趙挺生，胡俊杰，師玉棟，徐 凱

（華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，湖北 武漢 430074，E-mail：mrshi@hust.edu.cn）

塔式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)塔吊）是施工現(xiàn)場(chǎng)重要的垂直運(yùn)輸設(shè)備。塔吊在施工現(xiàn)場(chǎng)的全壽命周期，可分為安裝、頂升、使用和拆卸4個(gè)階段，且頂升階段與使用階段互相重合。在這4個(gè)階段中，使用階段的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，并以吊運(yùn)作業(yè)為核心功能。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2010~2019年，我國(guó)至少發(fā)生了382例塔吊生產(chǎn)安全事故，其中能夠區(qū)分事故發(fā)生階段的有344例，發(fā)生在塔吊使用階段的事故最多，共207例（占比54.2%），使用階段是塔吊生產(chǎn)安全事故的高發(fā)階段[1，2]。因此，研究塔吊使用階段的作業(yè)安全管理問(wèn)題具有重要意義。

分析塔吊事故數(shù)據(jù)和塔吊安全影響因素，是改善塔吊安全管理的基礎(chǔ)。目前，關(guān)于塔吊安全事故與安全影響因素的研究成果豐碩，研究者廣泛采用理論分析、事故統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分析等方法，識(shí)別塔吊安全影響因素，深入探討因素特性，為塔吊安全管理提供了重要參考。丁科等[3]將塔吊安全風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了歸納分類(lèi)，確定了風(fēng)險(xiǎn)因素的相對(duì)發(fā)生概率。Raviv等[4，5]建立了塔吊未遂事件與事故的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，以 AHP方法為依托，對(duì)各集群的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行了量化分析。目前鮮有針對(duì)塔吊使用階段作業(yè)安全問(wèn)題的系統(tǒng)性分析研究，但部分研究已經(jīng)引入了系統(tǒng)性事故致因模型，如 Zhou等[6]識(shí)別了56項(xiàng)塔吊安全影響因素，建立了塔吊安全的AcciMap模型，提取了關(guān)鍵安全影響因素。功能共振分析方法（Functional Resonance Analysis Method，F(xiàn)RAM）是丹麥學(xué)者Hollnagel[7]在2004年提出的一種系統(tǒng)性事故致因理論，它以了解系統(tǒng)正常運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，進(jìn)而解釋系統(tǒng)未能正確運(yùn)行的原因。該方法已經(jīng)在系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)與事故分析中表現(xiàn)出較強(qiáng)的解釋力度。張曉全等[8]、甘旭升等[9]利用FRAM建模解釋事故致因機(jī)理，識(shí)別了事故防控要點(diǎn)。Tian等[10]提出了一種改進(jìn)的 FRAMA（FRAM-based Analysis）模型，對(duì)模型功能變化進(jìn)行格式化描述，從而實(shí)現(xiàn)功能變化耦合的窮舉搜索。Patriarca等[11]針對(duì)傳統(tǒng)FRAM缺乏量化能力的問(wèn)題，將蒙特卡洛分析方法與FRAM結(jié)合，提出了一種半定量分析的框架。因此，利用FRAM分析塔吊作業(yè)系統(tǒng)，有望從系統(tǒng)功能角度深入理解塔吊作業(yè)安全問(wèn)題，指導(dǎo)塔吊作業(yè)安全監(jiān)控。

本文從塔吊作業(yè)功能視角出發(fā)，利用FRAM對(duì)塔吊作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)塔吊作業(yè)安全系統(tǒng)功能變化耦合過(guò)程實(shí)施定性和定量分析，識(shí)別影響塔吊作業(yè)系統(tǒng)安全的關(guān)鍵功能和功能變化耦合路徑，計(jì)算功能耦合關(guān)系的相對(duì)重要性評(píng)分，進(jìn)而提取塔吊作業(yè)安全監(jiān)控重點(diǎn)內(nèi)容。

