基于蒙特卡洛法的機械制造企業(yè)安全績效評估研究

楊鑫剛，王起全，陳文濤，柴蕭蕭

（1.中國勞動關(guān)系學(xué)院 勞動教育學(xué)院，北京 100048；2.中國勞動關(guān)系學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 100048；3.中國職業(yè)安全健康協(xié)會，北京 100011）

0 引 言

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的擴大，生產(chǎn)設(shè)備及技術(shù)的不斷更新，安全問題也越發(fā)引起人們的關(guān)注。雖然目前中國的安全生產(chǎn)管理工作已經(jīng)取得了一定的成績，但仍然存在很多問題。安全績效評估能夠判斷出企業(yè)的安全管理運行狀態(tài)，有利于找出安全管理體系的薄弱環(huán)節(jié)。因此，安全績效評估是企業(yè)安全管理的實際需要，也是實現(xiàn)企業(yè)安全發(fā)展的有效途徑。安全績效評估研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

1957年，ROCKWELL最先提出將人員的不安全行為列入到安全績效評估指標(biāo)中[1]。當(dāng)時對于安全績效的研究大多從事故的傷亡情況出發(fā)，常選用事故率、人員傷亡率、疾病發(fā)生率等作為評估指標(biāo)[2-3]。這些指標(biāo)描述的是過去的安全狀況，不符合“預(yù)防為主”的安全理念，不能對未來的安全績效做出預(yù)測，更不能指出影響安全績效的主要因素，無法指導(dǎo)人們?nèi)绾伪苊馐鹿实陌l(fā)生，有很大的局限性。隨后，由于事故尤其是重大災(zāi)難事故的不斷發(fā)生，人們開始關(guān)注人為因素和安全文化對于企業(yè)安全的重要作用。SAMELSON和KRAUSE提出組織結(jié)構(gòu)、管理者的安全意識和員工的安全行為都會對安全績效產(chǎn)生很大影響[4-5]。PAWLOWSKA通過研究60家公司的職業(yè)安全與健康（Occupational Health and Safety，OSH）績效結(jié)果，發(fā)現(xiàn)績效水平較高的公司多采用前置指標(biāo)[6]，因此越來越多的學(xué)者倡導(dǎo)使用前置指標(biāo)來衡量安全績效。

于廣濤和張朋鵬指出，通過加強企業(yè)安全文化氛圍和安全知識教育可以提高員工的安全意識[7-8]。陳隆展研究發(fā)現(xiàn)減少員工不安全行為的有效途徑之一是建立相關(guān)的安全管理部門和安全準(zhǔn)則來管理和約束各部門[9]。王長建提出，增加企業(yè)的安全投入，并改善工作環(huán)境，對于安全績效有很大幫助[10]。MULLEN指出，管理層尤其是領(lǐng)導(dǎo)層對安全生產(chǎn)的重視程度的提高，對企業(yè)安全績效影響很大[11]。此外，劉佳等依據(jù)情緒感染理論、群體動力理論以及社會認知理論，構(gòu)建了團隊支持氛圍對礦工安全績效的跨層次作用模型。研究發(fā)現(xiàn)團隊支持氛圍正向影響礦工安全績效[12]。這說明企業(yè)的安全績效指標(biāo)必須充分考慮人為環(huán)境等因素。同時，企業(yè)的安全績效指標(biāo)也應(yīng)隨企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境的變化而不斷調(diào)整完善。目前，常用的安全績效評估方法有模糊熵權(quán)法和結(jié)構(gòu)方程法等[13-14]。這些方法很大程度上依賴于評估人員的專業(yè)化水平，而且由于指標(biāo)之間互有影響，衡量標(biāo)準(zhǔn)不一，評估不可避免地存在主觀性和隨意性。企業(yè)安全生產(chǎn)的影響因素多種多樣，且在不同時間不同企業(yè)的績效指標(biāo)也會有不同的取值結(jié)果，這就導(dǎo)致了企業(yè)安全績效評估的復(fù)雜性。而蒙特卡洛法基于大量試驗的結(jié)果直接對事物進行結(jié)果驗證，可以得到每個指標(biāo)的估計值，繼而有效客觀地對企業(yè)的安全績效做出評估。目前蒙特卡洛法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金融工程學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、社會科學(xué)、生物遺傳、物理學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域，取得了良好的效果[15-16]。因此，文章采用蒙特卡洛法來實現(xiàn)安全績效評估。

