本體的組合權重最大，這意味著設備本體的情況，塔機的新舊程度、使

表3 熵權及組合權重

用年限、金屬結構、安全保護裝備是否齊全、有效在整個影響關系中至關重要，同時它很容易受到其他影響因素的間接影響，這也符合現實的操作情況。專業經驗顯示，操作人員是否符合規程、操作環境好壞對設備本體都有很大的影響。

(2)因素塔機設備的基礎狀況的相對重要程度在設備本體之下，基礎狀況f+e值排第二，它的f-e也為負值，這表示基礎狀況這個因素受其他因素的影響，當塔機設備基礎狀況不佳時，就更容易影響塔機操作的安全。

(3)使用作業是否符合規章制度在表中排第3位，使用作業的f-e為負值，說明與塔機設備的基礎狀況一樣為結果因素，很容易受到其他安全致因的影響。使用作業如果不符合安全規范，產生安全事故的概率會急劇上升。

(4)塔機安裝作業是否符合規章制度和作業人員資格經驗的影響僅次于使用作業是否符合規章制度。f+e的值在平均值之上，f-e為正值，這說明安裝作業規范性和安裝人員的經驗直接影響著其他安全致因，屬于原因要素，安全管理應予以高度重視，做出合理的管理。

4 結 論

本文綜合認知行為理論和人因工程理論，構建塔機安全操作人因影響因素模型，綜合應用信息熵和DEMATEL法，針對塔機操作人因事故中的信息感知、信息分析、信息決策和信息執行4個階段的影響因素做分析。分析結果表明，設備本體、基礎狀況、使用作業是否符合規章制度，安裝作業是否符合規章制度，安裝作業人員的資格和經驗是造成塔機安全事故的主要原因。

(1)在信息感知、信息分析、計劃與決策、執行過程四個階段中，塔機操作安全事故既受某一因素所影響，又受各影響因素相互作用的影響。通過信息熵賦予影響因素指標權重，采用DEMATEL 修正熵權值，更有效客觀地分析塔機操作安全事故的關鍵影響因素，為塔機的安全操作提供安全預警和防范機制。

(2)從信息感知、信息分析、計劃與決策、執行過程等層面的12個影響因素出發，應用信息熵和DEMATEL，通過對湖北省宜昌市塔機作業安全事故的案例統計分析，表明設備本體情況、塔機設備的基礎狀況、使用作業是否符合規章制度塔機安裝作業的操作是安全事故的關鍵的人因影響因素。

(3)利用分析結論，塔機操作和安全管理人員可以對現場塔機的安全操作情況進行評估跟進，為減少塔機安全事故的形成和現場安全管理防范提供有效可靠的理論依據。