基于FRAM-FAHP的塔吊起重作業(yè)事故致因分析*

陳立 翦朝霞 王龍 毛惠宗 徐志強

（河北工程大學礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

塔式起重機是建筑施工現場重要的垂直運輸設備，在建設項目全壽命周期中發(fā)揮著重要的作用。塔式起重機械具有起重負荷大、起重高度高、作業(yè)范圍廣等特點。近年來，由于人的不安全行為及管理不當等因素導致塔吊事故頻發(fā)，在較大事故方面，以建筑起重機械為代表的工程事故占總數的82.61%，塔吊作業(yè)依然是風險防控的重點和難點。因此，研究塔吊事故對提高塔吊作業(yè)效率，減少作業(yè)隱患具有重要意義。國內外學者廣泛采用理論分析、事故統計、構建模型等方法識別出影響塔吊安全的各種因素。2004年，HOLLNAGEL S［1］首次提出了功能共振分析模型，突破了傳統的如故障樹等安全分析方法的局限性，為功能共振分析法的發(fā)展奠定了基礎。隨著事故致因理論的不斷發(fā)展，2020年趙挺生等［2］首次將功能共振分析法用于塔吊事故案例分析中，為塔吊起重作業(yè)事故的預防提供了可能。

現代事故分析方法中，功能共振分析法（The Functional Resonance Analysis Method，FRAM）在討論潛在變化和實際變化時，人員和組織行為的變化都是最受關注的功能部分，并且在確定系統功能時需要考慮功能間的相互耦合作用，能夠對整個系統的功能模塊進行定性分析；另一方面，模糊層次分析法（The Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）能夠將各種事故影響因素進行量化，不僅考慮因素更全面，而且主觀影響程度更低，解決了各種變化指標的不確定性問題，能在FRAM的基礎上更好的量化各個功能模塊之間的相互作用。鑒于此，本文將功能共振分析法和模糊層次分析法相結合，建立了塔吊起重作業(yè)事故分析模型（即FRAM-FAHP分析法）。FRAM-FAHP分析法可以從整個系統功能特征角度，采用定性與定量相結合的方法分析功能正常運行的因素，從而獲得影響功能正常運行的鏈接，為塔吊起重作業(yè)事故的預防提供了可能。

1 FRAM-FAHP融合機制分析

FRAM-FAHP分析法是將功能共振分析法［1-2］中的隨機共振理論和模糊層次分析法［3-6］中的多因素決策理論相結合的定性又定量的分析方法。針對同一事物或現象具有多種屬性，需要進行多因素、多層次決策時，FRAM-FAHP分析法能確認多因素間的相互關系，很好的將多因素量化，并根據各因素權重確定最終影響因子。具體來說采取下述步驟對事故進行分析。

1）功能因素的識別與描述。功能因素識別是通過六邊形來實現，對塔吊作業(yè)人員的事故演化機制研究時，六邊形的每個角或頂點對應于作業(yè)人員行為功能的某一方面特征，將每一個與塔吊運行有關的事件均作為一個功能模塊，并且在描述每個功能模塊時，均需從輸入（I）、輸出（O）、資源（R）、時間（T）、前提（P）、和控制（C）6個方面對功能進行描述。功能因素識別見圖1，其中，輸入（I）：表示開始做某事的許可或指令，輸出（O）：表示功能運行后的結果，資源（R）：表示功能執(zhí)行需要消耗的事物，時間（T）：表示影響功能執(zhí)行的約束，前提（P）：表示功能執(zhí)行前必須存在的條件，控制（C）：表示為了得到預期輸出而對功能進行監(jiān)控或調整的事物，各個功能間的相互耦合關系通過輸入、輸出端相連，構成功能整體。

圖1 功能因素的識別與描述

2）確定多因素評分矩陣。多因素評分矩陣主要根據現場調查和專家訪談等形式對各因素的風險程度進行評估。通過模糊層次分析法將功能特征中的各因素分為目標層、準則層、方案層，從而確定多因素各級權重。

3）分析結果，制定防控措施。功能共振分析法中認為失敗和成功同源，事物運行無論正確還是錯誤都是由于相同的原因引起的，根據成敗等價原則確定造成事故發(fā)生的影響因素，從而針對影響因素采取相應措施。

FRAM-FAHP融合機制演化流程見圖2。

圖2 FRAM-FAHP融合機制演化流程

1.1 功能因素定性分析

在考慮功能變化時，本文從3個方面來考慮塔吊作業(yè)人員功能的變化特性，分別是人員功能、技術功能和組織功能。

1）人員功能是由人實施的，無論是以個人還是群體形式，前者意味著個人行為，后者意味著群體行為，當涉及安全問題時，人的行為過程常被描述為易出錯的環(huán)節(jié)，例如塔吊司機疲勞上崗、信號工警惕性和注意力不強、司索工焦躁情緒等均可導致在作業(yè)過程中產生不安全行為，從而導致人員功能失效。人員功能失效主要影響FRAM中的R、P和I。