1 FRAM 建模與功能變化識(shí)別

1.1 塔吊作業(yè)過(guò)程分析

分析塔吊作業(yè)過(guò)程是識(shí)別塔吊作業(yè)系統(tǒng)功能和分析功能變化的基礎(chǔ)?；谠谀彻こ淘O(shè)備管理公司和某橋梁建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展的實(shí)地調(diào)研訪談，結(jié)合《塔式起重機(jī)操作使用規(guī)程》（JG/T 100-1999）[12]、《建筑施工塔式起重機(jī)安裝、使用、拆卸安全技術(shù)規(guī)程》（JGJ196-2010）[13]和《起重機(jī)械安全規(guī)程》（GB 6067-2010）[14]等塔吊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，參考江漢TC6013-8型塔吊、華誠(chéng)機(jī)械QTZ63（5510）型塔吊和中昇建機(jī)ZSL750型動(dòng)臂式塔吊使用說(shuō)明書(shū)，對(duì)塔吊作業(yè)過(guò)程的主要活動(dòng)及其相關(guān)要求進(jìn)行梳理，結(jié)果如圖1所示。

1.2 塔吊作業(yè)系統(tǒng)FRAM建模

作業(yè)過(guò)程分析屬于任務(wù)分析是功能識(shí)別的基礎(chǔ)。任務(wù)是預(yù)期實(shí)現(xiàn)的、理想化的功能，且在時(shí)間順序、控制關(guān)系等方面具有一定的結(jié)構(gòu)；功能本身并無(wú)順序之分，其相互關(guān)系通過(guò)特征之間對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行表達(dá)。識(shí)別系統(tǒng)功能，即研究系統(tǒng)正常運(yùn)行，了解系統(tǒng)常規(guī)活動(dòng)。在系統(tǒng)功能分析上，F(xiàn)RAM建模的抽象層次從高到低分為功能性目的、抽象功能、廣義功能、物理功能和物理形式等5個(gè)層次，高層次功能是低層次功能的抽象。

圖1 塔吊作業(yè)過(guò)程

FRAM將功能分為前景功能和背景功能，其中前景功能是分析焦點(diǎn)，背景功能用于向前景功能提供條件和環(huán)境。功能之間不存在優(yōu)先級(jí)或順序的區(qū)分。每個(gè)功能用表1所示的6項(xiàng)特征進(jìn)行描述，特征一般為名詞短語(yǔ)。為滿足模型的一致性要求，不同功能中的同一特征應(yīng)當(dāng)具有一致的命名；同時(shí)，模型的完整性則要求任何功能的任一特征均應(yīng)在其他功能的特征中有所對(duì)應(yīng)。另外，F(xiàn)RAM也提供了一種圖形化表示方法，用六邊形表示一個(gè)功能，每個(gè)角作為一個(gè)特征，如圖2所示。

表1 功能的6項(xiàng)特征

從物理功能層出發(fā)，分析與人機(jī)交互密切相關(guān)的系統(tǒng)功能。對(duì)于塔吊作業(yè)系統(tǒng)，其整體功能目的是將材料、工具、設(shè)備等物料從某個(gè)位置吊運(yùn)到目標(biāo)位置。因此，以核心功能“吊運(yùn)”為分析起點(diǎn)，描述該功能的6項(xiàng)特征，如圖3所示。

圖2 功能的圖形化描述

圖3 “吊運(yùn)”功能的特征

核心功能“吊運(yùn)”的各項(xiàng)特征必須與至少一個(gè)其他功能的某個(gè)特征相對(duì)應(yīng)，從而識(shí)別出其他功能，如提供指揮信號(hào)的“信號(hào)指揮”功能，提供司機(jī)的“司機(jī)就位”功能等。結(jié)合上述分析結(jié)果，得到塔吊作業(yè)系統(tǒng)的功能及其特征，如圖4所示。再以“吊運(yùn)”這一核心功能為起點(diǎn)，利用可視化軟件FRAM Model Visualiser進(jìn)行建模，形成塔吊作業(yè)系統(tǒng)的FRAM模型，如圖5所示。

圖4 塔吊作業(yè)系統(tǒng)功能及其特征

圖5 塔吊作業(yè)系統(tǒng)的FRAM模型

2 塔吊作業(yè)功能變化耦合分析

功能變化耦合分析是研究系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)各功能可能處于的變化狀態(tài)，并分析這些功能變化耦合導(dǎo)致系統(tǒng)異常的過(guò)程。在FRAM模型實(shí)例化后，可以從時(shí)序或因果關(guān)系的角度理解系統(tǒng)功能間的關(guān)系[7]。

