建筑工人安全能力提升策略系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

魏濤 成連華 鮑楓 陶敬兵 趙旭東 白寶丁

摘 要：為有效提升建筑工人安全能力，減少建筑施工生產(chǎn)安全事故，基于信息認(rèn)知理論構(gòu)建建筑工人安全能力系統(tǒng)模型，并從安全文化、安全投入、安全約束等維度分析調(diào)控因子并提出安全能力提升策略，以量化形式動(dòng)態(tài)分析提升策略對(duì)安全能力的效用?；诮ㄖと税踩芰Φ南到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，將安全投入策略作為單因子改變量，得到不同維度提升策略下各子系統(tǒng)核心變量作為時(shí)間函數(shù)的動(dòng)態(tài)特征。結(jié)果表明：在整個(gè)仿真周期內(nèi)，安全文化策略、安全投入策略和安全約束策略調(diào)控因子各增加20%，安全能力水平增幅分別為7.79%、9.46%與5.87%；

發(fā)現(xiàn)投入與安全能力收益具有時(shí)滯效應(yīng)和“規(guī)模報(bào)酬遞減”特性；風(fēng)險(xiǎn)感知與決策能力的提升周期較長(zhǎng)，且受安全文化策略的影響較大，而安全執(zhí)行能力在仿真周期內(nèi)波動(dòng)性較大，且提升幅度主要受安全投入策略的影響。研究結(jié)果可進(jìn)一步為提升策略?xún)?yōu)化和安全能力預(yù)測(cè)提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：安全能力；建筑工人；提升策略；系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)；仿真中圖分類(lèi)號(hào)：X 948

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）06-1054

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0603開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

System dynamics simulation of construction workers

safety competency improvement strategy

WEI Tao1，CHENG Lianhua2，BAO Feng1，TAO Jingbing1，ZHAO Xudong3，BAI Baoding1

（1.Huaxi Co.China Construction Industrial & Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Xian 710065，China；

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

3.China MCC20 Group Co.，Ltd.，Shanghai 201999，China）

Abstract：To effectively enhance the safety competencies of construction workers and reduce safety accidents in construction production，a construction worker safety competency system model was constructed based on information cognition theory.Regulatory factors were analyzed and safety competency improvement strategies were proposed from the dimensions of safety culture，safety investment，and safety constraints.The utility of the safety competency improvement strategies was dynamically analyzed in quantitative form.Based on the system dynamics model of construction workers safety ability，

using safety investment strategy as a single factor to analyze，

the dynamic characteristics of the core variables of each subsystem as time functions under different dimension promotion strategies were obtained.The results show that throughout the entire simulation cycle，the regulatory factors of safety culture strategy，safety investment strategy，and safety constraint strategy increase by 20% respectively，and the level of safety capability increase by 7.79%，9.46%，and 5.87%，respectively.

It is found that the investment and safety competency benefits have the characteristics of time lag effects and “diminishing returns to scale” .In addition，the improvement cycle for risk perception and decision-making competency is longer and is greatly affected by safety culture strategy，while safety execution competency fluctuates greatly within the simulation period and is mainly influenced by safety investment strategy.The research results can further provide a basis for optimizing improvement strategies and predicting safety competencies.

Key words：

safety competency；construction workers；improvement strategies；system dynamics；simulation