筆者根據(jù)文獻[6]，確定安全績效指標(biāo)體系，采用蒙特卡洛法，模擬分析選擇變量，找出符合客觀實際的變量的概率分布模型，仿真模擬計算安全績效結(jié)果，并分析評估結(jié)果，提出改進建議。

1 企業(yè)安全績效指標(biāo)分析

1.1 企業(yè)安全績效指標(biāo)體系的建立

企業(yè)安全績效是指經(jīng)過安全投入、安全管理措施等一系列安全工作后企業(yè)的整體安全狀況。安全績效是企業(yè)總體安全運行狀態(tài)的外在表現(xiàn)，能夠體現(xiàn)企業(yè)安全工作的結(jié)果。由于國內(nèi)的安全績效評估方面的研究還不成熟，目前還沒有供企業(yè)實際廣泛應(yīng)用的安全績效評估模型，指標(biāo)的設(shè)置也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。安全績效可以分為安全結(jié)果、安全遵守和安全貢獻[17]。考慮到企業(yè)安全績效和個人安全績效的區(qū)別，文章具體分析了國際安全評級系統(tǒng)ISRS[18]（International Safety Rating System），綜合考慮了國內(nèi)外不同行業(yè)安全績效指標(biāo)[1，19-22]的共同因素，將企業(yè)安全績效劃分為安全文化、安全管理和安全結(jié)果3個維度，最終建立評估指標(biāo)體系見表1。表中微小事件是指存在人的不安全行為或人的不安全狀態(tài)但是尚未發(fā)生事故的事件。

1.2 企業(yè)安全績效指標(biāo)的量化

企業(yè)安全績效指標(biāo)根據(jù)性質(zhì)可以劃分為2類：定量指標(biāo)和定性指標(biāo)。對企業(yè)進行安全績效評估時，需要量化指標(biāo)的結(jié)果，從而進行加權(quán)計算得到具體數(shù)值，以數(shù)值的形式表示企業(yè)的總體安全狀況。不同類型指標(biāo)的量化方法不同：對于定量指標(biāo)，直接統(tǒng)計數(shù)量和頻次，給出數(shù)字化的統(tǒng)計結(jié)果，將數(shù)值結(jié)果分為5個級別，將每個級別進行賦分；對于定性指標(biāo)采用分段賦值法進行量化，每個選項對應(yīng)一個分值（具體量化見表2）。其中，“安全管理機構(gòu)設(shè)置和人員配置”指標(biāo)依據(jù)安全生產(chǎn)法相關(guān)規(guī)定分為符合要求和不符合要求2個等級；“安全生產(chǎn)投入”指標(biāo)的分級主要依據(jù)安全生產(chǎn)法相關(guān)規(guī)定來劃分，其中工程造價中規(guī)定企業(yè)安全投入需占企業(yè)總成本的百分之一[23]。由于機械加工類企業(yè)發(fā)生的事故大多都是對人體產(chǎn)生微小傷害的事件，所以將“經(jīng)濟損失數(shù)”指標(biāo)的最低層級假設(shè)為1 000元以下。

