熵權(quán)和DEMATEL耦合的塔機(jī)操作安全人因影響因素分析

王春燕，危 寧

(1.三峽大學(xué)科技學(xué)院，湖北宜昌43002；2.湖北特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)研究院宜昌分院，湖北宜昌443002)

0 引 言

塔機(jī)作為建筑業(yè)常用起重設(shè)備，操作專業(yè)性強(qiáng)，危險(xiǎn)性大，塔機(jī)安全事故時(shí)有發(fā)生[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人因操作失誤是塔機(jī)安全事故的主要誘因。

目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞塔機(jī)的安全事故的成因開展了一定的研究。楊悅等在塔式起重機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型研究中應(yīng)用Maple數(shù)學(xué)軟件建立了動(dòng)力學(xué)模型[1]；劉曉光等采用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性分析，應(yīng)用數(shù)值算例，比較在不同載荷組合下各工況的主要失效模式[2]；陳述等在三峽升船機(jī)貝雷架吊裝作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知研究中，應(yīng)用模糊檢測(cè)提出塔機(jī)駕駛作業(yè)人員風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知能力檢測(cè)模型[3]；郝麗娜等在多塔機(jī)智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)中將防碰撞算法應(yīng)用于塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)中[4]；張青春等依據(jù)建設(shè)工程塔吊安全監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，將專用WSN節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于設(shè)計(jì)，結(jié)合ZigBee技術(shù)于塔吊安全監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力、位移和距離監(jiān)測(cè)功能[5]；宋雙雙等建立社會(huì)分析評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重體系時(shí)，綜合個(gè)人因素、環(huán)境因素、管理因素，應(yīng)用DEMATE方法建立模型[6]；王宏偉等針對(duì)現(xiàn)有塔機(jī)安全監(jiān)測(cè)存在的抗干擾能力差、實(shí)時(shí)性不足等問題，提出一種基于聲發(fā)射的塔吊安全檢測(cè)方法[7]；倪麗莎等采用VC嵌入OPENGL技術(shù)，研究面向施工現(xiàn)場(chǎng)的塔式起重機(jī)安全監(jiān)管信息系統(tǒng)[8]；王春雪等研究了情緒對(duì)建筑工人故意違章行為的影響，設(shè)計(jì)情緒對(duì)故意違章行為影響實(shí)驗(yàn)，分析不同情緒狀態(tài)下建筑工人的故意違章行為風(fēng)險(xiǎn)傾向[9]；張國寶等在鐵路行車人因事故關(guān)鍵因素實(shí)證分析中，綜合運(yùn)用信息熵和DEMATEL法，依據(jù)人員認(rèn)知行為理論和人因失誤SRK模型構(gòu)建鐵路行車人因事故認(rèn)知行為模型[10]。

以上研究成果為塔機(jī)安全事故成因分析奠定了一定的基礎(chǔ)，但對(duì)安全事故的成因研究還主要集中在對(duì)策分析、技術(shù)展望、指標(biāo)構(gòu)建、方法融合的初步階段，研究成果也大多集中在對(duì)塔機(jī)操作安全檢測(cè)，對(duì)于深入分析安全事故的關(guān)鍵影響因素和建立客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面，傳統(tǒng)的分析方法還并不能完全適用。一是在塔機(jī)操作安全事故人因分析與評(píng)價(jià)時(shí)研究影響因素的較多，而系統(tǒng)深入地分析其中關(guān)鍵因素的較少；二是在進(jìn)行鐵路人因事故評(píng)價(jià)時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)過多依賴于主觀分析，在因果關(guān)系分析時(shí)忽略了因變量之間的相互作用。

表1 塔機(jī)安全操作影響因素綜合指標(biāo)體系

鑒于此，筆者運(yùn)用信息熵和DEMATEL耦合的方法建立關(guān)鍵因素影響識(shí)別模型，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)做實(shí)證分析，以期對(duì)塔吊安全事故的成因進(jìn)行分析，確定塔機(jī)操作安全事故人因關(guān)鍵因素模型、有助于判別人因事故成因的可靠性，降低安全事故的發(fā)生率。

