■ 莫俊文 钟建栋 李甲 滕仓国

兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070

0 引言

随着新一轮西部大开发等相关政策的提出，国家加大了西部地区的铁路建设投资力度。然而，由于我国西部的铁路建设线路大部分处于高海拔地区，这些地区常年低压缺氧、寒冷干燥、气候多变、强紫外线辐射[1]，造成铁路工程建设安全事故频发。据Heinrich 的研究表明，88%的事故是由人的不安全行为直接引起[2]，因此，探究高海拔铁路工程施工人员的安全行为影响因素，对于降低铁路工程人因事故率，提高其安全水平意义重大。

国内外学者已在不同领域对人的不安全行为进行了大量研究，戴娜娜[3]通过对化工建筑从业人员的安全行为进行研究，建立了从业人员安全行为及其影响因素的结构方程模型，提出增加安全投入和安全沟通可以提高人的安全行为水平；叶贵[4]从人、物、环、管四个方面归纳了建筑工人的不安全行为影响因素，认为领导重视程度和社会规范是不安全行为产生的重要原因；Jiang[5]通过整体认知分析识别出建筑工人不安全行为的影响因素，提出了从根本上预防不安全行为的方法；Ju[6]分析了情绪变化与不安全行为之间的关系，得出情绪下降会使建筑工人出现不安全行为；张江石[7]利用结构方程模型构建了煤矿环境与个体因素之间的影响关系，提出煤矿环境中安全氛围对个体行为产生积极影响；Fang[8]引入了建筑工程安全文化的概念，认为对施工项目进行安全文化建设可以控制不安全行为发生；张孟春[9]从心理学角度分析了地铁项目施工人员的不安全行为，揭示了组织因素是导致不安全行为产生的重要原因。

通过对大量文献的研读情况来看，关于人的不安全行为的研究多集中于煤矿、工业罐区[10]以及中低海拔地区，缺乏对高海拔地区尤其是铁路工程的研究。在研究方法方面也有待改进，由于高海拔铁路工程施工人员的安全行为具有动态性和复杂性，以往学者在研究这类问题时忽视了安全行为水平随时间动态变化的特点，未从系统的角度考虑各因素间的动态演化过程，而系统动力学主要用于研究复杂系统的功能、结构与动态行为之间的关系，能够直观并且定量地观察系统随时间的推移而产生的变化[11]。因此本文基于系统动力学理论和方法，研究高海拔地区铁路施工人员的安全行为影响因素，从安全投入的角度对施工人员的安全行为水平进行动态评价和定量预测，以期为铁路建设施工单位的安全行为管理提供科学合理的思路。随着国家提出“人民至上、生命至上”的思想理念，为减少高海拔地区铁路工程安全事故，对施工人员的安全行为研究显得尤为重要，为此作者参与申请了国家自然科学基金委员会的地区科学基金项目。本文是该课题项目的部分成果，具体来说，是项目中提到的利用系统动力学和vensim 软件在安全风险管理方面的应用，是对课题部分研究内容的进一步扩充。

1 系统动力学理论基础

系统动力学( System Dynamics, SD) 是由麻省理工学院的JayW.Forrester 教授于1956 最早提出的一种对社会经济问题进行系统分析的方法论和定性与定量相结合的分析方法。目的在于综合控制论、信息论和决策论的成果，以计算机为工具，分析研究信息反馈系统的结构和行为[12]。与其他模型相比，系统动力学模型具有高度非线性、高阶多变量、多层次反馈的特点，强调变量之间的反馈和复杂的交互作用，考察系统在不同参数、不同方案因素输入时的发展趋势和动态变化。系统动力学内部存在两种反馈关系，即正反馈关系和负反馈关系[13]。正反馈是加强反馈的过程，能通过系统自身因素进行加强，在系统运行的过程中因素按照一定的顺序不断加强，从而提高原来的系统水平。负反馈则与之相反，负反馈会不断做出响应，前提是没有达到或者没有无限趋近系统的目标水平。

起初，系统动力学主要用于研究交通、资源消耗、环境污染以及人口就业等一系列复杂的社会性问题[14]，随着对系统动力学的认识逐渐深入，建筑[15]和煤矿[16]的安全管理、分析评价道路交通系统[17]以及人的不安全行为[18]等成为主要的研究对象。

