安全控制論及在施工現(xiàn)場安全管理中的應(yīng)用研究

張躍兵

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

安全控制論及在施工現(xiàn)場安全管理中的應(yīng)用研究

張躍兵

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 101601)

為了進(jìn)一步提高事故原因分析的邏輯性和系統(tǒng)性，為事故預(yù)防和安全生產(chǎn)工作提供思路更加清晰的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，通過大量的案例分析和邏輯推理，抓住事故是危險源能量意外釋放的本質(zhì)特征，建立了危險源觸發(fā)鏈條理論，并在此基礎(chǔ)上，與控制論相結(jié)合，提出了以危險源為控制對象的安全控制論。進(jìn)一步應(yīng)用到企業(yè)安全管理實踐中，得到“安全生產(chǎn)管理三步法”，即危險源辨識、危險源控制體系設(shè)計和控制體系維護(hù)。通過典型建筑施工事故案例分析證實，該方法能為企業(yè)安全生產(chǎn)和政府安全監(jiān)管監(jiān)察工作提供新的理論依據(jù)和參考，同時也為安全學(xué)術(shù)界模糊不清的隱患、人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和管理缺陷等概念提供新解釋。該理論的提出進(jìn)一步完善和充實了安全控制論、安全設(shè)計及可靠性問題等，在事故調(diào)查、事故原因分析等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

危險源；安全控制論；事故致因；事故預(yù)防；安全設(shè)計

0 引言

建筑施工行業(yè)是高危行業(yè)之一，每年事故死亡人數(shù)近千人，2014年12月29日，清華大學(xué)附中體育館及宿舍樓工程工地發(fā)生鋼筋體系坍塌事故，造成10人死亡、4人受傷的嚴(yán)重后果[1]。該起事故由于事發(fā)地點特殊而引起社會廣泛關(guān)注，在如此人才密集、管理標(biāo)桿的敏感區(qū)域施工，從政府到建設(shè)單位、施工單位和監(jiān)理單位都應(yīng)該是異常重視和謹(jǐn)慎的，所有施工過程都應(yīng)該是嚴(yán)格合法合規(guī)的，然而這種嚴(yán)重的責(zé)任事故還是發(fā)生了，不得不令人反思。這種事故發(fā)生的機(jī)理并不復(fù)雜，但預(yù)防這類事故的發(fā)生需要進(jìn)行更深層次的分析，需要更加系統(tǒng)和邏輯嚴(yán)密的理論作為支撐，否則這類事故還會重復(fù)發(fā)生，2016年11月24日江西電廠發(fā)生的導(dǎo)致74人遇難的坍塌事故[2]正是驗證。

2015年11月27日，海淀法院開庭審理清華附中在建體育館坍塌事故案，對相關(guān)15名責(zé)任人進(jìn)行了審理并追究了刑事責(zé)任。實際上，由于安全行為責(zé)任具有事后追究性[3]，事故調(diào)查及對責(zé)任單位和責(zé)任人的處理其最終目的是為了預(yù)防事故，這就需要事故責(zé)任追究要公平公正，要推動事故前責(zé)任體系的建立完善和落實，這些一直都是困擾安全生產(chǎn)工作的一項難題。本文以安全控制論為理論基礎(chǔ)，對這起典型事故進(jìn)行分析，以期換一個角度剖析安全生產(chǎn)工作責(zé)任體系落實這一難題，使建設(shè)工程安全生產(chǎn)工作思路更加清晰，并為建立可靠的較大危險源控制體系提供新的思路。從而有效預(yù)防和減少類似事故的發(fā)生。

1 安全控制論的發(fā)展歷程

控制論是20世紀(jì)40年代興起的廣義概念，控制論創(chuàng)始人維納(Norbert Wiener)在其1948年著的《控制論—或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》中將控制論定義為關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)[4]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，控制論已經(jīng)取得了十分輝煌的成果，出現(xiàn)了工程控制論、社會控制論、經(jīng)濟(jì)控制論、人口控制論、生物控制論……等等一些新的科學(xué)大廈。隨著計算機(jī)和通訊工業(yè)的發(fā)展，控制論在各領(lǐng)域的應(yīng)用更是得到了一個大的飛躍[5]。

