基于決策實(shí)驗(yàn)室分析法及解釋結(jié)構(gòu)模型的交通隧道施工事故致因鏈構(gòu)建

陳 赟， 劉湘慧， 陳玉斌

(長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 長沙 410114)

隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目也不斷增多，尤其是利用地下空間的交通隧道，已經(jīng)成為我國交通運(yùn)輸?shù)闹饕d體之一。但頻發(fā)的交通隧道施工事故也帶來了巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，交通隧道施工安全管理已然成為了施工過程中的重要內(nèi)容。

近年來，交通隧道施工事故安全分析得到促進(jìn)和發(fā)展,靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的方法逐步興起[1-3],K-Means聚類模型[4]、層次分析法[5]、Dempster-Shafer(D-S)證據(jù)理論[6-7]，灰色關(guān)聯(lián)度[8]等也廣泛運(yùn)用于交通隧道安全風(fēng)險(xiǎn)分析過程中。與此同時(shí)，歷史事故對于交通隧道施工安全管理具有重要的指導(dǎo)意義，為充分利用以往的評估經(jīng)驗(yàn)，汲取以往的事故教訓(xùn)，相關(guān)學(xué)者對其進(jìn)行了歸納總結(jié)與分析研究。例如，孫景來等[9]通過對案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，劃分隧道施工塌方類別，并對其進(jìn)行特征分析及原因說明；熊自明等[10]對以往典型的地下工程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在隧道施工過程中主要事故致因包括人的不安全行為，物的不安全狀態(tài)；王龔[11]對城市地鐵施工事故案例進(jìn)行整理分析確定了客觀因素、主觀因素及監(jiān)控測量3類安全風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系，并基于此進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)；陳赟等[12]通過識別地鐵隧道施工事故特征構(gòu)建情景表達(dá)模型，為充分利用事故經(jīng)驗(yàn)管控隧道施工安全提供新的參考。

綜上所述，對歷史事故進(jìn)行總結(jié)分析可對交通隧道施工安全管理工作提供科學(xué)參考，但現(xiàn)有交通隧道施工事故安全分析主要集中于事故致因?qū)κ┕ぐ踩挠绊懀^少從事故全過程視角對事故致因進(jìn)行縱向挖掘，缺少對事故致因鏈的挖掘。為此，現(xiàn)以挖掘事故致因間的縱向影響關(guān)系為根本任務(wù)，通過文本挖掘提取主要事故致因，引入決策實(shí)驗(yàn)室分析法(decision-making trial and evaluation laboratory，DEMATEL)及解釋結(jié)構(gòu)模型(interpretative structural modeling，ISM)構(gòu)建致因要素模型，確定關(guān)鍵致因因素及各致因影響路徑，明確關(guān)鍵控制點(diǎn)，以期為交通隧道施工安全管理提供參考和依據(jù)。

1 交通隧道施工事故致因分析

1.1 基于文本挖掘的事故致因提取

交通隧道施工事故的爆發(fā)是多方面因素共同作用的結(jié)果，考慮文本挖掘已運(yùn)用于多領(lǐng)域多方面，可從大量文本數(shù)據(jù)中獲取隱性知識[13]，較專家經(jīng)驗(yàn)、文獻(xiàn)總結(jié)更具客觀性及全面性，故結(jié)合事故案例，采用文本挖掘技術(shù)提取交通隧道施工事故致因。為保證數(shù)據(jù)來源的可靠，選取對事故發(fā)生的全過程、直接原因及間接原因有較為詳細(xì)描述的各交通隧道施工事故調(diào)查報(bào)告及相關(guān)論文共135例作為文本挖掘的語料。