使用系统动力学建模的过程如图1所示。

图1 系统动力学建模步骤

2 影响因素及因果关系的确定

2.1 确定影响因素

根据事故致因理论,导致事故发生的影响因素主要集中在人、物、环境和管理这四个主要的方面[19], 也称“事故系统四要素理论”，如将施工人员的不安全行为看作事故，那么探讨高海拔铁路施工人员的安全行为影响因素可从事故系统四要素理论出发，本文通过分析人的安全行为影响因素的相关文献[4,20-25]，结合高海拔地区建设工程的施工特点，从人、物、环、管四方面进行分析整理和归纳得到若干因子包括：安全意识、心理素质、文化程度、工作经验、工作情绪、机械设备使用、作业防护、工作环境、场地布局、安全激励、生理素质、后勤保障、安全监督、团队文化等。基于构建SD 流量图以及方程的需要，采用专家访谈法合并、归纳抽象出关键影响因素。邀请15位相关领域的专家，其中3位来自科研院所、3位来自设计单位、4位来自施工现场、5位来自高等院校，且均具有多年工作经验。按照如下打分规则对所选因素的重要程度进行打分：

6——极其重要,该指标极其重要,缺少该指标则体系不能成立

5——很重要,该指标是体系必须考虑的因素

4——重要，该指标是项目的重要组成要素

3——应考虑,该指标是体系应当考虑的内容

2——意义不大，有无该指标对体系的功能影响不大

1——不必考虑，这条指标是完全多余的，应当删除。

对15位专家的打分进行汇总处理，计算各因素的平均数和方差，若某个因素的平均得分为6,则认为该因素必须保留；某个因素的平均得分为1, 则该因素应当删除。对数据汇总处理，如表1 所示，取平均得分较大（若平均分相同，取方差较小）的因素。排序并提取关键影响因素如下：工作环境、安全意识、心理素质、工作经验、文化程度、作业防护、安全激励、现场安全监督。

表1 专家打分汇总表

2.2 模型边界

在建模过程中，为明确系统作用机制，提出以下界定：

（1）建模是为明确高海拔铁路工程施工人员的安全行为变化水平。具体包括：①对施工人员的安全行为系统投入，观察系统安全水平的变化情况；②改变各影响因素的安全投入量，对比分析安全行为水平的变化差异。

（2）由于铁路系统在对工程建设项目安全投入时，通常是对安全行为系统的整体投入，因此本文的研究对象是施工人员安全行为的整体水平，不考虑单个工人的安全行为水平。

2.3 因果关系构建

基于上述分析，构建高海拔铁路工程施工人员的安全行为因果关系回路图，如图2 所示，该回路中共包含8个子系统，共同决定系统安全行为水平。回路中“↑”表示变量的增加，“↓”表示变量的减少。主要的反馈回路有①安全投入↑→工作环境水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；②安全投入↑→安全意识水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；③安全投入↑→心理素质水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；④安全投入↑→工作经验水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；⑤安全投入↑→文化程度水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；⑥安全投入↑→作业防护水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；⑦安全投入↑→安全激励水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓；⑧安全投入↑→现场安全监督水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓。

图2 高海拔铁路施工人的行为安全因果关系图

通过系统反馈机制对以上回路分析，当增加系统安全投入时，各影响因素的水平指标随之增加，表明安全投入对各影响因素的水平指标具有直接的正向影响，进而使人的安全行为水平上升，当安全水平达到目标值时，各影响因素又会通过人的安全行为水平间接作用于安全投入以减少投入量。这时根据反馈机制，可以适当降低系统安全投入从而稳固系统的安全水平。

3 高海拔铁路工程施工人员安全行为SD 模型构建

3.1 建立系统变量集

根据安全行为影响因子结合相关参考文献建立系统变量集如下。

水平变量L：人的行为安全水平总指标SL；影响因子水平指标，用Li表示（i=1，2，…，8），包括工作环境水平指标L1、安全意识水平指标L2、心理素质水平指标L3、工作经验水平指标L4、文化程度水平指标L5、作业防护水平指标L6、安全激励水平指标L7、现场安全监督水平指标L8。

速率变量R：安全投入对各影响因子的影响速率，用Ri表示（i=1，2，…，8），包括工作环境对安全投入的影响率R1、安全意识对安全投入的影响率R2、心理素质对安全投入的影响率R3、工作经验对安全投入的影响率R4、文化程度对安全投入的影响率R5、作业防护对安全投入的影响率R6、安全激励对安全投入的影响率R7、现场安全监督对安全投入的影响率R8。

辅助变量A：各影响因子的安全投入水平，用Ai表示（i=1，2，…，8），有工作环境因素的安全投入水平A1、安全意识因素的安全投入水平A2、心理素质因素的安全投入水平A3、工作经验因素的安全投入水平A4、文化程度因素的安全投入水平A5、作业防护因素的安全投入水平A6、安全激励因素的安全投入水平A7、现场安全监督因素的安全投入水平A8。

另外，根据各因素的相互作用关系设置常变量N：各影响因子的安全投入增长率Zi、各因子衰减率Si、影响系数Yi以及各因子对系统安全水平的影响率Qi。（i=1，2，…，8）

