基于DEMATEL和ISM的支模腳手架高處墜落事故致災因素建模*

曾凡奎，王 婷

(西安工業大學 建筑工程學院，西安 710021)

支模腳手架高處作業因其作業難度大、所處環境復雜、危險源種類多等特點而成為施工現場事故多發點，特別是近年來我國投資建成了許多樓層高、跨度大、梁截面變化大的復雜建筑物，采用超常規高大支模腳手架體系的情況越來越多，進一步增強其事故發生的頻率，其中最具代表性的是高處墜落事故的發生[1].通過統計2014～2017年間發生的建筑工程高處墜落事故，得出因支模腳手架引發的高處墜落事故占總事故數的52.71%，占死亡數的46.81%.因此，分析并找出導致支模腳手架高處墜落事故的關鍵致災因素及因素間復雜的邏輯關系，由此針對性地采取預防措施，成為預防并減少支模腳手架高處墜落事故發生的重要環節.

對支模腳手架高處墜落事故致災因素的研究方法一直受到國內外學者的廣泛關注.國內學者王孫夢等[2]將層次分析法與灰色關聯理論相結合對致災因素進行分析；李艷慶等[3]提出采用模糊定量評估與安全評價理念對墜落事故進行定量分析；國外學者Pratama等[4]采用統計分析與可靠度模擬對引發高處墜落事故的直接及間接因素進行分析.這些研究方法均側重于從人、物、環、管角度尋找關鍵致災因素，而對致災因素間復雜的邏輯關系研究較少.本文以近三年內發生的支模腳手架高處墜落事故為依據，結合文獻分析與專家調查法構建支模腳手架高處墜落事故致災因素體系，并采用DEMATEL和ISM混合建模的方法對致災因素進行類型歸類、影響強度評判及內在聯系與層次結構的梳理，進而為針對性地制定防范措施與有效預防支模腳手架高處墜落事故的發生提供思路與管理手段.

1 高處墜落事故致災因素提取

本文通過對近三年國內發生的支模腳手架高處墜落事故致災因素進行統計分析，在刪除所調查事故中出現頻率小于3次，同時合并相似及包含關系因素的基礎上，結合查閱相關文獻與專家咨詢法所獲得的補充因素，最終確定了基于DEMATEL和ISM分析的支模腳手架高處墜落事故致災因素體系，如圖1所示.該因素體系可歸為兩大類：一是施工人員在架體上從事高處作業時發生不慎墜落；二是發生高處墜落時安全措施失效，未起到安全防護作用[5].以上兩類因素可作為誘發高處墜落事故的中間事件.

圖1 支模腳手架高處墜落事故致災因素體系Fig.1 System of caused factors for high falling accident from formwork falsework

在不慎墜落層面與安全措施失效層面，共包含13個致災因素，其中，工人生理心理狀態欠佳與安全文化及氛圍缺失通過查閱相關文獻獲取，對施工方案及操作技能不熟悉與未及時進行隱患排查及驗收通過專家咨詢獲取，其余因素則通過對支模腳手架高處墜落事故調查分析獲取.上述因素在某種程度上存在一定的關聯性，并非完全獨立，但其側重點不同且具有一定的差異，仍必須作為一個獨立分支.此外，這些因素中有導致高處墜落事故的直接原因和間接原因，以及主觀原因與客觀原因，較為全面地包含了引發支模腳手架高處墜落事故的致災因素.

2 基于DEMATEL和ISM的混合建模方法

決策試驗與評價實驗法(decision making trial and evaluation laboratory，DEMATEL)最初于20世紀70年代由美國學者Fontela和Gabus提出，該方法對系統各因素間邏輯關系的建立運用到了圖論與矩陣論原理，通過構建因素間的直接影響矩陣，計算各因素間的影響度、被影響度，以及因素本身的中心度與原因度，進而對各因素進行歸類及影響強度的評判[6].解釋結構模型(interpretative structural modeling，ISM)于1973年由美國John.Warfield教授提出，該方法著眼于分析影響因素眾多且關系復雜的系統，通過構造鄰接矩陣并經過一系列分解運算，可將各致災因素劃分為若干層次，在明確各因素間邏輯關系的基礎上構造結構化、條理化的多層遞階結構模型，為系統要素選擇及要素分析提供方法手段[7].

本文將兩種建模方法相結合，既可以確定系統中關鍵因素及因素種類，又可以明確因素間的邏輯關系與層次結構，為復雜系統定量分析與科學決策奠定基礎.圖2為基于二者的混合建模流程圖，對二者進行混合建模的步驟[8-9]如下：

1) 確定復雜系統致災因素集C={Ci|i=1，2，…，n}.

2) 設定因素間影響關系標度值.依據具體分析對象的不同設定不同等級的影響標度，通過向業內人士發放問卷調查的形式確定各致災因素間的相互影響程度，并在統計分析的基礎上得到直接影響平均關系矩陣R=(rij)n×n.其中，rij為行因素對列因素的影響程度值，當i=j時，rij=0.

