熵权和DEMATEL耦合的塔机操作安全人因影响因素分析

王春燕，危 宁

(1.三峡大学科技学院，湖北宜昌43002；2.湖北特种设备检验检测研究院宜昌分院，湖北宜昌443002)

0 引 言

塔机作为建筑业常用起重设备，操作专业性强，危险性大，塔机安全事故时有发生[1]。据统计，人因操作失误是塔机安全事故的主要诱因。

目前，国内外学者围绕塔机的安全事故的成因开展了一定的研究。杨悦等在塔式起重机刚柔耦合动力学模型研究中应用Maple数学软件建立了动力学模型[1]；刘晓光等采用系统结构可靠性分析，应用数值算例，比较在不同载荷组合下各工况的主要失效模式[2]；陈述等在三峡升船机贝雷架吊装作业的风险认知研究中，应用模糊检测提出塔机驾驶作业人员风险认知能力检测模型[3]；郝丽娜等在多塔机智能安全监控系统的研究与实现中将防碰撞算法应用于塔机安全监控系统中[4]；张青春等依据建设工程塔吊安全监测的现状，将专用WSN节点应用于设计，结合ZigBee技术于塔吊安全监测预警系统，实现压力、位移和距离监测功能[5]；宋双双等建立社会分析评价指标权重体系时，综合个人因素、环境因素、管理因素，应用DEMATE方法建立模型[6]；王宏伟等针对现有塔机安全监测存在的抗干扰能力差、实时性不足等问题，提出一种基于声发射的塔吊安全检测方法[7]；倪丽莎等采用VC嵌入OPENGL技术，研究面向施工现场的塔式起重机安全监管信息系统[8]；王春雪等研究了情绪对建筑工人故意违章行为的影响，设计情绪对故意违章行为影响实验，分析不同情绪状态下建筑工人的故意违章行为风险倾向[9]；张国宝等在铁路行车人因事故关键因素实证分析中，综合运用信息熵和DEMATEL法，依据人员认知行为理论和人因失误SRK模型构建铁路行车人因事故认知行为模型[10]。

以上研究成果为塔机安全事故成因分析奠定了一定的基础，但对安全事故的成因研究还主要集中在对策分析、技术展望、指标构建、方法融合的初步阶段，研究成果也大多集中在对塔机操作安全检测，对于深入分析安全事故的关键影响因素和建立客观的评价指标体系方面，传统的分析方法还并不能完全适用。一是在塔机操作安全事故人因分析与评价时研究影响因素的较多，而系统深入地分析其中关键因素的较少；二是在进行铁路人因事故评价时，评价指标过多依赖于主观分析，在因果关系分析时忽略了因变量之间的相互作用。

表1 塔机安全操作影响因素综合指标体系

鉴于此，笔者运用信息熵和DEMATEL耦合的方法建立关键因素影响识别模型，结合相关数据做实证分析，以期对塔吊安全事故的成因进行分析，确定塔机操作安全事故人因关键因素模型、有助于判别人因事故成因的可靠性，降低安全事故的发生率。

1 建立塔机安全操作人因影响因素指标体系

塔机安全施工的发生原因分析中，人因因素的分析一直是重点，而剖析哪些因素会对人的行为产生影响尤为关键。按照认知行为理论，人的行为是一个不同过程和阶段的动态分析和处理的认知心理过程，在认知过程中的任一环节产生失误，如果未及时地处理和应对，最终都会导致人的行为出现偏差[11]。

塔机安全操作的认知行为可分为信息感知、信息分析、信息决策和信息执行四个阶段，信息感知和信息执行属于技能型层次的认知行为，信息分析和信息决策属于规则型及知识型等层次的认知行为[12]。塔机作业作为专业性较强的特种作业，以操作的驾驶员为主导，与地面操作人员相互配合，通过操作系统来完成相应的任务，其中，操作个体、塔机设备、操作任务、工作环境、操作组织等相互影响，导致塔机安全事故人因影响系统有可能受某一具体因素影响，也有可能是多因素综合作用的结果[13]。

据此，本文依据认知行为，并综合运用安全行为学、系统工程等相关理论，通过大量塔机作业安全事故的案例统计分析，针对建设工程塔机作业特点，综合应用认知行为理论、人因工程的理论，遵循评价的系统性、科学性等原则，建立的指标体系如表1所示。