表1 企業(yè)安全績效評估指標(biāo)體系

1.3 評估結(jié)果分級

企業(yè)進行安全績效評估主要目的就是了解企業(yè)的整體安全運行狀態(tài)，對安全績效評估后，需要對這個結(jié)果進行等級劃定，以此來確定企業(yè)的安全狀態(tài)等級。文中將評估結(jié)果劃分為5個等級：評估等級為一級代表企業(yè)的安全總體水平處于優(yōu)秀狀態(tài)，需要繼續(xù)保持；等級為二級的企業(yè)安全狀態(tài)處于良好，表示企業(yè)的安全工作仍然存在漏洞，需要進一步排查和完善；等級為三級的企業(yè)安全狀態(tài)處于一般，表示企業(yè)內(nèi)部對于安全工作不太重視，投入的安全成本沒有得到最大限度的發(fā)揮，需要對企業(yè)上下加強安全教育，加強企業(yè)人員對于安全的重視程度，進一步完善企業(yè)的安全工作；等級為四級的企業(yè)安全狀態(tài)處于較差，表現(xiàn)為企業(yè)的安全工作沒有徹底展開，企業(yè)應(yīng)重視安全管理工作，完善各項機制與部門；等級為五級的企業(yè)安全狀態(tài)處于很差，表現(xiàn)為管理層徹底忽視企業(yè)的安全管理工作，員工也不具備一定的安全意識，安全管理機構(gòu)建制不全或沒發(fā)揮相應(yīng)作用，企業(yè)需要在根本上完善安全管理機構(gòu)，并配備專業(yè)人員執(zhí)行相關(guān)安全決策。每級相對應(yīng)的分數(shù)見表3。

表2 安全績效指標(biāo)的量化表

表3 安全績效評估結(jié)果分級情況

1.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

不同指標(biāo)對安全績效的結(jié)果影響不同，在評估安全績效時，需要對指標(biāo)的權(quán)重進行計算。文中選用層次分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，將影響機械加工企業(yè)安全績效的因素分為以下3個層次：最高層、中間層和最低層。最高層即目標(biāo)層，代表企業(yè)安全績效評估活動；中間層是準(zhǔn)則層，設(shè)定為企業(yè)安全績效指標(biāo)體系中的一級指標(biāo)；最低層是方案層，設(shè)定為企業(yè)安全績效指標(biāo)體系的二級指標(biāo)。通過問卷調(diào)查征求企業(yè)安全管理人員和安全管理方面的專家意見，建立指標(biāo)判斷矩陣，借助層次分析法軟件Yaahp計算指標(biāo)的權(quán)重，并通過一致性檢驗后，得到安全績效指標(biāo)值結(jié)果見表4。

表4 安全績效指標(biāo)值

2 企業(yè)安全績效評估中蒙特卡洛法的應(yīng)用分析

2.1 蒙特卡洛法的基本原理

蒙特卡洛法（Monte Carlo Method）是基于概率論及數(shù)理統(tǒng)計的一種數(shù)理方法，用于解決可以被描述為事件的發(fā)生頻率或某個隨機變量的均值的問題。蒙特卡洛法的基本原理主要是確定變量的概率分布，根據(jù)概率分布在計算機上生成隨機數(shù)，以這些隨機數(shù)作為抽樣值，依據(jù)所設(shè)置的模型進行邏輯關(guān)系運算，得到安全績效的估值結(jié)果，并以概率分布的形式呈現(xiàn)出來。

2.2 蒙特卡洛法在安全績效評估應(yīng)用中的框架設(shè)計

蒙特卡洛法以概率統(tǒng)計為基礎(chǔ)，求事件發(fā)生的頻率或者求某個隨機變量的均值。蒙特卡洛法實現(xiàn)安全績效評估的應(yīng)用思路如下。

第1步：確定安全績效的評估指標(biāo)。對安全績效的影響因素進行分析，將安全績效的評估指標(biāo)主要歸納為安全文化、安全管理和安全結(jié)果等3個維度，各個維度下又有二級指標(biāo)，共計18個。

第2步：得到變量的概率分布函數(shù)模型。通過層次分析法求得指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，選取對安全績效有重大影響的指標(biāo)作為蒙特卡洛模擬的隨機變量，通過問卷調(diào)查和實地調(diào)研得到具體數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到變量的概率分布函數(shù)模型。變量的概率分布類型主要是正態(tài)分布、三角分布和泊松分布等。