但控制論與安全科學(xué)結(jié)合的成果較少，或者說安全控制論至今還沒有比較全面的理論體系。控制論在安全領(lǐng)域的最早應(yīng)用是20世紀(jì)80年代初，德國學(xué)者A. Kulman提出控制論與安全科學(xué)相交叉的命題[6]。1995年，花梅在建筑施工行業(yè)安全生產(chǎn)中，論述了控制論思想的應(yīng)用[7]，王志民考慮到安全生產(chǎn)動態(tài)的特點將工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用控制論建立的模型“移接”到安全生產(chǎn)中[8]，1998年，張翼鵬、王先華等人首先提出了“安全控制論”一詞，并以整個生產(chǎn)系統(tǒng)為研究對象提出了事故控制的統(tǒng)計學(xué)數(shù)學(xué)模型[4,9～11]。后來有更多的學(xué)者將控制論思想運用于安全行為[12]、安全管理[13]、安全評價[14]和系統(tǒng)設(shè)計及事故分析[15]上，同時，在地下工程施工和鐵路危險貨物運輸?shù)任ｋU性較大的安全生產(chǎn)行業(yè)，控制論思想也得到了應(yīng)用[16]，還有更多的學(xué)者將控制一詞應(yīng)用到重大危險源管理上[17,18]?？梢钥闯?，控制論與安全生產(chǎn)相結(jié)合已經(jīng)得到很多人的重視，安全控制論的提出已經(jīng)有近20年的歷史，安全控制論的發(fā)展前景是光明的[8]，但該理論至今仍沒有得到完善和更大的發(fā)展，作者認(rèn)為，其原因主要是沒有抓住事故的本質(zhì)，沒有從事故本質(zhì)出發(fā)，明確安全控制的對象，建立高度概括的控制模型。

2 以危險源為控制對象的安全控制理論基礎(chǔ)

2.1 控制論的基本思想

人是這個世界的主宰，對于一個系統(tǒng)或者對象，人們總是期望在未來的一段時間t內(nèi)其某些參數(shù)或指標(biāo)能按照人們的期望或標(biāo)準(zhǔn)r(t)來運行，這就是控制論的基本思想。經(jīng)過長期研究，人們發(fā)現(xiàn)各種系統(tǒng)的控制, 不論是自動控制的機(jī)器或是人體生命系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，動物的獵食活動，社會經(jīng)濟(jì)的運作，都是以信息的傳遞、反饋為基礎(chǔ)的活動，具有相同的運行規(guī)律，進(jìn)而提出控制論并建立了控制模型。控制系統(tǒng)有多種類型，按照控制信息的來源分為前饋控制和反饋控制，其中應(yīng)用較多是如圖1所示的反饋控制。

圖1 典型的反饋控制模型

圖1中，被控對象具有一定結(jié)構(gòu)和運行機(jī)理，被控對象的特性決定了輸入變量u(t)變化時，輸出變量z(t)隨時間的變化規(guī)律。由于被控對象的特性和輸入都隨著時間在變，同時被控對象還受到環(huán)境的各種噪聲f(t)的影響，因此輸出也會發(fā)生變化，控制的關(guān)鍵就是對這種變化進(jìn)行監(jiān)測并反饋。

監(jiān)測變送單元是將被控對象的輸出通過監(jiān)測感應(yīng)元件監(jiān)測到，并轉(zhuǎn)換為可傳輸?shù)碾姶判盘杫(t)傳送到控制器。控制器根據(jù)監(jiān)測單元傳送來的信息，對照事先給定的判斷準(zhǔn)則，進(jìn)行邏輯判斷，以確定應(yīng)當(dāng)如何調(diào)節(jié)輸入量，然后向調(diào)節(jié)單元發(fā)出調(diào)節(jié)指令e(t)。執(zhí)行器則根據(jù)控制器傳遞過來的指令，通過輸出信號q(t)對被控對象的輸入進(jìn)行改變[19]。