2.1 塔吊作業(yè)功能變化識(shí)別

根據(jù)收集到的2016~2019年間的68篇塔吊使用階段生產(chǎn)安全事故報(bào)告，對(duì)塔吊作業(yè)過(guò)程中的 7種常見(jiàn)事故類(lèi)型（吊物墜落、高處墜落、倒塌、塔吊碰撞、吊物鉤掛、吊物擠撞、零件掉落）定義，按事故直接起因?qū)κ鹿蔬M(jìn)行分類(lèi)。并統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)功能在不同事故類(lèi)型中，以異常變化形式參與事故涌現(xiàn)的頻次及頻率，對(duì)具有不同描述的類(lèi)似功能變化進(jìn)行合并，并按變化程度進(jìn)行初步分類(lèi)。

事故過(guò)程中的功能變化是系統(tǒng)功能的表現(xiàn)，根據(jù)近似調(diào)整和成敗等價(jià)原理，還應(yīng)關(guān)注系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下以及導(dǎo)致未遂事件的功能變化。具體地，以事故案例分析提取的功能變化為基礎(chǔ)，補(bǔ)充識(shí)別功能的潛在變化，并按其變化程度分類(lèi)（參考LEC法進(jìn)行，采取一種相對(duì)描述方法，按可能性由高到低設(shè)置4種評(píng)價(jià)：“往往如此”“可能的”“偶爾的”和“罕見(jiàn)的”）。

基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)事故調(diào)查報(bào)告的分析歸納，初步判斷各功能變化發(fā)生的可能性。依托某垂直運(yùn)輸設(shè)備安全監(jiān)控聯(lián)合研究基地，邀請(qǐng)具有豐富塔吊管理經(jīng)驗(yàn)的2位專(zhuān)家（10年和7年工作經(jīng)驗(yàn)）和4位一線技術(shù)管理人員（3~4年工作經(jīng)驗(yàn)）參與調(diào)研，獲取專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員關(guān)于各功能變化發(fā)生可能性的隱性知識(shí)。參考《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 59-99）[15]中，對(duì)專(zhuān)職安全管理人員和其他人員檢查評(píng)分的賦權(quán)方案，使每個(gè)專(zhuān)家的權(quán)重為 0.6，一線技術(shù)管理人員的權(quán)重為 0.4，計(jì)算功能潛在變化在不同發(fā)生可能性上的加權(quán)總分，最后作歸一化處理，評(píng)價(jià)結(jié)果如表2所示。表中，初步判斷結(jié)果是本文基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和事故案例分析形成的主觀觀點(diǎn)，專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果則以其工作經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)，兩者在部分功能潛在變化發(fā)生可能性方面具有不同的認(rèn)識(shí)。后續(xù)量化分析時(shí)，將分別按兩種評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，并作比較分析。

表2 功能潛在變化及其發(fā)生可能性

2.2 定性分析

定性分析是FRAM的典型分析手段，有助于更全面地理解事故的涌現(xiàn)過(guò)程。結(jié)合事故案例研究，從塔吊作業(yè)系統(tǒng)的典型安全事故類(lèi)型出發(fā)，按各事故類(lèi)型的主要事故形式，分別探究事故涌現(xiàn)過(guò)程。綜合來(lái)看，塔吊作業(yè)系統(tǒng)有3種事故形成路徑類(lèi)型，如表3所示，多數(shù)事故是多項(xiàng)功能變化耦合作用的結(jié)果，包括多項(xiàng)功能變化的因果關(guān)聯(lián)和多項(xiàng)功能變化的共振。

表3 塔吊作業(yè)系統(tǒng)的3種事故形成路徑

從功能特征來(lái)看，“吊運(yùn)”功能的輸入、前提、資源和控制特征達(dá)6項(xiàng)，是整個(gè)系統(tǒng)中受其他功能變化影響最多的功能。某類(lèi)事故的發(fā)生并不是因?yàn)椤暗踹\(yùn)”功能出現(xiàn)了異常變化，而是“吊掛吊物”和“信號(hào)指揮”等其他功能異常變化，在“吊運(yùn)”功能的運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生了作用。許多事故發(fā)生在“吊運(yùn)（F14）”過(guò)程，其異常變化往往被視為事故的直接原因。事故調(diào)查報(bào)告的統(tǒng)計(jì)規(guī)律也表明“吊運(yùn)”功能的異常變化在事故過(guò)程中是多發(fā)的。

