室外高溫環境下建筑工人勞動安全評價

■ 杜河 劉敦文

中南大學資源與安全工程學院 長沙 410083

0 引言

隨著城市建設的發展，對建筑工人的需求量增大，而現建筑行業屬于事故高發行業之一，特別是室外高溫環境條件建筑工人的勞動安全問題，成為業內外人士關注的焦點，因此，不少學者致力于建筑工人作業的安全評價研究[1]。對于建筑工人的作業安全做出行業內的相關貢獻，同時也會通過數據模型對建筑工人的工作安全性提出新的保障[2]。

現有很多學者對高溫環境作業提出分析方法，Malchaire等[3]研究了人體在高溫環境中的熱失調，建立了預測熱應力的模型，并對其進行了安全評價，驗證了該預測模型的有效性。Brake 等[4]研究了77 種不同工況下高溫對人體生理指標的影響，并介紹了熱環境下的評價指標(Thermal Working Limit,TWL)，以該指標確定身體的受熱極限。李志穎[5]分析了人在室外高溫環境下各生理指標受環境、勞動強度、太陽輻射等的影響程度以及變化規律，并基于模糊綜合評判法，對環衛工人進行了安全評估。周君衡[6]研究建筑工人高溫工作環境和勞動生產率之間的關系，并制定相關對策提高工人勞動生產率。陳孜虎等[7]研究了高溫環境對人體生理參數的影響，了解高溫環境作業與人體熱應激之間的關系。何佳澤[8]通過對建筑工人進行生理參數監測，研究工人熱應激狀態。Brake 等[9]研究了不同的熱環境對人體生理指標的影響，同時通過熱工作極限評價指標確定耐熱極限。建筑行業作為我國重要行業之一，目前卻鮮有對建筑工人高溫作業進行安全評價的研究，因此為保障建筑工人的安全作業，有必要對建筑工人高溫作業進行安全評價。

由于高溫環境作業安全評價的準確性及其重要，目前學者較多采用模糊綜合法進行安全評價[10]，考慮了評價過程中的模糊性，忽略了評價過程中因人為主觀因素帶來的隨機性，導致評價結果存在不準確的可能，無法較好地引導施工現場建筑工人的作業安排，故本研究引入了云理論[11]，云理論通過構造云滴，完成定性和定量的相互轉化，結合概率論和模糊理論的優點，解決了主觀隨機性的缺點。云理論有3個重要的指標，云期望、云熵以及超熵。在基于多組評價數據的基礎上，云期望表明評價結果的平均值，云熵表示各組數據之間的離散性，而超熵表明云熵的離散程度，三者結合可有效避免評價過程中因主觀不確定性因素導致評價結果具有隨機性，通過云理論相關模型的引入，進而更加貼合實際的去完成多角度分析建筑工人的作業安排相關，以構建更加客觀合理的評價模型。

1 勞動安全評價指標體系構建

1.1 體系構建

本研究主要依靠于對施工現場的問卷調查結果，而在接受問卷調查時，難免會存在一定程度的主觀意識性，因此，在構建高溫作業施工安全評價指標時要具有全面性，確定的評價指標不僅有可行性，還要具有客觀、科學性，能夠具有推廣使用的價值。根據建筑施工現場實際情況，本著科學性、合理性、全面性、可獲取的原則，建立室外高溫環境下建筑工人勞動安全的評估指標體系。

由于室外高溫是一個非常復雜的系統，它由人物、機械設備、環境3大重要因素構成的，所以在構建安全指標時應包括這3 大因素。在現有研究基礎上，并對施工現場發放調查問卷以及在征求現場勞動作業人員的意見之后，全面考慮室外高溫環境下影響勞動安全的所有因素，本研究從勞動作業(A1)、作業環境因素(A2)、工人自身(A3)這3 方面，建立了室外高溫環境下建筑工人勞動作業的安全評價系統。在施工現場，勞動作業又分為作業強度A11、勞動性質A12、工作時長A13；作業環境又包括室外溫度A21、日照輻射程度A22、空氣濕度A23、天氣狀況A24；工人自身包括健康情況A31、年齡大小A32、降暑措施A33。圖1為本研究構建的評價系統圖：作業強度表示工作強度是否恰當；勞動性質表明作業強度引起的疲勞程度；工作時長表示作業的持續時間是否合適；作業環境表明施工現場的實際高溫情況；健康情況反映作業人員身體狀況的對工作的影響；年齡大小表示勞動工人的基本生理狀況；降暑措施反映施工現場降暑藥品，飲水等物資的儲備量以及工人使用量。

圖1 評價指標體系

1.2 指標權重的確定

常見計算指標權重的方法較多，每種方法各有優缺點。例如：主觀賦權法有：專家法、層次分析法以及主成分分析法等；客觀賦權法有：熵權法和Critic 法等。本研究基于調查問卷結果，故選用AHP 法確定各指標的權重[12]，應用層析分析法進行賦權時，一般分為3 個步驟。首先構建層次分析模型。區別指標之間的從屬關系；然后建立判斷矩陣。并對評價指標的重要程度進行比較，采用1-9標度法確定各指標之間的相對重要性[13]，如表1所示，其中Bij=1/Bji。