被控對象、監(jiān)測變送單元、控制器和執(zhí)行器共同構(gòu)成了反饋控制系統(tǒng)的四個基本要素。

2.2 控制對象及控制對象運行機(jī)理的分析

要想將控制論與安全生產(chǎn)相結(jié)合，首先必須確定合適的控制對象，并弄清控制對象的運行機(jī)理，否則安全控制論就成了無基之石，無從談起。

在安全生產(chǎn)領(lǐng)域，被控對象可以是一個具體的危險源，也可以是一個車間或一個企業(yè)，也可以是一個地區(qū)甚至整個國家。不同的被控對象和不同的控制目的，所對應(yīng)的控制系統(tǒng)也不相同。同一控制對象、相同控制目的由于控制手段不同其控制體系也不同，如為了使壓力容器不發(fā)生物理爆炸，可以監(jiān)測壓力值，并當(dāng)壓力達(dá)到某個臨界值時進(jìn)行泄壓控制，也可以進(jìn)行降溫控制。

對于企業(yè)安全生產(chǎn)基礎(chǔ)工作，其控制對象應(yīng)該確定為危險源。

作者在文獻(xiàn)[20]中通過對各種危險源定義的比較并結(jié)合安全基本原理將危險源定義為可能導(dǎo)致事故發(fā)生的能量或能量載體。并在這一危險源定義的基礎(chǔ)上，分析了危險源發(fā)生為事故的機(jī)理，即危險源觸發(fā)鏈條理論。該理論認(rèn)為，事故的發(fā)生正是初始事故觸發(fā)危險源和N 級……一級觸發(fā)危險源相繼觸發(fā)的結(jié)果，事故觸發(fā)模型如圖2中虛線方框所示(具體參看文獻(xiàn)[20])。從危險源觸發(fā)鏈條理論來看，只要采取措施使觸發(fā)鏈條斷裂則事故就不會發(fā)生，讓事故觸發(fā)鏈條斷裂的方法通常有兩種：一是減小觸發(fā)能量或者完全隔離，例如觸電事故中減小觸電電壓；二是使被觸發(fā)危險源的能量更加穩(wěn)定，超過觸發(fā)危險源的觸發(fā)能力，例如高處作業(yè)時設(shè)置欄桿，即使有大風(fēng)刮人也不會墜落。

2.3 危險源控制理論及控制體系的可靠性

在該觸發(fā)模型中，理論上可以對直接危險源或任一級觸發(fā)危險源建立控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制的目標(biāo)就是使觸發(fā)危險源不產(chǎn)生觸發(fā)能量或觸發(fā)能量低于某一閾值(直接危險源對被保護(hù)對象的作用也是如此)，但實際上對于某類事故，直接危險源是確定的，而觸發(fā)危險源可以有很多種形式，如瓦斯爆炸事故，瓦斯是直接危險源，而觸發(fā)危險源的火源又很多種，因此在選擇控制對象時，選擇直接危險源更加明確和節(jié)約。

圖2 事故觸發(fā)模型與直接危險源反饋控制模型

針對某類事故的直接危險源可以建立如圖2所示的反饋控制模型，直接或觸發(fā)危險源一般都處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)，控制體系的設(shè)計就是要從能量意外釋放的條件著手，例如壓力容器里的氣體內(nèi)能正常狀態(tài)下是被封閉的容器壁所控制的，氣體內(nèi)能意外釋放的條件是其壓力超過某一危險閾值。因此監(jiān)測機(jī)構(gòu)需要監(jiān)測壓力，決策機(jī)構(gòu)有兩個輸出，一是壓力值大于某個警戒閾值時，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全閥或者降溫系統(tǒng)等發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作使壓力降到安全的范圍內(nèi)；二是如果壓力繼續(xù)上升，達(dá)到警戒閾值，說明該控制體系失效(控制體系不可靠，即存在安全隱患)，此時決策機(jī)構(gòu)要發(fā)出警報指令，啟動企業(yè)應(yīng)急程序。

