趙挺生，胡俊杰，師玉棟，徐 凱

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

塔式起重機（以下簡稱塔吊）是施工現(xiàn)場重要的垂直運輸設備。塔吊在施工現(xiàn)場的全壽命周期，可分為安裝、頂升、使用和拆卸4個階段，且頂升階段與使用階段互相重合。在這4個階段中，使用階段的持續(xù)時間最長，并以吊運作業(yè)為核心功能。據(jù)不完全統(tǒng)計，2010~2019年，我國至少發(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。目前，關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、數(shù)據(jù)分析等方法，識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]將塔吊安全風險因素進行了歸納分類，確定了風險因素的相對發(fā)生概率。Raviv等[4，5]建立了塔吊未遂事件與事故的結構化數(shù)據(jù)庫，以 AHP方法為依托，對各集群的風險程度進行了量化分析。目前鮮有針對塔吊使用階段作業(yè)安全問題的系統(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]識別了56項塔吊安全影響因素，建立了塔吊安全的AcciMap模型，提取了關鍵安全影響因素。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)正常運行情況為基礎，進而解釋系統(tǒng)未能正確運行的原因。該方法已經(jīng)在系統(tǒng)風險與事故分析中表現(xiàn)出較強的解釋力度。張曉全等[8]、甘旭升等[9]利用FRAM建模解釋事故致因機理，識別了事故防控要點。Tian等[10]提出了一種改進的 FRAMA（FRAM-based Analysis）模型，對模型功能變化進行格式化描述，從而實現(xiàn)功能變化耦合的窮舉搜索。Patriarca等[11]針對傳統(tǒng)FRAM缺乏量化能力的問題，將蒙特卡洛分析方法與FRAM結合，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)安全問題，指導塔吊作業(yè)安全監(jiān)控。

本文從塔吊作業(yè)功能視角出發(fā)，利用FRAM對塔吊作業(yè)系統(tǒng)進行建模，對塔吊作業(yè)安全系統(tǒng)功能變化耦合過程實施定性和定量分析，識別影響塔吊作業(yè)系統(tǒng)安全的關鍵功能和功能變化耦合路徑，計算功能耦合關系的相對重要性評分，進而提取塔吊作業(yè)安全監(jiān)控重點內(nèi)容。

1 FRAM 建模與功能變化識別

1.1 塔吊作業(yè)過程分析

分析塔吊作業(yè)過程是識別塔吊作業(yè)系統(tǒng)功能和分析功能變化的基礎?；谠谀彻こ淘O備管理公司和某橋梁建設項目開展的實地調研訪談，結合《塔式起重機操作使用規(guī)程》（JG/T 100-1999）[12]、《建筑施工塔式起重機安裝、使用、拆卸安全技術規(guī)程》（JGJ196-2010）[13]和《起重機械安全規(guī)程》（GB 6067-2010）[14]等塔吊相關標準規(guī)范，參考江漢TC6013-8型塔吊、華誠機械QTZ63（5510）型塔吊和中昇建機ZSL750型動臂式塔吊使用說明書，對塔吊作業(yè)過程的主要活動及其相關要求進行梳理，結果如圖1所示。

1.2 塔吊作業(yè)系統(tǒng)FRAM建模

作業(yè)過程分析屬于任務分析是功能識別的基礎。任務是預期實現(xiàn)的、理想化的功能，且在時間順序、控制關系等方面具有一定的結構；功能本身并無順序之分，其相互關系通過特征之間對應關系進行表達。識別系統(tǒng)功能，即研究系統(tǒng)正常運行，了解系統(tǒng)常規(guī)活動。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個層次，高層次功能是低層次功能的抽象。

圖1 塔吊作業(yè)過程

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，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)先級或順序的區(qū)分。每個功能用表1所示的6項特征進行描述，特征一般為名詞短語。為滿足模型的一致性要求，不同功能中的同一特征應當具有一致的命名；同時，模型的完整性則要求任何功能的任一特征均應在其他功能的特征中有所對應。另外，F(xiàn)RAM也提供了一種圖形化表示方法，用六邊形表示一個功能，每個角作為一個特征，如圖2所示。

表1 功能的6項特征

從物理功能層出發(fā)，分析與人機交互密切相關的系統(tǒng)功能。對于塔吊作業(yè)系統(tǒng)，其整體功能目的是將材料、工具、設備等物料從某個位置吊運到目標位置。因此，以核心功能“吊運”為分析起點，描述該功能的6項特征，如圖3所示。

