高速公路建设施工工人安全意识仿真研究

陈晓明，宋致科，浦学明，蔡 晶

（1.中信建设有限公司 云南分公司，云南 昆明 650000；2.昆明理工大学 交通工程学院，云南 昆明 650500，E-mail：puxueming25@foxmail.com）

高速公路建设具有建设难度大、施工复杂、技术要求高等特点，导致高速公路建设的事故率一直居高不下，严重阻碍了公路建设事业的健康发展。从国内外事故统计分析得出，人的不安全行为是导致事故的主要源头[1]。建筑业中超过80%的死亡是由工人的不安全行为造成的[2]。相关研究表明，人的不安全行为的根本原因在于没有形成良好的安全意识[3]。要控制事故的发生，重点在于管理人的行为，而防止不安全行为发生的重点在于提高施工工人的安全意识，针对高速公路施工人员安全意识展开研究，可有效减少不安全行为，进而降低安全事故的发生概率。

目前，国内外学者已对安全意识展开了一定深度的研究。Conrad 等[4]对安全意识与事故之间的关系展开研究，发现安全意识的提高会降低事故的发生概率。Meng X 等[5]验证了中国建筑行业工人安全意识与安全行为呈现正相关关系。裴子平等[6]通过文献和访谈法凝练出影响矿工安全意识的13 个影响因素，运用结构方程研究各级影响因素间的关系。姜沁瑶等[7]从个体、外部环境和组织管理3 个层面探索了建筑工人安全意识的影响因素。赵双静[8]运用结构方程构建了建筑工人安全意识模型，分析各影响因素之间的相互关系，对建筑工人安全意识进行了静态评价。曹书平[9]对安全意识进行了探讨，提出了安全意识具有动态性的特征。Shire 等[10]论述了SD 模型在分析安全科学动态系统的可行性和有效性。刘炳胜等[11]尝试将SEM 与SD 结合对中国建筑和产业竞争力进行仿真，模拟出未来中国区域建筑产业竞争力的发展趋势。王军武等[12]采用系统动力学模型对地铁施工人员的安全能力进行仿真模拟，提出了提高地铁施工人员安全能力的优化策略。

上述对于建筑工人安全意识的研究停留在静态角度，并且针对高速公路建设施工工人安全意识动态演化研究较少，未能对安全意识的发展趋势进行动态展示，导致无法根据相关因素的变化情况提供干预措施。本文从动态角度探究高速公路建设施工工人安全意识变化，运用AMOS 软件构建高速公路建设施工工人安全意识的结构方程模型，得到建筑工人安全意识仿真初始参数，通过Vensim PLE构建高速公路建设施工工人安全意识SD 仿真模型并进行仿真，根据仿真结果分析高速公路建设施工工人安全意识的动态规律，并针对性提出有效的干预措施，以期提高施工工人安全意识，减少人为的不安全行为，从根本上降低安全事故的发生率。

1 安全意识及影响因素体系

1.1 安全意识概念及活动过程

安全意识是指施工工人为免受施工现场危险因素影响，在进行施工过程中，通过认知自我安全而产生的心理状态，其所持有的潜在身心条件与状态的心理活动总和。

安全意识的活动过程包括，感知阶段：通过视觉、听觉、触觉等感官器官感知外界的危险，这些危险信息被传递到大脑中的感觉区域进行初步的加工和处理；认知阶段：将所感知到的危险与已有的知识、经验和情境联系起来，对感知到的危险进行分析、推理和判断；决策和行动：基于感知和认知阶段的信息，做出决策或采取行动，以应对危险情况；反思阶段：做出行动后，会对其行动效果进行评估和反思。

1.2 安全意识影响因素体系

安全人机工程学认为，“人-机-环境”系统中人的操作主要受到心理、生理、操作能力及外部环境和管理等因素的影响[13]，在高速公路建筑工地的“人-机-环境”系统中，工人的安全意识也会受到自身及管理和外部施工环境因素等的影响，因此本文从个体、组织管理、施工环境3 个层面选取影响高速公路安全意识因素。参考建筑行业[7，8，14，15]与其他行业[6，16~19]对安全意识的研究成果及与建筑一线专家访谈，最终建立高速公路建设施工工人安全意识影响因素体系，如表1 所示。