通過NLPIR-Parser平臺對事故直接原因及間接原因部分進(jìn)行文本分詞處理、詞頻統(tǒng)計(jì)及權(quán)重統(tǒng)計(jì)[14],其中詞頻即詞組出現(xiàn)的次數(shù)，權(quán)重是在確定各候選詞鄰接熵和互信息值的基礎(chǔ)上，通過線性插值法獲得[13，15]。為統(tǒng)計(jì)與交通隧道施工事故相關(guān)的致因，剔除其中無關(guān)詞。如施工單位、地鐵集團(tuán)等，以此作為交通隧道施工事故致因的初始因素。篩選后文本分詞詞頻和權(quán)重統(tǒng)計(jì)結(jié)果(部分)如表1所示，利用python軟件生成的詞云圖如圖1所示。

表1 詞頻和權(quán)重統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖1 交通隧道施工事故致因詞云圖Fig.1 Word cloud map of the causes of traffic tunnel construction accidents

1.2 事故致因體系構(gòu)建

由于初始因素中存在部分表述不完整或詞義相近的詞，需對其進(jìn)行進(jìn)一步篩選和完善，篩選和完善原則如下。

(1)對事故致因名稱表述進(jìn)行完善，如將“安全意識”表述為“安全意識及素養(yǎng)淡薄”，將“安全隱患”“隱患排查治理”表述為“隱患排查治理不到位”。

(2)將詞義相同但表述略有差異的事故致因歸并，如將“圍巖”“巖體”“泥灰?guī)r”“地質(zhì)條件”“水土壓力”等歸并為“水文地質(zhì)條件差”。

基于以上原則得到交通隧道施工事故的20項(xiàng)致因，并結(jié)合《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南》及4M1E理論，將事故致因分為人員、機(jī)械設(shè)備及材料、管理、技術(shù)及環(huán)境5個(gè)主要方面，具體分類如圖2所示。

圖2 交通隧道施工事故致因體系Fig.2 The cause system of traffic tunnel construction accidents

2 基于DEMATEL-ISM的事故致因模型構(gòu)建與分析

決策實(shí)驗(yàn)室法(DEMATEL方法)同時(shí)考慮了因素間的直接影響關(guān)系和間接影響關(guān)系，并判別原因因素及結(jié)果因素，明確各因素的重要性程度[16]。解釋結(jié)構(gòu)模型法(ISM方法)是一種定性分析系統(tǒng)內(nèi)要素依賴或制約關(guān)系的方法，可將復(fù)雜關(guān)系轉(zhuǎn)化為直觀的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，并形成多級層級結(jié)構(gòu)，從而明確事故致因的因果關(guān)聯(lián)和影響關(guān)系[17]。

因此，采用DEMATEL方法與ISM方法相結(jié)合的方式，對交通隧道施工事故致因進(jìn)行深入分析和研究，明確各因素層級結(jié)構(gòu)及其影響路徑，為確定關(guān)鍵因素，進(jìn)行科學(xué)決策提供依據(jù)。

2.1 直接影響矩陣建立及其規(guī)范化

(1)

2.2 綜合影響矩陣、中心度和原因度的計(jì)算

交通隧道施工過程中各致因間存在縱向影響關(guān)系，一個(gè)因素的變化可能會波及其他因素，為分析此種作用關(guān)系，要確定事故致因的綜合影響矩陣M，另外計(jì)算交通隧道施工事故致因影響度di及被影響度fi。影響度與被影響度的和為中心度ci,可表示各因素的重要性程度；影響度與被影響度的差值為原因度ri，ri>0說明該因素屬于交通隧道施工事故致因體系中的原因因素集合，ri<0表明其屬于結(jié)果因素集合。以上因素計(jì)算式為

(2)

(3)

(4)

ci=di+fi

(5)

ri=di-fi

(6)