6) 在步驟4)中求得綜合影響矩陣T的基礎上，通過T+I可求得整體影響矩陣H.設定合理的閾值λ，進而確定ISM模型中的可達矩陣K=(kij)n×n.其中，kij的取值規則為：當hij>λ時，kij=1，代表因素Ci對因素Cj有直接影響；當hij≤λ時，kij=0，代表因素Ci對因素Cj無直接影響.

7) 各因素按級別分配，生成多層遞接結構模型.通過求解可達集合P(Ci)={Cj|Cj∈C，kij=1}與前因集合Q(Ci)={Cj|Cj∈C，kji=1}及二者的交集，可求得底層致災因素.將可達矩陣中對應底層致災因素的行與列劃去，繼續求解劃去后可達矩陣的可達集合與前因集合及交集，直到所有因素被劃去為止.

圖2 混合建模流程圖Fig.2 Flow chart of hybrid modeling

3 高處墜落事故致災因素分析

3.1 因素間影響程度數據收集及統計

在對支模腳手架高處墜落事故各致災因素間影響程度數據的收集上，本文采用特爾菲法(Delphi)即專家調查法，其索取信息的對象是專家學者，依靠專家學者的學識與經驗對所調查的問題作出評估和預測的一種方法[10].本文通過對具備支模腳手架領域相關專業知識和工作經驗的30位專家學者發放調查問卷，設定因素間影響關系標度值按0(無影響)、1(低影響)、2(中影響)、3(高影響)數值打分，并依據其專業、職稱、學歷三個標準設置相應的權重，最后將30位專家學者對因素間影響關系標度值與其對應的權重值相乘，進而得到所需目標值.

表1為發放的問卷調查表.通過該表可搜集各專家對因素間影響程度的打分值.其中專業、職稱、學歷為劃分項目，各項目細分項為項目級別.

表1 問卷調查表Tab.1 Questionnaire

表2 各類型專家權重得分表Tab.2 Weight score for various types of experts

在求得各類型專家權重得分值后，將其權重得分值與對因素間影響關系標度值相乘，得到最終影響程度值，在對各專家最終影響程度值加權平均計算的基礎上可求得直接影響平均關系矩陣，即

3.2 DEMATEL與ISM的混合建模運用

在通過特爾菲法與調查問卷得到各因素間直接影響平均關系矩陣的基礎上，對該矩陣進行標準化處理得到矩陣B，進而可求得綜合影響矩陣T及整體影響矩陣H，即

在求得綜合影響矩陣T的基礎上，依據混合建模方法中的步驟5)可依次算出影響度、被影響度、中心度和原因度，其計算結果如表3所示.

表3 各致災因素DEMATEL分析結果Tab.3 DEMATEL analysis results of various caused factors

在對支模腳手架高處墜落事故致災因素的ISM建模過程中，其首要前提是構建可達矩陣，本文在混合建模方法步聚6)中已闡明如何依據整體影響矩陣H構建可達矩陣，其關鍵環節是確定閾值λ，而λ取值的目的是為了簡化整體影響矩陣，將因素間的影響程度關系直接轉化為因素間影響關系的存在性，因此，對于支模腳手架高處墜落事故致災因素復雜，且各因素間邏輯關系不明確的情況，通過ISM法可簡化各因素間復雜的邏輯關系并找出關鍵致災因素.本文基于該理念在對λ取值時分別令λ=0.085與λ=0.1兩種情況進行試算.當取λ=0.085時得到的多層遞階結構模型較為復雜，各結構層次因素間邏輯關系不明確且較為零散，而取λ=0.1時構建的多層遞階結構模型在各因素間的邏輯層面較為合理.現將λ=0.1時構建的ISM模型進行闡述，其所對應的可達矩陣為

在構建好可達矩陣的基礎上，依據混合建模方法中的步驟7)對可達矩陣進行層次化處理.表4為第一層致災因素集分解表.其余各層因素分解表因篇幅有限，不在此贅述，其各層次劃分結果為：L1={C6、C11}；L2={C10、C12}；L3={C9}；L4={C2、C13}；L5={C1、C5}；L6={C7、C8}；L7={C3}；L8={C4}.

表4 第一層致災因素分解表Tab.4 Decomposition of caused factors in first level

根據各層次因素分解結果繪制支模腳手架高處墜落事故多層遞階結構模型，并用單向箭頭表示各致災因素間的因果邏輯關系，其繪制結果如圖3所示.多層遞階結構模型可反映高處墜落事故致災因素間的作用路徑與層次結構.