2）技術功能，一般由于磨損或耗損、周圍環(huán)境的影響、機械特性或維護不當等原因會造成技術功能下降，但是技術功能退化的過程非常緩慢，在塔吊作業(yè)中，主要涉及起重機構、回轉機構、液壓頂升機構、電纜卷筒機構等部分的功能失效，任意一部分的技術功能失效都可能將對下游功能的輸入端產生影響，技術功能失效主要影響FRAM中的I、R、C、P和T。

3）組織功能是在組織層面上進行描述和定義的，本質上是系統的功能，組織將人員功能進行協調，形成自身產出，一般認為組織行為變化通常發(fā)生頻率較低，但是幅度很大，低頻率就意味著組織行為改變緩慢，比如在施工作業(yè)時的規(guī)則、規(guī)章和政策的改變。在塔吊運行過程中，組織管理者需要根據工作環(huán)境意外變化，如天氣、技術問題、調度命令等，來調整塔吊班組作業(yè)模式，組織管理失效可能歸結于多種因素，例如安全教育未落實、信號下達不及時、班組內部信任感缺乏以及周邊環(huán)境影響等都將引起塔吊作業(yè)系統功能模塊超出事故臨界閾值，導致事故發(fā)生。組織功能失效主要影響FRAM中的T、C、和P。

1.2 多因素決策定量分析

第1步：建立塔吊作業(yè)層次模型，建立正互補判斷矩陣。根據功能共振分析方法，明確塔吊作業(yè)時輸入、輸出端影響因素，對準則層、方案層元素進行打分，采用0.1—0.9標度法，分別構造準則層Ci（i=1，2，3，4，5）相對于目標層兩兩相互比較的正互補判斷矩陣A，方案層Pi（i=1，2，3）相對于準則層兩兩相互比較的正互補判斷矩陣B，A、B中元素aij（或bij）需滿足：

從而準則層元素兩兩相互比較構建正互補判斷矩陣，見表1。

表1 準則層相對于目標層影響因素評分

其中，若aij>0.5，則說明i比j重要，反之則j比重要。

第2步：進行模糊層次單排序及一致性檢驗。對于每一個判斷矩陣，先計算每個矩陣的特征值，確定最大特征值對應的特征向量，將其歸一化，得到的向量wi中的每一個分量即為相應元素單排序的權值。若正互補矩陣中任意指定行和其他各行對應元素之差為某一常數時則一致性檢驗通過。

第3步：模糊層次分析法的層次總排序。將第2步中方案層對準則層層次單排序的每個準則權重作為列向量與目標層權向量相乘，具體為：

最終得到模糊層次總排序矩陣W，根據矩陣W中各元素Zij比重確定影響因子，從而對方案層進行決策。

2 塔吊起重事故案例分析

起重材料經項目部報備，開始進行吊裝工作。司索工綁扎好龍骨型材，下午3點10分左右開始起吊，信號工呼叫塔吊司機起吊，起吊時龍骨型材無滑動跡象，直到吊到約42 m高空處，龍骨型材從吊裝繩索中脫落，一部分散掉到工地圍檔內部，一部分散掉到工地圍檔外面路道上，并砸到路過的汽車和行人。具體事故報告參見文獻［7］。

2.1 基于FRAM的功能因素定性分析

這次事故可分成9個正常功能模塊：安全教育培訓F1、培訓合格人員上崗F2、特種作業(yè)持證人員人數充足F3、技術交底F4、司索工器具檢查F5、信號工發(fā)起吊信號F6、起吊F7、發(fā)現滑脫風險F8、避讓F9。將從6個方面描述每個功能模塊的具體內容，以功能模塊“起吊F7”為例，起吊功能的具體內容見表2。在分析功能階段，應該對FRAM模型的一致性和完整性進行檢查。通過確認上下游功能的特征是用相同名稱來進行描述的，可檢查其一致性。例如上游“塔吊司機接收停機信號”，而下游另一特征功能表述為“塔吊司機接收信號”，那么就需要確認這兩者描述的是同一特征還是兩種不同特征，若為同一特征，則上下游兩個功能描述應一致，若是前后具有不同特征，那么功能描述應該更加顯著，凸顯兩種特征是有區(qū)別的。因此，在檢驗一致性時，要確保功能的每一特征能與其他一個或多個功能特征相呼應。最后根據各個功能模塊信息和模塊間的相互耦合作用，通過輸入（I）、輸出（O）端將各個功能之間相互連接，形成如圖3的塔吊系統功能共振演化流程圖。

圖3 塔吊系統功能共振演化流程

表2“起吊”的FRAM表示

在功能共振流程圖中，功能F2、F4、F5輸入和輸出端連接較多，具體來說：F2執(zhí)行需要上游功能F1輸入，與此同時F2的成功輸出可作為下游功能F4正常運行的前提；F4輸出后可作為F9運行的資源，也可作為功能F5運行時的輸入條件；功能F5正常運行時的前提是F1，運行結束后輸出成為F6運行的輸入端，各個功能環(huán)環(huán)相扣構成一個功能整體。