1 建立塔機(jī)安全操作人因影響因素指標(biāo)體系

塔機(jī)安全施工的發(fā)生原因分析中，人因因素的分析一直是重點(diǎn)，而剖析哪些因素會(huì)對(duì)人的行為產(chǎn)生影響尤為關(guān)鍵。按照認(rèn)知行為理論，人的行為是一個(gè)不同過程和階段的動(dòng)態(tài)分析和處理的認(rèn)知心理過程，在認(rèn)知過程中的任一環(huán)節(jié)產(chǎn)生失誤，如果未及時(shí)地處理和應(yīng)對(duì)，最終都會(huì)導(dǎo)致人的行為出現(xiàn)偏差[11]。

塔機(jī)安全操作的認(rèn)知行為可分為信息感知、信息分析、信息決策和信息執(zhí)行四個(gè)階段，信息感知和信息執(zhí)行屬于技能型層次的認(rèn)知行為，信息分析和信息決策屬于規(guī)則型及知識(shí)型等層次的認(rèn)知行為[12]。塔機(jī)作業(yè)作為專業(yè)性較強(qiáng)的特種作業(yè)，以操作的駕駛員為主導(dǎo)，與地面操作人員相互配合，通過操作系統(tǒng)來完成相應(yīng)的任務(wù)，其中，操作個(gè)體、塔機(jī)設(shè)備、操作任務(wù)、工作環(huán)境、操作組織等相互影響，導(dǎo)致塔機(jī)安全事故人因影響系統(tǒng)有可能受某一具體因素影響，也有可能是多因素綜合作用的結(jié)果[13]。

據(jù)此，本文依據(jù)認(rèn)知行為，并綜合運(yùn)用安全行為學(xué)、系統(tǒng)工程等相關(guān)理論，通過大量塔機(jī)作業(yè)安全事故的案例統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)建設(shè)工程塔機(jī)作業(yè)特點(diǎn)，綜合應(yīng)用認(rèn)知行為理論、人因工程的理論，遵循評(píng)價(jià)的系統(tǒng)性、科學(xué)性等原則，建立的指標(biāo)體系如表1所示。

2 基于熵權(quán)和DEMATEL的塔機(jī)安全操作人因影響因素分析模型

塔機(jī)操作安全的誘發(fā)因素既有可能受某一具體因素影響，也有可能是多因素綜合影響的結(jié)果。本文將熵權(quán)法和DEMATEL兩種主觀和客觀方法結(jié)合，提出一種基于信息熵和DEMATEL耦合的關(guān)鍵影響因素識(shí)別建模方法，量化因素間的間接關(guān)系，使組合權(quán)重值更加客觀有效。

2.1 信息熵計(jì)算因素權(quán)重

(1)單因素影響指標(biāo)評(píng)價(jià)。首先要求有工作經(jīng)驗(yàn)的專家進(jìn)行獨(dú)立打分，假定各個(gè)因素對(duì)安全的影響程度為1～5的范圍，分別代表“沒有影響”到“很大影響”，得到單指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣M。

(2)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

(1)

式中，xij為安全影響事故影響因素的標(biāo)準(zhǔn)化值；Pij為第j項(xiàng)第i年份指標(biāo)值的比重；m為待評(píng)方案?jìng)€(gè)數(shù)。

(3)求指標(biāo)信息熵

(2)

式中，K為常數(shù)，K=1/ln(m)；Ej為塔機(jī)安全事故影響因素的信息效用。

(4)求指標(biāo)權(quán)重

(3)

式中，Wj為第j項(xiàng)塔機(jī)操作安全事故影響因素指標(biāo)的權(quán)重；dj為1-Ej。

2.2 DEMATEL計(jì)算綜合影響關(guān)系

(1)建立直接影響矩陣A。建立塔機(jī)施工過程中人因事故影響因素間的直接影響關(guān)系矩陣，每一個(gè)打分者都會(huì)得到一個(gè)直接影響矩陣，計(jì)算所有相同因素的均值求得平均矩陣A。假設(shè)0，1，2，3，4分別代表“無直接影響關(guān)系”“關(guān)系較弱”“關(guān)系一般”“關(guān)系很強(qiáng)”“關(guān)系極強(qiáng)”。由檢驗(yàn)專家對(duì)各影響因素兩兩比較，判斷要素的直接影響程度，確定各因素間的作用關(guān)系，建立直接影響矩陣。

