基于模糊DEMATEL-ISM-MICMAC 的腳手架事故致因機(jī)理分析

向宇然，夏瑤徽，張國權(quán)

（武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430070，E-mail：xiangmilton@163.com）

在2019年報(bào)告的全國房屋市政工程生產(chǎn)安全事故中，按照類型劃分，高處墜落事故415起，占總數(shù)的53.69%。顯然，高空墜落是最重要的安全問題之一，這是造成大量致命傷害的原因，該行業(yè)超過30%的死亡是由高空墜落造成的[1]。Xiuwen Sue Dong等[2]指出腳手架是造成高空墜落的主要原因。相較于其他原因，腳手架不僅是跌倒的主要原因，而且是受傷率最高的原因之一[3]。因此，研究腳手架事故致因機(jī)理，尋找關(guān)鍵因素并進(jìn)行監(jiān)控，可以有效降低腳手架事故的發(fā)生。

研究表明，臨時(shí)結(jié)構(gòu)不管在工作期間還是休息時(shí)間，都可能對使用者和周圍人員構(gòu)成危險(xiǎn)，甚至造成傷害；腳手架介于臨時(shí)結(jié)構(gòu)與永久性結(jié)構(gòu)之間，同樣面臨這樣的問題[4]。Robert G.Beale[5]通過回顧過去對腳手架及腳手架結(jié)構(gòu)的研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)腳手架失效是由于現(xiàn)場控制不良造成的。Shu Chen等[6]指出安全管理中必須加強(qiáng)對主要引起外部風(fēng)險(xiǎn)的不安全行為的管理。鄭霞忠等[7]通過對腳手架坍塌致因分析，得出違章作業(yè)和安全責(zé)任制度不健全分別是事故發(fā)生的直接原因和根本原因。張孟春等[8]借助ANOVA（Analysis of Variance）和t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，分析得出腳手架工人對不使用安全帶和高處拋扔物體行為的危險(xiǎn)性存在低估。盡管目前對腳手架安全風(fēng)險(xiǎn)研究眾多，但是對于導(dǎo)致腳手架事故各因素之間的相互影響關(guān)系及路徑傳遞研究卻很少。鑒于此，本文通過采用集成模糊DEMATEL（Decision Making Trial and Evaluation Laboratory）、ISM（Interpretative Structural Modeling）混合建模方法定量地對腳手架施工安全影響因素系統(tǒng)中各個(gè)因素的層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行梳理，對相似因素進(jìn)行歸類，找出復(fù)雜因果關(guān)系中的關(guān)鍵因素，并通過交叉影響矩陣分析方法（Matriced Impacts Corises-multiplcation Appliance Classement，MICMAC）對結(jié)果進(jìn)行分析，從而為提高腳手架安全、降低腳手架事故發(fā)生提供思路和管理方案。

1 研究方法

決策實(shí)驗(yàn)室分析法（DEMATEL）是通過結(jié)合圖論和矩陣論對復(fù)雜系統(tǒng)因素進(jìn)行分析和決策的方法，能充分對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的因素進(jìn)行識別和分析[9]。DEMATEL被認(rèn)為是用來尋找評價(jià)參數(shù)之間因果關(guān)系的最佳實(shí)用方法之一[10]。該方法說明了變量之間的相互依賴關(guān)系及有影響的影響值。由于DEMATEL方法是基于專家經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行打分的，其結(jié)果受個(gè)體差異和專家主觀性影響較大，因此將模糊理論和DEMATEL方法結(jié)合，可以消除專家評價(jià)信息存在語義化和模糊化等問題[11]，通過將專家打分轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的三角模糊數(shù)（Triangular Fuzzy Number，TFN），得到直接影響矩陣，然后進(jìn)行模糊化處理[12]。對處理后的直接影響矩陣求平均，得到平均直接影響矩陣，再求取矩陣中每個(gè)元素的期望值[13]。ISM模型以圖論為理論基礎(chǔ)，借助邏輯矩陣運(yùn)算來分析、處理復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是一種有效的網(wǎng)絡(luò)分析工具[14]。ISM通過對復(fù)雜系統(tǒng)分解，借助人的經(jīng)驗(yàn)知識，利用計(jì)算機(jī)輔助，得到一個(gè)多層遞階的結(jié)構(gòu)模型[15]。基于此，DEMATEL和ISM結(jié)合，不僅可以識別出指標(biāo)體系的關(guān)鍵要素和影響程度，而且可以構(gòu)造指標(biāo)體系的層級結(jié)構(gòu)[16]。采用MICMAC方法分析，由可達(dá)矩陣確定各因素的驅(qū)動(dòng)力和依賴性，繪制象限圖，對影響因素所處地位和作用進(jìn)行分析，以便提出針對性改進(jìn)建議[17]。

