基于SD-MOP模型的建筑施工安全事故預(yù)測研究

馬曉龍

(首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 管理工程學(xué)院,北京,100070)

0 引言

建筑行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)，提升建筑施工質(zhì)量及預(yù)防其安全事故，對國民經(jīng)濟(jì)具有十分重要的意義。當(dāng)前，傳統(tǒng)施工事故預(yù)測方法通常是采用人為判斷的方式完成。在實(shí)際應(yīng)用中存在主觀因素占比較大、預(yù)測結(jié)果易受周圍因素影響、預(yù)測結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。多目標(biāo)規(guī)劃模型(Multi-objective Programming，MOP)能夠較好地協(xié)調(diào)利益相互競爭的多種目標(biāo)，雖然優(yōu)化算法具有可靠的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和簡便的軟件實(shí)現(xiàn)，但對日益變化的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境、政策不能得到即時(shí)的反應(yīng)，也不利于城市建設(shè)用地供應(yīng)中長期規(guī)劃的制定。因此，本文結(jié)合SD-MOP模型開展對建筑施工安全事故預(yù)測研究。SD-MOP模型是將SD模型與MOP模型整合的一種全新的預(yù)測模型。能夠更加清晰地將關(guān)系結(jié)構(gòu)復(fù)雜的影響因素清晰展現(xiàn)，并針對各類因素進(jìn)行長期變化趨勢的預(yù)測。

1 建筑施工安全事故“4M”因素

為將被動(dòng)安全事故管理模式調(diào)整為事故前預(yù)防模式，本文在對預(yù)測方法進(jìn)行設(shè)計(jì)前，對建筑施工安全事故的發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究。根據(jù)施工事故致因理論，得出影響施工安全的“4M”因素。“4M”因素主要包括：人為因素、物的因素、管理因素以及環(huán)境因素。將“4M”因素引入到本文下述模型當(dāng)中，為預(yù)測方法提供依據(jù)。下面對“4M”因素進(jìn)行詳細(xì)的分析說明。

1.1 人為因素

人為因素是影響建筑施工安全事故的關(guān)鍵因素，由人為因素導(dǎo)致的安全事故，通常伴隨著人員的傷亡。因此人為因素既是導(dǎo)致事故發(fā)生的誘導(dǎo)因素，又是事故發(fā)生中被傷害的對象之一。在建筑施工當(dāng)中，產(chǎn)生安全事故的人為因素主要包括：施工人員技術(shù)水平、施工人員是否存在無證上崗情況、施工人員安全素質(zhì)、管理人員安全素質(zhì)以及施工人員接受安全技術(shù)交底的情況。人為因素在很大程度上可以通過相關(guān)措施避免，因此更容易受到社會(huì)各界的高度關(guān)注。

1.2 物的因素

物的因素是指建筑施工過程中使用的設(shè)備因素和材料因素。在建筑施工的安裝、運(yùn)輸和裝配等環(huán)節(jié)中都離不開機(jī)械設(shè)備的使用，其安全狀態(tài)直接影響著建筑施工的安全狀態(tài)。物的因素主要包括：施工設(shè)備自身危險(xiǎn)程度、施工現(xiàn)場安全物資良好程度、施工材料質(zhì)量及保管情況、機(jī)械設(shè)備的性能以及安全防護(hù)情況、危險(xiǎn)品種類及數(shù)量、特種作業(yè)設(shè)備性能。在長期高強(qiáng)度的建筑施工過程中，對設(shè)備及材料等進(jìn)行有效管理，能夠降低安全事故的發(fā)生概率。

1.3 管理因素

當(dāng)前建筑施工中相應(yīng)的安全管理體系仍然不夠健全，雖然有關(guān)部門已經(jīng)出臺了一系列安全管理的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，但其從提出到落實(shí)需要很長時(shí)間。建筑施工安全事故中管理因素主要包括：是否在施工前進(jìn)行安全生產(chǎn)教育、安全管理項(xiàng)目占整體施工項(xiàng)目的投入比例、安全監(jiān)管力度、安全管理基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、是否建立安全管理相關(guān)機(jī)構(gòu)、管理人員監(jiān)管能力。

