建筑工人安全能力提升策略系统动力学仿真

魏涛 成连华 鲍枫 陶敬兵 赵旭东 白宝丁

摘 要：為有效提升建筑工人安全能力，减少建筑施工生产安全事故，基于信息认知理论构建建筑工人安全能力系统模型，并从安全文化、安全投入、安全约束等维度分析调控因子并提出安全能力提升策略，以量化形式动态分析提升策略对安全能力的效用。基于建筑工人安全能力的系统动力学模型，将安全投入策略作为单因子改变量，得到不同维度提升策略下各子系统核心变量作为时间函数的动态特征。结果表明：在整个仿真周期内，安全文化策略、安全投入策略和安全约束策略调控因子各增加20%，安全能力水平增幅分别为7.79%、9.46%与5.87%；

发现投入与安全能力收益具有时滞效应和“规模报酬递减”特性；风险感知与决策能力的提升周期较长，且受安全文化策略的影响较大，而安全执行能力在仿真周期内波动性较大，且提升幅度主要受安全投入策略的影响。研究结果可进一步为提升策略优化和安全能力预测提供依据。关键词：安全能力；建筑工人；提升策略；系统动力学；仿真中图分类号：X 948

文献标志码：

A

文章编号：1672-9315（2023）06-1054

-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0603开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

System dynamics simulation of construction workers

safety competency improvement strategy

WEI Tao1，CHENG Lianhua2，BAO Feng1，TAO Jingbing1，ZHAO Xudong3，BAI Baoding1

（1.Huaxi Co.China Construction Industrial & Energy Engineering Group Co.，Ltd.，Xian 710065，China；

2.College of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

3.China MCC20 Group Co.，Ltd.，Shanghai 201999，China）

Abstract：To effectively enhance the safety competencies of construction workers and reduce safety accidents in construction production，a construction worker safety competency system model was constructed based on information cognition theory.Regulatory factors were analyzed and safety competency improvement strategies were proposed from the dimensions of safety culture，safety investment，and safety constraints.The utility of the safety competency improvement strategies was dynamically analyzed in quantitative form.Based on the system dynamics model of construction workers safety ability，

using safety investment strategy as a single factor to analyze，

the dynamic characteristics of the core variables of each subsystem as time functions under different dimension promotion strategies were obtained.The results show that throughout the entire simulation cycle，the regulatory factors of safety culture strategy，safety investment strategy，and safety constraint strategy increase by 20% respectively，and the level of safety capability increase by 7.79%，9.46%，and 5.87%，respectively.

It is found that the investment and safety competency benefits have the characteristics of time lag effects and “diminishing returns to scale” .In addition，the improvement cycle for risk perception and decision-making competency is longer and is greatly affected by safety culture strategy，while safety execution competency fluctuates greatly within the simulation period and is mainly influenced by safety investment strategy.The research results can further provide a basis for optimizing improvement strategies and predicting safety competencies.

Key words：

safety competency；construction workers；improvement strategies；system dynamics；simulation

0 引 言近年来，由于建筑业固有的危险性，行业中施工安全事故率长期居高不下。据统计，2021年全国房屋市政工程生产安全事故与伤亡人数较2020年分别上升5.5%和2.5%［1］。事故调查及研究表明，70%以上的施工伤害涉及不安全的工人行为［2-3］，而建筑工人安全能力的不足则是导致不安全行为的内在原因［4-5］。在实际施工实践中，建筑工人所表现出的安全能力是安全工作任务与其内在特质相互匹配的结果［6］，具有动态性、可塑造性与个体差异性［7］。诸多学者围绕建筑工人安全能力提升策略开展了静态分析研究。成连华等运用集成ISM与G1法分析指出，基于工人内外部因素的个性化管理是提升工人安全能力的有效途径［8］；王旭峰等指出工人个体安全能力的提升主要取决于其技能素质，而在工作环境中效用最大因素是施工现场的安全资源配备［9］；CHANG等运用因子分析和聚类分析发现提升安全能力的关键策略是安全管理与培训等组织措施［10］；田力、王军武等构建建筑工人安全能力系统动力学仿真模型，探究提高组织管理水平、工人个体特质水平以及改善施工环境对建筑工人安全能力的影响［11-12］。综上，现有研究成果主要集中在静态分析建筑工人安全能力方面，动态研究大多简化了提升策略对安全能力的作用路径。因此，如何较为全面地描述建筑工人安全能力系统，并针对不同提升策略条件下安全能力的动态变化

