建筑施工事故預防學習系統(tǒng)研究

孫祖航 孫世梅，2教授 楊 娜，3副教授 馮子陽 邱升恒

(1.吉林建筑大學 事故預防科學研究院，吉林 長春 130119；2.吉林建筑大學 應急科學與工程學院，吉林 長春 130119；3.吉林建筑大學 電氣與計算機學院，吉林 長春 130119)

0 引言

我國建筑業(yè)發(fā)展迅速，但由于建筑施工人員普遍存在職業(yè)技能、專業(yè)素養(yǎng)和文化程度較低等問題，導致建筑業(yè)施工事故頻發(fā)，造成人員傷亡和經(jīng)濟損失的嚴重后果。建筑施工事故頻發(fā)的根源在于安全生產(chǎn)管理上存在諸多缺陷，從而導致人的不安全行為。因此，以計算機相關技術為導向，以建筑企業(yè)安全培訓、安全監(jiān)管為主要內(nèi)容，以維護建筑業(yè)安全生產(chǎn)、減少建筑安全事故為目的，建立事故預防學習系統(tǒng)，全面推進建筑安全教育培訓信息化建設是大勢所趨。

預防事故的關鍵在于研究人的行為安全。行為安全領域的學者研究表明，88%的事故是由人的不安全行為引起的[1]。近幾十年，國內(nèi)外學者對事故預防和培訓系統(tǒng)的設計進行大量研究。Clevenger等[2]通過建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)和3D技術開發(fā)安全培訓模塊來降低新員工以及文化程度較低者事故率；Rocha等[3]通過研究表明培訓系統(tǒng)要因人而異制定培訓方案；吳瓊等[4]以行為安全“2-4”模型為理論依據(jù)，構建煤礦行業(yè)相關的行為安全事故預防培訓系統(tǒng)，為煤礦安全提供保障；陳秀珍[5]結合建筑施工企業(yè)安全培訓現(xiàn)狀，探討行為安全“2-4”模型在建筑施工企業(yè)安全培訓中的應用，指出安全培訓過程必須由企業(yè)安全部門以外的第三方進行監(jiān)督，以確保企業(yè)安全培訓的有效性；丁漢祥等[6]搭建遠程培訓體系，通過實踐驗證此模式不僅有效提升培訓的覆蓋范圍，同時具備引導企業(yè)組織和個人對于安全隱患進行自查自改的功能，進一步證明遠程安全培訓的便捷性和有效性；雙林熠[7]基于情境學習理論完成對建筑工人用電安全培訓系統(tǒng)的開發(fā)，為工人提供逼真的虛擬學習環(huán)境，創(chuàng)設有意義的任務情境，降低工人認知難度，提高工人學習興趣，是對建筑工人施工安全培訓有意義的探索；王建豪等[8]提出個人行為控制技術，旨在通過消除個人層面的不安全動作進行事故預防，并研發(fā)煤礦事故預防個人行為控制培訓系統(tǒng)。

上述學者對事故預防的研究多數(shù)都把管理手段和技術手段分開研究，沒有將兩者相結合開展研究，并且當前對于搭建培訓系統(tǒng)的研究存在一定局限性。因此，本文運用行為安全“2-4”模型事故致因理論分析建筑事故的成因以及事故中違反的規(guī)章制度，建立不安全行為原因的數(shù)據(jù)庫；通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和方案設計，建立建筑施工事故預防學習系統(tǒng)，為安全培訓信息化提供指導，最后通過結構方程模型(Structural Equation Model，SEM)評價分析該學習系統(tǒng)的有效性，從而進一步提升建筑施工人員的職業(yè)技能和專業(yè)素養(yǎng)，為建筑企業(yè)事故預防和培訓學習提供強有力支撐。

1 建筑施工事故預防學習系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用語法較為簡潔的Java語言進行軟件開發(fā)，操作系統(tǒng)為Windows Server 2008 32位或以上，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server 2008 32位或以上。