對于一個被控對象，其監(jiān)測變送單元、控制器和執(zhí)行器可以是物理的機(jī)械設(shè)備裝置，也可以是由人或與機(jī)械設(shè)備裝置組合成的管理控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)具有層級性和組合性，例如企業(yè)對其內(nèi)部的危險源建立控制體系，地方政府對轄區(qū)內(nèi)的企業(yè)建立控制體系，國家可以對各省建立控制體系等等。一個控制系統(tǒng)的輸出可以作為另一個控制系統(tǒng)的輸入，組成串聯(lián)控制，或?qū)ν槐豢貙ο蠼M成并聯(lián)控制系統(tǒng)，從而提高控制系統(tǒng)的可靠性。

實際上直接危險源的參數(shù)監(jiān)測達(dá)到某個閾值的時候還可以向其他觸發(fā)危險源控制體系中的發(fā)出預(yù)警信息，因此其發(fā)生事故的概率計算更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究。

3 基于安全控制論的施工現(xiàn)場危險源控制案例分析

根據(jù)安全控制論，我國施工現(xiàn)場的安全管理是典型的多層級反饋控制，其控制的層級由低到高分別為：班組控制、施工隊控制、項目部控制(施工企業(yè)控制)和地方到中央政府控制。越低層級的控制其控制的對象越少，其掌握的資源越少，但是對其控制對象的安全影響卻越大。這是控制的主線，除此以外還有建設(shè)單位、設(shè)計單位以及材料設(shè)備供應(yīng)商，特別是監(jiān)理單位對現(xiàn)場危險源控制起到的作用更大。

對于一個施工現(xiàn)場，施工項目部是所在施工項目現(xiàn)場的安全生產(chǎn)責(zé)任主體?；谇笆霭踩刂评碚撗芯?，提出施工現(xiàn)場“安全生產(chǎn)管理三步法”，即：第一步，危險源辨識：現(xiàn)場可能發(fā)生什么事故，事故發(fā)生的原因、經(jīng)過及后果，即確定施工現(xiàn)場具有的各種直接危險源及其發(fā)生事故的機(jī)理；第二步，危險源控制體系建立：針對辨識出來的危險源及其發(fā)展為事故的機(jī)理，根據(jù)其事故嚴(yán)重程度劃分危險源等級，建立包括技術(shù)和管理在內(nèi)的反饋控制系統(tǒng)，危險源危險性越大，其建立的控制體系可靠性應(yīng)越高；第三步，危險源控制體系維護(hù)：對危險源控制系統(tǒng)的檢測、決策和執(zhí)行機(jī)構(gòu)及各機(jī)構(gòu)之間信息傳遞的可靠性進(jìn)行檢查、維修和維護(hù)。

完成上述工作就能確保施工現(xiàn)場各種危險源得到有效控制，不會發(fā)生事故。而要完成上述工作就需要將上述工作進(jìn)行任務(wù)分解，并將各項任務(wù)落實到具體的人員負(fù)責(zé)。

下面按照“安全管理三步法”對清華附中體育館現(xiàn)場的坍塌事故進(jìn)行分析。

第一步：辨識危險源。危險源辨識是施工現(xiàn)場安全管理人員的一項重要職責(zé)，很多事故發(fā)生都是由于危險源辨識不充分造成的，由于工程施工具有動態(tài)性，新的危險源不斷產(chǎn)生和變化，這就給危險源辨識帶來更大的難度，如果危險源沒有得到充分辨識，危險源控制就無從談起。