根據(jù)對(duì)各種事故類(lèi)型的功能變化耦合作用分析，可得到塔吊作業(yè)系統(tǒng)常見(jiàn)的4條功能變化耦合路徑，如表4所示，這些功能變化耦合路徑有時(shí)同時(shí)出現(xiàn)，且在不同的事故形式中分別表現(xiàn)出不同的重要程度。4條功能變化耦合路徑分別與塔吊設(shè)備質(zhì)量和三類(lèi)塔吊特種作業(yè)人員的操作有關(guān)。

表4 4條常見(jiàn)功能變化耦合路徑

2.3 定量分析

從風(fēng)險(xiǎn)角度理解功能變化耦合關(guān)系的相對(duì)重要性，包括變化程度和發(fā)生可能性兩個(gè)維度。針對(duì)特定的上下游功能變化耦合關(guān)系，Patriarca等[16]提出了一套量化分析方案，用評(píng)分“1～4”表征功能在時(shí)機(jī)和精確度方面的不同變化程度，分值越大表示變化程度越大。此外，分配變化評(píng)分離散化的概率以說(shuō)明功能變化的隨機(jī)性；引入耦合系數(shù)描述上游功能輸出對(duì)下游功能變化的放大或阻尼作用；引入場(chǎng)景系數(shù)描述不同場(chǎng)景條件對(duì)功能變化的影響。最后，通過(guò)蒙特卡洛分析識(shí)別容易出現(xiàn)大幅變化的上下游功能耦合關(guān)系。

為更貼切地描述功能變化，本文根據(jù)所描述的情景，使用1~4的評(píng)分方案對(duì)功能變化程度進(jìn)行區(qū)分性衡量，延用耦合系數(shù)對(duì)功能變化程度進(jìn)行修正，以相對(duì)概率分布區(qū)分不同潛在變化出現(xiàn)的相對(duì)可能性，無(wú)需場(chǎng)景系數(shù)，也不必進(jìn)行蒙特卡洛分析來(lái)整合多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)具體上下游功能耦合關(guān)系，其量化分析過(guò)程如下：

（1）評(píng)價(jià)上游功能各潛在變化的變化程度Vi，其評(píng)分范圍為1~4，Vi值越高表明變化程度越大，i為潛在變化的編號(hào)。

（2）延用耦合系數(shù)αi，表示上游功能各潛在變化對(duì)下游功能的耦合效應(yīng)。

（3）用耦合系數(shù)修正上游功能變化的評(píng)分，修正后的功能變化評(píng)分CVi=Vi×αi，該評(píng)分能夠區(qū)分上游功能的不同潛在變化在變化程度上相對(duì)大小。

（4）基于初步判斷結(jié)果和專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果，分別計(jì)算上游功能各潛在變化在發(fā)生可能性上的相對(duì)概率具體地：①按初步判斷結(jié)果。參考 LEC法對(duì)事故發(fā)生可能性的量化方案（見(jiàn)表5），為功能變化發(fā)生可能性賦分，進(jìn)而作歸一化處理，得相對(duì)概率。表6以F1“安全教育培訓(xùn)與安全技術(shù)效底”為例，展示了按初步判斷結(jié)果計(jì)算的過(guò)程。②按專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果：以專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果為各發(fā)生可能性的權(quán)重，結(jié)合賦分策略加權(quán)計(jì)算Qi，進(jìn)而

表5 參考LEC法的功能變化發(fā)生可能性量化

表6 以F1為例按初步判斷結(jié)果計(jì)算Pi

（6）求各潛在變化綜合評(píng)分之和，得該耦合關(guān)系的相對(duì)重要性評(píng)分

在描述事故案例時(shí)，一個(gè)功能可能同時(shí)發(fā)生于多種變化情景，但在量化分析時(shí)假設(shè)功能各潛在變化互斥（），也不會(huì)顯著地影響分析結(jié)果。另外，上游功能的一個(gè)輸出可能同時(shí)是下游功能的多個(gè)特征，例如F10輸出的指揮信號(hào)，同時(shí)是F14的輸入和控制特征，為簡(jiǎn)化過(guò)程，也不再特意區(qū)分上游功能輸出作為下游功能不同特征的差異。

基于此，對(duì)功能變化耦合關(guān)系做量化分析結(jié)果如表7所示。其中，未分析其與F8、F11、F17等次要功能相關(guān)的耦合關(guān)系。