3.2 构建系统流图模型

为了清楚的描述系统原理及其演化过程，根据因果关系图和建立的变量集，运用仿真软件Vensim 构建高海拔地区铁路工程施工人员的安全行为影响因子SD 流图模型，SD 流图如图3 所示。模型由8 个子系统组成，各子系统安全水平构成系统的整体安全水平。

3.3 建立系统仿真方程

根据系统动力学原理，以及定义的系统变量集，建立系统动力学方程。

（1）水平方程，在本文中理解为当前系统安全投入水平值等于过去时刻的投入值加DT内的增加量。

L Ai·K=Ai·J+(DT)×(Zi·JK)

（2）速率方程，在本文中反映各子系统安全水平输入或输出的速度。

R Li·K=Li·J＋（DT）×（Ri·JK－Si·JK）i=1～8

R Ri·KL=Yi×（Ai·K）i=1～8

（3）辅助方程，指系统的整体安全行为水平，由其他子系统组成，当前时刻的值和历史时刻的值是相互独立的。

A SL·K = Q1×L1·K＋Q2×L2·K＋Q3×L3·K＋Q4×L4·K＋Q5×L5·K＋Q6×L6·K＋Q7×L7·K＋Q8×L8·K

（其中:Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6+Q7+Q8=1）

（4）常数方程，对常量赋值，如系统初始值等。

N Li=（初值）；Ai=（初值）；Qi、Xi、Zi、Yi=(常数)i=1～8

其中：K表示现在的时刻；J为过去的时刻（初始值）；DT为仿真时间步长变量[12]。

3.4 模型检验

将模型设置好之后，开始检验模型。本文借鉴相关文献和专业资料，对模型边界的合理性以及各方程的逻辑关系进行核查分析，经检验，各变量准确有效，在方程中逻辑关系合理，利用vensim 软件中的“模型检验”功能对其进行验证，结果显示模型完整无误，见图4。

图4 模型检验

4 SD仿真及结果分析

4.1 仿真模拟输入

系统参数来源于川藏铁路拉萨至林芝LLZQ-3 标段的现场调研，该标段位于青藏高原东南部，经乃东、桑日，属于冈底斯山与喜马拉雅山之间的藏南谷地，山高谷深，高寒缺氧，气候极端恶劣。参照国家安全评价等级标准（一级标准90 以上、二级标准80 以上、三级标准70 分以上）对调研数据进行处理确定系统初值：系统安全水平值无量纲化处理，各因子的安全水平初值为（L1,L2,L3,L4,L5,L6,L7,L8）=（70,70,75,70,70,75,70,75），系统安全水平目标值设为90；各因子的安全投入水平初值设为0，即Ai=0，i=1～8；各因子占系统安全总水平的相对权重利用层次分析法确定，（Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8）=（0.224，0.182，0.146，0.108，0.144，0.080，0.072，0.044）。仿真时间步长DT取一个月,安全投入增加率Zi为0.25，当安全水平到达目标值时，设投入增加率以0.6 的缩减系数递减至系统可维持安全目标水平，安全投入对各因素的影响系数Yi根据已完项目的有关数据回归调整计算得出，分别为（0.0055，0.004，0.006，0.004，0.002，0.008，0.005，0.01）；各因子的安全水平衰退率Si为（0.02，0.03，0.02，0，0.04，0.05，0.02，0.03）。

4.2 系统模型基础仿真结果分析

将参数代入模型，通过模拟可以得到施工人员的安全行为水平Case0 的变化趋势，如图5 所示。对安全行为系统投入时，在一段时间内施工人员的安全行为水平总体呈上升趋势。系统安全水平的初始值为71.33，此时未达到目标值，随着安全投入增加，前4个月的系统安全水平呈增长趋势，但增长的速度相对缓慢，表明在实施安全投入的初期阶段，施工人员的总体安全行为水平虽有提高，但可能存在对安全投入采取的措施表现出不适应的情况。第6 个月到第21 个月期间，系统安全水平呈快速增长的趋势，在第21 个月达到90.1949，表明随着对系统安全的持续投入，施工人员逐渐熟悉并采纳相关措施，总体安全行为水平得到大幅提高并达到目标。在第21 至24月期间，系统安全水平增长缓慢并逐渐趋于平稳，由于已经达到目标水平，在此阶段为控制预算，施工单位应根据实际情况适当减少投入，降低安全投入增加率，直至系统安全水平达到稳定状态。