0 引 言近年來(lái)，由于建筑業(yè)固有的危險(xiǎn)性，行業(yè)中施工安全事故率長(zhǎng)期居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全國(guó)房屋市政工程生產(chǎn)安全事故與傷亡人數(shù)較2020年分別上升5.5%和2.5%［1］。事故調(diào)查及研究表明，70%以上的施工傷害涉及不安全的工人行為［2-3］，而建筑工人安全能力的不足則是導(dǎo)致不安全行為的內(nèi)在原因［4-5］。在實(shí)際施工實(shí)踐中，建筑工人所表現(xiàn)出的安全能力是安全工作任務(wù)與其內(nèi)在特質(zhì)相互匹配的結(jié)果［6］，具有動(dòng)態(tài)性、可塑造性與個(gè)體差異性［7］。諸多學(xué)者圍繞建筑工人安全能力提升策略開(kāi)展了靜態(tài)分析研究。成連華等運(yùn)用集成ISM與G1法分析指出，基于工人內(nèi)外部因素的個(gè)性化管理是提升工人安全能力的有效途徑［8］；王旭峰等指出工人個(gè)體安全能力的提升主要取決于其技能素質(zhì)，而在工作環(huán)境中效用最大因素是施工現(xiàn)場(chǎng)的安全資源配備［9］；CHANG等運(yùn)用因子分析和聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)提升安全能力的關(guān)鍵策略是安全管理與培訓(xùn)等組織措施［10］；田力、王軍武等構(gòu)建建筑工人安全能力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，探究提高組織管理水平、工人個(gè)體特質(zhì)水平以及改善施工環(huán)境對(duì)建筑工人安全能力的影響［11-12］。綜上，現(xiàn)有研究成果主要集中在靜態(tài)分析建筑工人安全能力方面，動(dòng)態(tài)研究大多簡(jiǎn)化了提升策略對(duì)安全能力的作用路徑。因此，如何較為全面地描述建筑工人安全能力系統(tǒng)，并針對(duì)不同提升策略條件下安全能力的動(dòng)態(tài)變化

趨勢(shì)，以?xún)?yōu)化安全能力管理的研究有待進(jìn)一步探索。

鑒于此，從系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性角度出發(fā)，結(jié)合信息認(rèn)知理論構(gòu)建建筑工人安全能力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型，考察和比較不同維度提升策略對(duì)各子系統(tǒng)核心變量的影響，討論策略的提升效果，以期更好推動(dòng)建筑工人安全能力管理的優(yōu)化創(chuàng)新。

1 工人安全能力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

1.1 安全能力系統(tǒng)邊界分析與假設(shè)基于個(gè)人能力冰山模型［13］與能力鉆石模型，建筑工人安全能力的構(gòu)成要素包括工人的知識(shí)、技能、態(tài)度、動(dòng)機(jī)以及個(gè)人價(jià)值觀等個(gè)人內(nèi)在特質(zhì)［14］，并結(jié)合具體的工作情景，形成不同的安全能力。結(jié)合信息認(rèn)知理論，工人的認(rèn)知和行為干預(yù)過(guò)程工人安全能力可劃分為感知能力、決策能力及執(zhí)行能力。其中，建筑工人風(fēng)險(xiǎn)感知能力的不足將會(huì)影響安全信息分析，而風(fēng)險(xiǎn)決策能力缺失則會(huì)導(dǎo)致信息利用的執(zhí)行失誤傾向［15］。借鑒以上模型，根據(jù)建筑工人安全能力系統(tǒng)構(gòu)成所需的基本要素，考察安全能力提升策略對(duì)系統(tǒng)變量的影響，構(gòu)建如圖1所示的以企業(yè)安全能力調(diào)控系統(tǒng)為核心，其他3個(gè)子系統(tǒng)相互影響的系統(tǒng)化模型。企業(yè)安全能力調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)提升策略的“內(nèi)生化改進(jìn)”對(duì)感知、決策和執(zhí)行能力進(jìn)行調(diào)控，將不同提升策略作為系統(tǒng)輸入影響安全能力各子系統(tǒng)，系統(tǒng)則通過(guò)輸出建筑工人安全能力與安全能力收益對(duì)企業(yè)安全能力調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。建筑工人安全能力系統(tǒng)涉及多個(gè)子系統(tǒng)，在明確研究目標(biāo)的前提下，引入一定的假設(shè)條件：①建筑工人安全能力系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)、連續(xù)的；②不考慮不可抗力導(dǎo)致的系統(tǒng)波動(dòng)；③由風(fēng)險(xiǎn)感知能力、風(fēng)險(xiǎn)決策能力、安全執(zhí)行能力3個(gè)系統(tǒng)核心變量共同表征建筑工人安全能力水平。

