施工安全管理复杂网络系统及可靠性评判

陈　　曦，张　　伟，曹春香　

（华中科技大学　土木工程与力学学院，湖北　武汉　430074，E-mail：403753170@qq.com）

施工安全管理复杂网络系统及可靠性评判

陈曦，张伟，曹春香

（华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074，E-mail：403753170@qq.com）

摘要：安全是工程项目管理的基本目标之一，安全管理涉及不同的参与主体、实施阶段和管理要素，具有系统性和复杂性。选取复杂网络方法对施工安全管理的系统性进行研究。介绍了复杂网络的概念、拓扑结构及3种典型的网络模型。将施工安全管理系统分解为6个子系统，即施工安全的组织管理、技术措施、资源投入、教育培训、逐级监管和应急管理，梳理各子系统中管理因素的相互关联，明确拓扑结构，建立网络模型。结合概率论相关知识，依据要素间关联关系以及要素的可靠性概率，计算子系统可靠性概率，得出整个系统的可靠性概率。该方法对于系统研究施工安全管理问题具有探索价值。

关键词：复杂网络；施工安全；管理系统；可靠性

随着互联网和信息技术的快速发展，人类社会活动、生产管理等都与各式各样的网络密不可分，如信息领域的万维网络、交通领域的路线网络、工程领域的电力系统网络等［1］。网络结构增强了组织、个人以及物之间的紧密联系，但网络结构的复杂性和脆弱性也可能导致整个网络系统的失效，如大规模停电、交通拥堵等。施工安全管理同样是一个复杂的系统，其中各管理要素间的相互联系构成了系统的网络结构，而可能存在的内部缺陷和外部影响因素也成为网络崩溃的主要原因［2］。本文运用复杂网络理论来分析施工安全管理中组织、技术、资源等各要素之间的联系，从而构建施工安全管理复杂网络系统，并依据概率论相关知识和要素的可靠性概率，定量计算施工安全管理系统的可靠性。该方法可直观显示系统以及系统中各要素的可靠性程度，对有目的性地改进系统可靠性，提高安全管理工作效率具有重要的现实意义。

复杂网络是大量真实复杂系统的拓扑抽象，复杂网络理论研究的就是这些看上去互不相关但是实际上密切关联的网络之间的共同属性［3］。从图形角度来看，所有网络都是由节点和边构成，节点代表系统中不同的要素，边则代表这些要素之间的相互关联。根据节点和边连接方式的不同，复杂网络可分为三类：规则网络［4］、随机网络［5］、具有一定规则和随机性的其他网络（包括小世界网络［6，7］、无标度网络［8］等）。近年来，相关学者对复杂网络的探索由相关理论研究转变为应用研究，主要研究方向为真实网络的可靠性和脆弱性。复杂网络可靠性研究起源于对道路网络系统的研究，如Main等［9］将连通可靠性界定为交通网络节点两两之间保持连通的概率。Petter Holme等［10］、则将网络可靠性描述为外界的攻击破坏对网络稳定性的影响。杨孝平［11］总结和筛选可靠性研究结果，建立了复杂网络可靠性评价指标体系。复杂网络脆弱性定义为网络由于自身或者外部原因造成系统结构功能下降［12］，与可靠性相比，脆弱性强调的是在受到攻击后所带来的网络功能变化。Reka Kinney等［13］对北美电网的连锁故障进行了建模和仿真，表明北美电网存在着少部分的脆弱节点会导致大规模事故的发生。本文将在国内外相关研究基础上，分析复杂网络理论在施工安全管理中的适用性，并构建施工安全管理复杂网络系统，提出系统可靠性计算方法。