表1 高速公路施工工人安全意识影响因素体系

2 安全意识的SEM 模型

2.1 研究数据收集

研究数据来源于G56 楚雄（广通）—大理高速公路扩容工程9 个项目工区，调查问卷题项采用Likert5 级量表评价，采取现场实地调查方式进行问卷收集。共发放问卷294 份，回收有效问卷236 份，回收有效率为80.3%，所调查样本满足结构方程要求[20]。样本基本信息如表2 所示。

表2 样本基本信息

2.2 问卷信效度检验

采用SPSS26.0 软件进行调查问卷数据的信度和效度检验。信度采用Cronbach′s α 系数表征，效度检验采用KMO 和Bartlett 检验[12]。得到问卷数据的Cronbach’s α=0.860>0.7，KMO=0.878>0.6，一般情况下KMO>0.6 表明适合做因子分析。结果表明问卷数据的可靠性强、效度高，适合做因子分析。

2.3 结构方程（SEM）构建

根据影响因素指标，提出以下6 个假设：

H1：个人特质会影响施工工人安全意识；

H2：组织管理会影响施工工人安全意识；

H3：外部施工环境会施工工人安全意识；

H4：外部施工环境会影响施工工人个人特质；

H5：组织管理会影响外部施工环境；

H6：组织管理会影响施工工人个人特质。

构建高速公路建设施工工人安全意识SEM 模型，如图1 所示，4 个潜变量分别为：安全意识、施工工人特质、组织管理、外部施工环境，施工工人个体特质、组织管理、外部施工环境的观测变量为二级影响因素，安全意识的观测变量为自我效能（Y1）、安全理智感（Y2）、预判伤害发生能力（Y3）。其中ei表示误差变量（i=1，2，…，22）。假设如下：

图1 SEM 模型

2.4 模型拟合检验

为检验整体模型和样本数据的匹配程度，通常采用卡方值（χ2）、卡方自由度比（χ2/df）、拟合优度指数（CFI）、调整后拟合优度指数（AGFI）、增值拟合指数（IFI 和TFI）和近似误差均方根（RMSEA）等7 个常用拟合指数反映结构方程模型的拟合程度。对模型进行修正后测量模型拟合指数如表3 所示。修正后模型拟合各项指标满足标准，因此认为模型通过检验。

表3 测量模型拟合结果

各假设之间的参数与显著性水平P 值如表4 所示。P 值均低于0.05，说明假设可接受，同时，临界值CR均大于参考值1.96。因此，模型通过了参数估计和假设检验。利用AMOS软件采用极大似然法（ML）对结构方程进行验证性因素分析，最终得到模型各变量间的路径系数，如表5 所示。

表4 参数估计和假设检验

表5 各变量间路径系数

3 安全意识SD 模型构建

3.1 模型边界和基本假设

本文研究的主体是高速公路施工工人个体安全意识的变化趋势。为了使系统更加清晰明确，做出如下假设：

（1）本文的高速公路建设施工工人安全意识仿真模型中影响子系统为个体层面、组织层面和施工环境层面3 个子系统，故仅考虑这3 个影响子系统中的因素，暂不考虑其他因素的影响干扰。

（2）问卷测量出的安全意识变化数值是无量纲，只研究其具体变化趋势，然后进行定量分析。

（3）施工工人安全意识所体现的是普遍情况。

3.2 模型因果关系分析

根据图1 中高速公路建设施工工人安全意识与各影响因素之间的影响关系，构建3 个安全意识影响系统，分别是个体特征影响系统、组织管理影响系统和施工环境影响系统。通过分析，得到影响系统的3 个主要反馈回路及安全意识系统关系图，如图2 所示。

