高速公路建設施工工人安全意識仿真研究

陳曉明，宋致科，浦學明，蔡 晶

（1.中信建設有限公司 云南分公司，云南 昆明 650000；2.昆明理工大學 交通工程學院，云南 昆明 650500，E-mail：puxueming25@foxmail.com）

高速公路建設具有建設難度大、施工復雜、技術要求高等特點，導致高速公路建設的事故率一直居高不下，嚴重阻礙了公路建設事業的健康發展。從國內外事故統計分析得出，人的不安全行為是導致事故的主要源頭[1]。建筑業中超過80%的死亡是由工人的不安全行為造成的[2]。相關研究表明，人的不安全行為的根本原因在于沒有形成良好的安全意識[3]。要控制事故的發生，重點在于管理人的行為，而防止不安全行為發生的重點在于提高施工工人的安全意識，針對高速公路施工人員安全意識展開研究，可有效減少不安全行為，進而降低安全事故的發生概率。

目前，國內外學者已對安全意識展開了一定深度的研究。Conrad 等[4]對安全意識與事故之間的關系展開研究，發現安全意識的提高會降低事故的發生概率。Meng X 等[5]驗證了中國建筑行業工人安全意識與安全行為呈現正相關關系。裴子平等[6]通過文獻和訪談法凝練出影響礦工安全意識的13 個影響因素，運用結構方程研究各級影響因素間的關系。姜沁瑤等[7]從個體、外部環境和組織管理3 個層面探索了建筑工人安全意識的影響因素。趙雙靜[8]運用結構方程構建了建筑工人安全意識模型，分析各影響因素之間的相互關系，對建筑工人安全意識進行了靜態評價。曹書平[9]對安全意識進行了探討，提出了安全意識具有動態性的特征。Shire 等[10]論述了SD 模型在分析安全科學動態系統的可行性和有效性。劉炳勝等[11]嘗試將SEM 與SD 結合對中國建筑和產業競爭力進行仿真，模擬出未來中國區域建筑產業競爭力的發展趨勢。王軍武等[12]采用系統動力學模型對地鐵施工人員的安全能力進行仿真模擬，提出了提高地鐵施工人員安全能力的優化策略。

上述對于建筑工人安全意識的研究停留在靜態角度，并且針對高速公路建設施工工人安全意識動態演化研究較少，未能對安全意識的發展趨勢進行動態展示，導致無法根據相關因素的變化情況提供干預措施。本文從動態角度探究高速公路建設施工工人安全意識變化，運用AMOS 軟件構建高速公路建設施工工人安全意識的結構方程模型，得到建筑工人安全意識仿真初始參數，通過Vensim PLE構建高速公路建設施工工人安全意識SD 仿真模型并進行仿真，根據仿真結果分析高速公路建設施工工人安全意識的動態規律，并針對性提出有效的干預措施，以期提高施工工人安全意識，減少人為的不安全行為，從根本上降低安全事故的發生率。

1 安全意識及影響因素體系

1.1 安全意識概念及活動過程

安全意識是指施工工人為免受施工現場危險因素影響，在進行施工過程中，通過認知自我安全而產生的心理狀態，其所持有的潛在身心條件與狀態的心理活動總和。

安全意識的活動過程包括，感知階段：通過視覺、聽覺、觸覺等感官器官感知外界的危險，這些危險信息被傳遞到大腦中的感覺區域進行初步的加工和處理；認知階段：將所感知到的危險與已有的知識、經驗和情境聯系起來，對感知到的危險進行分析、推理和判斷；決策和行動：基于感知和認知階段的信息，做出決策或采取行動，以應對危險情況；反思階段：做出行動后，會對其行動效果進行評估和反思。

1.2 安全意識影響因素體系

安全人機工程學認為，“人-機-環境”系統中人的操作主要受到心理、生理、操作能力及外部環境和管理等因素的影響[13]，在高速公路建筑工地的“人-機-環境”系統中，工人的安全意識也會受到自身及管理和外部施工環境因素等的影響，因此本文從個體、組織管理、施工環境3 個層面選取影響高速公路安全意識因素。參考建筑行業[7，8，14，15]與其他行業[6，16~19]對安全意識的研究成果及與建筑一線專家訪談，最終建立高速公路建設施工工人安全意識影響因素體系，如表1 所示。