圖2 功能的圖形化描述

圖3 “吊運”功能的特征

核心功能“吊運”的各項特征必須與至少一個其他功能的某個特征相對應，從而識別出其他功能，如提供指揮信號的“信號指揮”功能，提供司機的“司機就位”功能等。結合上述分析結果，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”這一核心功能為起點，利用可視化軟件FRAM Model Visualiser進行建模，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，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致系統(tǒng)異常的過程。在FRAM模型實例化后，可以從時序或因果關系的角度理解系統(tǒng)功能間的關系[7]。

2.1 塔吊作業(yè)功能變化識別

根據(jù)收集到的2016~2019年間的68篇塔吊使用階段生產(chǎn)安全事故報告，對塔吊作業(yè)過程中的 7種常見事故類型（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，按事故直接起因對事故進行分類。并統(tǒng)計各項功能在不同事故類型中，以異常變化形式參與事故涌現(xiàn)的頻次及頻率，對具有不同描述的類似功能變化進行合并，并按變化程度進行初步分類。

事故過程中的功能變化是系統(tǒng)功能的表現(xiàn)，根據(jù)近似調整和成敗等價原理，還應關注系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下以及導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，補充識別功能的潛在變化，并按其變化程度分類（參考LEC法進行，采取一種相對描述方法，按可能性由高到低設置4種評價：“往往如此”“可能的”“偶爾的”和“罕見的”）。

基于現(xiàn)場調研和對事故調查報告的分析歸納，初步判斷各功能變化發(fā)生的可能性。依托某垂直運輸設備安全監(jiān)控聯(lián)合研究基地，邀請具有豐富塔吊管理經(jīng)驗的2位專家（10年和7年工作經(jīng)驗）和4位一線技術管理人員（3~4年工作經(jīng)驗）參與調研，獲取專業(yè)技術人員關于各功能變化發(fā)生可能性的隱性知識。參考《建筑施工安全檢查標準》（JGJ 59-99）[15]中，對專職安全管理人員和其他人員檢查評分的賦權方案，使每個專家的權重為 0.6，一線技術管理人員的權重為 0.4，計算功能潛在變化在不同發(fā)生可能性上的加權總分，最后作歸一化處理，評價結果如表2所示。表中，初步判斷結果是本文基于現(xiàn)場調研和事故案例分析形成的主觀觀點，專家評價結果則以其工作經(jīng)驗為依據(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識。后續(xù)量化分析時，將分別按兩種評價結果進行計算，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)過程。結合事故案例研究，從塔吊作業(yè)系統(tǒng)的典型安全事故類型出發(fā)，按各事故類型的主要事故形式，分別探究事故涌現(xiàn)過程。綜合來看，塔吊作業(yè)系統(tǒng)有3種事故形成路徑類型，如表3所示，多數(shù)事故是多項功能變化耦合作用的結果，包括多項功能變化的因果關聯(lián)和多項功能變化的共振。

表3 塔吊作業(yè)系統(tǒng)的3種事故形成路徑

從功能特征來看，“吊運”功能的輸入、前提、資源和控制特征達6項，是整個系統(tǒng)中受其他功能變化影響最多的功能。某類事故的發(fā)生并不是因為“吊運”功能出現(xiàn)了異常變化，而是“吊掛吊物”和“信號指揮”等其他功能異常變化，在“吊運”功能的運行過程中發(fā)生了作用。許多事故發(fā)生在“吊運（F14）”過程，其異常變化往往被視為事故的直接原因。事故調查報告的統(tǒng)計規(guī)律也表明“吊運”功能的異常變化在事故過程中是多發(fā)的。

根據(jù)對各種事故類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同時出現(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備質量和三類塔吊特種作業(yè)人員的操作有關。

表4 4條常見功能變化耦合路徑

2.3 定量分析

從風險角度理解功能變化耦合關系的相對重要性，包括變化程度和發(fā)生可能性兩個維度。針對特定的上下游功能變化耦合關系，Patriarca等[16]提出了一套量化分析方案，用評分“1～4”表征功能在時機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，分配變化評分離散化的概率以說明功能變化的隨機性；引入耦合系數(shù)描述上游功能輸出對下游功能變化的放大或阻尼作用；引入場景系數(shù)描述不同場景條件對功能變化的影響。最后，通過蒙特卡洛分析識別容易出現(xiàn)大幅變化的上下游功能耦合關系。

