首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 力学论文 > 理论力学论文 > 基于工程施工人员安全行为开展系统动力学仿真探究

基于工程施工人员安全行为开展系统动力学仿真探究

2020-02-05 188 上传者：管理员

摘要：引发工程安全事故的直接原因主要是人的不安全行为以及物的不安全状态。虽然近些年来工程的施工条件及环境得到明显改善，但面对人的不安全行为，仍缺乏行之有效的解决方法。基于安全行为形成模型的构建，进行对施工人员安全行为的系统动力学仿真分析模型进行构建。同时，对安全教育、安全激励措施、安全习惯三个主要影响施工人员安全的行为进行系统仿真模拟研究。

关键词：
安全行为
工程业
施工人员
系统动力学
加入收藏

建设工程施工具有工期长、工作条件差、危险性大、不安全因素多等特点，而且点多面广，预防难度大，特别是近年来随着我国基本建设规模的不断扩大，建设工程的复杂程度以及施工难度不断提高，因此很容易引发各种安全事故。工程建设施工安全事故数量在我国各行业中位居第三，紧随交通和矿山行业之后。

根据海因里希的事故因果连锁理论，人的不安全行为以及物的不安全状态是引发安全事故的直接原因；因此消除物的不安全状态以及预防人的不安全行为是预防事故的根本途径。近年来我国安全管理法律法规的逐步完善，工程施工企业对安全生产的重视程度得到了显著的提高，随着企业对安全防护设施投入的加大，工程施工的安全环境得到了很大的改善，而关于如何消除人的不安全行为目前仍缺乏有效的手段。Heinrich (1959)的研究表明，88%的事故是由人的不安全行为直接引起的，而只有10%左右的事故是由物的不安全状态直接引起的[1]。Gould & Joyce ( 2009)的研究指出与物的不安全状态相比，人的不安全行为更加难以发现和预防[2]。因此，为了有效预防工程施工安全事故，应进一步加强对人安全行为的管理。

为了预防不安全行为，就要分析影响不安全行为的各种因素，并揭示在多个因素作用下不安全行为的形成机理。因此，本文采用系统动力学（system dy⁃namics ，SD）建模的方法对工程施工人员安全行为的形成过程进行系统仿真。模型的应用将有助于我们更好地理解施工人员不安全行为的形成过程以及影响因素，为工程企业预防不安全行为提供指导。

1 、安全行为的形成过程

关于人安全行为的形成机理，前人已经做了较多的研究。Canter (1980)指出人以往对事故的经历会影响他的安全意识，进而会影响他的安全行为；比如一个在工程安全事故中受过伤的人，会有更高的风险意识[3]。Ajzen (1991)认为，人的安全意识是影响安全行为的关键因素，而人的安全意识取决于他对潜在风险的感知程度[4]。Donald & Cantor (1993)的研究也指出，人的不安全行为通常是受意识支配的[5]。Eagly &Chaiken(1993)的研究表明人的安全意识会影响他的行为意图，而行为意图则会对其安全行为产生直接影响；而影响人安全意识的因素主要有五个：习惯、对目标的态度、报酬或惩罚、行为规范、自我判定的行为结果[6]。Mearns & Flin (1995)则强调风险察觉对于安全行为的重要作用[7]。Shin etal.（2014）提出了一个人安全行为形成原理的模型，其模型思路为： “风险感知→安全意识→行为意图→行为→行为结果→风险感知”[8]。而实际上，在安全防范措施比较完善的情况下，尽管工程事故总的数量较高，但工程事故的发生概率还是很低的，因此企业在进行安全管理时不可能仅仅依靠安全行为的后果来进行奖惩，而更多地会通过安全行为的规范来提高员工的安全意识。因此人的安全意识不仅取决于对风险的感知，同时还取决于企业对安全行为的奖惩力度。基于此，本文在Shin等提出模型的基础上做出修正，提出如图1所示安全行为形成过程模型。