1　研究方法

如何将复杂网络理论引入管理领域，是近年来管理学科研究的热点，而工程领域中的管理活动涉及人身安全，更是研究的重点所在。分析可知施工安全管理系统和复杂网络都具有复杂性、小世界性和无标座性特性。施工安全管理系统是由组织、技术、资源等要素构成的一个多目标、多干扰的开放性复杂系统，具有要素众多、规模庞大、结构多样的复杂性特征；施工安全管理系统中各要素相互联系，但连接两个要素的中介变量往往不会太多，这反映出安全管理系统中节点间距离较短，即小世界特征；无标度性体现在施工安全管理系统中要素之间的相互作用程度存在较大的差异，某些节点关联度较高，度数较大，如制度要素，即系统结构存在“不均匀”性。

要想更好地实现安全管理目标，必须运用系统工程学的原理，先将系统分解为若干子系统，梳理子系统间以及子系统与整个系统之间的关系，然后再将子系统进行整合。通过科学、系统的分类，将施工安全管理分为安全组织、技术、资金、设备与工具、教育培训、逐级监管以及应急管理，其网络图如图1。

图1　　施工安全管理系统网络图　

2　基于复杂网络的施工安全管理系统

2.1建模原则

鉴于施工安全管理系统是无形网络，不同于以往复杂网络应用研究的实际网络，因此为建立更加直观的施工安全管理拓扑模型，提出如下构建原则：

（1）施工安全管理系统为串联系统，即 6个子系统中，任何一个子系统发生故障，都会导致施工安全管理系统崩溃，6个子系统的可靠性共同决定施工安全管理系统的可靠性。

（2）子系统模型中，要素间的交互关系可用控制子树（分为顺序子树和非顺序子树2种类型）来描述，如图2所示。顺序子树表现为前一行为结束后顺序进行后续行为，要素行为存在先后发生顺序，模型中以“→”表示（见图 2（a）），A1，A2，A3为A的下一级要素，且A1、A2、A3依次发生，A的可靠性概率为A1、A2、A3可靠性概率的乘积；非顺序子树表现为要素行为不存在发生的先后顺序，共同保证系统安全，模型中以“—”表示（见图2（b）），B1，B2，B3为B的下一级要素，B1，B2，B3可同时发生，B的可靠性概率由 B1，B2，B3可靠性概率按权重求和可得。

（3）由于要素之间是虚拟连接，故将网络中所有边简化为无向无权边。

图2　　控制子树网络图　　

2.2子系统模型构建

按上述原则，各子系统模型建立如下：

（1）安全组织管理。安全组织管理是施工安全管理系统运行的核心，理清公司和项目部层级间的组织关系，有利于构建系统整体框架，为系统的有效运行提供组织基础，如图3所示。

图3　　安全组织管理子系统网络图　

（2）安全技术管理。安全技术管理是施工安全管理系统运行的关键，制定安全技术规程和安全技术保障措施可有效控制人的不安全行为、物的不安全状态以及环境的不安全条件，为系统的有效运行创造良好生产环境和条件，如图4所示。

图4　　安全技术管理子系统网络图　

（3）安全资源投入管理。安全资源投入管理是指对资金、设备与工具的管理，是施工安全管理系统运行的基础，为系统的有效运行提供必备的物质条件，如图5所示。

图5　　安全资源投入管理子系统网络图　

（4）安全教育培训。安全教育培训是施工安全管理系统运行的根本，重视对管理人员、作业人员的安全知识宣传以及操作技能培训，可有效提高系统各人员的安全意识，保障系统安全性，如图6所示。

图6　　安全教育培训管理子系统网络图　

（5）安全逐级监管。安全逐级监管是施工安全管理系统运行的保障，公司、项目部、班组三级监管，可提前预防系统中出现事故，最大程度减少事故发生的损失，事前保障系统的安全运行，如图7所示。

（6）安全应急管理。安全应急管理是施工安全管理系统的保证，是系统不可或缺的一部分，针对事故发生迅速做出反应的全面管理，可提高对事故后果的控制能力，事后保证系统的稳定运行。安全应急管理包括应急预案制定与演练、安全隐患发现与处理以及安全事故上报与处理三个方面内容，如图8所示。