具體操作步驟如下：

（1）面向從事腳手架工程相關(guān)項(xiàng)目人員和專家開展調(diào)研，在此基礎(chǔ)上，采用德爾菲法進(jìn)行打分，從而建立直接影響矩陣。問卷按照5個(gè)等級，來對影響因素進(jìn)行評價(jià)。

（2）通過語義轉(zhuǎn)化表將初始直接影響矩陣轉(zhuǎn)化為TFN（見表1）為第k位專家認(rèn)為i因素對j因素的影響程度，通過下式求取平均影響矩陣Z中每個(gè)元素的期望值。

表1 語義轉(zhuǎn)化表

（3）對平均直接影響矩陣采用標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算得出綜合影響矩陣T，其中E為單位矩陣。

（4）分析綜合影響矩陣T。通過下式計(jì)算Fi、Gi影響度和被影響度分別表示第i行或第i列影響因素對其他因素的綜合影響值。

中心度mi反映第i個(gè)因素在指標(biāo)體系中的位置，和在故障過程中的重要性。原因度ni反映影響因素的因果關(guān)系。區(qū)分原因因素和結(jié)果因素是通過原因度正負(fù)進(jìn)行判斷，正為原因因素，負(fù)為結(jié)果因素。

（5）計(jì)算整體影響矩陣。

（6）設(shè)置閾值，計(jì)算可達(dá)矩陣。

λ為閾值，取值范圍在[0，1]間，本文取λ=0.2；kij為因素i與j元素的關(guān)聯(lián)值。

（7）計(jì)算各影響因素的可達(dá)集合R(si)和前項(xiàng)集合A(si)。

（8）建立ISM模型。

（9）通過可達(dá)矩陣，利用MICMAC方法，通過計(jì)算的依賴性與驅(qū)動(dòng)力結(jié)果繪制象限圖，進(jìn)一步分析影響因素的地位和所起作用，明確各影響因素的不同特性，為提出建議或采取措施提供依據(jù)。

2 腳手架事故致因指標(biāo)體系

通過以往數(shù)據(jù)可知，坍塌、高處墜落、物體打擊為3種最常見的腳手架事故。為尋找腳手架事故致因機(jī)理，通過查閱腳手架事故影響因素的文獻(xiàn)資料，結(jié)合專家訪談結(jié)果，對影響因素進(jìn)行合并，最終確定為5個(gè)方面的因素，即人的失誤、管理方法、材料及機(jī)械設(shè)備因素、惡劣環(huán)境、其他因素。具體指標(biāo)及指標(biāo)說明如表2所示。

表2 腳手架事故影響因素指標(biāo)體系說明

3 案例分析

3.1 基于模糊DEMATEL 腳手架事故影響因素分析結(jié)果

在群體規(guī)模與決策關(guān)系的研究中指出以質(zhì)量一致為重點(diǎn)，5～10人最為合適[18]。此外，采用調(diào)查員三角測量法，使用不同研究成員團(tuán)隊(duì)的數(shù)據(jù)，可以減少偏見，保證研究的有效性和可靠性[19]。基于此，本文邀請了10位經(jīng)驗(yàn)豐富的研究建筑風(fēng)險(xiǎn)和從事腳手架工程領(lǐng)域的專家，其中5位來自學(xué)術(shù)研究人員、5位來自行業(yè)從業(yè)人員。通過自身從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合近5年全國發(fā)生的典型腳手架事故，根據(jù)構(gòu)建的腳手架施工安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，由10位專家對風(fēng)險(xiǎn)影響因素間的作用強(qiáng)度，按表1中的5個(gè)等級分別賦值，并對初始直接影響矩陣進(jìn)行TFN處理。對處理后的10個(gè)直接影響矩陣求平均，得到平均直接影響矩陣。用式（1）求得矩陣中元素kij，結(jié)果如表3所示。

通過式（2）和式（3）對表3做標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到綜合影響矩陣T，如表4所示。

