基于ANP的建筑施工安全系统脆弱性评价

成连华，薛思婷，郝 杰

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安，710054；2.中国二十冶集团有限公司，上海 201900)

进入21世纪以来，建筑施工安全管理体系在发展中日趋完善，但是重大事故依然时有发生，安全生产形势依然严峻。据统计，2015—2019年期间房屋市政工程事故由442起上升至773起，死亡人数由554人增加至904人[1]，由此可见建筑施工安全状况较为严峻。因此，对建筑施工安全系统的安全现状进行评估，确定存在的薄弱环节是十分必要的。近年来，国内外学者从不同方面对建筑施工安全评估进行了研究，NICOLE等[2]以参与施工的承包商、分包商和项目部为对象进行评价；PATRICK等[3]基于建筑项目风险和利益相关者的关系构建评价体系；张俊等[4]利用德尔菲法和AHP层次分析法对建筑施工风险因素评价体系进行定量分析；王英等[5]基于多层次房屋综合评估模型对房屋安全进行了评价；杨莉琼等[6]通过二元决策图对建筑施工安全风险进行评估；成连华等[7]构建了基于AHP-DEMATEL的评价模型对建筑施工风险进行分析。现有研究多从建筑施工风险简单线性因果关系出发构建体系进行研究，无法有效反应多重交互关系下系统自身的反馈规律，若将风险视为危险源与载体脆弱性共同作用下的产物，以脆弱性为切入点可以很好的解决此问题。

国外学者对于脆弱性的研究起步较早，国内对脆弱性的研究规模还没有形成，多围绕生态、经济以及城市交通展开脆弱性研究。黄晓军等[8]认为在外界扰动作用下会使社会系统产生薄弱点，即社会脆弱性；佟瑞鹏等[9]通过社区安全脆弱性评估模型对社区安全脆弱性进行深入研究；宋守信等[10]通过脆弱性3大特征要素相互之间呈现的递次关系对城市轨道交通脆弱性进行探讨；田水承等[11]提出脆弱性“玻璃心”模型并对火灾事故进行分析；姜盛玉等[12]利用系统动力学模型对海洋平台脆弱性进行分析；孙剑等[13]分析城市基础设施系统脆弱性的内涵，利用ISM分析实现降低系统脆弱性和故障率的目的。

因此将建筑施工安全系统脆弱性作为研究对象，鉴于建筑施工存在复杂的交互关系，引入社会技术系统理论对建筑施工安全系统脆弱性因素进行分析，构建基于脆弱性的建筑施工安全系统评价体系，并结合网络层次分析法(ANP)进行定量分析，以期为建筑施工安全管理提供科学思路。

1 建筑施工安全系统脆弱性内涵及其概念模型

1.1 建筑施工安全系统脆弱性内涵

脆弱性英文为vulnerability，中文意思可译为薄弱点或缺点，即资产或资产组面对外部攻击侵害时而产生易损失的薄弱环节。关于脆弱性特征要素的研究中，三因素[14]的观点在安全领域被广泛认可，以暴露度、敏感度以及适应度3个特征要素来反映系统脆弱性：暴露度指因扰动使承载体暴露于危险中的程度，即事故隐患程度，暴露度越高，系统受风险影响的概率越高，脆弱性相应越高；敏感度指承载体应对扰动产生不利影响的程度，敏感度越高，系统抗冲击能力越弱，脆弱性相应越高；适应度指承载体在扰动带来的负面影响中的恢复能力，适应度越高，系统对风险的反应时间越快，脆弱性相对越低。

依据脆弱性的概念和特征要素，通过状态曲线图1对系统受扰动后的变化进行呈现，通过变化过程对建筑施工安全系统脆弱性丰富内涵进行更详细的解释。

图1 扰动下系统运行状态的变化曲线

在曲线A点之前系统处于平稳的运行状态，A点之后系统受到扰动的影响，进而破坏系统内部的有序稳定状态，使得系统运行状态在A点时突然大幅度下降，系统内部变成无序波动状态。作用于系统的扰动通过系统内部各子系统间的相互作用，进一步传递向其他各处，对整个系统造成更严重的影响后果。同时，不同的系统面对同一种强度下的客观扰动，系统内部作用机制及传递的信息也是不一样的。

系统运行状态达到B点时是系统状态最低点，从A点下降到B点即敏感度作用阶段，反应时间为T1，反应幅度为L0，反应限度为L1。T1时间段内系统通过自身的一些防御功能机制，对扰动进行反馈，逐渐减小了扰动对于系统的影响，从A点到B点系统状态下降趋势逐渐减缓。B点之后即适应度作用阶段，系统逐渐适应扰动后的状态，从B点上升到C点的恢复时间为T2，恢复程度为L2。T2时间段内，系统逐渐从无序波动过渡到有序稳定状态，达到C点时系统维持另一个稳定状态。因扰动对系统造成了一定的损失，所以最终形成的稳定状态无法达到之前的状态水平。如果系统自身的防御机制无法抵消扰动，即扰动程度过大，导致系统运行状态下降到阈值以下，则系统将崩溃，无法达到运行的稳定状态。