1.4 環(huán)境因素

導(dǎo)致建筑施工發(fā)生安全事故的環(huán)境因素，是4種影響因素中唯一一種不可控因素。不同施工環(huán)境下，施工條件相差較大，發(fā)生的安全事故問題也常常存在較大差異。影響建筑施工安全的環(huán)境因素根據(jù)具體情況，可細(xì)化為物理環(huán)境因素和自然環(huán)境因素。其中，自然環(huán)境因素是指施工時(shí)氣候因素、工程地質(zhì)環(huán)境因素以及施工周邊環(huán)境因素。物理環(huán)境因素主要是指施工場地布局是否合理、施工現(xiàn)場治安情況、生活衛(wèi)生綜合治理情況。由于自然環(huán)境因素?zé)o法實(shí)際量化，且極易發(fā)生改變，因此，本文在對建筑施工安全事故預(yù)測方法進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮環(huán)境因素中的物理環(huán)境因素，對自然環(huán)境因素不進(jìn)行過多考慮。

2 基于SD-MOP模型的施工事故預(yù)測方法設(shè)計(jì)

2.1 建筑施工安全事故預(yù)測目標(biāo)函數(shù)及約束條件

本文對建筑施工安全事故影響因素進(jìn)行分析，明確各因素之間的作用機(jī)理，確定建筑施工安全事故預(yù)測目標(biāo)函數(shù)及約束條件。施工安全事故的預(yù)測既要滿足安全方面的基本要求，也要從施工進(jìn)度及成本方向綜合考慮，最大程度降低安全事故對施工進(jìn)度以及事故支出費(fèi)用的影響，從而保證項(xiàng)目的順利進(jìn)行。因此，建筑施工安全事故預(yù)測目標(biāo)函數(shù)應(yīng)當(dāng)綜合考慮安全、進(jìn)度和成本3個(gè)方面。對于承包單位，建筑施工安全事故預(yù)測是將有限的資源投入到更能夠有效解決現(xiàn)場可能存在的安全事故當(dāng)中，從而保障施工項(xiàng)目的安全順利完成。因此，將上述3類目標(biāo)綜合考慮，得出目標(biāo)函數(shù)min

y

(

s

)為：min

y

(

s

)=(

y

(

s

),

y

(

s

),

y

(

s

))

(1)

式中：

y

(

s

)—安全事故潛在的以往人數(shù)與關(guān)鍵安全因素線性關(guān)系式；

y

(

s

)—施工項(xiàng)目無效工期與關(guān)鍵安全投入因素的線性關(guān)系式；

y

(

s

)—施工項(xiàng)目額外支出與關(guān)鍵安全投入因素的線性關(guān)系式。

在明確預(yù)測目標(biāo)函數(shù)后，還需要對函數(shù)設(shè)定一個(gè)約束條件，只有在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，才能通過SD-MOP模型得到最優(yōu)預(yù)測結(jié)果。將“4M”因素放在SD-MOP預(yù)測模型當(dāng)中對模型統(tǒng)一考慮，各類因素的比例之和計(jì)算公式如下：

(2)

式中：

s

—第

i

種關(guān)鍵安全投入因素，

i

=1,2,3，…，

n

；

s

—第

j

種非關(guān)鍵安全投入因素，

j

=1,2,3，…，

m

；

n

—關(guān)鍵安全投入因素總數(shù)；

m

—非關(guān)鍵安全投入因素總數(shù)。在計(jì)算過程中，各類安全事故的發(fā)生概率應(yīng)當(dāng)在預(yù)測趨勢范圍內(nèi)，并且各類關(guān)鍵安全因素的投入比例應(yīng)當(dāng)介于0～1之間，因此

s

的范圍為[0,1]。后續(xù)利用SD-MOP模型對建筑施工安全事故進(jìn)行預(yù)測時(shí)，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照上述目標(biāo)函數(shù)及約束條件進(jìn)行，從而保障預(yù)測結(jié)果的合理性。

2.2 基于SD-MOP模型確定目標(biāo)優(yōu)先級

由于在構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)時(shí)，本文選擇3種不同目標(biāo)，在對實(shí)際預(yù)測問題進(jìn)行求解時(shí)，還需要考慮3種目標(biāo)的優(yōu)先級順序。利用層次分析方法對3種不同目標(biāo)進(jìn)行有效性分析，并結(jié)合建筑施工領(lǐng)域中的專家經(jīng)驗(yàn)，確定3個(gè)目標(biāo)的優(yōu)先級。首先以調(diào)查的形式，對建筑施工領(lǐng)域的專家或經(jīng)驗(yàn)豐富的施工人員及有關(guān)部門進(jìn)行調(diào)查。其次，根據(jù)調(diào)查結(jié)果構(gòu)建評價(jià)矩陣，并計(jì)算出最大特征值。最后，對計(jì)算結(jié)果的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，并得出不同目標(biāo)函數(shù)對應(yīng)優(yōu)先級權(quán)重。表1為目標(biāo)重要性數(shù)值及對應(yīng)含義。