表3 期望值直接影響矩陣

按照式（4）至式（7）計(jì)算表4，通過計(jì)算出的中心度和原因度值，繪制腳手架事故致因中心和原因度圖，如圖1所示。

在腳手架事故致因體系中有7個(gè)因素為原因因素；8個(gè)因素為結(jié)果因素。由大到小對原因因素排序結(jié)果為：行政監(jiān)管不到位、安全監(jiān)督不到位、安全檢查整改不到位、現(xiàn)場管理混亂、安全教育培訓(xùn)不充分、氣候條件、施工技術(shù)方案過程控制不到位。結(jié)果因素按絕對值，由大到小排序?yàn)椋喝`行為、設(shè)備故障、未正確使用安全防護(hù)、未持證上崗、現(xiàn)場環(huán)境、工人安全意識淡薄、安全裝置缺失、材料是否合格。

由原因-結(jié)果圖（見圖1）可知，腳手架事故致因形成因子聚集為四類。中心度與其影響程度為正相關(guān)關(guān)系，因此，對強(qiáng)原因因素集（Ⅰ）和強(qiáng)結(jié)果因素集（Ⅳ）需要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。對Ⅰ、Ⅳ區(qū)因素，按照中心度由大到小進(jìn)行排序，即三違行為、未正確使用安全防護(hù)、工人安全意識淡薄、未持證上崗、安全裝置缺失、行政監(jiān)管不到位、安全檢查整改不到位、安全監(jiān)督不到位。

圖1 腳手架事故致因中心和原因度圖

3.2 基于ISM 的腳手架事故致因指標(biāo)體系整體影響分析

為剔除影響程度小的因素，通過設(shè)置λ=0.22的閾值，將表4綜合影響矩陣進(jìn)行化簡，得到鄰接矩陣如表5所示。

表4 綜合影響矩陣

表5 鄰接矩陣

鄰接矩陣加上單位矩陣得到可達(dá)矩陣，根據(jù)可達(dá)矩陣分別構(gòu)建可達(dá)集合與先行集合及其交集表（見表6）繪制腳手架事故致因ISM模型如圖2所示。

通過對腳手架事故致因分析，得到解釋結(jié)構(gòu)模型。由表6并結(jié)合圖2可以看出，行政監(jiān)管不到位為最底層的因素，并作用于其他因素，說明E1是影響腳手架事故的最根本因素。三違行為和設(shè)備故障位于最頂層，是最直接影響因素。第四層施工技術(shù)方案過程控制不到位、安全教育培訓(xùn)不充分和第五層現(xiàn)場管理混亂、安全監(jiān)督不到位這些因素均來自管理方法維度，受最底層因素影響又作用于其他指標(biāo)影響，是比較深層次的影響因素。

圖2 多層次ISM 模型

表6 可達(dá)集合與先行集合及其交集表

3.3 基于MICMAC 腳手架事故影響因素分析結(jié)果

通過計(jì)算各指標(biāo)的驅(qū)動(dòng)力（Q）和依賴性（Y）進(jìn)行指標(biāo)間的分層，驅(qū)動(dòng)力是可達(dá)矩陣各行元素之和，依賴性是可達(dá)矩陣各列元素之和。據(jù)此繪制影響因素Q-Y分類圖，以驅(qū)動(dòng)力和依賴性的平均值為分界線，最終劃分為4個(gè)象限，如圖3所示。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限分別為自治簇、依賴簇、聯(lián)系簇、獨(dú)立簇。依賴性越大表明越依賴其他因素來解決該因素，驅(qū)動(dòng)力越大表明該因素可以幫助解決其他因素的程度越大。

圖3 影響因素Q-Y 分類

對腳手架事故致因進(jìn)行MICMAC分析，得出指標(biāo)驅(qū)動(dòng)力依賴矩陣。屬于第Ⅰ象限的因素有材料是否合格、氣候條件、現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，其共同點(diǎn)是較低驅(qū)動(dòng)力和依賴性，在評價(jià)時(shí)需要對這3個(gè)因素進(jìn)行單獨(dú)考慮。屬于第Ⅱ象限的因素有現(xiàn)場管理混亂、施工技術(shù)方案過程控制不到位、安全教育培訓(xùn)不到位、安全監(jiān)督不到位、安全檢查整改不到位、行政監(jiān)管不到位，其特點(diǎn)是具有較低的依賴性和較高的驅(qū)動(dòng)力；這些指標(biāo)位于ISM 模型中的底層，屬于較深層次的影響因素，其他影響因素的解決依賴于這些指標(biāo)因素的解決；并且這些因素都屬于管理方法指標(biāo)和其他因素指標(biāo)，在事故發(fā)生中屬于間接因素，不易被觀測，故需要進(jìn)行重點(diǎn)把控。第Ⅲ象限因素同時(shí)具有較高驅(qū)動(dòng)力和依賴性，工人安全意識淡薄、未持證上崗，說明這兩個(gè)因素間的關(guān)聯(lián)性很大。屬于第Ⅳ象限的因素有三違行為、未正確使用安全防護(hù)、安全裝置缺失、設(shè)備故障，這些因素都是具有較低驅(qū)動(dòng)力和較高依賴性的特點(diǎn)，處于ISM模型中的第一層和第二層的位置，需要通過解決其他因素才能被解決。