表1 對bij項的賦值

如果判斷成對事物的重要程度介于上述值兩者之間時，則標度值可取中間值2,4,6,8。

然后，層次單排序及其一致性檢驗。判斷標準為CI=(λmax-n)/(n- 1)，其中λmax為矩陣的最大特征根，CI值越小，表明判斷矩陣的一致性越好。CR=CI/RI,當CR小于0.1 時表明得出的權重可以接受，否則需要重新調整判斷矩陣，直到滿足要求。

2 構建云理論評價模型

2.1 云理論概念

早在20世紀90年代李德毅[14]院士就提出了隸屬云的概念，為定性概念與定量數值之間搭建了聯系橋梁。云理論的具體思路為：設U為定量論域，C為U上的定性概念，對于任意隨機數x有μ(x)x[0.1]，稱為x在C上的隸屬度，μ在U 上的分布形成隸屬云，[x,μ(x)]構成云滴，云滴的集合即構成了云模型圖[15]。云模型的數字特征值（Ex,En,He），云期望（Ex）反映模糊概念的均值，云熵（En）表示定量論域U 可被定性概念C 接受的范圍區間，超熵（He）為云滴的離散程度。結合云特征值，運用公式（1）可算出云滴的drop（x,μ(x)），也就是歸屬度，公式（2）、（3）、（4）為云模型數字特征的計算原理。

在將云數字特征與概率進行加權運算，原理如式（5）以計算綜合云的數字特征，生成綜合云滴Z。

2.2 標準評價云模型

由于建筑工人作業勞動安全評價是一個定性評價的過程，采用定性的評價方法無法滿足指標間的模糊性，評價過程中的隨機性[16]。因此，本研究用語言評價集來表示指標的重要程度，假設評價指標的重要程度論域為[0,10]。文獻[17]表明，從中心極限定理可知道，如果結果是由n 個變量共同所決定的，而單獨任何一個變量所起的作用非常小時，則隨機變量可視為是服從正態分布的。由于正態云的相關參數符合黃金分割定律[18]。因此，相鄰云數字特征值的較小者是較大者的0.618 倍。所以標準云Cv的數字特征見表2所示。

表2 標準云

3 實例應用

本研究以西安某建筑施工單位為對象，針對研究對象設計問卷調查，發放若干調查問卷，篩選有效問卷結果，最終收回有效調查問卷50份。

3.1 權重確定

在運用層次分析法確定了本研究構建指標的權重后，再構造指標間的判斷矩陣，對室外高溫環境下勞動作業的安全性進行評估，提供比較指標之間的相對重要程度，結果如表3至表6所示：

表3 一級指標判斷矩陣

策略層判斷矩陣為：

相對于“勞動作業”準則，根據作業強度A11、勞動性質A12、工作時長A13之間的相對重要性比較，做出勞動作業因素的判斷矩陣。（表4）

表4 A1指標因素判斷矩陣

相對于“作業環境”準則，根據室外溫度A21、日照輻射程度A22、空氣濕度A23、天氣狀況A24之間的相對重要性比較，做出作業環境因素的判斷矩陣。（表5）

表5 A2指標因素判斷矩陣

相對于“工人自身”準則，根據健康情況A31、年齡大小A32、降暑措施A33之間的相對重要性比較，做出工人自身因素的判斷矩陣。（表6）

表6 A3指標因素判斷矩陣

再計算各表的一致性檢驗結果。對于表1判斷矩陣，經計算λmax=3.1，CI=0.053，RI=0.582，CR=0.091；對于表2判斷矩陣，經計算λmax=3.2，CR=0.009，RI=0.581，CR=0.017；對于表3判斷矩陣，經計算λmax=4.1，CR =0.031，RI =0.902，CR=0.034；對于表4判斷矩陣，經計算λmax=3.0，CR,=0.002，RI=0.581，CR=0.003，結果均具有滿足一致性檢驗要求。

經過計算所得總排序一致性檢驗結果CI=0.017，RI=0.694,，CR=0.025＜0.10，結果具有滿意的一致性，最后得各指標權重如表7所示：

由各指標的權重可見，作業強度權重值最大A11=0.326，其次是室外溫度權重值A21=0.187，以此可以說明建筑工人在室外高溫環境下勞動作業，管理人員應該考慮改善工人的勞動強度方面開始入手，其次改善室外溫度。也可以看出其他各風險因素權重的大小，在此不再贅述，通過對所有指標的權重大小進行排序，現場安全管理人員可以直觀判斷各風險指標的級別，對于高權重的風險制定實時應對的措施，對低權重的風險則加以忽略，從而實現對施工項目的風險管控，減少風險事故的發生。

最后得各指標權重如表7所示，經過計算所得一致性檢驗結果為CI=0.016，RI=0.695,，CR=0.025＜0.10，一致性檢驗結果符合要求，表明計算所得權重值可行。