1.1 總體架構設計

建筑施工事故預防學習系統(tǒng)的總體架構參考石油、煤礦等生產(chǎn)領域信息化的結構設計[9]，采用分層架構的形式，分為用戶層、業(yè)務應用層、應用支撐層、數(shù)據(jù)層和基礎支撐系統(tǒng)5個層級，各層級間分工獨立，層與層之間通過軟件接口通信。

用戶層主要針對系統(tǒng)管理人員、在校師生、建筑企業(yè)相關領導、建筑企業(yè)安全管理人員、企業(yè)員工這5類人群設計；業(yè)務應用層是系統(tǒng)的主要功能層，用戶在系統(tǒng)中進行的各種操作都是由該層級實現(xiàn)，包含5個模塊，下設18個功能項，比如事故樣本管理、原因分析管理、行業(yè)法規(guī)管理、視頻學習管理等，其他層級都是實現(xiàn)此層級的技術支撐；應用支撐層作為系統(tǒng)不可或缺的層級，為系統(tǒng)各層級間的有效協(xié)作提供技術支撐；數(shù)據(jù)層主要包含系統(tǒng)中的各類數(shù)據(jù)庫，例如事故數(shù)據(jù)庫、原因數(shù)據(jù)庫、法規(guī)數(shù)據(jù)庫等7個數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存貯提供龐大的空間；基礎支撐系統(tǒng)為系統(tǒng)整體運行提供網(wǎng)絡、通信、存儲等基礎保障。建筑施工事故預防學習系統(tǒng)的總體架構，如圖1。

圖1 建筑施工事故預防學習系統(tǒng)架構示意圖Fig.1 The architecture diagram of the learning system for the accident prevention of the building construction

1.2 系統(tǒng)功能設計

本系統(tǒng)的業(yè)務范圍是針對建筑業(yè)的安全培訓，為了在系統(tǒng)總體架構的基礎上更好地實現(xiàn)系統(tǒng)功能，在系統(tǒng)功能建設方面保持線性規(guī)則，其功能設計主要包括培訓資料數(shù)據(jù)管理、信息瀏覽論壇交流、安全知識學習培訓、安全教育培訓考核和支持決策5大功能板塊。具體操作如下：在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中上傳事故案例及調查報告、法規(guī)標準、管理制度、操作技能等培訓資料，同時具備刪除、修改等操作功能；通過通知公告、新聞摘要、安全社區(qū)、郵件系統(tǒng)等方式保障系統(tǒng)用戶間信息的交流互動，用戶可以探討、發(fā)表對系統(tǒng)培訓資料的理解與想法；根據(jù)培訓計劃進行全面系統(tǒng)的培訓學習，提升職業(yè)技能；系統(tǒng)自動判斷學習進度生成考題，建筑施工人員可在線上進行相關考試，然后系統(tǒng)自動判卷；最終系統(tǒng)對事故案例、培訓進度、考核成績等進行統(tǒng)計分析，建筑企業(yè)相關領導可根據(jù)分析結果安排后續(xù)工作的決策部署，間接實現(xiàn)對事故的預測預警，進而及時排查、完善、處理企業(yè)內(nèi)部存在的安全隱患，為企業(yè)和行業(yè)發(fā)展做好保障。其中的安全知識學習培訓、安全教育培訓考核和決策支持3個功能板塊是基于主要行為原因而有計劃、有針對性的設計，具體建筑施工事故預防學習系統(tǒng)功能的設計，如圖2。

圖2 建筑施工事故預防學習系統(tǒng)功能設計圖Fig.2 The functional design diagram of the learning system for the accident prevention of the building construction

1.3 業(yè)務應用層

基于行為安全“2-4”模型[10]對建筑施工事故不安全行為原因進行系統(tǒng)分析并建立不安全行為原因數(shù)據(jù)庫，基于此開發(fā)業(yè)務應用層的功能。業(yè)務應用層共計5大模塊，包含18個功能項，又在其下設置子模塊83個，以細化業(yè)務功能和管理功能。經(jīng)統(tǒng)計，本系統(tǒng)操作功能總計256項。系統(tǒng)大部分功能需用戶注冊和登錄后才可使用。