1.2 子系統(tǒng)分析

1.2.1 風(fēng)險(xiǎn)感知能力子系統(tǒng)

風(fēng)險(xiǎn)感知能力作為系統(tǒng)核心變量，是指建筑工人對(duì)施工作業(yè)中存在的風(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行感知和處理的能力［16］。子系統(tǒng)以安全知識(shí)、安全意識(shí)、安全心理等個(gè)體特質(zhì)要素［17］作為內(nèi)生變量，安全知識(shí)

遺忘率、工作壓力、安全設(shè)施水平等作為外生變量。

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)決策能力子系統(tǒng)

風(fēng)險(xiǎn)決策能力作為系統(tǒng)核心變量，是指建筑工人根據(jù)施工作業(yè)中的安全感知信息，對(duì)環(huán)境未來(lái)安全狀態(tài)的控制與優(yōu)化方案做出決策的能力。子系統(tǒng)以安全動(dòng)機(jī)、安全生理、安全需求、安全態(tài)度、安全責(zé)任感等作為內(nèi)生變量［18］，安全價(jià)值觀、人際關(guān)系、安全態(tài)度遺忘率、安全動(dòng)機(jī)遺忘率等為外生變量［19-20］。

1.2.3 安全執(zhí)行能力子系統(tǒng)

安全執(zhí)行能力作為系統(tǒng)的核心變量，是指建筑工人根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)決策信息對(duì)施工環(huán)境未來(lái)安全狀態(tài)的控制與優(yōu)化方案進(jìn)行落實(shí)的能力，是安全行為的重要支撐。子系統(tǒng)內(nèi)生變量除操作技能、安全生理等個(gè)體特質(zhì)要素外，還包括防護(hù)設(shè)備水平、安全設(shè)施水平等安全環(huán)境要素。

1.2.4 企業(yè)安全能力調(diào)控系統(tǒng)

企業(yè)所制定的提升策略對(duì)建筑工人安全能力起到引導(dǎo)和推進(jìn)作用，系統(tǒng)中的任何要素都可能直接或間接地受到提升策略的影響，建筑工人安全能力系統(tǒng)涉及的策略維度、提升策略及其調(diào)控因子見(jiàn)表1。企業(yè)安全文化的發(fā)揮是一個(gè)循序漸進(jìn)、不斷累積的過(guò)程，對(duì)工人安全能力的效用是導(dǎo)向、凝聚和激勵(lì)等功能綜合作用的結(jié)果［21］；企業(yè)安全投入包括安全設(shè)施、設(shè)備、獎(jiǎng)勵(lì)、教育培訓(xùn)等投入，改變安全能力多因素狀態(tài)并產(chǎn)出輻射狀效益［22］；企業(yè)安全激勵(lì)約束通過(guò)作業(yè)規(guī)范、安全監(jiān)督檢查、安全績(jī)效考核等制約工人行為決策［23］。

1.3 模型流圖確定通過(guò)分析安全能力系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的邊界、主要變量和策略調(diào)控因子，基于各要素之間的正負(fù)反饋及制約影響關(guān)系，利用Vensim PLE軟件繪制如圖2所示的因果關(guān)系圖。

基于建筑工人安全能力的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與因果關(guān)系反饋圖，為進(jìn)一步明確表示系統(tǒng)各要素之間的邏輯關(guān)系及系統(tǒng)的反饋形式和控制規(guī)律，選取48個(gè)變量構(gòu)建建筑工人安全能力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。其中8個(gè)水平變量，16個(gè)速率變量，24個(gè)輔助變量，按照擬定的模型框架進(jìn)行整合并作出如圖3所示的安全能力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，全面地