事故調(diào)查報告表明，現(xiàn)場鋼筋可能會發(fā)生坍塌的危險源已經(jīng)得到辨識，該危險源發(fā)展為事故的機(jī)理是由于筏板基礎(chǔ)鋼筋體系上方堆積物的重量會超過鋼筋體系的強(qiáng)度或穩(wěn)定性，導(dǎo)致重力勢能意外釋放。

第二步：建立該危險源的控制體系。針對該直接危險源的特點，為了預(yù)防該事故的發(fā)生，從理論上來說，一方面需要鋼筋體系上的荷載要小，且受力均勻不產(chǎn)生集中荷載，另一方面鋼筋體系的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要提高?，F(xiàn)場管理人員的技術(shù)交底也確實提出了相應(yīng)的措施。但是到底多大不超限，沒有量的界限，沒有相應(yīng)的監(jiān)測機(jī)構(gòu)，主要還是憑經(jīng)驗，所以現(xiàn)場建立的這種控制體系不是完備的反饋控制，因此，其發(fā)生事故帶有必然性。盡管，目前沒有針對這種危險源建立反饋控制的較成熟的技術(shù)手段，但危險源控制理論為其指明了研究的方向。事故調(diào)查報告顯示，在作業(yè)過程中鋼筋體系發(fā)生明顯的偏移，這可以作為鋼筋體系失穩(wěn)的物理變量[21]，但并沒有引起足夠的重視。

在沒有相應(yīng)技術(shù)手段時，可以建立起管理的反饋控制體系，提高危險源控制的可靠性，針對這種危險源，依靠經(jīng)驗和力學(xué)估算，確定能承受的安全荷載，從而計算鋼筋的碼放密度，編制施工方案，并將方案向下交底，同時對現(xiàn)場的實施情況進(jìn)行監(jiān)督檢查。

就現(xiàn)有技術(shù)和管理手段，針對這一鋼筋體系可能發(fā)生坍塌事故的重要危險源，對照圖2項目部可建立如圖3所示的控制體系。

圖3 鋼筋體系坍塌事故危險源控制體系

第三步：控制體系可靠性分析及維護(hù)。圖3所示的控制體系主要是通過組織中的人的行為來實現(xiàn)的，關(guān)系到人的行為可靠性問題，包括領(lǐng)導(dǎo)行為、組織行為和個體行為，為了提高這個控制體系的可靠性，需要加強(qiáng)組織安全文化建設(shè)，加強(qiáng)組織管理等等[22]。該控制體系中的接口模型主要是通過安全生產(chǎn)責(zé)任制來確定和實現(xiàn)的。事故調(diào)查報告也顯示，這起事故的發(fā)生正是“施工現(xiàn)場管理缺失、備案項目經(jīng)理長期不在崗、專職安全員配備不足、經(jīng)營管理混亂、項目監(jiān)理不到位”等造成的。

為了提高上述危險源控制體系的可靠性，監(jiān)理的監(jiān)督，政府主管部門的監(jiān)督檢查及安全員的巡視都能起到并聯(lián)控制的作用，由式(1)可知，并聯(lián)控制體系能提高其控制的可靠性。

4 結(jié)論

正如維納所說，隨著熵的增大，宇宙和宇宙中的一切閉合系統(tǒng)將自然地趨于變質(zhì)并且喪失掉它們的特殊性，從最小的可幾狀態(tài)運動到最大的可幾狀態(tài)，秩序是最小可幾的，混沌是最大可幾的[23]。在安全生產(chǎn)領(lǐng)域，事故是最大可幾的，事故的控制正是使危險源處于最小可幾的逆熵過程。