表1 高速公路施工工人安全意識影響因素體系

2 安全意識的SEM 模型

2.1 研究數據收集

研究數據來源于G56 楚雄（廣通）—大理高速公路擴容工程9 個項目工區，調查問卷題項采用Likert5 級量表評價，采取現場實地調查方式進行問卷收集。共發放問卷294 份，回收有效問卷236 份，回收有效率為80.3%，所調查樣本滿足結構方程要求[20]。樣本基本信息如表2 所示。

表2 樣本基本信息

2.2 問卷信效度檢驗

采用SPSS26.0 軟件進行調查問卷數據的信度和效度檢驗。信度采用Cronbach′s α 系數表征，效度檢驗采用KMO 和Bartlett 檢驗[12]。得到問卷數據的Cronbach’s α=0.860>0.7，KMO=0.878>0.6，一般情況下KMO>0.6 表明適合做因子分析。結果表明問卷數據的可靠性強、效度高，適合做因子分析。

2.3 結構方程（SEM）構建

根據影響因素指標，提出以下6 個假設：

H1：個人特質會影響施工工人安全意識；

H2：組織管理會影響施工工人安全意識；

H3：外部施工環境會施工工人安全意識；

H4：外部施工環境會影響施工工人個人特質；

H5：組織管理會影響外部施工環境；

H6：組織管理會影響施工工人個人特質。

構建高速公路建設施工工人安全意識SEM 模型，如圖1 所示，4 個潛變量分別為：安全意識、施工工人特質、組織管理、外部施工環境，施工工人個體特質、組織管理、外部施工環境的觀測變量為二級影響因素，安全意識的觀測變量為自我效能（Y1）、安全理智感（Y2）、預判傷害發生能力（Y3）。其中ei表示誤差變量（i=1，2，…，22）。假設如下：

圖1 SEM 模型

2.4 模型擬合檢驗

為檢驗整體模型和樣本數據的匹配程度，通常采用卡方值（χ2）、卡方自由度比（χ2/df）、擬合優度指數（CFI）、調整后擬合優度指數（AGFI）、增值擬合指數（IFI 和TFI）和近似誤差均方根（RMSEA）等7 個常用擬合指數反映結構方程模型的擬合程度。對模型進行修正后測量模型擬合指數如表3 所示。修正后模型擬合各項指標滿足標準，因此認為模型通過檢驗。

表3 測量模型擬合結果

各假設之間的參數與顯著性水平P 值如表4 所示。P 值均低于0.05，說明假設可接受，同時，臨界值CR均大于參考值1.96。因此，模型通過了參數估計和假設檢驗。利用AMOS軟件采用極大似然法（ML）對結構方程進行驗證性因素分析，最終得到模型各變量間的路徑系數，如表5 所示。

表4 參數估計和假設檢驗

表5 各變量間路徑系數

3 安全意識SD 模型構建

3.1 模型邊界和基本假設

本文研究的主體是高速公路施工工人個體安全意識的變化趨勢。為了使系統更加清晰明確，做出如下假設：

（1）本文的高速公路建設施工工人安全意識仿真模型中影響子系統為個體層面、組織層面和施工環境層面3 個子系統，故僅考慮這3 個影響子系統中的因素，暫不考慮其他因素的影響干擾。

（2）問卷測量出的安全意識變化數值是無量綱，只研究其具體變化趨勢，然后進行定量分析。

（3）施工工人安全意識所體現的是普遍情況。

3.2 模型因果關系分析

根據圖1 中高速公路建設施工工人安全意識與各影響因素之間的影響關系，構建3 個安全意識影響系統，分別是個體特征影響系統、組織管理影響系統和施工環境影響系統。通過分析，得到影響系統的3 個主要反饋回路及安全意識系統關系圖，如圖2 所示。