表7 功能變化耦合關(guān)系的量化分析結(jié)果

按功能變化發(fā)生可能性的初步判斷結(jié)果和專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果分別計(jì)算，所得到的評(píng)分在整體上具有一致性。相較而言，被調(diào)研者對(duì)F2、F3和F4等功能變化程度的評(píng)價(jià)更高，反映了對(duì)特種作業(yè)人員無(wú)證、持假證、狀態(tài)不佳等情況發(fā)生可能性的更高估計(jì)。初步判斷結(jié)果則對(duì)F1和F9的功能變化程度給出了相對(duì)高的評(píng)價(jià)，這種傾向是對(duì)事故調(diào)查報(bào)告統(tǒng)計(jì)規(guī)律的反映。綜合二者，取均值作為功能變化耦合關(guān)系的量化評(píng)價(jià)結(jié)果，提取評(píng)分高于2.5的關(guān)鍵功能變化耦合關(guān)系，如圖6所示。

2.4 分析結(jié)果對(duì)比

圖6 高評(píng)分的功能變化耦合關(guān)系

（1）定性和定量分析的一致性。一是定性分析指出“吊運(yùn)”是系統(tǒng)運(yùn)行的核心功能，較多地受其他功能運(yùn)行情況的影響，常常成為事故涌現(xiàn)的平臺(tái)。定量分析也表明，“吊運(yùn)”與 4項(xiàng)上游功能具有高于2的評(píng)分，易與其他功能發(fā)生較大的變化耦合；二是安全教育培訓(xùn)與安全技術(shù)交底是定性分析所得關(guān)鍵功能變化耦合路徑的重要部分，也在定量分析中得到較高的評(píng)分，突出了與該功能有關(guān)的特種作業(yè)人員本質(zhì)安全性的重要性；三是現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)管向大量功能提供控制特征，定性分析中該功能在各類(lèi)事故中均常常表現(xiàn)為異常變化，定量分析則表明，該功能與下游功能耦合關(guān)系的相對(duì)重要性評(píng)分整體較高。

（2）定性和定量分析的區(qū)別。定性分析得到的與特種作業(yè)人員行為相關(guān)的關(guān)鍵功能變化耦合路徑，例如“F2—F14”“F10—F14”“F12—F13—F14”等在定量分析中未得到高評(píng)分。定量分析更多說(shuō)明了安全教育培訓(xùn)與安全技術(shù)交底、現(xiàn)場(chǎng)安全管理人員就位、現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)管等管理相關(guān)功能變化的重要性，這表明在塔吊作業(yè)系統(tǒng)中，管理活動(dòng)相關(guān)功能相對(duì)于特種作業(yè)人員操作相關(guān)功能，具有更高的功能變化風(fēng)險(xiǎn)，但其功能變化卻不一定引發(fā)事故涌現(xiàn)。但是，影響事故發(fā)生與否的關(guān)鍵功能變化，仍然是特種作業(yè)人員操作相關(guān)功能的變化。特種作業(yè)人員操作相關(guān)功能的異常變化與其前提和控制特征的失效有關(guān)，管理活動(dòng)相關(guān)功能又負(fù)責(zé)提供這些前提和控制特征，因而在事故涌現(xiàn)過(guò)程中，管理活動(dòng)相關(guān)功能也多處于異常變化狀態(tài)。

3 結(jié)語(yǔ)

塔吊作業(yè)系統(tǒng)中存在許多影響系統(tǒng)運(yùn)行安全的功能和功能變化耦合關(guān)系，必須對(duì)其實(shí)施監(jiān)控措施以約束系統(tǒng)的異常表現(xiàn)，而在定性和定量分析提取的關(guān)鍵功能和關(guān)鍵功能變化耦合關(guān)系，則為實(shí)施塔吊作業(yè)安全管理措施提供了依據(jù)。定性分析得到了4條關(guān)鍵功能變化耦合路徑，雖然還存在許多其他功能變化耦合路徑，但這些次要的耦合路徑，最終也是以影響關(guān)鍵耦合路徑的方式參與事故涌現(xiàn)過(guò)程。解耦關(guān)鍵功能變化耦合路徑，即可解耦事故?！暗踹\(yùn)”是4條關(guān)鍵耦合路徑共有的重要功能，并且定性和定量分析結(jié)果均表明，“吊運(yùn)”功能是參與各類(lèi)事故涌現(xiàn)的核心功能。因此，管控和抑制“吊運(yùn)”功能的異常變化，是提升塔吊作業(yè)系統(tǒng)安全管理水平最直接有效的措施。