表1 目標(biāo)重要性數(shù)值及對應(yīng)含義Tab.1 Target importance values and corresponding meanings

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同建筑施工的特點(diǎn)，目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)先級順序會(huì)發(fā)生改變，因此需要根據(jù)具體問題進(jìn)行具體分析，根據(jù)上述方式確定目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)先級順序，從而使預(yù)測結(jié)果更加合理。

2.3 建筑施工安全事故發(fā)生概率

建筑施工中存在的安全事故主要包括：高空墜落事故、物體撞擊事故、坍塌事故、起重傷害事故、機(jī)械設(shè)備傷害事故、觸電事故、火災(zāi)事故以及車輛傷害事故。根據(jù)建筑施工歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合專家意見設(shè)置SD-MOP模型的參數(shù)變量，從而預(yù)測建筑施工安全事故發(fā)生概率：

(3)

式中：

Py

(

s

)—建筑施工安全事故發(fā)生概率；

δ

—上述多種安全事故對事故潛在死亡人數(shù)的影響系數(shù)，經(jīng)過無量綱處理后

δ

=(0.15、0.20、0.22、0.31、0.05、0.02、0.04、0.02)。

根據(jù)公式(3)預(yù)測出不同建筑施工安全事故的發(fā)生概率。

3 對比實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

以某建筑施工項(xiàng)目作為試點(diǎn)，該建筑施工項(xiàng)目整體面積共8.5萬平方米，由4棟主體為裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的住宅樓組成，主體施工工期為150天。結(jié)合建筑施工特點(diǎn)，對主體施工中的100天進(jìn)行持續(xù)記錄，并將實(shí)際發(fā)生的安全事故發(fā)生概率結(jié)果作為歷史數(shù)值。分別利用本文提出的預(yù)測方法與傳統(tǒng)預(yù)測方法得出預(yù)測數(shù)值。通過計(jì)算施工主體在100天內(nèi)的事故發(fā)生概率與預(yù)測結(jié)果的相對誤差，得出本文預(yù)測方法的有效性。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)條件，完成對比實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，見表2。

表2中，

A

、

B

、

C

分別表示在建筑施工中容易發(fā)生的物體打擊事故、機(jī)械傷害事故和觸電事故。由表2可以看出，通過本文預(yù)測方法得出的事故發(fā)生概率與傳統(tǒng)預(yù)測方法相比更接近歷史實(shí)際數(shù)值。并且，本文預(yù)測方法得出的預(yù)測結(jié)果滿足隨施工天數(shù)增加，事故發(fā)生概率越小的實(shí)際線性關(guān)系。而傳統(tǒng)預(yù)測方法在對第80天施工天數(shù)進(jìn)行預(yù)測時(shí)，出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)誤，最終預(yù)測結(jié)果存在較大偏差。因此，通過實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于SD-MOP模型的建筑施工安全事故預(yù)測方法與傳統(tǒng)預(yù)測方法相比，預(yù)測結(jié)果精準(zhǔn)度更高，并且在實(shí)際應(yīng)用中有效性更強(qiáng)。結(jié)合本文提出的預(yù)測方法可以對建筑施工中各類安全事故問題進(jìn)行預(yù)測，從而在事故發(fā)生前做出相應(yīng)的防護(hù)措施。

表2 安全事故發(fā)生概率實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比表Tab.2 Comparison of experimental results on accident probability

4 結(jié)論

(1)建立建筑施工安全事故SD-MOP預(yù)測模型，通過實(shí)證分析，驗(yàn)證了模型的有效性，為安全資源投入的合理優(yōu)化配置提供參考。

(2)建筑施工安全事故不僅局限于安全、進(jìn)度、成本等，如要分析與質(zhì)量等其他目標(biāo)間的耦合效應(yīng)，則需延伸研究系統(tǒng)要素間的作用機(jī)制，從而對模型進(jìn)一步優(yōu)化，這將是本研究的延伸方向。

(3)本文在設(shè)計(jì)過程中僅選取了部分具有代表性的影響因素，而在實(shí)際建筑施工過程中影響安全施工的因素更多、更細(xì)，因此本文預(yù)測結(jié)果精細(xì)度不夠。但隨著建筑施工安全管理的不斷完善，以及后續(xù)的研究，將會(huì)對影響施工安全的因素細(xì)化，對預(yù)測方法進(jìn)一步優(yōu)化，從而提高預(yù)測結(jié)果的精度。