图2 高速公路建设施工工人安全意识因果关系图

主要反馈路径如下：①安全意识水平→+个体特质水平→+安全意识水平；②安全意识水平→－不良施工环境水平→+安全意识水平；③安全意识水平→－组织管理水平→－安全意识水平；④安全意识水平→－不良施工环境水平→+个体特质水平→+安全意识水平；⑤安全意识水平→－组织管理水平→+不良施工环境水平→－安全意识水平；⑥安全意识水平→－不良施工环境→+个人特质水平→－组织管理水平→－安全意识水平；⑦安全意识水平→+个人特质水平→－组织管理水平→－安全意识水平。

3.3 SD 模型构建

在图2 的基础上，根据系统动力学原理建立如图3 所示的高速公路建设施工工人安全意识SD 仿真模型，由于该模型中的绝大部分变量为定性变量，为确保模型的严谨性和逻辑性，该模型的变量全部为无量纲。

图3 高速公路建设施工工人安全意识SD 仿真模型

4 参数设定及仿真分析

4.1 影响因素赋权

本文所研究的高速公路施工人工安全意识影响因素较多，同时也需要探究各潜在变量之间的相关性，因此适合采用因子分析法对各项影响因素指标进行权重计算。具体方法如下：

（1）潜在变量赋权。

式中，Ki为第i项潜在变量权重；Ri为第i项潜在变量标准化路径系数。

（2）对观测变量在各潜变量下的影响因素进行赋权。

式中，eij为第j项归一化后的路径系数；Mij为第j项权重；Uij为观察变量在整体模型中的影响权重。

根据上述方法进行计算，得出安全意识影响因素权重系数如表6 所示。

表6 安全意识影响因素权重表

4.2 参数初始化设定

根据安全等级评价标准，将正向指标分为7 个等级：非常好（≥90）、好（80~89）、较好（70~79）、尚可（60~69）、较差（50~59）、差（40~49）、很差（<40），负向指标分为7 个等级：非常高（≥90）、高（80~89）、较高（70~79）、尚可（60~69）、较低（50~59）、低（40~49）、很低（<40）。选取20 名经验丰富的施工工人和一线专家进行打分赋值取均值，结果如表6 所示。

状态变量初始值结合专家打分和评价矩阵计算得出，如状态变量个体特质水平初始值计算如下：

个体特质各观测变量的评价矩阵：

可得个体特质水平初始值：

同理可得组织管理水平和不良施工环境水平的初始值分别为70.51、66.43，安全意识初始值为62.95。

4.3 初始状态仿真分析

运用Vensim PLE 仿真软件进行仿真，基于系数、状态变量初始值和辅助变量的取值，设置TIME STEP=1，UNITS for TIME=Hour，ININTIALTIME=0，FINAL TIME=9，即仿真步长为1 hour，时间单位为hour，初始时间为0 小时。仿真一个工作日的高速公路建设施工工人安全意识水平随时间的变化情况，运行仿真结果如图4 所示、安全意识水平变化率如图5 所示。

图4 初始状态仿真结果

图5 安全意识水平变化率

由图4 仿真结果可知，施工工人安全意识水平呈现先上升后下降的趋势。主要分为两个阶段，第一阶段：施工前7 小时，施工工人的安全意识水平提高，且在第7 小时安全意识水平达到峰值，这是因为早晨是人体最活跃的时段，工人在睡眠后醒来的时候，身体和精神状态都比较好，对环境适应能力较强。这种状态可以帮助他们更加专注于工作，另外刚开始的工作环境比较轻松和安静，这可以让工人更加专注和集中精力，从而减少工作中的错误和事故。进行施工时，因为工人在每日施工前期需要制定工作计划和准备工作所需的材料和设备，这些计划和准备帮助工人更好地了解工作任务的细节和要求，因此施工初期对所处岗位的风险和隐患更加了解，工人接受早晨的班前培训和教育不断产生作用，不断使工人的安全意识提高，另外，在施工初期管理水平较高，这些促使施工工人安全意识呈现不断上升的趋势。第二阶段：下降阶段为后2个小时，持续进行施工作业后，施工工人感到疲劳，生理和心理水平降低，在组织管理层面出现懈怠，环境层面，施工后期会有更多的噪音和干扰等，因此呈现施工工人安全意识快速下降的趋势。