通过上述系统运行状态的变化曲线表现出的特性即系统脆弱性，可将建筑施工安全系统脆弱性定义为：受到不良扰动时，对建筑施工安全系统发生偏离正常安全状态的程度或遭受损害的程度，以及从扰动的不利影响中恢复到稳定状态程度的综合考量。

1.2 建筑施工安全系统脆弱性概念模型

建筑施工系统是一个复杂、动态的开放系统，且风险因素之间存在相互作用，以社会技术系统理论为依据[15]，将建筑施工系统划分为个人子系统、技术子系统、组织管理子系统和内外部环境子系统。该理论更加详实的划分了子系统，且认为子系统之间存在着高接触和紧耦合性，更适用于系统动力学，将决定一个系统能否成功运行。

在对建筑施工安全系统脆弱性进行研究之前，需要先对其所面临的外部扰动进行确定，将工期进度变化、工程施工质量、自然环境变化和经济成本变动视为扰动类型，以此通过提升建筑施工安全系统脆弱性，提高系统自身抵御扰动的能力。基于社会技术系统理论和脆弱性的3个特征要素，加入扰动类型形成建筑施工安全系统脆弱性概念模型如图2所示，以此反映建筑施工安全系统在扰动中的变化程度和恢复能力。

2 建筑施工安全系统脆弱性评价体系

2.1 脆弱性的3个特征要素

暴露度是产生风险、造成事故的重要脆弱性因素，扰动强度会通过暴露于扰动下的人员、设施比例的加大而增强。暴露度会受到承载体距离扰动的暴露位置的影响，同时扰动随时间的变化而变化，不同的时间节点承载体受扰动影响的几率不一样，承载体之所以会受到扰动影响，是因为二者之间存在着某种传递风险的介质。故而暴露度因素主要取决于暴露位置、暴露时间和传递介质。

敏感度不同的承载体面对扰动产生的影响程度也是有明显差异的。承载体受到扰动影响后到达到相对稳定状态的这段时间就是扰动影响承载体的时间，承载体从系统初始状态达到扰动影响后的稳定状态的过程变化是扰动影响承载体的程度，同时系统存在可运行状态的绝对阈值，一旦达到或超过该阈值则系统发生崩溃瘫痪的现象。故而敏感度因素主要取决于反应时间、反应幅度和反应限度。

适应度即系统自我调节能力，决定了系统受扰动程度，系统的恢复速度对于系统从无序状态恢复到稳定状态起到关键作用，恢复速度又与恢复时间相关，经过扰动影响并进行自我调节后，系统形成的最终稳定状态与受影响前的初始状态相比之间的差值称之为恢复程度。故而适应度因素主要取决于恢复速度、恢复时间和恢复程度。

基于上述可将脆弱性的3个特征要素作为划分特征维，结合社会技术系统理论，将个人、技术、组织管理和内外部环境构成组元维，形成分析建筑施工安全系统脆弱性指标的二维交叉矩阵如图3所示。最终识别出的脆弱性指标[16-22]如表1所示。

表1 建筑施工安全系统脆弱性指标体系

图3 建筑施工安全系统脆弱性指标二维交叉矩阵

3 基于ANP法的建筑施工安全系统脆弱性评价模型

3.1 构建ANP典型网络结构

网络层次分析法(ANP)是适用于复杂结构的多准则决策方法，作为AHP的拓展延伸，ANP 针对性的解决了结构具有依赖性和反馈性的情况[23]。在建筑施工系统中存在相互依赖和相互反馈的关系，通过网络层次分析法不仅能有效反映出建筑施工系统内在及外在联系，同时能计算出各指标的相对系数和绝对系数。根据建筑施工安全系统脆弱性指标之间的关系，构建相应ANP网络结构如图4所示。

图4 建筑施工安全系统脆弱性指标ANP结构

3.2 建筑施工安全系统脆弱性指标权重确定

ANP的原理和过程十分复杂，故计算过程需基于ANP专有软件Super Decision进行，该软件解决了ANP计算过程复杂的问题，使ANP的应用更加便利[24]。在软件中构建该评价模型如图5所示，根据1～9标度法对建筑施工系统脆弱性指标的重要性进行判断，形成脆弱性指标判断矩阵。将判断矩阵输入Super Decision软件中，依次通过超矩阵、加权超矩阵、极限超矩阵三次计算，最终得出各指标的相对系数和绝对系数如表2所示。