1.3.1 基于“2-4”模型建立數(shù)據(jù)庫

選取42起建筑施工物體打擊事故的調查報告，基于行為安全“2-4”模型[10]統(tǒng)計分析個人和組織2個層面不安全行為頻發(fā)的原因和頻次，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和方案設計提供理論依據(jù)。結果表明：物體打擊事故發(fā)生的主要不安全動作以現(xiàn)場安全監(jiān)管缺陷、未組織安全培訓教育、不具備作業(yè)資格、未按照操作規(guī)程施工、現(xiàn)場缺少防護措施5類占比最高，發(fā)生率分別為76.19%、71.43%、52.38%、50.00%、47.62%，5類不安全動作的具體情況，見表1。

從表1可以得出，管理人員以現(xiàn)場安全監(jiān)督檢查不到位和未對一線操作人員安全培訓2項不安全動作發(fā)生頻率較高，分別為66.67%、33.33%；一線作業(yè)人員不安全動作以無特種作業(yè)資格發(fā)生頻率最高為33.33%。行為安全“2-4”模型指出不安全物態(tài)是引發(fā)物體打擊事故的直接原因之一，習慣性不安全行為是事故發(fā)生的間接原因。因此，為有效減少不安全行為，相關管理人員首先做好自身安全建設，要有安全意識，建立合理的安全監(jiān)督制度、安全培訓制度、操作資格考試制度，特別是表1分析得出的事故發(fā)生率較高的行為要有針對性的培訓。

根據(jù)行為安全“2-4”模型可知，安全管理體系缺欠是事故發(fā)生的根本原因。從表2可知，安全監(jiān)查和檢查制度不完善、安全培訓管理制度不健全所占比例最高，分別為15.09%和14.15%，事故預防學習系統(tǒng)要重點對這2點進行教育培訓。

表2 建筑施工物體打擊事故安全管理體系欠缺主要情況分析Tab.2 The analysis of the main lack of the safety management system in object strike accidents

1.3.2 事故樣本和原因分析模塊

建筑事故主要是由不安全行為導致的，因此構建基于行為安全的原因分析模塊必不可少。因建筑事故的基本信息來源是事故調查報告，構建事故樣本模塊有助于事故樣本信息的收集，更有利于對事故發(fā)生時間、地點、傷亡人數(shù)等基礎信息進行統(tǒng)計分析。本系統(tǒng)實現(xiàn)對文本信息的添加、下載、編輯、刪除和電子報告文件的上傳。同時，實現(xiàn)基于事故編號、事故名稱、事故等級、所屬行業(yè)、事故類型5類條件的單一條件和多條件組合檢索的業(yè)務功能，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)的所有信息都可以進行分類分級定位和查找。

原因分析模塊中一部分與事故樣本模塊的基礎信息相一致，另一部分在原有數(shù)據(jù)基礎上建立“新增原因分析”和“原因分析列表”2項子模塊，經(jīng)由專業(yè)分析人員基于行為安全“2-4”模型對事故報告?zhèn)€人層面和組織層面的原因進行分析并分類上傳，保證事故樣本和原因明細的信息匹配。

1.3.3 安全培訓和考核模塊

建筑安全教育培訓和考核是建筑施工事故預防學習系統(tǒng)的主要業(yè)務，為企業(yè)的安全培訓提供統(tǒng)一的工作平臺。安全培訓和考核模塊包括“行業(yè)法規(guī)管理”“理論學習管理”“視頻學習管理”“試題信息管理”和“考核結果管理”5個子模塊。

行業(yè)法規(guī)是對建筑行業(yè)內(nèi)已頒布的相關法律法規(guī)進行整理、歸納，方便系統(tǒng)用戶進行針對性學習。行業(yè)法規(guī)的學習不僅對建筑施工人員起到約束作用，而且能夠保障施工作業(yè)的順利進行。

