地铁隧道施工过程中人的行为安全系统动力学仿真分析

地铁隧道施工过程中人的行为安全系统动力学仿真分
析
1 引言
随着我国经济建设的飞速发展，人口基数的不断增大，为解决出行问题，我国地铁建设也已经进入快速发展时期。

据相关数据统计，截至2016年年底，我国已有30个城市开通了地铁，共134条线路投运，运营里程到达4135公里[1]。

然而，众所周知地铁的建设工程一般都是位于各个城市的中心地段，施工环境不仅复杂而且多变、工程规模大、施工工期较长、隐蔽性强、参与主体多[2]，基于种种原因地铁隧道施工事故居高不下，造成的安全事故频发。

在张阿伟，岳丽宏的隧道建设施工风险的系统动力学分析中曾指出人为失误风险是隧道施工安全事故发生的第一要素。

胡群芳搜集的2003～2011年我国地铁隧道施工的89起事故中，人的因素是事故原因的主要因素。

地铁隧道施工是比其他工程项目建设更加复杂、地理位置特殊、不确定因素众多的项目组织实施复杂性强的综合性施工行业，地铁隧道安全施工牵涉到诸多因素，各影响因素之间、因素与整体以及整体与环境之间相互作用这样的具有多变量、高阶次、非线性的动态反馈复杂的大系统，要想正确的把握其发展趋势，应该从系统的动态的角度去分析思考，才能深刻的研究其中各种因素的关系，进一步为施工管理提供依据。

2 系统动力学（System Dynamics,SD）介绍及建模步骤
系统动力学（System Dynamics,SD）是美国麻省理工学院（MIT）福雷斯特教授（Dr.Forrester）提出来的研究系统动态行为的一种计算机仿真技术[8]。

它基于控制论、系统论、决策论和信息论等有关理论，建立系统动力学模型，并以计算机仿真技术为主要手段进行仿真实验，主要用于分析和研究系统的行为模式或动力学特性[9]，SD方法是从动态的角度出发，构建系统模型，显示和掌控系统变化发展的规律，进而回馈系统对其进行优化和控制[10]。

SD建模的主要步骤：
定义关键变量→建立影响因子因果回路图→建立方程→绘制SD流图模型→SD仿真→灵敏度分析→结果预测分析。

3 地铁隧道施工中人的行为因子分析
3.1 确定影响因子
江新、胡文佳等人研究地铁施工风险时，在施工人员风险因素中曾涉及人员安全、作业行为规范、持证上岗、安全防护和连续工作时间5个子因子[11]。

在候艳娟等人的地铁施工安全事故分析典型案例中，曾指出人为原因包括管理不足、施工人员安全意识不够和施工技术不足等多方面因素[12]。

吴贤国等人在分析施工风险时总结了多个方面原因，包括安全管理不到位、施工人员技术水平不足、施工人员违反安全操作等方面[13]。

海因里希的1∶29∶300安全法则中，指出人的不安全行为主要是由思想、性格、安全生产知识和技能等决定的[14]。

地铁隧道施工中人的安全行为因子是非常多又非常复杂的，笔者结合海因里希法则和相关问卷调查以及相关文献研究，从地铁隧道施工人的行为因素中合并、
归纳抽象出6大主要因子，即：心理素质、安全意识、工作能力、操作水平、责任心、管理水平。

3.2 因果关系图
根据上面确定的6大主要因子，可构建系统的主要反馈回路（图1）。

其中反馈回路有6条如下：
安全投入↑→心里素质水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓
安全投入↑→安全意识水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓
安全投入↑→工作能力水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓
安全投入↑→操作因素水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓
安全投入↑→责任心水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓
安全投入↑→安全管理水平指标↑→人的行为安全水平↑→安全投入↓
由以上反馈回路可知，当加大安全投入时，6种因素的水平指标也相应的随之上升，人的行为安全水平也不断的接近安全目标值，当人的行为安全水平达到目标值后，可以相应的减少安全投入。

4 构建系统流图以及SD方程确定
4.1 系统变量集与SD方程
4.1.1 系统变量集
系统：人的行为安全水平指标（Snorm）
心理素质：心理素质因素水平指标（Norm1）、心理素质因素安全投入增长率（X1）、心理素质因素衰减率（Y1）、心理素质因素影响系数（Z1）、心理素质因素影响率（R1）、心理素质因素对人的行为安全水平作用率（Q1）、心理素质因素安全投入水平（Out1）。

安全意识所有变量都以下标2表示，工作能力的有关标量以下标3表示，操作水平的有关变量以下标4表示，责任心的有关变量以下标5表示，管理因素的有关变量则用下标6表示。

图1 人的行为安全系统因果循环图
4.1.2 SD方程
根据系统动力学原理，以及定义的变量集，得到系统动力学方程：
L Norm i.K=Norm i.J＋（DT）×（R i.JK-T i.JK）i=1～6//水平方程
Out i.K=Out i.J＋（DT）×（X i.JK）i=1～6
A Snorm.K=Q1×Norm1.K＋Q2×Norm2.K＋Q3×Norm3.K＋Q4×Norm4.K＋Q5×Norm5.K＋Q6×Norm6.K//辅助方程
（其中Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=1）
R R i.KL=Z i×（Out i.K）i=1～6//速率方程
N Norm i=（初始值）Put i=（初始值）i=1～6//初值变量方程
C Q i=（常数）X i=（常数）Z i=（常数）Y i=（常数）i=1～6//常数方程
4.2 地铁隧道施工中人的行为安全的SD流图
根据上文中的因果循环图和4.1.1给出的变量集，通过SD仿真软件Vensim_PLE，对地铁隧道施工中人的安全行为因子进行仿真（24个月），其SD 流图如图2所示。