趋势，以优化安全能力管理的研究有待进一步探索。

鉴于此，从系统动态性角度出发，结合信息认知理论构建建筑工人安全能力系统动力学仿真模型，考察和比较不同维度提升策略对各子系统核心变量的影响，讨论策略的提升效果，以期更好推动建筑工人安全能力管理的优化创新。

1 工人安全能力系统动力学模型

1.1 安全能力系统边界分析与假设基于个人能力冰山模型［13］与能力钻石模型，建筑工人安全能力的构成要素包括工人的知识、技能、态度、动机以及个人价值观等个人内在特质［14］，并结合具体的工作情景，形成不同的安全能力。结合信息认知理论，工人的认知和行为干预过程工人安全能力可划分为感知能力、决策能力及执行能力。其中，建筑工人风险感知能力的不足将会影响安全信息分析，而风险决策能力缺失则会导致信息利用的执行失误倾向［15］。借鉴以上模型，根据建筑工人安全能力系统构成所需的基本要素，考察安全能力提升策略对系统变量的影响，构建如图1所示的以企业安全能力调控系统为核心，其他3个子系统相互影响的系统化模型。企业安全能力调控系统通过提升策略的“内生化改进”对感知、决策和执行能力进行调控，将不同提升策略作为系统输入影响安全能力各子系统，系统则通过输出建筑工人安全能力与安全能力收益对企业安全能力调控系统进行反馈调节。建筑工人安全能力系统涉及多个子系统，在明确研究目标的前提下，引入一定的假设条件：①建筑工人安全能力系统是动态、连续的；②不考虑不可抗力导致的系统波动；③由风险感知能力、风险决策能力、安全执行能力3个系统核心变量共同表征建筑工人安全能力水平。

1.2 子系统分析

1.2.1 风险感知能力子系统

风险感知能力作为系统核心变量，是指建筑工人对施工作业中存在的风险信息进行感知和处理的能力［16］。子系统以安全知识、安全意识、安全心理等个体特质要素［17］作为内生变量，安全知识

遗忘率、工作压力、安全设施水平等作为外生变量。

1.2.2 风险决策能力子系统

风险决策能力作为系统核心变量，是指建筑工人根据施工作业中的安全感知信息，对环境未来安全状态的控制与优化方案做出决策的能力。子系统以安全动机、安全生理、安全需求、安全态度、安全责任感等作为内生变量［18］，安全价值观、人际关系、安全态度遗忘率、安全动机遗忘率等为外生变量［19-20］。

1.2.3 安全执行能力子系统

安全执行能力作为系统的核心变量，是指建筑工人根据风险决策信息对施工环境未来安全状态的控制与优化方案进行落实的能力，是安全行为的重要支撑。子系统内生变量除操作技能、安全生理等个体特质要素外，还包括防护设备水平、安全设施水平等安全环境要素。

1.2.4 企业安全能力调控系统

企业所制定的提升策略对建筑工人安全能力起到引导和推进作用，系统中的任何要素都可能直接或间接地受到提升策略的影响，建筑工人安全能力系统涉及的策略维度、提升策略及其调控因子见表1。企业安全文化的发挥是一个循序渐进、不断累积的过程，对工人安全能力的效用是导向、凝聚和激励等功能综合作用的结果［21］；企业安全投入包括安全设施、设备、奖励、教育培训等投入，改变安全能力多因素状态并产出辐射状效益［22］；企业安全激励约束通过作业规范、安全监督检查、安全绩效考核等制约工人行为决策［23］。

1.3 模型流图确定通过分析安全能力系统中各子系统的边界、主要变量和策略调控因子，基于各要素之间的正负反馈及制约影响关系，利用Vensim PLE软件绘制如图2所示的因果关系图。