理論學習管理是對安全各類理論知識進行匯總，具備理論基礎信息展示和詳細內(nèi)容體現(xiàn)2項主要功能。為有效幫助使用者進行知識攝取，可在對應理論知識處添加詳細內(nèi)容說明，包括各類電子文檔、表格、圖片等文件。

視頻學習管理具備對視頻文件的管理編輯和預覽功能。針對參與培訓的不同類型人員，如三類人員、特種作業(yè)人員、院校學生等，根據(jù)其崗位職能進行專項理論和技能視頻課程的推送。

用戶登錄后系統(tǒng)自動判定該用戶的培訓狀態(tài)。對尚未開始培訓的用戶，系統(tǒng)自動生成培訓計劃，包括事故案例材料、法律法規(guī)及標準內(nèi)容、培訓課件等；用戶開始培訓后，系統(tǒng)自動記錄用戶的培訓進度，可以查詢顯示已經(jīng)完成的培訓內(nèi)容和還需要培訓的內(nèi)容；系統(tǒng)可以判斷用戶是否已經(jīng)完成培訓內(nèi)容的學習，學習時間是否滿足培訓要求，合格用戶則會對其開放考核功能。

試題信息管理是由管理人員進行試題的添加管理和組卷管理，同時生成試卷列表管理。為保證試題在投入考核時能有效檢測并鞏固受教育人員的知識掌握程度，管理者會提前編撰每道題目的答案解析。

考核結果管理包括分數(shù)查詢和試卷具體情況查詢?？紤]到培訓人員的數(shù)量和管理需求，管理者可通過人員的賬號、姓名等信息進行多重條件查詢，快速篩選個人考核信息并為每位參與者提供具體應對措施，提高考核管理的效率。

除此之外，業(yè)務應用層還擁有基本信息模塊、信息瀏覽和論壇交流模塊以及安全管理模塊，為用戶劃分、信息采集、用戶間溝通交流以及隱私安全等功能的實現(xiàn)提供有效保障，并為系統(tǒng)整體功能的實現(xiàn)發(fā)揮著重要作用。

1.4 其他層級

本系統(tǒng)涉及到大量人員信息、培訓資料信息、考核信息等數(shù)據(jù)資源的輸入、存儲、傳遞、加工處理、輸出等操作管理，例如事故樣本和原因分析、法律法規(guī)與制度、培訓材料(音頻、視頻、文字等)、培訓考試題庫等數(shù)據(jù)信息，這些必須有序存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后通過數(shù)據(jù)管理(錄入、更新、匯總、過濾等)操作，確保數(shù)據(jù)資源的實時性、準確性、完整性，保障系統(tǒng)工作時的即時訪問與共享。因此，建設系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心是保障和支撐事故預防學習系統(tǒng)的基礎。穩(wěn)定、可靠的系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心是用戶信息、業(yè)務信息和監(jiān)管信息的集中式存儲，數(shù)據(jù)的處理過濾，相關指令的上傳下達，多系統(tǒng)多用戶共享，以及訪問查詢等操作的必要條件。為保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確、完整和連續(xù)，同時兼顧數(shù)據(jù)中心節(jié)約建設成本，系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心采用租用阿里ECS云平臺的模式，大幅減少機房、服務器、防火墻、網(wǎng)絡交換機等硬件設備的投入，同時減少系統(tǒng)運行維護成本和人力成本的支出。

2 培訓結果驗證

為驗證本系統(tǒng)具備安全培訓以及改變不安全行為的功能，通過借鑒SMART(Specific，Measurable，Attainable，Relevant，Time-based)原則、CIPP(Context，Input，Process，Product)評估模型以及企業(yè)安全培訓品牌課程建設的實踐經(jīng)驗，從內(nèi)容、師資、方式、資料、效果5個維度分析系統(tǒng)對安全知識獲取行為的影響。并通過SPSS和AMOS軟件，對假設模型進行驗證性因子分析，探究受教育者安全知識獲取行為的影響因素及其關系。