(1)控制體現(xiàn)的是人在認(rèn)識和利用事物發(fā)展規(guī)律并通過人的干預(yù)(勞動和服務(wù))使事物按照人事先設(shè)想的方向發(fā)展前進(jìn)的主動性、秩序性。事故預(yù)防也一樣，事故也有其發(fā)展規(guī)律，這就是危險源發(fā)展為事故的規(guī)律，即經(jīng)過初始觸發(fā)危險源到觸發(fā)危險源到直接危險源的觸發(fā)規(guī)律，利用這一規(guī)律如何控制危險源，預(yù)防事故的發(fā)生，這就是控制論在事故預(yù)防中的應(yīng)用。

(2)控制論是一門新興的學(xué)科，在諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用并取得豐碩成果。本文從危險源定義出發(fā)，將危險源確定為企業(yè)微觀安全控制的對象，并與危險源觸發(fā)事故鏈模型相結(jié)合，找到了一個新的安全生產(chǎn)與控制論結(jié)合點，豐富了危險源理論、事故致因理論、安全設(shè)計和安全控制論。危險源控制理論提出可以為以往含混不清的概念提供新解，如隱患可界定為危險源控制系統(tǒng)不完備或不可靠，而人的不安全行為是針對某個事故觸發(fā)鏈條而言的，人的不安全行為可能成為其中的初始觸發(fā)危險源或破壞原有控制體系的能量，物的不安全狀態(tài)是指直接危險源沒有建立有效的控制體系，或控制體系中的某個或某些環(huán)節(jié)存在問題，管理缺陷則是指對人或物的軟的控制體系不完備或可靠性差。相信安全控制論或危險源控制論還會有更加廣闊的研究前景。

(3)本文所提“安全管理三步法”理論能很好的指導(dǎo)施工現(xiàn)場的安全生產(chǎn)實踐，能為施工現(xiàn)場提高安全生產(chǎn)水平理清思路，指明研究的方向，該理論的進(jìn)一步完善還需要更多學(xué)者和現(xiàn)場人員的參與。企業(yè)安全生產(chǎn)工作的主線就是危險源辨識、危險源控制體系設(shè)計和控制體系可靠性提高，控制體系可以很復(fù)雜包括各級觸發(fā)危險源和初始觸發(fā)危險源等都建立控制系統(tǒng)，也可以建立只針對直接危險源的控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的人還可以建立相應(yīng)管理的軟控制系統(tǒng)。應(yīng)用較多的控制體系是典型的反饋控制，即有監(jiān)測、決策和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

本研究對企業(yè)和政府的安全生產(chǎn)工作都會有理論指導(dǎo)和借鑒作用。

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Research on Cybernetics of Safety and its Implications in Construction Site

ZHANG Yue-bing

(SafetyEngineeringSchool,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology,Yanjiao,101601,China)

In order to further improve the logicality and systematicness of the accident cause analysis, and to provide clear theoretical basis and practical guidance for the accidents prevention and safety production, through case analysis and logical reasoning, seizing the essential characteristic of the accident which is the energy unexpected release of the hazard, the hazard trigger chain theory is created. And on this basis, combining with cybernetics, the safety cybernetics is put forward. Furthermore, it is applied to the practice of enterprise safety management, and the three-step method of safety production management is obtained, which is the identification of hazard, the design of the control system and the maintenance of the control system. Confirmed through the analysis of typical construction accidents case, this theory not only can provide new theoretical basis and reference for the enterprise working safety practice and government supervision, but also can provide a new explanation for some fuzzy concepts in safety academic circle, such as hidden danger, unsafe behavior of human, unsafe condition of object and management defects. This theory further improves and enriches the theory of safety control, safety design, reliability, etc., it also has broad application prospects in the field of accident investigation and accident analysis.

hazard; safety control theory; accident causation; accident prevention; safety design

2017-01-15

廊坊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計劃(第二批)自籌經(jīng)費項目(2016013115)

張躍兵(1973-)，男，安徽無為人，博士，華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院講師，主要從事危險源理論、應(yīng)急救援和事故調(diào)查處理及現(xiàn)場安全管理方面的研究。E-mail:zyb8562@126.com

X936

A

1672-7169(2017)02-0078-06