图5 建筑施工安全系统脆弱性指标ANP评价模型

表2 建筑施工安全系统脆弱性指标权重

3.3 建筑施工安全系统脆弱性指标风险等级划分

建筑施工安全系统脆弱性指标种类繁多，同时因素相互之间存在复杂关系，用来划分等级的传统风险矩阵是将风险发生概率和损失程度作为矩阵两个维度，显然此矩阵并不适用于存在复杂交互关系指标的风险等级划分，无法确保划分的合理性。因此，结合建筑施工安全系统脆弱性指标的交互特点，在考虑指标权重的同时也对交互关系进行考虑，即以建筑施工安全系统脆弱性指标对脆弱性的影响程度(指标权重)和指标相关联的指标数量为维度形成风险矩阵，形成的风险矩阵如图6所示。

图6 建筑施工安全系统脆弱性指标风险矩阵

(1)在象限Ⅰ中，表示此区域内的脆弱性影响因素对系统的影响程度较高，同时系统内与此因素存在交互关系的因素数量较多，为高风险因素。说明高风险因素在建筑施工安全系统脆弱性风险管理中处于重要位置，且对整体系统脆弱性产生较大影响作用。因此，房屋建筑企业在管理过程中应优先关注高风险影响因素，并将主要的资源、精力放在该影响因素上，重点采取管理措施以降低脆弱性，进而促进建筑施工安全系统整体水平的提升。

(2)在象限Ⅱ中，表示此区域内的脆弱性影响因素对系统的影响程度较低，而系统内与此因素存在交互关系的因素数量较多，为中风险因素。说明中风险因素在建筑施工安全系统脆弱性风险管理中虽然对整体系统脆弱性产生的影响作用与高风险因素相比较低，但是其在系统交互关系中还是处于关键的位置。因此，房屋建筑企业在管理过程中可以通过辅助管理手段对此类影响因素进行控制，同时时刻对其保持关注，防止通过此类因素形成风险传递链，而加剧对系统脆弱性的影响。

(3)在象限Ⅲ中，表示此区域内的脆弱性影响因素对系统的影响程度较低，同时系统内与此因素存在交互关系的因素数量较少，为低风险因素。说明低风险因素在建筑施工安全系统脆弱性风险管理中的重要性相对较低，且对整体系统脆弱性产生的影响较弱。因此，房屋建筑企业在管理过程中可以适当的降低此类影响因素方面的资源和精力，在对系统的脆弱性风险管理效果达到一定预期结果时，结合相关现状对其进行管理，进而优化建筑施工安全系统整体水平。

(4)在象限Ⅳ中，表示此区域内的脆弱性影响因素对系统的影响程度较高，而系统内与此因素存在交互关系的因素数量较少，此区域也为中风险因素。此类中风险因素与象限Ⅱ中的中风险因素相比，在建筑施工安全系统脆弱性风险管理中虽然影响关系简单，但是其对系统可以产生较大的影响力。因此，房屋建筑企业在管理过程中可以对此类影响因素采取针对性较强的管理措施，并维持管理后的现状，将更多的资源和精力放在关键环节上，降低脆弱性风险管理的复杂性。

由图6可知，S24位于两个象限的交界处，三者在关联因素相同的情况下，由于施工设备材料质量S24的影响程度相对较小，故将S24划分为低风险因素，最终建筑施工安全系统脆弱性指标的风险等级划分结果如表3所示。这些风险等级偏高的指标正是造成建筑施工过程存在薄弱环节的原因，需要采取更为完善的管理措施来提升安全系统的整体性能。

表3 建筑施工安全系统脆弱性指标风险等级

4 结论

(1)在建筑施工风险研究中引入脆弱性相关概念，同时与社会技术系统的概念相结合，形成了适用于建筑施工安全系统脆弱性的概念模型，对建筑施工安全系统的脆弱性进行分析，为建筑施工安全评价提供了新的解决思路。

(2)以脆弱性的3个特征要素划分为特征维，个人、技术、组织管理和内外部环境构成组元维，形成二维交叉矩阵，基于二维交叉矩阵识别了建筑施工安全系统脆弱性评价指标，包括10个“暴露度”评价指标、15个“敏感度”评价指标、11个“适应度”评价指标。

(3)结合各脆弱性指标之间的交互关系，通过构建建筑施工安全系统脆弱性ANP评价模型确定指标的局部权重和全局权重。利用以影响程度(影响权重)和关联的因素数量为维度的风险矩阵，将建筑施工安全系统脆弱性指标划分为6个高风险因素、15个中风险因素和15个低风险因素。