图1 安全行为的形成过程模型

2 、系统动力学方法的原理与步骤

系统动力学(System Dynamics)是福瑞斯特教授提出来的研究系统动态行为的一种计算机仿真技术。根据系统动力学方法，系统的基本结构单元是一条耦合系统的状态、速率与信息的回路；系统的行为模式与特性主要取决于其内部的动态结构与反馈机制；系统在内外动力和制约因素的作用下按一定的规律发展演化。系统动力学从系统的微观结构出发建立系统的结构模型，用回路描述系统的结构框架，用因果关系图和流图描述系统要素之间的逻辑关系，用方程描述系统要素之间的数量关系，用专门的仿真软件进行模拟分析[9]。本文采用Vensim PLE软件对人的不安全行为进行系统的建模与分析。

系统动力学建模包括以下五个基本步骤：系统分析、结构分析、模型建立、模型试验和模型使用五大步骤。系统分析的主要工作是明确系统问题，搜集系统问题的有关数据和信息，并划定系统边界；结构分析则需要进行系统的结构分解、确定系统变量和信息反馈机制；模型建立是系统结构的量化过程，需要通过输入各种方程两个变量之间的相互作用关系；模型试验通过模型的模拟试验和调试，对各项参数和方程进行修改和完善；模型使用是运用构建的模型上实际问题进行定量的分析研究。

3 、工程施工人员安全行为的系统动力学建模

3.1 系统边界、模型设置与模型假设

如图1所示，工程施工人员安全行为的形成是一个复杂的系统，影响安全行为的因素非常多，本研究主要从工程施工企业安全管理的角度来分析如何有效控制施工人员的不安全行为，因此系统仅考虑与企业管理、个人行为相关的要素，包括风险感知、安全意识、安全行为、行为后果、行为规范、行为偏差、奖惩措施等。而外部的影响因素如国家的法律法规、行业管理规范等要素均视作是系统之外的要素。

针对要研究的问题，涉及到的变量有：状态变量：安全行为、安全意识、风险感知能力。目标变量：安全行为比率。辅助变量：初始风险、事故风险、事故发生率、感知事故发生率等25个变量。控制变量：宣传水平、初始习惯、习惯养成时间、安全教育、员工接受能力、安全奖惩制度等。模型的模拟时间设为100周，单个时间步长设为1周。

模型的仿真分析基于以下基本假设：①施工人员的安全行为能够被完全观测到；②企业外部环境基本维持不变，只有企业内部的要素发生改变。

3.2 系统结构分析与模型构建

整个大的系统包括多个子系统，每个子系统均具有不同的基本作用原理。用因果关系图表示不同子系统的逻辑变化关系。图2反映了系统要素间的主要因果反馈关系，图2(a)、(c)表示的是正循环反馈关系，说明系统中各要素间存在相互强化的反馈关系；而图2(b)、(d)表示的是负循环反馈，说明系统中各要素存在衰减的过程。综合各子系统之间的相互作用关系，可以建立如图3所示的系统动力学流图。

图2 各子系统的因果回路图

3.3 系统要素分析与系统方程的建立

风险感知：风险感知受事故发生率的影响，施工人员通过直接或者间接渠道了解到安全事故所带来的的严重后果，进而提高其安全意识，在施工过程中能够感知到潜在的风险。需要指出的是在已经发生安全事故对不同的人员警示作用是不一样的，这种差别主要是由不同员工的安全意识、对风险的感知能力以及对风险的反应时间不同所造成的。于是有：风险感知.K=风险感知能力.K×事故风险.K×风险反应时间.K。

安全意识：一个人的安全意识主要受他对工作中事故发生率的影响，当他感知到事故高发时，他对安全就越重视。同时，施工人员的安全意识还与公司的安全教育以及员工的接受能力有关。于是有：安全意识.K=安全意识.J+安全意识增加.K-安全意识减弱.K；其中：安全意识增加.K=(感知事故发生率.K -可接受风险.K)/(可接受风险.K +感知事故发生率.K)×安全教育.K×员工接受能力.K×（1-安全意识.J）。

安全行为：施工人员的安全行为主要由其安全行为意图直接决定，而安全行为意图主要由他感知的安全行为效用所决定，安全行为效用越高，安全行为意图就越显著。同时安全行为还与个人的安全习惯有关。采取安全行为.K=安全行为意图.K +α×习惯作用.K；其中α为习惯作用系数。

安全行为效用：由工人感知到的风险大小、个人对风险的容忍程度、安全行为的激励、安全行为带来的不便等。安全行为效用.K=风险感知.K /(风险感知.K +可接受风险.K)*安全行为的激励.K /(安全行为的激励.K +安全行为的不便.K)。