描繪出安全能力系統(tǒng)構(gòu)成及要素間相互作用機(jī)制。

2 模型仿真過(guò)程分析

2.1 仿真對(duì)象以中建安裝集團(tuán)有限公司某建設(shè)項(xiàng)目一線(xiàn)建筑工人為調(diào)研對(duì)象，工人主要以混凝土工、鋼筋工、木工等施工班組形式存在，根據(jù)工程規(guī)模的不同，每個(gè)班組在3～17人，每個(gè)班組內(nèi)建筑工人間相互影響。模型空間邊界為該建筑項(xiàng)目邊界，主要?dú)v史數(shù)據(jù)為2021年1月—2022年4月，模擬時(shí)間為2023年1月—12月，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1月。

2.2 模型特征方程與主要參數(shù)確定基于安全能力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并考慮到主要變量數(shù)據(jù)變化的穩(wěn)定性及變量間依存的特征，采用曲線(xiàn)擬合、公式推導(dǎo)、專(zhuān)家評(píng)估等多種方式獲取特征方程。限于文章篇幅，文中以安全知識(shí)水平、安全收益、安全能力的特征方程為例。

2.2.1 基于安全教培與自然遺忘的安全知識(shí)借鑒安全投入與安全程度方程［24］，采用擬合Gompertz曲線(xiàn)描述安全教培投入與安全知識(shí)獲取量的關(guān)系。

模型中的參數(shù)來(lái)源主要為資料調(diào)研與文獻(xiàn)參考。主要有以下幾種：①安全專(zhuān)項(xiàng)資金與各類(lèi)安全投入占比等參數(shù)用均勻隨機(jī)函數(shù)表示，根據(jù)企業(yè)該參數(shù)歷史數(shù)值趨勢(shì)外推得到；②安全文化與安全約束調(diào)控因子根據(jù)企業(yè)安全管理情況進(jìn)行專(zhuān)家評(píng)估獲??；③安全意識(shí)遺忘率、操作技能遺忘率等參考艾賓浩斯遺忘曲線(xiàn)；④基本安全知識(shí)、基本安全需求等通過(guò)專(zhuān)家估計(jì)與文獻(xiàn)［28］進(jìn)行推導(dǎo)生成；⑤安全設(shè)施損壞率、防護(hù)設(shè)備損壞率等預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)月份不存在線(xiàn)性關(guān)系，利用表函數(shù)來(lái)表示各預(yù)測(cè)月份的取值。

2.3 仿真方案設(shè)定基于系統(tǒng)中調(diào)控因子與安全能力間的關(guān)系，從安全文化、安全投入、安全約束等策略維度設(shè)置不同策略方案，考察在不同提升策略下應(yīng)保持的合理安全能力水平，不同方案參數(shù)設(shè)定，見(jiàn)表3。其中，初始方案為企業(yè)現(xiàn)行方案，安全文化策略、安全投入策略及安全約束策略方案分別在初始方案的基礎(chǔ)上，將對(duì)應(yīng)維度的調(diào)控因子參數(shù)值各增加20%，而強(qiáng)化安全投入策略方案則是將該維度調(diào)控因子參數(shù)值增加40%。運(yùn)用Vensim PLE軟件得到安全能力及各系統(tǒng)核心變量的變化趨勢(shì)，如圖4所示，主要數(shù)值變化情況，見(jiàn)表4，安全投入策略收益趨勢(shì)，如圖5所示。

2.4 仿真結(jié)果分析

2.4.1 安全文化策略分析

隨著策略的宣傳和實(shí)施，建筑工人對(duì)安全文化策略的熟悉和認(rèn)可，策略效果顯著提高，安全能力水平快速上升。5～12月，工人安全能力曲線(xiàn)逐步趨于平緩在72左右且增幅達(dá)到7.85%，表明安全文化策略對(duì)安全能力的提升作用較大但具有條件限制。此外，文化策略對(duì)風(fēng)險(xiǎn)決策能力的提升效果較為明顯，表明通過(guò)塑造良好的群體安全文化氛圍，影響建筑工人對(duì)于安全問(wèn)題的基本判別及看待問(wèn)題的態(tài)度，為工人行為決策提供了有力的制約；風(fēng)險(xiǎn)感知能力在仿真時(shí)間0～1月時(shí)上升較緩，表明在文化策略實(shí)施的初期，工人存在不了解和心理抵觸的情況；由安全執(zhí)行能力的變化曲線(xiàn)可知，在安全文化策略下其提升效果并不顯著。