各事故致因影響度、被影響度、中心度、原因度計(jì)算結(jié)果圖3、圖4所示。由圖3可知，在影響度與被影響度方面，管理、人員兩方面因素較技術(shù)、機(jī)械設(shè)備與材料因素的影響度高、被影響度低，證明管理、人員因素易對其他事故致因造成影響，其中安全監(jiān)管不到位(α14)、安全意識及素養(yǎng)淡薄(α3)的影響程度最大。由圖4可知，在中心度方面，管理、人員兩方面因素較環(huán)境、技術(shù)、機(jī)械設(shè)備與材料因素更高，證明該兩方面因素在事故致因體系中占據(jù)重要位置；在原因度方面，環(huán)境因素均屬于原因因素集合，技術(shù)、機(jī)械設(shè)備與材料因素均屬于結(jié)果因素集合，進(jìn)一步驗(yàn)證責(zé)任事故、人為原因及環(huán)境氣象為地下工程事故的主要原因[11]。因此，對人員、管理因素進(jìn)行管控是提高安全風(fēng)險(xiǎn)管理水平的有效手段。

圖3 事故致因影響度與被影響度Fig.3 Influence and influenced degree of the causes of the accidents

圖4 事故致因中心度及原因度Fig.4 Centrality and cause degree of the causes of the accidents

2.3 多級遞階結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

考慮各事故致因?qū)ψ陨淼挠绊?，采用單位矩陣E與綜合影響矩陣M相加的方式得到整體影響矩陣U，即

U=[uij]n×n=E+M

(7)

為篩去影響程度較弱的指標(biāo)之間的關(guān)系，可對整體影響矩陣U設(shè)置閾值λ，由

(8)

得到可達(dá)矩陣H=[hij]n×n，從而達(dá)到簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的效果。在本文中λ采用賦值法，分別取0.08、0.10、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16進(jìn)行對比分析[16-17]，綜合考慮7種不同的閾值取值情況下各事故致因影響關(guān)系的清晰度及復(fù)雜度，最終確定閾值λ=0.15。

根據(jù)確定的可達(dá)矩陣H，利用

(9)

計(jì)算出可達(dá)集合Xi及前因集合Yi。其中可達(dá)集合Xi表示在可達(dá)矩陣中事故致因αi可以到達(dá)所有因素的集合，前因集合Yi表示可以到達(dá)事故致因αi的所有因素的集合，按

Xi=Xi∩Yi，i=1,2，…，n

(10)

對Xi及Yi進(jìn)行驗(yàn)證，若滿足則表示Xi中的所有致因都可以在Yi中找到即αi為最高層級因素，依次逐步確定交通隧道施工事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)以上原則，以λ=0.15為閾值所計(jì)算出的可達(dá)矩陣為基礎(chǔ)，以單向箭頭表示各致因因素的縱向影響關(guān)系，繪制交通隧道施工事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型，該多級遞階模型中共有5個(gè)層級，本文中借鑒文獻(xiàn)[17-18]將該多級遞階模型的5個(gè)層級劃分為本質(zhì)因素、深層因素、過渡因素及表層因素4個(gè)類別，如圖5所示。

圖5所示模型各層級及各類別對施工安全的影響程度逐級加深，其中第五層級是事故致因體系的本質(zhì)因素，是交通隧道施工過程中的基礎(chǔ)性因素，影響其他層級及類別因素安全程度，即安全意識及素養(yǎng)、安全監(jiān)管對交通隧道施工安全有著根源性影響；第四層級即深層因素是安全管理過程中的重要因素，是對事故致因因素遞階影響的深層挖掘；第二層級至第三層級的風(fēng)險(xiǎn)因素為過渡因素，它們受深層因素及本質(zhì)因素的影響，同時(shí)也影響著表層因素，是預(yù)防施工事故的重要一環(huán)；第一層級的表層因素，是事故發(fā)生的直接原因，在施工過程中控制這些因素對預(yù)防事故的發(fā)生會起到較為直接顯著的效果。

圖5 交通隧道施工事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型Fig.5 Multi-level hierarchical structure model for traffic tunnel construction accidents

2.4 關(guān)鍵事故致因影響鏈構(gòu)建分析

在明確各致因遞階層級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從“管理、人員、環(huán)境、機(jī)械設(shè)備及材料、技術(shù)”5個(gè)角度出發(fā)分析其交互作用，明確關(guān)鍵致因影響路徑，為施工人員制定有效的安全管理措施，阻斷致因間的不良影響提供依據(jù)。