圖2 高速公路建設施工工人安全意識因果關系圖

主要反饋路徑如下：①安全意識水平→+個體特質水平→+安全意識水平；②安全意識水平→－不良施工環境水平→+安全意識水平；③安全意識水平→－組織管理水平→－安全意識水平；④安全意識水平→－不良施工環境水平→+個體特質水平→+安全意識水平；⑤安全意識水平→－組織管理水平→+不良施工環境水平→－安全意識水平；⑥安全意識水平→－不良施工環境→+個人特質水平→－組織管理水平→－安全意識水平；⑦安全意識水平→+個人特質水平→－組織管理水平→－安全意識水平。

3.3 SD 模型構建

在圖2 的基礎上，根據系統動力學原理建立如圖3 所示的高速公路建設施工工人安全意識SD 仿真模型，由于該模型中的絕大部分變量為定性變量，為確保模型的嚴謹性和邏輯性，該模型的變量全部為無量綱。

圖3 高速公路建設施工工人安全意識SD 仿真模型

4 參數設定及仿真分析

4.1 影響因素賦權

本文所研究的高速公路施工人工安全意識影響因素較多，同時也需要探究各潛在變量之間的相關性，因此適合采用因子分析法對各項影響因素指標進行權重計算。具體方法如下：

（1）潛在變量賦權。

式中，Ki為第i項潛在變量權重；Ri為第i項潛在變量標準化路徑系數。

（2）對觀測變量在各潛變量下的影響因素進行賦權。

式中，eij為第j項歸一化后的路徑系數；Mij為第j項權重；Uij為觀察變量在整體模型中的影響權重。

根據上述方法進行計算，得出安全意識影響因素權重系數如表6 所示。

表6 安全意識影響因素權重表

4.2 參數初始化設定

根據安全等級評價標準，將正向指標分為7 個等級：非常好（≥90）、好（80~89）、較好（70~79）、尚可（60~69）、較差（50~59）、差（40~49）、很差（<40），負向指標分為7 個等級：非常高（≥90）、高（80~89）、較高（70~79）、尚可（60~69）、較低（50~59）、低（40~49）、很低（<40）。選取20 名經驗豐富的施工工人和一線專家進行打分賦值取均值，結果如表6 所示。

狀態變量初始值結合專家打分和評價矩陣計算得出，如狀態變量個體特質水平初始值計算如下：

個體特質各觀測變量的評價矩陣：

可得個體特質水平初始值：

同理可得組織管理水平和不良施工環境水平的初始值分別為70.51、66.43，安全意識初始值為62.95。

4.3 初始狀態仿真分析

運用Vensim PLE 仿真軟件進行仿真，基于系數、狀態變量初始值和輔助變量的取值，設置TIME STEP=1，UNITS for TIME=Hour，ININTIALTIME=0，FINAL TIME=9，即仿真步長為1 hour，時間單位為hour，初始時間為0 小時。仿真一個工作日的高速公路建設施工工人安全意識水平隨時間的變化情況，運行仿真結果如圖4 所示、安全意識水平變化率如圖5 所示。

圖4 初始狀態仿真結果

圖5 安全意識水平變化率

由圖4 仿真結果可知，施工工人安全意識水平呈現先上升后下降的趨勢。主要分為兩個階段，第一階段：施工前7 小時，施工工人的安全意識水平提高，且在第7 小時安全意識水平達到峰值，這是因為早晨是人體最活躍的時段，工人在睡眠后醒來的時候，身體和精神狀態都比較好，對環境適應能力較強。這種狀態可以幫助他們更加專注于工作，另外剛開始的工作環境比較輕松和安靜，這可以讓工人更加專注和集中精力，從而減少工作中的錯誤和事故。進行施工時，因為工人在每日施工前期需要制定工作計劃和準備工作所需的材料和設備，這些計劃和準備幫助工人更好地了解工作任務的細節和要求，因此施工初期對所處崗位的風險和隱患更加了解，工人接受早晨的班前培訓和教育不斷產生作用，不斷使工人的安全意識提高，另外，在施工初期管理水平較高，這些促使施工工人安全意識呈現不斷上升的趨勢。第二階段：下降階段為后2個小時，持續進行施工作業后，施工工人感到疲勞，生理和心理水平降低，在組織管理層面出現懈怠，環境層面，施工后期會有更多的噪音和干擾等，因此呈現施工工人安全意識快速下降的趨勢。