2.2 基于FAHP的功能因素定量分析

從功能共振分析原理出發(fā)，將塔吊成功起吊作為目標層；為減少對F1~F9評分時的主觀影響，根據人員功能變化特性，將其分為3類，分別為人員功能P1（F3、F8、F9）、技術功能P2（F5、F6、F7）、組織功能P3（F1、F2、F4），這3類作為方案層。針對功能模糊性評分時，本文主要參考了量化分析塔吊起重滑脫事故的文獻［2，8-10］，獲得塔吊起重成功的5大類因素：安全教育培訓C1、環(huán)境C2、人員心理素質C3、人的安全行為C4、塔吊正常運轉C5，將其5大類作為功能的準則層，并對準則層和方案層影響程度進行評分，得到功能模塊“起吊”輸出共振層次流程圖（圖4）。

圖4 功能模塊“起吊”輸出共振層次流程

由于專家打分法是構建模糊評分矩陣的重要依據，因此，針對此次事故邀請具有豐富項目管理經驗的專家和參與一線施工的技術工人進行打分，并以實際參考資料為依托，形成兩兩相互比較的模糊評分矩陣（表3）。

表3 兩兩相互比較的模糊評分矩陣

其中：A表示準則層各因素相對于目標層O評分矩陣；B1、B2、B3、B4和B5分別表示方案層相對于準則層因素C1、C2、C3、C4和C5評分矩陣。

對每個正互補矩陣的特征向量進行歸一化處理后，準則層各元素對總目標的權向量如下：

w2=（0.250 9，0.208 5，0.250 9，0.166 0，0.123 6）T（3）

同理分別可得方案層Pi對各準則層Ci的權重向量：

最后確定模糊層次總排序矩陣W：

2.3 塔吊起重事故主要影響因素分析

根據式（3）—（4）計算結果可知，對于塔吊成功“起吊”，準則層安全教育培訓C1、人員心理素質C3影響較大，對于C1、C3，方案層人員功能P1（F3、F8、F9）、組織功能P3（F1、F2、F4）權重較大，因此功能共振模型中F3、F8、F9一旦失效就更容易造成塔吊事故。

結合塔吊系統功能共振演化流程圖可知，具體失效表現為：第一，F3（O）-F4（I）中，特種作業(yè)持證人員人數不足，這樣造成工作流程混亂，未及時意識到不安全行為，各方作業(yè)人員施工前未及時進行技術交底；第二，F1（O）-F5（P）中，施工單位對作業(yè)人員崗前安全教育工作不夠重視，司索工在吊掛龍骨型材時未仔細檢查掛鉤是否穩(wěn)定；第三，F4（O）-F9（R）中各方作業(yè)人員均未及時發(fā)現重物滑脫風險，信號工未及時發(fā)送停止作業(yè)信號，導致司機未及時避讓行人及汽車，造成人員傷亡及財產損失。

針對功能描述以及模糊判斷評分，可以確認塔吊起重的成功因素，也可以確定起重的失敗因素，因此通過功能共振分析中的近似調整原則，對權重較高的失效功能采取安全防范措施，以F3（O）-F4（I）為例，如施工單位加強施工現場管理，對在崗人員進行明確的責任劃分，規(guī)范作業(yè)行為，積極落實作業(yè)人員崗前培訓，滿足特種作業(yè)人員持證數量要求，開工前做好技術交底。

3 結論

本文將功能共振分析法和模糊層次分析法相結合，運用FRAM-FAHP分析法來分析廣東汕頭某項目塔吊起重作業(yè)事故影響因素及其權重，同時提出了預防事故發(fā)生的具體措施，相關結論如下：

1）采用FRAM-FAHP分析法，定性和定量相結合，針對塔吊起重作業(yè)事故，對模型中的9類功能進行模糊層次劃分并確定每部分功能權重，根據權重大小確認失效關鍵節(jié)點和相應的對策措施，為塔吊起重作業(yè)事故的預防控制和安全生產提供了理論支撐。

2）根據廣東汕頭某項目塔吊起重事故分析結果表明：人員功能、技術功能、組織功能的影響程度分別為0.389 0、0.273 4、0.345 7，其中人員功能對事故的發(fā)生影響最大，具體來說施工單位崗前安全教育和技術交底不夠重視、特種作業(yè)持證人員不足等危險因素導致各自功能模塊發(fā)生變化，最終超過功能可承受的閾值，導致事故發(fā)生。

3）相比于傳統事故分析方法，FRAM-FAHP分析法能夠在一定程度上針對多層次、多維度的功能特征間的相互耦合分析具有較強的動態(tài)特征，能更好地將專家意見集成到決策中，對多因素復雜問題評價效果比較明顯。與實際事故原因相比，采用FRAMFAHP分析法得出的事故原因與實際事故原因契合度較高，在實際事故調查過程中具有參考價值。下一步可考慮將FRAM-FAHP分析法在流程上進行優(yōu)化，在功能共振演化流程方面，使其更加簡潔流暢，應用范圍更廣。