第3步：根據(jù)層次分析法得到的權(quán)重和篩選出的變量構(gòu)建安全績效的數(shù)學(xué)模型。

第4步：利用Matlab軟件編寫程序，輸入變量的概率分布，生成隨機數(shù)。一般實際操作中都是采用“偽隨機數(shù)”代替真正的隨機數(shù)[24]。

第5步：計算安全績效結(jié)果值。編寫程序，將計算機產(chǎn)生的隨機數(shù)代入構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型中，每組隨機數(shù)都會產(chǎn)生一個安全績效結(jié)果值。經(jīng)過計算機的多次模擬，可以得到安全績效評估結(jié)果的期望值、方差和概率分布等，采用安全績效的期望值作為企業(yè)安全績效評估的結(jié)果，從而將期望值與安全（表2）的分級相對應(yīng)，確定企業(yè)的總體安全狀態(tài)級別。

3 實例運用

本章將蒙特卡洛法應(yīng)用于某企業(yè)的安全績效評估，繼而更好指導(dǎo)企業(yè)的安全生產(chǎn)。

3.1 企業(yè)概況及安全生產(chǎn)特點

某中型機械制造企業(yè)主要從事焦?fàn)t搗固機設(shè)備及零件的研發(fā)制造。在生產(chǎn)過程中運用半自動裝配線，人機交互現(xiàn)象大量出現(xiàn)。在這種情況下，主要會出現(xiàn)以下安全問題[25]。

1）機械傷害。例如員工在進行車床、銑床等機床操作時，會被機床上的刀具割傷，同時，飛濺的鐵屑也容易對人眼造成傷害。

2）電器傷害。員工在接觸公司的電器設(shè)備時，直接或間接觸電，受到傷害。

3）噪音傷害。機械制造加工時，會產(chǎn)生很大的噪音，對員工的聽力系統(tǒng)產(chǎn)生危害，造成不可逆的損傷。

4）輻射或加工物質(zhì)傷害。機械加工時需要用到焊槍，員工電焊時，焊接會產(chǎn)生大量弧光，對操作人員的眼睛造成傷害。

5）疲勞。由于加工機床設(shè)備不符合人機工程學(xué)原理或者不注意休息，導(dǎo)致人員產(chǎn)生疲勞感。

3.2 安全績效指標(biāo)數(shù)據(jù)來源及處理

定量指標(biāo)的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)調(diào)查法得到，并對應(yīng)表2得到賦值結(jié)果。定性指標(biāo)的數(shù)據(jù)由問卷調(diào)查獲得。每個題目有5個選項，調(diào)查對象在回答時只能選取一個選項，每個選項對應(yīng)一個分值，統(tǒng)一將選項A，B，C，D，E的得分設(shè)置為0，25，50，75，100，每個題目滿分為100。問卷調(diào)查的對象為工廠管理人員、安全檢查人員以及基層工作人員。問卷一共設(shè)置了：是否在工作時會嚴格遵守公司的安全規(guī)定、是否了解所處的工作環(huán)境的風(fēng)險及防范措施、在工作時是否能夠做到始終把安全放在第1位、認為公司的安全檢查是否全面、認為公司的安全檢查的頻次如何、認為公司的管理人員對安全的重視程度如何、公司是否組織過關(guān)于應(yīng)對自己工作區(qū)域內(nèi)緊急情況方面的培訓(xùn)、公司是否會定期組織應(yīng)急演練及演練效果等8道題目，發(fā)放151份問卷，回收率為100%。通過計算相關(guān)題目的平均分值得到該項指標(biāo)分值。