3.4 政策建議

（1）行政監(jiān)管不到位是底層因素。需要加大行政監(jiān)管力度，這樣有助于提高施工單位的安全管理水平，降低腳手架事故的發(fā)生。具體來說，需要完善法律法規(guī)、增加對企業(yè)的處罰力度和提高巡查頻率；除此之外，可以考慮設(shè)立獎(jiǎng)懲制度、引入信息化管理技術(shù)，通過設(shè)置電子監(jiān)控進(jìn)行輔助檢查。

（2）管理因素維度屬于較深層次影響因素。解決好這些影響因素也會(huì)對其他因素產(chǎn)生正反饋。通過對傳遞路徑的分析，監(jiān)理人員或者施工單位管理人員若對安全監(jiān)督不到位，將導(dǎo)致安全教育培訓(xùn)流于形式、安全檢查整改不及時(shí)，進(jìn)而工人降低對風(fēng)險(xiǎn)的安全意識、使用不合格材料、沒有配備安全防護(hù)裝置，最終由于三違行為或者設(shè)備故障引起事故的發(fā)生?；诖耍芍芾硪蛩厥菍?dǎo)致人的失誤和材料及機(jī)械設(shè)備因素的主導(dǎo)因素。由于管理方法因素是造成事故發(fā)生的關(guān)鍵致因，因此，加強(qiáng)對管理方法維度的監(jiān)管，可以降低三違行為、設(shè)備故障的發(fā)生，進(jìn)而降低腳手架事故的發(fā)生。

（3）三違行為和設(shè)備故障作為事故發(fā)生的最直接因素，需要加大對工人不安全行為的識別、對機(jī)械設(shè)備檢查。通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)視覺識別或者BIM技術(shù)對工人行為進(jìn)行研究，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，再通過視頻動(dòng)畫模擬安全教育的方式，加深工人的危險(xiǎn)感知能力，進(jìn)而降低三違行為的發(fā)生。進(jìn)場時(shí)，腳手架材料需具備生產(chǎn)許可證和測試報(bào)告，抽查施工材料是否達(dá)到施工要求；同時(shí)，定期對機(jī)械進(jìn)行維修檢測也是有效降低機(jī)械故障的途徑。

4 結(jié)語

目前，我國腳手架安全事故頻發(fā)，且具有易導(dǎo)致群死群傷的的特點(diǎn)，一旦發(fā)生，將對建設(shè)單位和社會(huì)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和負(fù)面影響。腳手架安全事故發(fā)生的原因是復(fù)雜多樣的，對造成腳手架事故發(fā)生的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別與分析，是進(jìn)行腳手架安全風(fēng)險(xiǎn)防范，預(yù)防和減少事故發(fā)生的重要前提。本文通過文獻(xiàn)分析和專家訪談確定5個(gè)維度，15個(gè)因素的影響腳手架事故發(fā)生的指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊DEMTEL、ISM和MICMAC構(gòu)建的組合評價(jià)模型，對腳手架事故影響因素進(jìn)行研究，通過模型分析，找出了各因素之間的關(guān)聯(lián)及傳遞關(guān)系，使導(dǎo)致腳手架事故發(fā)生的機(jī)理更加清晰。結(jié)果表明，行政監(jiān)管不到位是造成腳手架事故的最深層次的因素，管理方法維度處于較深層次因素，人的失誤、材料和設(shè)備因素、惡劣環(huán)境是造成腳手架事故的直接因素。根據(jù)驅(qū)動(dòng)力依賴矩陣找出需要重點(diǎn)防控的因素，并對其提出相應(yīng)的解決措施，以期可以從源頭把控，減少腳手架事故的發(fā)生，對建設(shè)單位在腳手架施工防范事故發(fā)生具有一定參考價(jià)值。