(2)求標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X。依據(jù)公式(4)，規(guī)范化直接矩陣A可得

(4)

式中，aij為矩陣A第i個(gè)方案第j個(gè)指標(biāo)的數(shù)值；n為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

(3)求綜合影響矩陣T。求得標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X后，可得到綜合影響矩陣

T=X(I-X)-1

(5)

式中，I為單位矩陣。

(4)求中心度和原因度。計(jì)算第i個(gè)塔機(jī)安全事故影響因素的影響度fi和第j個(gè)塔機(jī)安全事故影響因素的被影響度ej。

(6)

(7)

由fi+ej可得因素i在系統(tǒng)評(píng)價(jià)中的重要性排序。fi-ej為系統(tǒng)評(píng)價(jià)中該因素與其他因素的因果關(guān)系，若為正，則為原因因素，對(duì)其他因素產(chǎn)生影響；若為負(fù)，則為結(jié)果因素。mi=(fi+ej)和ni=(fi-ej)分別稱為中心度和原因度。

2.3 綜合信息熵和DEMATEL求組合權(quán)重

依據(jù)信息熵求得的熵權(quán)排序、DEMATEL獲得的中心度和原因度，綜合兩者，用加權(quán)乘法求組合權(quán)重

(8)

3 案例應(yīng)用

3.1 實(shí)證分析

通過實(shí)際調(diào)研，特邀宜昌市特種設(shè)備檢驗(yàn)所的5位有10年以上工作經(jīng)驗(yàn)的檢驗(yàn)師和5位有5年以上工作的檢驗(yàn)員進(jìn)行獨(dú)立打分，專家根據(jù)每個(gè)因素的影響程度進(jìn)行賦值，獲得如下一個(gè)10×12的評(píng)價(jià)矩陣。

(1)通過式(1)和式(2)計(jì)算指標(biāo)熵值，得到(0.989 49，0.998 17，0.990 20，1.005 93，0.997 96，1.004 55，1.006 01，0.999 20，0.989 99，0.990 85，0.998 32，0.977 44)。

(2)由式(3)獲得各指標(biāo)的最終熵權(quán)為(0.083 497，0.083 396，0.083 441，0.083 637，0.083 507，0.083 566，0.083 58，0.083 47，0.083 47，0.083 257，0.083 51，0.081 701)。

(3)同時(shí)，要求宜昌市特種設(shè)備檢驗(yàn)所的10位檢驗(yàn)專家根據(jù)各個(gè)指標(biāo)間的相互影響程度進(jìn)行賦值，獲得平均矩陣，即

表2 中心度和原因度

(4)確定各因素之間的直接影響關(guān)系。根據(jù)10位特檢人員的專家的討論結(jié)果，判斷因素的有向關(guān)系圖。其中無=0，弱=1，中=2，強(qiáng)=3，極強(qiáng)=4。A=(aij)n*n，其中，aij表示Fi因素對(duì)Fj因素的影響程度，aij=0，1，2，3或4，依據(jù)式(4)把直接矩陣A規(guī)范化得X。

(5)計(jì)算綜合影響矩陣T。通過式(5)應(yīng)用EXCEL的矩陣計(jì)算函數(shù)，求得因素間的總影響關(guān)系矩陣T。

(6)根據(jù)總影響關(guān)系矩陣T，依據(jù)式(6)和式(7)計(jì)算中心度和原因度，計(jì)算結(jié)果見表2。

(7)由于DEMATEL考慮指標(biāo)間的影響程度，中心度表示指標(biāo)在系統(tǒng)中的重要程度，所以通過式(8)用中心度的修正式所得的最終熵權(quán)值，求得最終組合權(quán)重見表3。