2.4.1 關(guān)鍵致因確定及影響鏈構(gòu)建

根據(jù)ISM得到的事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合DEMATEL確定的中心度、原因因素與結(jié)果因素集合，明確6項(xiàng)關(guān)鍵致因，并構(gòu)建關(guān)鍵致因影響鏈，具體原則如下。

(1)安全意識及素養(yǎng)淡薄、安全監(jiān)管不到位在事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型中屬于根源性因素，且重要性程度高，對其他致因的影響大，據(jù)此分別構(gòu)建以安全意識及素養(yǎng)淡薄和安全監(jiān)管不到位兩個(gè)本質(zhì)因素為核心的因素影響鏈，如圖6、圖7所示。

圖6 安全意識及素養(yǎng)淡薄影響鏈Fig.6 The chain of poor safety awareness and literacy

圖7 安全監(jiān)管不到位影響鏈Fig.7 The chain of inadequate safety supervision

(2)各環(huán)境因素在事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型中受本質(zhì)因素的影響程度較小，屬于深層因素，在施工管控過程中處于關(guān)鍵位置，且其均屬于原因因素集合，對其他致因有較為明顯的影響，為辨別環(huán)境因素對其他因素的影響關(guān)系構(gòu)建“環(huán)境條件不佳”影響鏈，如圖8所示。

圖8 環(huán)境因素影響鏈Fig.8 The chain of envirnmental factors

(3)施工方案不合理在事故致因多級遞階結(jié)構(gòu)模型中受本質(zhì)因素及深層因素的影響較大，且其中心度最高，在事故致因體系中重要程度最高，以此將其影響和被影響的致因提取為以施工方案不合理為核心的影響鏈，如圖9所示。

圖9 施工方案不合理影響鏈Fig.9 The chain of unreasonable construction plans

2.4.2 關(guān)鍵事故致因影響鏈分析

在“安全意識及素養(yǎng)淡薄”影響鏈中(圖6)，以人員因素為核心直接影響管理因素，進(jìn)而影響技術(shù)、機(jī)械設(shè)備與材料因素。說明從業(yè)人員的業(yè)務(wù)能力直接影響交通隧道施工管理水平，影響安全施工的組織規(guī)劃，即從業(yè)人員的安全意識及素養(yǎng)是管控隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的重要著力點(diǎn)，嚴(yán)格把握管理人員的安全意識，有助于完善安全主體責(zé)任，促進(jìn)安全教育培訓(xùn)，增強(qiáng)施工人員的安全知識，為后續(xù)施工方案的設(shè)計(jì)實(shí)施，隱患排查治理的執(zhí)行，應(yīng)急預(yù)案的制定等奠定良好的基礎(chǔ)。

在“安全監(jiān)管不到位”影響鏈中(圖7)，管理因素直接影響人員因素及技術(shù)因素，貫穿隧道施工全過程。說明安全管理力度直接影響從業(yè)人員及設(shè)計(jì)方案的施工效果，即在管控隧道施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行安全監(jiān)管可不斷修正人的不安全行為，改善物的不安全狀態(tài)，防止在施工過程中出現(xiàn)操作失誤、違反安全章程、擅離職守及勘察設(shè)計(jì)深度不夠等情況。

在“環(huán)境條件不佳”影響鏈中(圖8)，環(huán)境因素直接作用于技術(shù)因素，進(jìn)而影響管理因素及機(jī)械設(shè)備因素。說明施工項(xiàng)目的環(huán)境條件直接影響施工方案及機(jī)械設(shè)備的選擇，即充分了解施工項(xiàng)目所處地區(qū)的地質(zhì)水文條件、氣候條件及周圍管線設(shè)施，是選擇合理施工方案的前提，對地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)測及預(yù)報(bào)，也為后續(xù)施工及設(shè)計(jì)方案的及時(shí)變更奠定了基礎(chǔ)。