2.4.2 安全投入策略分析

仿真時(shí)間0～1月，投入策略下安全能力變化曲線(xiàn)與初始策略重合，表明在實(shí)施有效的安全投入策略時(shí)，工人對(duì)新設(shè)備設(shè)施、新工藝需要一定的熟悉與適應(yīng)過(guò)程。仿真時(shí)間2～9月，通過(guò)增加對(duì)安全獎(jiǎng)勵(lì)、安全設(shè)施、安全教育等方面的投入，及時(shí)更新維護(hù)作業(yè)過(guò)程中使用的防護(hù)設(shè)備，建筑工人安全能力不斷波動(dòng)上升。在不同強(qiáng)度的安全投入策略方案下，安全能力水平分別穩(wěn)定在73.1與75.4左右且增幅分別為9.46%與12.91%。此外，隨著先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的引入，更好地提升作業(yè)安全環(huán)境水平，營(yíng)造安全穩(wěn)定的施工環(huán)境，促進(jìn)了風(fēng)險(xiǎn)感知能力的提升，并抑制了安全執(zhí)行能力受到施工環(huán)境的影響而產(chǎn)生的上下波動(dòng)。

從圖5可以看出，在安全投入策略實(shí)施前期，與初始策略的相對(duì)安全收益為負(fù)值，隨著策略的貫徹實(shí)施，所帶來(lái)的安全能力產(chǎn)出逐漸上升，表明安全投入與相對(duì)安全能力收益具有時(shí)滯效應(yīng)。此外，比較2種策略方案，強(qiáng)化策略方案的總體安全能力及產(chǎn)出與收益水平較高，但增幅增量降低，表明安全投入對(duì)安全能力收益具有“規(guī)模報(bào)酬遞減”的特性。

2.4.3 安全約束策略分析

通過(guò)在施工過(guò)程中進(jìn)行有計(jì)劃的安全監(jiān)督檢查、作業(yè)規(guī)范，可以改善群體的安全氛圍，將安全考核結(jié)果與工人的工資掛鉤，間接地影響建筑工人的行為選擇和決策。仿真時(shí)間5～12月時(shí)，安全能力曲線(xiàn)穩(wěn)定在70.70左右且增幅為5.87%，提升效果較為有限。此外，在策略實(shí)施初期，工人風(fēng)險(xiǎn)決策能力上升曲線(xiàn)與初始方案曲線(xiàn)重合，表明工人對(duì)約束策略存在一定的抵觸心理與不滿(mǎn)情緒，策略的效用并不顯著；由安全執(zhí)行能力變化曲線(xiàn)可知，約束策略對(duì)其有一定的提升效用但無(wú)法抑制其波動(dòng)性。

3 討 論

1）在相同策略強(qiáng)度下，安全投入策略所帶來(lái)的安全能力的提升效果明顯大于其他2種策略，而安全約束策略較其他2種策略提升效果有限，因此，采取提升策略的優(yōu)先順序依次為安全投入策略、安全文化策略、安全約束策略。而在不同安全投入策略強(qiáng)度下，相同的策略強(qiáng)度增量而安全能力增幅增量減少，表明提升策略具有“規(guī)模報(bào)酬遞減”的特性，應(yīng)建立安全投入合理配置與安全能力產(chǎn)出評(píng)估機(jī)制，實(shí)現(xiàn)安全投入策略的優(yōu)化。