3.2 分析結(jié)果

由表2、3可知：

(1)12個(gè)安全致因中，設(shè)備本體的組合權(quán)重最大，這意味著設(shè)備本體的情況，塔機(jī)的新舊程度、使

表3 熵權(quán)及組合權(quán)重

用年限、金屬結(jié)構(gòu)、安全保護(hù)裝備是否齊全、有效在整個(gè)影響關(guān)系中至關(guān)重要，同時(shí)它很容易受到其他影響因素的間接影響，這也符合現(xiàn)實(shí)的操作情況。專業(yè)經(jīng)驗(yàn)顯示，操作人員是否符合規(guī)程、操作環(huán)境好壞對(duì)設(shè)備本體都有很大的影響。

(2)因素塔機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)狀況的相對(duì)重要程度在設(shè)備本體之下，基礎(chǔ)狀況f+e值排第二，它的f-e也為負(fù)值，這表示基礎(chǔ)狀況這個(gè)因素受其他因素的影響，當(dāng)塔機(jī)設(shè)備基礎(chǔ)狀況不佳時(shí)，就更容易影響塔機(jī)操作的安全。

(3)使用作業(yè)是否符合規(guī)章制度在表中排第3位，使用作業(yè)的f-e為負(fù)值，說明與塔機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)狀況一樣為結(jié)果因素，很容易受到其他安全致因的影響。使用作業(yè)如果不符合安全規(guī)范，產(chǎn)生安全事故的概率會(huì)急劇上升。

(4)塔機(jī)安裝作業(yè)是否符合規(guī)章制度和作業(yè)人員資格經(jīng)驗(yàn)的影響僅次于使用作業(yè)是否符合規(guī)章制度。f+e的值在平均值之上，f-e為正值，這說明安裝作業(yè)規(guī)范性和安裝人員的經(jīng)驗(yàn)直接影響著其他安全致因，屬于原因要素，安全管理應(yīng)予以高度重視，做出合理的管理。

4 結(jié) 論

本文綜合認(rèn)知行為理論和人因工程理論，構(gòu)建塔機(jī)安全操作人因影響因素模型，綜合應(yīng)用信息熵和DEMATEL法，針對(duì)塔機(jī)操作人因事故中的信息感知、信息分析、信息決策和信息執(zhí)行4個(gè)階段的影響因素做分析。分析結(jié)果表明，設(shè)備本體、基礎(chǔ)狀況、使用作業(yè)是否符合規(guī)章制度，安裝作業(yè)是否符合規(guī)章制度，安裝作業(yè)人員的資格和經(jīng)驗(yàn)是造成塔機(jī)安全事故的主要原因。

(1)在信息感知、信息分析、計(jì)劃與決策、執(zhí)行過程四個(gè)階段中，塔機(jī)操作安全事故既受某一因素所影響，又受各影響因素相互作用的影響。通過信息熵賦予影響因素指標(biāo)權(quán)重，采用DEMATEL 修正熵權(quán)值，更有效客觀地分析塔機(jī)操作安全事故的關(guān)鍵影響因素，為塔機(jī)的安全操作提供安全預(yù)警和防范機(jī)制。

(2)從信息感知、信息分析、計(jì)劃與決策、執(zhí)行過程等層面的12個(gè)影響因素出發(fā)，應(yīng)用信息熵和DEMATEL，通過對(duì)湖北省宜昌市塔機(jī)作業(yè)安全事故的案例統(tǒng)計(jì)分析，表明設(shè)備本體情況、塔機(jī)設(shè)備的基礎(chǔ)狀況、使用作業(yè)是否符合規(guī)章制度塔機(jī)安裝作業(yè)的操作是安全事故的關(guān)鍵的人因影響因素。

(3)利用分析結(jié)論，塔機(jī)操作和安全管理人員可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)塔機(jī)的安全操作情況進(jìn)行評(píng)估跟進(jìn)，為減少塔機(jī)安全事故的形成和現(xiàn)場(chǎng)安全管理防范提供有效可靠的理論依據(jù)。