风险感知能力：反映了工人对潜在风险的判断能力以及敏感度。风险感知能力.K=风险感知能力.J+感知力增加.K-感知力衰减.K。其中：感知力增加.K=(1-风险感知能力.J)×安全意识.K×(感知事故发生率.K -可接受风险.K)/(可接受风险.K +感知事故发生率.K)。感知力衰减.K=风险感知能力.J×(1-安全意识.J)×衰减频率.K。

习惯的作用：习惯作用描述了安全习惯对于员工安全行为的影响，习惯与员工过去的安全行为比率有关，与习惯时间有关，其表达式为：习惯作用.K =(Time.K×安全行为比率.K +习惯养成时间×初始习惯)/(Time.K +习惯养成时间)。

3.4 模型测试与修正

为便于考察不同要素对工程施工人员的安全行为的影响，各变量均设置为无量纲变量，各变量的变动范围设置在0~1之间。在输入给定的参数后，可发现各主要参数均随时间发展趋于收敛，综合考虑各项假设条件后通过调整各变量之间的关系后使得模型的输出趋于合理。

4 、工程施工人员安全行为的系统仿真分析

本文进行系统仿真的目的是要研究工程施工企业的不同管理政策对施工人员安全行为的影响，从模型的设定来看，本文所建立的系统动力学模型可以分析安全行为习惯、安全事故宣传、安全教育、安全奖惩措施等要素的变化对员工安全行为比率的影响。

4.1 安全习惯对安全行为的影响

根据模型的假设，影响安全习惯的要素包括初始安全习惯、习惯形成时间、安全行为比率等，本文主要研究初始安全习惯和习惯形成时间对安全行为习惯、安全行为比率等要素的影响。

图4的结果表明，安全习惯在短时间内对安全行为比率有一定的影响，但对安全行为比率长期结果所产生的影响很小。同时施工人员的安全习惯在较长时间段内的变化趋同，说明在一定的管理条件下，施工人员会脱离原来的行为习惯而形成一种新的给定的安全行为习惯。原来习惯形成的时间越短，新习惯形成的速度越快，原习惯养成的时间越长，新习惯形成的速度越慢。

图4 安全习惯对安全行为的影响

4.2 安全教育对安全行为的影响

企业的安全教育包括多个方面，本文主要研究对安全事故的宣传、对施工人员的安全教育以及员工的接受能力等三个因素对施工人员安全行为的影响。

仿真分析结果如图5所示，分析结果表明随着企业安全教育水平的提高，施工人员的安全意识、风险感知能力、安全行为比率都得到显著提升。当企业的安全教育水平较低时，员工的安全行为比率会逐步降低至一个稳定的水平；而企业的安全教育水平较高时，员工的安全行为比率会逐步提升至一个稳定的水平。

图5 安全教育对安全行为的影响

4.3 安全激励措施对安全行为的影响

安全激励措施主要体现为企业对安全行为的奖惩措施。仿真分析结果表明随着企业对安全行为奖惩措施的提高，施工人员的安全激励水平以及安全行为比率都得到显著提升。当企业对安全行为奖惩措施水平较低时，员工的安全行为比率会逐步稳定在一个较低的水平；而企业对安全行为奖惩措施水平较高时，员工的安全行为比率会逐步稳定至一个较高的水平。

5 、结语

本文采用系统动力学仿真方法对安全行为习惯、安全教育、安全奖惩措施等要素的变化对员工安全行为的影响进行了较为深入的研究，研究得出了以下主要结论：（1）安全习惯对员工安全行为的影响是具有时限的，安全习惯形成的时间越长，对员工安全行为影响的时间就越长；而安全习惯所带来的影响最终会被现行管理制度塑造的员工行为所同化。（2）安全教育是塑造员工安全行为的重要手段，随着安全教育水平的提升，员工的安全行为能够得到显著提升，而且能够形成持续稳定的作用。（3）安全激励措施的强度与员工安全行为比率之间具有一定的相关性，高水平的安全激励措施能够显著提高员工的安全行为比率。

王忠伟,念培红.工程施工人员安全行为的系统动力学仿真研究[J].西部探矿工程,2020,32(1):183-187.