基于建筑工人安全能力的系統结构与因果关系反馈图，为进一步明确表示系统各要素之间的逻辑关系及系统的反馈形式和控制规律，选取48个变量构建建筑工人安全能力系统动力学模型。其中8个水平变量，16个速率变量，24个辅助变量，按照拟定的模型框架进行整合并作出如图3所示的安全能力系统动力学模型，全面地

描绘出安全能力系统构成及要素间相互作用机制。

2 模型仿真过程分析

2.1 仿真对象以中建安装集团有限公司某建设项目一线建筑工人为调研对象，工人主要以混凝土工、钢筋工、木工等施工班组形式存在，根据工程规模的不同，每个班组在3～17人，每个班组内建筑工人间相互影响。模型空间边界为该建筑项目边界，主要历史数据为2021年1月—2022年4月，模拟时间为2023年1月—12月，时间步长设置为1月。

2.2 模型特征方程与主要参数确定基于安全能力系统结构特点，并考虑到主要变量数据变化的稳定性及变量间依存的特征，采用曲线拟合、公式推导、专家评估等多种方式获取特征方程。限于文章篇幅，文中以安全知识水平、安全收益、安全能力的特征方程为例。

2.2.1 基于安全教培与自然遗忘的安全知识借鉴安全投入与安全程度方程［24］，采用拟合Gompertz曲线描述安全教培投入与安全知识获取量的关系。

模型中的参数来源主要为资料调研与文献参考。主要有以下几种：①安全专项资金与各类安全投入占比等参数用均匀随机函数表示，根据企业该参数历史数值趋势外推得到；②安全文化与安全约束调控因子根据企业安全管理情况进行专家评估获取；③安全意识遗忘率、操作技能遗忘率等参考艾宾浩斯遗忘曲线；④基本安全知识、基本安全需求等通过专家估计与文献［28］进行推导生成；⑤安全设施损坏率、防护设备损坏率等预测数据与预测月份不存在线性关系，利用表函数来表示各预测月份的取值。

2.3 仿真方案设定基于系统中调控因子与安全能力间的关系，从安全文化、安全投入、安全约束等策略维度设置不同策略方案，考察在不同提升策略下应保持的合理安全能力水平，不同方案参数设定，见表3。其中，初始方案为企业现行方案，安全文化策略、安全投入策略及安全约束策略方案分别在初始方案的基础上，将对应维度的调控因子参数值各增加20%，而强化安全投入策略方案则是将该维度调控因子参数值增加40%。运用Vensim PLE软件得到安全能力及各系统核心变量的变化趋势，如图4所示，主要数值变化情况，见表4，安全投入策略收益趋势，如图5所示。

2.4 仿真结果分析

2.4.1 安全文化策略分析

随着策略的宣传和实施，建筑工人对安全文化策略的熟悉和認可，策略效果显著提高，安全能力水平快速上升。5～12月，工人安全能力曲线逐步趋于平缓在72左右且增幅达到7.85%，表明安全文化策略对安全能力的提升作用较大但具有条件限制。此外，文化策略对风险决策能力的提升效果较为明显，表明通过塑造良好的群体安全文化氛围，影响建筑工人对于安全问题的基本判别及看待问题的态度，为工人行为决策提供了有力的制约；风险感知能力在仿真时间0～1月时上升较缓，表明在文化策略实施的初期，工人存在不了解和心理抵触的情况；由安全执行能力的变化曲线可知，在安全文化策略下其提升效果并不显著。

2.4.2 安全投入策略分析

仿真时间0～1月，投入策略下安全能力变化曲线与初始策略重合，表明在实施有效的安全投入策略时，工人对新设备设施、新工艺需要一定的熟悉与适应过程。仿真时间2～9月，通过增加对安全奖励、安全设施、安全教育等方面的投入，及时更新维护作业过程中使用的防护设备，建筑工人安全能力不断波动上升。在不同强度的安全投入策略方案下，安全能力水平分别稳定在73.1与75.4左右且增幅分别为9.46%与12.91%。此外，随着先进技术和设备的引入，更好地提升作业安全环境水平，营造安全稳定的施工环境，促进了风险感知能力的提升，并抑制了安全执行能力受到施工环境的影响而产生的上下波动。