在“施工方案不合理”影響鏈中(圖9)，施工方案受到人員、管理、技術(shù)及環(huán)境的綜合影響，合理施工方案的選擇依靠施工項(xiàng)目的環(huán)境條件、勘察設(shè)計(jì)深度及相關(guān)從業(yè)人員的資質(zhì)與經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)又影響著施工工藝的選擇及隱患排查治理的效果，即完善的施工方案是良好安全管理的體現(xiàn)。

3 案例分析

3.1 事故案例概況

萬拉木隧道全長約4.88 km，是麗香鐵路的重要組成部分，該隧道正洞施工采用輔助坑道橫洞的方式，橫洞長為995 m，在正洞施工過程中發(fā)生一起物體打擊事故，造成1人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失約135萬元。

3.2 事故案例致因鏈分析

應(yīng)用上文構(gòu)建的事故致因體系，結(jié)合事故調(diào)查報(bào)告中的事故發(fā)生經(jīng)過、事故原因分析、事故責(zé)任認(rèn)定，提取此次物體打擊事故致因因素，并結(jié)合調(diào)查報(bào)告上下文語境，如“現(xiàn)場安全生產(chǎn)檢查不到位，未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工安全存在的事故隱患”整理出事故致因影響鏈如圖10所示。

圖10 事故案例致因影響鏈Fig.10 The causal influence chain of accident case

圖10事故致因鏈顯示，此次物體打擊事故的主要致因因素為管理及人員因素兩類，在安全意識及素養(yǎng)淡薄、安全監(jiān)管不到位兩個(gè)根源因素的作用下，各因素縱向影響，最終造成施工人員安全防護(hù)措施不到位及違規(guī)作業(yè)，以致事故發(fā)生。該影響鏈一方面證實(shí)了“安全意識及素養(yǎng)淡薄”及“安全監(jiān)管不到位”在事故致因中的關(guān)鍵位置，另一方面與前文構(gòu)建的事故致因多級遞階模型具有一致性。

為有效阻斷事故致因的縱向影響關(guān)系，從管理及人員兩個(gè)角度出發(fā)，致力于“從根源因素處控制，于過渡因素處截?cái)?，在表層因素處阻止”，提出安全促進(jìn)對策，具體如表2所示，結(jié)合事故報(bào)告中的事故防范措施建議對比分析，進(jìn)一步證明致因鏈及關(guān)鍵因素的確定，可為阻斷致因鏈發(fā)展，防控隧道施工事故的發(fā)生提供參考和依據(jù)。

表2 事故案例安全促進(jìn)對策

4 結(jié)論

與以往研究多關(guān)注于事故致因本身對施工安全的影響不同，本研究以挖掘事故致因間的縱向關(guān)系為根本任務(wù)，力求探尋事故致因鏈并找出關(guān)鍵因素，以便從根源上對事故致因進(jìn)行控制，對交通隧道施工實(shí)踐具有一定的指導(dǎo)意義。

(1)交通隧道施工安全受多項(xiàng)因素綜合影響，具體可概括為人員、機(jī)械設(shè)備與材料、管理、技術(shù)以及環(huán)境5個(gè)方面20項(xiàng)。

(2)交通隧道施工事故致因可劃分為5個(gè)層級4個(gè)類別，各層級、各類別間存在明確的遞進(jìn)關(guān)系，隨表層因素、過渡因素、深層因素及本質(zhì)因素的逐步遞進(jìn)，各因素對隧道施工安全影響程度逐步加深。

(3)5個(gè)方面的事故致因間存在交互作用，且管理、人員、環(huán)境因素可直接作用于技術(shù)、機(jī)械設(shè)備及材料因素。

(4)事故致因間具有縱向影響關(guān)系，其中安全意識及素養(yǎng)、安全監(jiān)管、各類環(huán)境因素、施工方案為關(guān)鍵控制點(diǎn)，對其進(jìn)行合理有效控制可減少事故發(fā)生。