5 SD仿真及结果分析
5.1 模拟仿真输入
本文系统中，参数的给定是基于长沙市轨道交通4号线砂子塘站—赤岗岭站区间隧道施工项目的调研数据，根据相关文献和专家打分经过计算得出的实际数值来作为SD方程的初始值。

方程中：各因子的安全水平初值（Norm1,，Norm2，Norm3.，Norm4，Norm5，Norm6）=（80，80，75，75，80，75）（这些数值没有量纲，其大小反应安全水平状态，数值越大反应安全水准越高），水平初值Out i=0（i=1，2，3，4，5，6），各因子对系统安全水平的贡献率为（Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6）=（0.14，0.12，0.2，0.21，0.11，0.22），仿真步长DT为1个月，各因子的安全投入增长率为（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.2，0.2，0.2，0.2，0.2），各因素的安全水平衰减率（Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6）=（0.05，0.06，0.07，0.07，0.06，0.08），各因素的影响系数（Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6）=（0.006，0.007，0.008，0.008，0.005，0.009），各因子的安全投入水平初值Out i=0（i=1，2，3，4，5，6），人的行为系统安全水平目标指标值设为90。

5.2 模拟仿真输出以及结果分析
本文共做了7次仿真，针对人的行为安全指标有影响的6个不同影响因子每次分别只改变一个因素的投入增长率，从而可以计算出各个因素对人的行为安全指标的影响率。

改变各个因素的投入增长率，即取以下7种情况：
Current0：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.2，0.2，0.2，0.2，0.2）Current1：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.4，0.2，0.2，0.2，0.2，0.2）Current2：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.4，0.2，0.2，0.2，0.2）Current3：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.2，0.4，0.2，0.2，0.2）Current4：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.2，0.2，0.4，0.2，0.2）
图2 SD流图
Current5：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.2，0.2，0.2，0.4，0.2）Current6：（X1，X2，X3，X4，X5，X6）=（0.2，0.2，0.2，0.2，0.2，0.4）根据7中情况，用SD仿真软件Vensim_PLE运行计算，得出以下7组数据，见表1。

由表1可以看出，Current0是各因子安全投入增加率未作调整时，系统安全水平指标在第1个月的值是76.85，数值表明系统在此时是处于不好的安全状况，未能达到安全水平目标值，然而随着各因子的安全投入，在第21个月达到目标值，此刻可以根据实际情况来适当的减少安全投入。

当分别变动不同因子的安全投入率的情况下，Current1、Current2、Current5情况在第20个月达到目标值，而Current3、Current4、Current6情况在第19个月就可以达到目标值。

SD仿真软件生成的安全水平指标随时间变化趋势图见图3所示。

由表1数据可以计算得出各个因子相对准确的影响率，以Current0情况为基准，取安全水平的平均值，即84.589。

用Current1情况的每个月份的安全水平值减去Current0情况每月对应的安全水平值，取平均值可得为0.2775，两个平均值的比值0.0033即反映：Norm1安全投入增加率增长最大时对系统安全水平的影响程度。

同理可以分别计算出Norm2，Norm3，Norm4，Norm5，Norm6对Snorm 的影响率分别为0.0032，0.0049，0.0064，0.0017，0.0076。

6 结论
本文运用系统动力学方法构建人的安全行为影响因子的系统动力学模型，并利用Vensim-PLE进行仿真分析，得到以下结论：
（1）地铁隧道施工系统是典型的高阶次、非线性、多反馈的复杂动态系统，研究结果证明，系统动力学能更好的处理系统内部的复杂因果关系。

地铁隧道施工系统是集开放性、动态性于一体的施工系统，因此选择以动态的观点去考察地铁隧道施工安全问题。

文中构建SD模型，模型在解决这方面的问题有着无法比
拟的优点，其不仅仅可以得出各风险因素对系统安全风险水平的实际作用率，还可以定量地预测系统在未来的风险水平发展趋势。

表1 系统行为安全水平指标随时间变化数据表
图3 各因子安全投入增加率增加相同时系统安全水平指标随时间的变化（2）从实际案例的仿真结果来看，6种不同影响因子即：心理素质因素、安全意识因素、工作能力因素、操作水平因素、责任心因素、管理因素，其对系
统安全水平的影响程度分别是0.0033、0.0032、0.0049、0.0064、0.0017、0.0076，其中以管理因素和操作水平因素对系统安全水平影响最大。

可以从加强管理水平、培养员工素质、促进技术提升和建立安全保障体系4方面的管控来有效的降低人为风险发生概率。

（3）SD理论和方法在地铁隧道施工安全风险方面的应用研究不是很多，仿真模型的关键变量的选取也很难做到精准，也不免会有所遗漏之处，因此在用系统动力学方法研究地铁隧道施工的问题，有待进一步的研究，以增强说服力，才能更好地为组织管理者提供理论基础。