表7 指標權重

統計問卷結果，分別邀請了行業內6 位專家對每個指標進行安全等級打分，根據指標的重要程度進行評分，指標評估結果之間的定性評判標準為：9分表明影響程度很大，7分表明影響程度大，5分表明影響程度適中，3 分表明影響程度一般，1 分表明影響可以忽略，如果介于兩者之間時，則取2、4、6、8，評估結果如表8所示。

表8 指標安全評價值

3.2 云理論評價模型的應用

應用云逆向發生器生成各評價指標的云期望、云熵及超熵，特征數字如表9所示：

結果表明有60%的指標評價結果均處于7 分以上，表明室外高溫環境下作業非常危險。表9中的云熵及超熵數值表明各專家意見的差異性，其值越大，表明專家之間存在的分歧越大，而本研究的評價結果所存在的離散化程度較小。再應用式（5）計算評價系統的綜合評估結果Z，得綜合評估結果為Z =7.24，表明室外高溫環境下勞動作業的安全綜合評價結果在7～9 分區間，說明室外高溫勞動作業的安全性等級很差。同時，由各指標的權重大小可見，作業強度的權重最大，為0.326；其次為室外的溫度，權重值為0.187，表明現場管理人員在對室外高溫環境下勞動作業安全進行管理時，應該足夠重視工人的勞動強度方面，有必要改善室外高溫惡劣的環境狀況。其他各指標因素的權重大小此處不再贅述，再對各指標的權重值從大到小排序，現場管理人員即可辨別各指標的重要性，然后制定相應的應對措施，對于高風險應有相應的減免策略，對于低級別的風險可忽略，從而達到事前控制的目的。

表9 指標評價云

應用式（1）云理論計算安全等級原理[19]，所得各指標的風險隸屬等級如表10所示。

由表10可知，室外高溫作業安全的最大因素是勞動強度、勞動時長，室外環境溫度、太陽輻射強度、降暑措施等，整體評價結果歸屬于風險等級高，以指標“降暑措施”為例，其處于影響很大的隸屬度為0.28，處于影響大等級的隸屬度為0.72，表明該指標處于影響大，但是有0.28的可能性隸屬于“影響很大”，圖2為其云模型圖，可直觀看出評價結果的云熵較小，表明專家意見的統一性，隸屬度更接近“影響大”等級，但處于“影響很大”等級的概率不容忽視，管理人員應加強安全管理手段，降低該指標的風險。其次大多指標均處于影響大的等級，安全管理人員應根據各指標制定相應的應對措施，重視等級較高的指標。

圖2 “降暑措施”評價結果

表10 指標風險隸屬等級

從表10 各指標的云相似度可看出綜合評價結果往往介于兩個等級之間，對于評價系統而言它是一個定性的過程，而建筑施工也是一個動態的管理過程，因此，引入云理論不僅可刻畫評價過程中專家估值的隨機性以及模糊性，更可直觀看出各指標處于不同安全等級的歸屬度，以實時有效指導施工作業安排。

4 結論

本研究不僅從勞動作業、作業環境、工人自身影響因素3 方面因素考慮對勞動安全的影響，還結合室外高溫環境下影響勞動安全的其他子因素，建立了室外高溫環境中的安全綜合評價指標體系，并考慮到評價過程中的隨機性與模糊性，應用層次分析法計算各指標的權重，再引入云理論，兩者結合建立了高溫作業安全評價模型，并將該評價模型應用于實例項目，得到結論主要如下：

（1）采用層次分析法，從勞動作業A1、作業環境A2、工人自身A3 這3 方面的影響因素建立室外高溫環境中安全綜合評價體系，得到了室外高溫環境安全評估的AHP 結構模型圖。通過計算各指標的權重，最終得到“勞動因素”中“勞動強度”的權重值最大為0.326，以及指標勞動作業、作業環境、工人自身影響因素的層次總排序的權重值，其中，A1=0.512，A2=0.360 和A3=0.128，更具各指標權重大小，方便現場管理人員的風險管控。

（2）考慮到在評價過程中難免會存在主觀因素，而傳統的模糊評價無法較好地處理過程中的隨機性，本研究借助了云理論，對高溫環境下建筑工人勞動安全進行評價。通過熵值來表明不同指標因素在評價過程中專家意見的差異程度，以實現更加全面客觀的安全評估，結果表明：作業強度、工作時長、室外溫度、日照輻射程度、降暑措施等均對安全作業有較大影響，綜合而言室外高溫作業勞動安全綜合評估得分為7.24，說明室外高溫環境建筑工人工作安全等級較差。各指標的評價結果均隸屬于兩個及以上的等級，表明風險評價過程是一個動態的過程，應加強管理，盡可能把風險降到最低。

（3）以降暑措施為例，利用Matlab 繪制了云模型圖，可直觀看出指標的評價等級以及評價過程的隨機性，該指標的云滴區間比較集中，隸屬于“影響大”等級的概率較大，表明專家意見統一，評價結果可信。

（4）高溫環境下勞動作業安全風險較大，亟需提高高溫環境下的工作安全等級，相關管理人員首先應該從改善勞動因素方面開始入，改善高溫作業的工作環境，重點調整勞動因素中的作業負荷、勞動時長等，減少高溫作業風險事故的發生。