3　施工安全管理系统可靠性评判

3.1可靠性评判方法

施工安全管理系统的可靠性取决于各子系统的可靠性，而各子系统的可靠性又取决于各要素。根据要素顺序子树和非顺序子树两种关系，运用概率论相关知识，可定量对各子系统、整个系统进行可靠性评判。

图7　　安全逐级监管子系统网络图　

图8　　安全应急管理子系统网络图　

3.1.1顺序子树关系可靠性评判

顺序子树关系表示先后发生，在概率论中用下级指标概率求乘积得到上级指标概率。有n个要素的顺序子树系统的可靠性计算公式为：

式中，P表示可靠性概率值；pi表示顺序子树要素中第i个要素发生的概率。

3.1.2非顺序子树关系可靠性评判

非顺序子树表示同时发生，在概率论中用下级指标按权重求和，得到上级指标概率。有n个要素的非顺序子树系统的可靠性计算公式为：

式中，ai表示非顺序子树中第i个要素所占权重。

3.2实例计算

以M施工单位为研究对象，分析其组织管理系统的可靠性。通过整理公司提供的资料和对公司、部分项目部参与方发放调查问卷，可得出M施工单位组织管理子系统的网络关系如图9所示，各节点要素含义如表1所示。

图9　　M施工单位组织管理子系统图　

表1　　节点要素含义　

问卷分为两个部分，第一部分为个人基本信息填写，主要是了解调研对象的工作岗位，鉴于调查目的是掌握公司和项目层面的组织管理现状，故调研对象仅涉及企业和项目部的管理人员。问卷第二部分为组织管理现状调查，从组织机构、人员资格、生产责任制、绩效考核以及生产激励机制5个方面来设题，采用五级衡量指标（差、较差、中、良好、优秀），调研对象选择对应答案来完成数据收集。

问卷共发放111份，回收有效问卷100份，根据问卷个人信息填写情况可知，公司层面涉及公司生产负责人、总工程师、安质科科长等，项目部层面为随机选取5个在建工程的项目部，调研对象是项目经理、总工、副经理、项目部各部门部长以及专职安全员等管理人员。

3.2.1可靠性概率计算

问卷调查中对各组织管理节点要素实施效果采用五级衡量标准，即取差、较差、中、良好、优秀的概率区间为［0，0.2）、［0.2，0.4）、［0.4，0.6）、［0.6，0.8）和［0.8，1.0］，分别取很差、差、一般、好、极好的概率为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9。

例如，问卷调查人员关于要素节点 111（公司成立安全生产管理委员会）选择实施效果为“中”共40人，选择“良好”共56人，选择“优秀”4人，可计算要素节点111的可靠性概率

p111=（0.5×40+0.7×56+0.9×4）÷100=0.63

同理，可计算其他节点可靠性概率值如表2所示。

表2　　节点要素实施效果调查统计表　

3.2.2要素权重确定

采用专家打分法和熵权法确定各要素权重，共有5位专家对各要素影响程度进行打分，打分采用10分制（数字越大表示影响程度越高），各要素影响程度专家分析评价表如表3所示。

表3　　节点要素影响程度专家评分表　

由表3可知评价指标数目m=14，专家个数n=5，可得14×5的评价矩阵；在应用熵值法时若遇见负数数据，则需要将数据先进行非负化。鉴于本文中数据皆为正值故省略此步。为了保证求熵值时数据的有效性，需要对数据进行平移，本文为越大越好的指标，故采用公式：