由图5 可得，初始状态下工人安全意识变化率分为3 个阶段：第一阶段前2 小时、第2 小时至第7 小时、后2 小时；初始状态下施工工人安全意识变化率在前2 小时呈现快速增长，在第2 小时的增长率最大。由于早晨工人身体和精神状态都比较好，对环境适应能力较强，另外刚开始的工作环境比较轻松和安静。使得安全意识水平的增长率快速增长，在第2 小时达到最大；第二阶段是施工第2小时~7 小时，这个阶段工人安全意识的增长率呈现下降趋势，这个阶段工人的安全意识提升主要依靠组织管理的监管和班前教育和培训知识的理解付诸于实践等；第三阶段后2 小时安全意识水平的增长率为负，直至第9 小时，安全意识水平增长率降至最低。这是因为长时间的工作导致出现疲劳，使得个人特质水平下降，另外临近下班，组织管理方面出现懈怠，以及不良外部施工环境水平升高导致。

4.4 不同子系统同等力度下干预效果对比分析

根据高速公路建设施工工人安全意识动态变化特点，在不同阶段采取针对性的措施以便有效提高施工工人安全意识。通过设定3 种情景策略与初始状态下的施工工人安全意识进行对比。

情景一：施工工人个体特质水平增加20%。

情景二：组织管理水平增加20%。

情景三：不良施工环境水平降低20%。

观察施工工人安全意识的变化趋势，仿真趋势如图6 所示。

图6 不同子系统干预策略仿真对比

（1）在前2 小时内，4 种情景策略下的施工工人安全意识变化曲线基本重合，都处于上升趋势，但是3 种情景策略下的施工工人安全意识差异不明显，表明在这个阶段，对高速公路建设施工工人安全意识的干预效果相似。

（2）在第2 小时至第7 小时段内，3 种干预措施对高速公路建设施工工人安全意识的干预效果由大到小依次为：情景二>情景三>情景一，因为随着组织管理水平的提高，也在加强个人特质水平的提高和不良施工环境水平的降低，最终综合影响着工人的安全意识，因此情景二的干预效果最佳。

（3）在第7 小时至第9 小时段内，干预措施情景二对高速公路建设施工工人安全意识的提升效果最佳，干预效果均大于另外两个干预策略。干预措施情景一在第7 小时与初始状态曲线产生了交点，并且第7 小时至第9 小时时间段内，干预措施情景一出现消极影响，安全意识水平均低于初始状态的安全意识水平，这是因为在后2 个小时，施工工人出现疲劳和厌倦等问题，所以产生该现象。在第9 小时，干预策略情景三的曲线与初始状态下安全意识水平的变化曲线产生了重合，说明在施工第9小时改变施工环境对施工工人的安全意识提升效果较小，前期对施工环境的改善对施工工人安全意识的提升效用增大，随着工人不断适应施工环境，施工环境对施工工人安全意识的影响作用逐渐降低。

5 结语

高速公路施工人员的安全意识水平是动态变化的，本文基于安全人机工程学理论从个人、组织、施工环境3 个方面筛选出影响高速公路施工人员安全意识的因素体系。借助结构方程模型建立高速公路建设施工工人安全意识结构方程模型，研究各影响因素与施工工人安全意识之间的关系，根据影响因素之间的标准化路径系数求得影响因素的权重，为系统动力学仿真提供参数依据。在高速公路建设施工工人安全意识结构方程模型的基础上构建了系统动力学模型。分析模拟了不同情景策略干预方案下施工工人安全意识的变化趋势，得出提高高速公路建设施工工人安全意识水平的最佳策略：在每日施工前期侧重于提高施工工人特质水平和降低不安全施工环境水平，在每日施工后期侧重于组织管理水平的提高，为降低高速公路施工事故提供可行性方案。该研究为地铁、房屋建设等其他种类工程施工工人的安全意识研究提供了参考依据。