圖3 高處墜落事故多層遞階結構模型圖Fig.3 Model for multilevel hierarchical structure of high falling accident

3.3 建模分析

3.3.1 DEMATEL分析

在運用DEMATEL模型對支模腳手架高處墜落事故致災因素體系的分析結果中可以得出，在影響度方面，排在前三位且其影響度值均大于1.5的因素為安全教育及制度缺乏、管理上違章指揮或缺乏監管及安全文化及氛圍缺失，表明該三項因素對其他因素影響較大，在制定支模腳手架高處墜落事故預防措施時應著重加強安全制定及文化的投入力度.在被影響度方面，排在前三位的是應急救援行動失敗、架體出現局部或整體坍塌及安全帶損壞或使用不當，表明該三項因素受其他因素影響較大，因此，通過該三項因素可判斷其他致災因素的狀態是否合格.在中心度方面，其得分值最高的前兩位是應急救援行動失敗與架體出現局部或整體坍塌，表明二者是導致支模腳手架高處墜落最重要與最直接的原因，因此，在日常監管過程中應格外重視對應急體系的建立與應急預案的演練，同時應安排架體專職安全檢查員密切關注架體狀態，防止出現坍塌現象.在原因度方面，其原因集合排在前三位的因素與影響度排在前三位因素一致，結果集合中排在前三位的因素與被影響度排在前三位的一致，進一步驗證了該三項因素對其他因素影響與受其他因素影響的程度之高.

因此，通過DEMATEL建模，可從13個因素中篩選出6個關鍵致災因素，其分別為安全教育及制度缺乏、管理上違章指揮或缺乏監管及安全文化及氛圍缺失3個原因因素，應急救援行動失敗、架體出現局部或整體坍塌及安全帶損壞或使用不當3個結果因素.通過加強對此6個因素的監管力度可有效避免或減少高處墜落事故的發生.

3.3.2 ISM分析

ISM建模所構建的多層遞階結構模型可清晰反映支模腳手架高處墜落事故致災因素間的相互影響關系及結構層次.現就該模型圖進行分析，位于第7、8層的致災因素均屬于管理層面的失職行為，其安全教育及制度缺乏會直接引發管理上違章指揮或缺乏監管，而管理上違章指揮或缺乏監管又會帶來安全文化及氛圍的缺失、作業環境惡劣.第6、7、8層因果關系表明領導層對待事故的態度會對整個系統模型中起基礎性與決定性的作用，因此，要想營造良好的安全文化氛圍及作業環境，必須從加強管理層安全意識與完善相關制度規范做起.而安全文化氛圍的缺失與惡劣的作業環境會導致工人生理心理狀態欠佳，加上工人對施工方案及操作技能不熟悉，很容易造成工人違章作業或操作失誤情況的發生.而工人違章作業與操作失誤再加上管理人員違章指揮與缺乏監管，為高處墜落事故的發生埋下安全隱患.第4、5層致災因素因果邏輯關系是引發支模腳手架高處墜落事故發生的間接性因素.間接性因素的存在會直接導致第1、2、3層因素的出現，如架體防護欄設置不合理、未按要求配備安全裝置及安全帶損害或使用不當情況等現象，最終造成對事故應急救援行動的失敗.1、2、3層因素作為誘發高處墜落事故的直接原因，一旦觸發將直接導致事故發生.

通過對ISM建模結果進行分析，可將各因素按照所在的層次結構劃分為直接因素(1～3層)、間接因素(4～5層)及基礎性因素(6～8層)，該3類因素可用3張多米諾骨牌表示它們之間的因果關系，其中任意一個骨牌倒下時，均會導致高處墜落事故的發生.因此，必須從基礎性因素入手，強化管理層安全意識，加強安全教育及完善安全制度，構建良好的作業環境.

3.3.3 混合建模分析

對二者進行混合分析的作用是找出二者在分析結果上的關聯性及某種程度上的一致性，從而驗證模型分析的準確性.在DEMATEL分析中，排名前三位的影響度因素在ISM分析中屬于基礎性因素，排名前三位的被影響度因素在ISM分析中屬于直接因素，并且基礎性因素對應原因集合，直接因素對應結果集合，此外在中心度排名前兩位的因素分別位于多層遞階結構模型的第一層與第二層，進一步論證了該因素對觸發高處墜落事故的較大可能性.因此，通過混合建模可得出安全教育及制度缺乏、安全文化氛圍缺失是最重要的基礎性因素，應急救援行動失敗與架體出現局部或整體坍塌是最為關鍵的直接因素.以上分析表明兩種模型對支模腳手架高處墜落事故致災因素的類型劃分與重要性識別上具有高度的一致性.

4 結 論

為了構建支模腳手架高處墜落事故致災因素體系，本文在分析支模腳手架高處作業特點的基礎上，對近三年發生的相關事故原因進行了系統調查與統計分析，同時結合文獻查閱法，共提取了13個致災因素，并從不慎墜落與安全措施失效兩個角度對13個因素進行劃分.

利用DEMATEL建模得出了各致災因素的影響度、被影響度、中心度及原因度，并從中篩選出了6個關鍵致災因素，其中3個為原因集合，另3個為結果集合，3個為結果集合的致災因素，其中心度值也較高.利用ISM建模所構建的多層遞階結構模型將13個因素劃分為8個層次，并將8個層次依據其在引發高處墜落事故中的影響過程進一步歸類為基礎性因素、間接因素與直接因素.

將DEMATEL與ISM法相結合，提煉出了6個關鍵因素，即安全教育及制度缺乏、管理上違章指揮或缺乏監管、安全文化及氛圍缺失、急救援行動失敗、架體出現局部或整體坍塌及安全帶損壞或使用不當，同時明確了該6項因素在整體致災因素體系中所處的位置及引發高處墜落的作用路徑.