首先，對模型的參數(shù)變量進行假設。H1：安全培訓內(nèi)容對系統(tǒng)平臺參與用戶安全知識獲取行為有積極影響。H2：安全培訓師資對系統(tǒng)平臺參與用戶安全知識獲取行為有積極影響。H3：安全培訓方式對系統(tǒng)平臺參與用戶安全知識獲取行為有積極影響。H4：安全培訓資料對系統(tǒng)平臺參與用戶安全知識獲取行為有積極影響。H5：安全培訓效果對系統(tǒng)平臺參與用戶安全知識獲取行為有積極影響。

其次，使用李克特五級量表制作問卷并通過網(wǎng)絡發(fā)放問卷220份，收集有效問卷200份，有效回收率為90.1%。采用SPSS23.0軟件對收集到的原始數(shù)據(jù)進行信度分析，得到安全培訓內(nèi)容、師資、方式、資料、效果以及安全知識獲取行為的Cronbach's Alpha值分別為0.838、0.769、0.829、0.831、0.813和0.815，各變量的Cronbach's Alpha系數(shù)均大于0.7，說明樣本數(shù)據(jù)具有良好的內(nèi)部一致性和信度，各問項均可保留。效度是用來衡量用戶打分的正確性和有效性，以及驗證問卷研究內(nèi)容和測量內(nèi)容是否吻合。由表3可知，該問卷的效度KMO為0.779，效度較好；近似卡方Chi-Square為1 403.398；Bartlett的球形度檢驗自由度df為120；顯著性Sig值0.000小于0.01，極度顯著，說明問卷的整體效度良好。

表3 KMO和Bartlett的檢驗Tab.3 The test of the KMO and Bartlett

在信度和效度評價分析均符合標準后，通過AMOS23.0搭建安全知識獲取行為評價SEM模型，擬合度指標評價(見表4)；結構方程模型圖(如圖3)；模型路徑相關系數(shù)，見表5。

表4 模型擬合度指標評價Tab.4 The evaluation of the model fitness index

圖3 安全知識獲取行為評價SEM模型圖Fig.3 The SEM model diagram of the behavior evaluation of the safety knowledge acquisition

表5 模型路徑相關系數(shù)Tab.5 The correlation coefficient of the model path

從表5中可以看出，本研究的測量模型與調研的實際數(shù)據(jù)契合度較高，各指標均符合標準，故模型的適配度良好。安全培訓內(nèi)容、師資、方式、資料、效果對安全知識獲取行為的影響標準化路徑系數(shù)分別為0.250(P<0.01)、0.196(P<0.05)、0.210(P<0.01)、0.200(P<0.01)、0.281(P<0.001)，即5項指標對安全知識獲取行為有正向顯著影響。假設H1、H2、H3、H4、H5均成立。本系統(tǒng)培訓有效性得到驗證。

3 結論

本文設計開發(fā)建筑施工事故預防學習系統(tǒng)，為企業(yè)提供行之有效的安全管理手段。本系統(tǒng)對事故案例和安全標準信息進行收集、分析、存儲、管理，通過數(shù)字化方式幫助企業(yè)管理者對作業(yè)人員進行培訓學習和考核，有效提升企業(yè)安全管理能力，改善從業(yè)人員不安全行為，以建筑安全教育培訓信息化的方式提高建筑安全管理水平，減少建筑施工事故的發(fā)生。

(1)本文選取42起物體打擊事故的調查報告，運用行為安全“2-4”模型統(tǒng)計分析個人和組織2個層面的不安全行為，得出安全監(jiān)督檢查制度不健全、安全培訓管理制度不健全是最主要原因，為系統(tǒng)建立不安全行為原因數(shù)據(jù)庫提供理論依據(jù)，并基于此完成本系統(tǒng)業(yè)務應用層256項操作功能的開發(fā)。

(2)為驗證本系統(tǒng)能有效進行安全培訓，基于系統(tǒng)中安全培訓的內(nèi)容、師資、方式、資料、效果5個維度構建安全知識獲取行為的評價模型，并利用結構方程模型分析軟件進行分析驗證，結果表明本系統(tǒng)培訓的有效性。