3.3 基于蒙特卡洛法的安全績效評估

3.3.1 選取變量

從指標(biāo)體系中篩選出對安全績效有重大影響的關(guān)鍵性指標(biāo)作為隨機變量。文中選用層次分析法來確定指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，按照權(quán)重值從大到小排列，挑選出權(quán)重較大的前8個指標(biāo)，它們的權(quán)重系數(shù)之和大于0.8，結(jié)果見表5。因此，選取經(jīng)濟損失數(shù)、較大事故發(fā)生率、微小事件數(shù)、員工安全行為、員工的安全意識、安全檢查力度、領(lǐng)導(dǎo)的安全承諾與支持、應(yīng)急管理水平等8個指標(biāo)作為蒙特卡洛模擬的隨機變量。

3.3.2 確定數(shù)學(xué)模型

根據(jù)3.3.1的變量選取結(jié)果，建立安全績效數(shù)學(xué)模型

v=f（ωi,xi）（i=1,2,…,8）

式中xi為第i個變量;ω為第i個變量的權(quán)重系數(shù)（權(quán)重系數(shù)值見表5），f（ωi,xi）為xi的線性加權(quán)組合函數(shù)。

3.3.3 變量概率分布的確定

在實際操作時，很難獲得全面、準(zhǔn)確的歷史數(shù)據(jù)，可以采用主觀確定的方法來判斷隨機變量的概率分布[26]。由于大多數(shù)事物的發(fā)展都符合正態(tài)分布，且正態(tài)分布可以近似代替或?qū)С銎渌怕史植糩27]，所以采用正態(tài)分布來描述這些變量。通過SAS對概率分布中的參數(shù)進行取值確定，得到變量概率分布和取值情況見表6。

表5 變量的權(quán)重系數(shù)值

表6 變量概率分布模型

3.3.4 隨機抽樣

在進行蒙特卡洛模擬時，需要生成大量的隨機數(shù)來作為變量的抽樣值。在實驗中，這些隨機數(shù)通過Matlab軟件自動生成。

3.3.5 確定模擬次數(shù)

通常情況下，用計算機進行模擬試驗時，模擬次數(shù)會對模擬的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。一般情況下，模擬次數(shù)的增加會降低實驗結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。因此，模擬的次數(shù)不應(yīng)少于2 000次[28]。分析表明，對于大多數(shù)的工程問題，模擬次數(shù)在3 000～5 000次之間就可以達到工程精度要求[29]。因此，將計算機模擬試驗的次數(shù)設(shè)定為5 000次[30]。

3.3.6 模擬結(jié)果

根據(jù)分析得到這8個變量的概率分布模型，利用Matlab對安全績效評估結(jié)果值進行蒙特卡洛模擬（試驗次數(shù)為5 000次），得到最后模擬的估值結(jié)果的概率密度分布圖和直方圖，如圖1所示。通過模擬，可以得到安全績效的估值結(jié)果為平均值47.51分，方差為6.42，區(qū)間為[44.98，50.04]。為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，對上述試驗的次數(shù)進行調(diào)整，模擬1 000 000次得到的均值為47.45，方差為6.49。與模擬1 000 000次相比，模擬5 000次的誤差僅為0.06，由此可見Matlab模擬5 000次就能得到較為可靠的估值結(jié)果。

圖1 安全績效概率分布Fig.1 Probability distribution of safety performance

3.4 評估結(jié)果分析與建議

根據(jù)蒙特卡洛法對企業(yè)的安全績效進行模擬分析，經(jīng)過計算機5 000次的抽樣運算，對企業(yè)的安全績效進行估值，安全績效的平均值為47.51，方差為6.42。根據(jù)表3，得出該企業(yè)的安全總體水平為3級，安全狀況一般。將變量均值與安全績效估值進行對比，發(fā)現(xiàn)除卻“經(jīng)濟損失數(shù)”指標(biāo)不可控制之外，員工的安全行為、員工的安全意識、安全檢查力度、領(lǐng)導(dǎo)的安全承諾與支持、應(yīng)急管理水平等5個隨機變量的均值都低于企業(yè)的安全績效值47.51。因此，要提高企業(yè)的安全總體運行狀態(tài)，就需要對這5個方面的工作進行改進完善。