2）風(fēng)險(xiǎn)感知能力是工人對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的主觀判斷能力，豐富的安全知識(shí)、良好的安全意識(shí)可以增強(qiáng)工人對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的了解。通過(guò)合理高頻率安全教育與設(shè)置警示標(biāo)語(yǔ)可以加強(qiáng)工人的短期記憶，以減少安全知識(shí)與安全意識(shí)的自然遺忘。同時(shí)，開(kāi)展科學(xué)合理的安全文化建設(shè)活動(dòng)充分調(diào)動(dòng)工人參與的積極性，克服抵觸心理，促進(jìn)工人獲取更多技術(shù)規(guī)范、安全設(shè)施及標(biāo)識(shí)、管理制度等知識(shí)。

3）風(fēng)險(xiǎn)決策能力在系統(tǒng)中受工人安全態(tài)度、安全動(dòng)機(jī)以及自我安全需求影響，提升周期較長(zhǎng)，在策略制定時(shí)應(yīng)注意“前瞻性”。因此，應(yīng)完善安全激勵(lì)約束機(jī)制，盡量避免“以罰代管”的做法，企業(yè)安全工作者或班組長(zhǎng)應(yīng)多與工人進(jìn)行溝通交流，了解其不滿(mǎn)情緒的根源，激發(fā)建筑工人對(duì)組織安全目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的愿望和需求，營(yíng)造良好安全人際關(guān)系。同時(shí)，促進(jìn)系統(tǒng)反饋機(jī)制生效，利用安全教育將事故教訓(xùn)轉(zhuǎn)化為工人的安全需求。

4）安全執(zhí)行能力在系統(tǒng)中受技能水平、生理因素的影響，同時(shí)在施工作業(yè)過(guò)程中因作業(yè)環(huán)境的影響而波動(dòng)性較大，是系統(tǒng)最不穩(wěn)定的核心變量，應(yīng)重視安全投入策略對(duì)其的效用。因此，建設(shè)單位、監(jiān)理單位和施工單位要高度重視各項(xiàng)施工作業(yè)技術(shù)方案的制定與落實(shí)，加強(qiáng)作業(yè)設(shè)備的檢查。同時(shí)，開(kāi)展對(duì)新設(shè)備與新工藝的安全培訓(xùn)，引導(dǎo)工人結(jié)合規(guī)范工藝流程與生產(chǎn)制度進(jìn)行安全生產(chǎn)操作。

4 結(jié) 論

1）基于信息認(rèn)知理論對(duì)建筑工人安全能力進(jìn)行解構(gòu)，構(gòu)建了以風(fēng)險(xiǎn)感知能力、風(fēng)險(xiǎn)決策能力和安全執(zhí)行能力作為系統(tǒng)核心變量的工人安全能力系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，為工人安全能力管理的優(yōu)化創(chuàng)新提供了新的思路。

2）在Vensim PLE軟件環(huán)境下對(duì)安全能力系統(tǒng)進(jìn)行仿真，在整個(gè)周期內(nèi)，安全文化策略、安全投入策略和安全約束策略調(diào)控因子各增加20%，安全能力水平提升幅度分別為7.79%、9.46%、5.87%。此外，利用安全投入策略作為單因子改變量進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，投入與安全能力收益具有時(shí)滯效應(yīng)和“規(guī)模報(bào)酬遞減”特性。3）在不同維度提升策略下各子系統(tǒng)核心變量的變化趨勢(shì)表明：風(fēng)險(xiǎn)感知與安全執(zhí)行能力受安全投入的影響較大，而風(fēng)險(xiǎn)決策能力受安全文化的影響較大；提升策略實(shí)施初期，建筑工人對(duì)某些策略不熟悉或者產(chǎn)生抵觸心理。因此，結(jié)合安全能力核心變量的動(dòng)態(tài)特征，制定并完善提升策略，是推助建筑工人安全行為的有效途徑。

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（責(zé)任編輯：劉潔）