图5 系统安全行为水平变化趋势

4.3 系统仿真对比结果分析

为明确各因子对系统安全水平的影响程度，设置以下模拟方案：模拟时长设为基础仿真Case0 达到目标值的时间（21 个月），保持其他变量不变，依次改变各因子的安全投入增加率为原来的两倍(0.5)，各方案具体投入如下表2 所示。对影响系统安全行为的8 个因子分别进行模拟，将Case（i）(i=1～8)与Case0 对比分析可以得到各因子（Li）变化对系统安全水平（SL）的影响程度。利用vensim 仿真计算，得到8 组不同投入增加率下的系统安全水平指标随时间的变化值，如表3 所示。根据数据绘制系统安全水平随时间变化的趋势图，见图6、图7。

图6 系统安全水平指标随时间变化图

图7 局部系统安全水平随时间变化图

表2 安全投入增加率参数表

从图中可以看出各情况下的系统安全水平分别在不同时间段达到目标值，Case1在第19个月达到目标值，Case2、Case3 和Case6 在第20 个月达到目标值，而Case4、Case5、Case7 和Case8 在第21 个月才达到目标值。这表明虽然提高了相同幅度的安全投入增加速率，但随着时间的变化系统安全水平的上升幅度并不相同。对于该铁路建设项目，高海拔地区恶劣的工作环境对人的安全行为影响最为显著，安全意识、心理素质和作业防护次之，工作经验、文化程度、安全激励以及现场安全监督对施工人员的影响程度较低。

根据表3 计算施工人员安全行为水平的影响率，求出影响因子的重要度排序。以Case1为例，首先以Case0为基准求出每月安全水平的平均值，再将Casei（i=1-8）每月的安全行为水平值减去Case0 中每月对应的值，并取其平均值，如式1。最后取平均值之比即为该因子的安全投入增长率最大时对系统安全水平的影响程度。

表3 系统安全水平指标随时间变化数据表

通过计算得Case0 安全水平平均值为77.7522；各因子对系统安全行为水平变化的重要程度依次为工作环

境、心理素质、安全意识、作业防护、现场安全监督、工作经验、安全激励、文化程度。对应影响率分别为0.0217、0.0128、0.0154、0.0076、0.0051、0.0112、0.0063、0.0077。铁路施工单位需要依据实际影响率合理分配各指标的安全投入，注重把握影响率较大的指标，才能在施工现场进行科学合理的安全管理工作。

5 结论

（1）通过分析总结相关文献，筛选出影响高海拔铁路施工人员安全行为的关键因素，将安全投入作为辅助变量，利用系统动力学原理建立高海拔地区铁路工程施工人员的安全行为水平预测模型，可根据不同项目的实际情况设置时间参数，利用工人群体安全行为的动态演化过程指导不同时间段各指标的安全投入量，能够合理的把握系统安全水平的发展趋势，对铁路施工单位的安全管理工作有一定的参考意义。

（2）高海拔铁路工程施工人员安全行为水平的发展趋势可分为3 个阶段：缓慢上升段、快速上升段和平稳段，应着重把握第3阶段的系统安全水平变化，在目标值点适当降低系统安全投入，有助于铁路工程的安全生产工作更加高效经济。同时由仿真结果可看出，提高施工人员的安全行为水平是一个长期过程，该标段铁路施工人员的安全行为水平从初始值71.33 增长到预期指标需要21个月。因此，坚持长期有序的安全投入才能达到安全行为目标水平。

（3）各因子在系统安全投入下的变化量不同，对系统的影响程度也有一定的差异。通过计算可知，8 个子系统即：工作环境、心理素质、安全意识、作业防护、现场安全监督、工作经验、安全激励、文化程度对系统安全水平的影响率分别为0.0217、0.0128、0.0154、0.0076、0.0051、0.0112、0.0063、0.0077。其中工作环境、心理素质和安全意识对高海拔铁路施工人员安全行为水平的影响最为显著。因此，建议施工单位采取以下措施，从而有效降低施工过程中的人为风险。

①选择当地适应高海拔环境的作业人员，对初进入高海拔地区的工人可采取阶段性习服和适应性训练的办法。同时，施工单位应合理安排作业时间及强度，施工作业尽量采用机械化。建立完善的医疗保障机构和卫生保护措施，降低高原环境对施工人员的影响。

②改善施工现场环境，丰富施工人员的业余生活，加强思想政治健康教育，在内部建立良好的人际关系和融洽的安全氛围。密切关注施工人员心理情绪，通过开展心理咨询和培训引导工人自觉纠正和调整心理状态，防止出现侥幸、省能、抵触和逞能等不安全的心理反应。

③强化施工人员的安全意识，在施工现场设置安全标识和宣传画，提高工人的重视水平。施工前做好岗前培训和技术交底工作，对主要安全风险点重点检查。同时要加强高原安全知识的普及教育和安全技能的培训力度，制定强有力的安全生产奖惩制度，将安全责任充分落实到人，全面提高施工人员安全意识。