从图5可以看出，在安全投入策略实施前期，与初始策略的相对安全收益为负值，随着策略的贯彻实施，所带来的安全能力产出逐渐上升，表明安全投入与相对安全能力收益具有时滞效应。此外，比较2种策略方案，强化策略方案的总体安全能力及产出与收益水平较高，但增幅增量降低，表明安全投入对安全能力收益具有“规模报酬递减”的特性。

2.4.3 安全约束策略分析

通过在施工过程中进行有计划的安全监督检查、作业规范，可以改善群体的安全氛围，将安全考核结果与工人的工资挂钩，间接地影响建筑工人的行为选择和决策。仿真时间5～12月时，安全能力曲线稳定在70.70左右且增幅为5.87%，提升效果较为有限。此外，在策略实施初期，工人风险决策能力上升曲线与初始方案曲线重合，表明工人对约束策略存在一定的抵触心理与不满情绪，策略的效用并不显著；由安全执行能力变化曲线可知，约束策略对其有一定的提升效用但无法抑制其波动性。

3 讨 论

1）在相同策略强度下，安全投入策略所带来的安全能力的提升效果明显大于其他2种策略，而安全约束策略较其他2种策略提升效果有限，因此，采取提升策略的优先顺序依次为安全投入策略、安全文化策略、安全约束策略。而在不同安全投入策略强度下，相同的策略强度增量而安全能力增幅增量减少，表明提升策略具有“规模报酬递减”的特性，应建立安全投入合理配置与安全能力产出评估机制，实现安全投入策略的优化。

2）风险感知能力是工人对风险的主观判断能力，丰富的安全知识、良好的安全意识可以增强工人对相关风险的了解。通过合理高频率安全教育与设置警示标语可以加强工人的短期记忆，以减少安全知识与安全意识的自然遗忘。同时，开展科学合理的安全文化建设活动充分调动工人参与的积极性，克服抵触心理，促进工人获取更多技术规范、安全设施及标识、管理制度等知识。

3）风险决策能力在系统中受工人安全态度、安全动机以及自我安全需求影响，提升周期较长，在策略制定时应注意“前瞻性”。因此，应完善安全激励约束机制，尽量避免“以罚代管”的做法，企业安全工作者或班组长应多与工人进行沟通交流，了解其不满情绪的根源，激发建筑工人对组织安全目标实现的愿望和需求，营造良好安全人际关系。同时，促进系统反馈机制生效，利用安全教育将事故教训转化为工人的安全需求。

4）安全执行能力在系统中受技能水平、生理因素的影响，同时在施工作业过程中因作业环境的影响而波动性较大，是系统最不稳定的核心变量，应重视安全投入策略对其的效用。因此，建设单位、监理单位和施工单位要高度重视各项施工作业技术方案的制定与落实，加强作业设备的检查。同时，开展对新设备与新工艺的安全培训，引导工人结合规范工艺流程与生产制度进行安全生产操作。

4 结 论

1）基于信息认知理论对建筑工人安全能力进行解构，构建了以风险感知能力、风险决策能力和安全执行能力作为系统核心变量的工人安全能力系统动力学模型，为工人安全能力管理的优化创新提供了新的思路。

2）在Vensim PLE软件环境下对安全能力系统进行仿真，在整个周期内，安全文化策略、安全投入策略和安全约束策略调控因子各增加20%，安全能力水平提升幅度分别为7.79%、9.46%、5.87%。此外，利用安全投入策略作为单因子改变量进行分析时发现，投入与安全能力收益具有时滞效应和“规模报酬递减”特性。3）在不同维度提升策略下各子系统核心变量的变化趋势表明：风险感知与安全执行能力受安全投入的影响较大，而风险决策能力受安全文化的影响较大；提升策略实施初期，建筑工人对某些策略不熟悉或者产生抵触心理。因此，结合安全能力核心变量的动态特征，制定并完善提升策略，是推助建筑工人安全行为的有效途径。

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（责任编辑：刘洁）