3.4.1 制定全員、全方位、全過程的管控措施，徹底消除人的不安全行為

對于企業(yè)中各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的人的不安全行為進行逐項逐步辨識、分析和整理[31]，務(wù)必對人的不安全行為做到覆蓋企業(yè)的每個人員、每個崗位、每道工序。此外，針對不安全行為高發(fā)的作業(yè)、人群、時段等，制定針對性管控措施。通過精細化的行為管理，徹底消除人的不安全行為。

3.4.2 加強員工的安全培訓(xùn)，提高員工的安全意識

企業(yè)內(nèi)部安全培訓(xùn)是提高員工安全素養(yǎng)和安全意識的重要方法[32]。企業(yè)要根據(jù)生產(chǎn)組織形式和企業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，針對人員增減、崗位調(diào)整、新設(shè)備及新技術(shù)的使用、環(huán)境變化等因素，對員工進行有針對性的培訓(xùn)。同時，要合理規(guī)劃培訓(xùn)的形式和內(nèi)容，充分考慮員工個人的性格特點，消除員工的不安全心理，提高員工安全意識，避免不安全行為的發(fā)生。

3.4.3 加大安全監(jiān)督檢查力度，提高安全管理水平

安全監(jiān)督檢查是企業(yè)安全管理的重要手段。企業(yè)要按照“黨政同責(zé)、一崗雙責(zé)、失職追責(zé)”的要求，落實好安全生產(chǎn)責(zé)任制，把部門責(zé)任、崗位責(zé)任、主體責(zé)任層層壓實，各負其職、各負其責(zé)。此外，要緊緊抓住易發(fā)生事故的重點部門和崗位，深入開展安全專項治理，加大監(jiān)督檢查力度，以檢查促安全意識提升和隱患排查到位。

3.4.4 領(lǐng)導(dǎo)要加強對安全工作的承諾與支持，充分調(diào)動員工參與安全工作的熱情

企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)是企業(yè)發(fā)展的主心骨、帶頭人。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)要積極建立和員工的良好互動關(guān)系，并鼓勵員工積極參與到企業(yè)的安全管理工作中。此外，企業(yè)要加大對安全工作人、財、物等方面的投資力度，加強對員工安全工作的物質(zhì)和精神上的雙重獎罰考核，及時掌握員工的思想動態(tài)，切實關(guān)心員工生活，激發(fā)每個員工參與安全工作的熱情。

3.4.5 加強企業(yè)應(yīng)急管理體系建設(shè)，提高企業(yè)的應(yīng)急管理水平

應(yīng)急管理是企業(yè)生產(chǎn)和運營的重要組成部分。企業(yè)要提高員工對應(yīng)急管理的認識，科學(xué)合理編制應(yīng)急管理預(yù)案，配足應(yīng)急救援物質(zhì)，建立健全應(yīng)急救援管理隊伍，定期開展應(yīng)急演練[33]。其中，應(yīng)急救援演練是提高應(yīng)急能力的最直接手段。為提高應(yīng)急演練效果，可以邀請專業(yè)人士入企對演練進行指導(dǎo)與評價，進一步提高企業(yè)應(yīng)急管理水平。

4 結(jié) 論

1）從安全績效評估的角度可以發(fā)現(xiàn)企業(yè)安全管理的薄弱環(huán)節(jié)，有利于企業(yè)提高安全管理水平，繼而防止事故的發(fā)生。因此，安全績效評估是預(yù)防事故發(fā)生的有效手段之一。

2）利用蒙特卡洛法進行安全績效評估客觀有效，計算速度快，精度高，運用方便，有利于企業(yè)對安全生產(chǎn)情況進行有效監(jiān)控，防止事故發(fā)生。

3）文中研究重點在蒙特卡洛法的模型建立，而在得到評估結(jié)果后企業(yè)如何改進，僅進行了初步探討，需要進行針對性的深入研究。