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的評分方案對功能變化程度進行區(qū)分性衡量，延用耦合系數(shù)對功能變化程度進行修正，以相對概率分布區(qū)分不同潛在變化出現(xiàn)的相對可能性，無需場景系數(shù)，也不必進行蒙特卡洛分析來整合多個評價指標。對于一個具體上下游功能耦合關系，其量化分析過程如下：

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

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

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

（4）基于初步判斷結果和專家評價結果，分別計算上游功能各潛在變化在發(fā)生可能性上的相對概率具體地：①按初步判斷結果。參考 LEC法對事故發(fā)生可能性的量化方案（見表5），為功能變化發(fā)生可能性賦分，進而作歸一化處理，得相對概率。表6以F1“安全教育培訓與安全技術效底”為例，展示了按初步判斷結果計算的過程。②按專家評價結果：以專家評價結果為各發(fā)生可能性的權重，結合賦分策略加權計算Qi，進而

表5 參考LEC法的功能變化發(fā)生可能性量化

表6 以F1為例按初步判斷結果計算Pi

（6）求各潛在變化綜合評分之和，得該耦合關系的相對重要性評分

在描述事故案例時，一個功能可能同時發(fā)生于多種變化情景，但在量化分析時假設功能各潛在變化互斥（），也不會顯著地影響分析結果。另外，上游功能的一個輸出可能同時是下游功能的多個特征，例如F10輸出的指揮信號，同時是F14的輸入和控制特征，為簡化過程，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，對功能變化耦合關系做量化分析結果如表7所示。其中，未分析其與F8、F11、F17等次要功能相關的耦合關系。

表7 功能變化耦合關系的量化分析結果

按功能變化發(fā)生可能性的初步判斷結果和專家評價結果分別計算，所得到的評分在整體上具有一致性。相較而言，被調研者對F2、F3和F4等功能變化程度的評價更高，反映了對特種作業(yè)人員無證、持假證、狀態(tài)不佳等情況發(fā)生可能性的更高估計。初步判斷結果則對F1和F9的功能變化程度給出了相對高的評價，這種傾向是對事故調查報告統(tǒng)計規(guī)律的反映。綜合二者，取均值作為功能變化耦合關系的量化評價結果，提取評分高于2.5的關鍵功能變化耦合關系，如圖6所示。

2.4 分析結果對比

圖6 高評分的功能變化耦合關系

（1）定性和定量分析的一致性。一是定性分析指出“吊運”是系統(tǒng)運行的核心功能，較多地受其他功能運行情況的影響，常常成為事故涌現(xiàn)的平臺。定量分析也表明，“吊運”與 4項上游功能具有高于2的評分，易與其他功能發(fā)生較大的變化耦合；二是安全教育培訓與安全技術交底是定性分析所得關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分，突出了與該功能有關的特種作業(yè)人員本質安全性的重要性；三是現(xiàn)場安全監(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系的相對重要性評分整體較高。

（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)人員行為相關的關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分。定量分析更多說明了安全教育培訓與安全技術交底、現(xiàn)場安全管理人員就位、現(xiàn)場安全監(jiān)管等管理相關功能變化的重要性，這表明在塔吊作業(yè)系統(tǒng)中，管理活動相關功能相對于特種作業(yè)人員操作相關功能，具有更高的功能變化風險，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)生與否的關鍵功能變化，仍然是特種作業(yè)人員操作相關功能的變化。特種作業(yè)人員操作相關功能的異常變化與其前提和控制特征的失效有關，管理活動相關功能又負責提供這些前提和控制特征，因而在事故涌現(xiàn)過程中，管理活動相關功能也多處于異常變化狀態(tài)。

3 結語

塔吊作業(yè)系統(tǒng)中存在許多影響系統(tǒng)運行安全的功能和功能變化耦合關系，必須對其實施監(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鍵功能和關鍵功能變化耦合關系，則為實施塔吊作業(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，最終也是以影響關鍵耦合路徑的方式參與事故涌現(xiàn)過程。解耦關鍵功能變化耦合路徑，即可解耦事故?！暗踹\”是4條關鍵耦合路徑共有的重要功能，并且定性和定量分析結果均表明，“吊運”功能是參與各類事故涌現(xiàn)的核心功能。因此，管控和抑制“吊運”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。