式中，i=1，2，…m；j=1，2，…n，m表示方案数目，n为评估指标个数，若max=m in，X’ij取值为1。

Pijln Pij=0。

w1=（1-e1）/Σ（1-ei）=0.05，同理可计算w2…w14；

将w1至w14归一化处理可得：a111=w1/（w1+w2）=0.48，同理可计算出各要素节点权重 aij，节点要素可靠性概率及权重如表4所示。

表4　　节点要素可靠性概率及权重表　

由上述可靠性计算公式可得出组织管理系统可靠性概率为：

计算可知，M施工单位组织管理子系统的可靠性概率为0.44，级别为“中”，管理上存在较为明显的缺陷。针对计算结果，就如何有效提高该单位管理的可靠性和安全性，提出以下几点建议：

（1）组织机构合理占组织管理子系统可靠性的权重较高，因此优先保证此节点要素的可靠性。如项目部层面重视领导协调机构的设立，成立安全生产领导小组，加强对项目部定期和不定期的安全检查，及时发现项目中存在的安全问题，并加大对解决问题的监管力度；公司、项目部都必须严格按照《建设工程安全生产管理条例》中安全员配置标准来合理配备专职、兼职安全员，严格保证安全员数量以及重视对安全员的培训。

（2）管理人员资格能力和经验是系统中关键要素——人的可靠性的直接表现，因此提高此要素可靠性可有效防止人的不安全行为。如重视管理人员的持证上岗，管理人员的素质直接决定安全管理的成效，加强对管理人员的教育培训；重视特种作业人员持证上岗，操作人员的职业技能水平直接决定了作业完成的质量，加强对操作人员职能证书的管理审查以及再培训。

（3）生产责任制落实、安全生产绩效考核评价、安全生产激励机制等相关制度建设应完善，让管理行为规范化。如制定相应的标准和办法，相关部门有依据地对员工行为进行考核评价，并合理进行奖罚，预防不安全行为，激励良好行为。

4　结语

基于复杂网络的相关理论，本文对施工安全管理系统及系统可靠性进行相关研究。量化各要素、各子系统可靠性概率，可优化项目资源导向，从网络结构上大幅度提高系统安全性，该研究可为保障施工安全管理系统可靠性提供一个新的方向。需要说明的是，本文更侧重于探讨复杂网络应用在施工安全管理系统中的理论可行性，在网络建模和可靠性评判方法上也做了一定的探索，研究的深度和细度还有待提高。

参考文献：

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［4］陈关荣，汪小帆，李翔.复杂网络——理论与应用［M］.北京：清华大学出版社，2006.

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［13］Reka K，Paolo C，Reka A.Modeling cascading failures in the North American pow er grid［J］.Eur.Phys.J B，2005，46：101-107.

陈曦（1991-），女，硕士研究生，研究方向：施工安全管理；

张伟（1980-），男，博士，副教授，研究方向：施工安全，工程项目管理，合同管理；

曹春香（1991-），女，硕士研究生，研究方向：施工安全管理。

中图分类号：TU714

文献标识码：A

文章编号：1674-8859（2016）03-031-06

DOI：10.13991/j.cnki.jem.2016.03.005

作者简介：

收稿日期：2016-04-24.

基金项目：国家自然科学基金项目（51308240）.

Construction Safety M anagement System Based on Com p lex Network Theory

CHEN Xi，ZHANG Wei，CAO Chun-xiang
（Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China，E-mail：403753170@qq.com）

Abstract：Safety is one of the basic objectives of construction project management.Since a construction project involves different participants，processes，and influencing factors，safety management is a typically systematic and complex issue.Thus this paper adopts the complex network（CN）method to illustrate construction safety management as a system.First，the mechanism of the CN theory and three kinds of network models w ere expatiated.Then，the topological structure of construction safety management w as built.Construction safety management was decomposed to six groups，namely，organization，technical measures，resources，training，controlling，and contingency management about construction safety.Relations between the factors in different groups were described as a network diagram.Finally，according to the relation and probability of factors，reliability probability of subsystems，and the w hole system were calculated.The research provides a new idea and direction for the study on the reliability of construction safety management system.

Keywords：comp lex netw ork；construction safety；management system；reliability