由圖5 可得，初始狀態下工人安全意識變化率分為3 個階段：第一階段前2 小時、第2 小時至第7 小時、后2 小時；初始狀態下施工工人安全意識變化率在前2 小時呈現快速增長，在第2 小時的增長率最大。由于早晨工人身體和精神狀態都比較好，對環境適應能力較強，另外剛開始的工作環境比較輕松和安靜。使得安全意識水平的增長率快速增長，在第2 小時達到最大；第二階段是施工第2小時~7 小時，這個階段工人安全意識的增長率呈現下降趨勢，這個階段工人的安全意識提升主要依靠組織管理的監管和班前教育和培訓知識的理解付諸于實踐等；第三階段后2 小時安全意識水平的增長率為負，直至第9 小時，安全意識水平增長率降至最低。這是因為長時間的工作導致出現疲勞，使得個人特質水平下降，另外臨近下班，組織管理方面出現懈怠，以及不良外部施工環境水平升高導致。

4.4 不同子系統同等力度下干預效果對比分析

根據高速公路建設施工工人安全意識動態變化特點，在不同階段采取針對性的措施以便有效提高施工工人安全意識。通過設定3 種情景策略與初始狀態下的施工工人安全意識進行對比。

情景一：施工工人個體特質水平增加20%。

情景二：組織管理水平增加20%。

情景三：不良施工環境水平降低20%。

觀察施工工人安全意識的變化趨勢，仿真趨勢如圖6 所示。

圖6 不同子系統干預策略仿真對比

（1）在前2 小時內，4 種情景策略下的施工工人安全意識變化曲線基本重合，都處于上升趨勢，但是3 種情景策略下的施工工人安全意識差異不明顯，表明在這個階段，對高速公路建設施工工人安全意識的干預效果相似。

（2）在第2 小時至第7 小時段內，3 種干預措施對高速公路建設施工工人安全意識的干預效果由大到小依次為：情景二>情景三>情景一，因為隨著組織管理水平的提高，也在加強個人特質水平的提高和不良施工環境水平的降低，最終綜合影響著工人的安全意識，因此情景二的干預效果最佳。

（3）在第7 小時至第9 小時段內，干預措施情景二對高速公路建設施工工人安全意識的提升效果最佳，干預效果均大于另外兩個干預策略。干預措施情景一在第7 小時與初始狀態曲線產生了交點，并且第7 小時至第9 小時時間段內，干預措施情景一出現消極影響，安全意識水平均低于初始狀態的安全意識水平，這是因為在后2 個小時，施工工人出現疲勞和厭倦等問題，所以產生該現象。在第9 小時，干預策略情景三的曲線與初始狀態下安全意識水平的變化曲線產生了重合，說明在施工第9小時改變施工環境對施工工人的安全意識提升效果較小，前期對施工環境的改善對施工工人安全意識的提升效用增大，隨著工人不斷適應施工環境，施工環境對施工工人安全意識的影響作用逐漸降低。

5 結語

高速公路施工人員的安全意識水平是動態變化的，本文基于安全人機工程學理論從個人、組織、施工環境3 個方面篩選出影響高速公路施工人員安全意識的因素體系。借助結構方程模型建立高速公路建設施工工人安全意識結構方程模型，研究各影響因素與施工工人安全意識之間的關系，根據影響因素之間的標準化路徑系數求得影響因素的權重，為系統動力學仿真提供參數依據。在高速公路建設施工工人安全意識結構方程模型的基礎上構建了系統動力學模型。分析模擬了不同情景策略干預方案下施工工人安全意識的變化趨勢，得出提高高速公路建設施工工人安全意識水平的最佳策略：在每日施工前期側重于提高施工工人特質水平和降低不安全施工環境水平，在每日施工后期側重于組織管理水平的提高，為降低高速公路施工事故提供可行性方案。該研究為地鐵、房屋建設等其他種類工程施工工人的安全意識研究提供了參考依據。