2 基于熵权和DEMATEL的塔机安全操作人因影响因素分析模型

塔机操作安全的诱发因素既有可能受某一具体因素影响，也有可能是多因素综合影响的结果。本文将熵权法和DEMATEL两种主观和客观方法结合，提出一种基于信息熵和DEMATEL耦合的关键影响因素识别建模方法，量化因素间的间接关系，使组合权重值更加客观有效。

2.1 信息熵计算因素权重

(1)单因素影响指标评价。首先要求有工作经验的专家进行独立打分，假定各个因素对安全的影响程度为1～5的范围，分别代表“没有影响”到“很大影响”，得到单指标评价矩阵M。

(2)矩阵标准化

(1)

式中，xij为安全影响事故影响因素的标准化值；Pij为第j项第i年份指标值的比重；m为待评方案个数。

(3)求指标信息熵

(2)

式中，K为常数，K=1/ln(m)；Ej为塔机安全事故影响因素的信息效用。

(4)求指标权重

(3)

式中，Wj为第j项塔机操作安全事故影响因素指标的权重；dj为1-Ej。

2.2 DEMATEL计算综合影响关系

(1)建立直接影响矩阵A。建立塔机施工过程中人因事故影响因素间的直接影响关系矩阵，每一个打分者都会得到一个直接影响矩阵，计算所有相同因素的均值求得平均矩阵A。假设0，1，2，3，4分别代表“无直接影响关系”“关系较弱”“关系一般”“关系很强”“关系极强”。由检验专家对各影响因素两两比较，判断要素的直接影响程度，确定各因素间的作用关系，建立直接影响矩阵。

(2)求标准化矩阵X。依据公式(4)，规范化直接矩阵A可得

(4)

式中，aij为矩阵A第i个方案第j个指标的数值；n为评价指标的个数。

(3)求综合影响矩阵T。求得标准化矩阵X后，可得到综合影响矩阵

T=X(I-X)-1

(5)

式中，I为单位矩阵。

(4)求中心度和原因度。计算第i个塔机安全事故影响因素的影响度fi和第j个塔机安全事故影响因素的被影响度ej。

(6)

(7)

由fi+ej可得因素i在系统评价中的重要性排序。fi-ej为系统评价中该因素与其他因素的因果关系，若为正，则为原因因素，对其他因素产生影响；若为负，则为结果因素。mi=(fi+ej)和ni=(fi-ej)分别称为中心度和原因度。

2.3 综合信息熵和DEMATEL求组合权重

依据信息熵求得的熵权排序、DEMATEL获得的中心度和原因度，综合两者，用加权乘法求组合权重

(8)

3 案例应用

3.1 实证分析

通过实际调研，特邀宜昌市特种设备检验所的5位有10年以上工作经验的检验师和5位有5年以上工作的检验员进行独立打分，专家根据每个因素的影响程度进行赋值，获得如下一个10×12的评价矩阵。

(1)通过式(1)和式(2)计算指标熵值，得到(0.989 49，0.998 17，0.990 20，1.005 93，0.997 96，1.004 55，1.006 01，0.999 20，0.989 99，0.990 85，0.998 32，0.977 44)。

(2)由式(3)获得各指标的最终熵权为(0.083 497，0.083 396，0.083 441，0.083 637，0.083 507，0.083 566，0.083 58，0.083 47，0.083 47，0.083 257，0.083 51，0.081 701)。

(3)同时，要求宜昌市特种设备检验所的10位检验专家根据各个指标间的相互影响程度进行赋值，获得平均矩阵，即

表2 中心度和原因度

(4)确定各因素之间的直接影响关系。根据10位特检人员的专家的讨论结果，判断因素的有向关系图。其中无=0，弱=1，中=2，强=3，极强=4。A=(aij)n*n，其中，aij表示Fi因素对Fj因素的影响程度，aij=0，1，2，3或4，依据式(4)把直接矩阵A规范化得X。

(5)计算综合影响矩阵T。通过式(5)应用EXCEL的矩阵计算函数，求得因素间的总影响关系矩阵T。

(6)根据总影响关系矩阵T，依据式(6)和式(7)计算中心度和原因度，计算结果见表2。

(7)由于DEMATEL考虑指标间的影响程度，中心度表示指标在系统中的重要程度，所以通过式(8)用中心度的修正式所得的最终熵权值，求得最终组合权重见表3。

3.2 分析结果

由表2、3可知：

(1)12个安全致因中，设备本体的组合权重最大，这意味着设备本体的情况，塔机的新旧程度、使

表3 熵权及组合权重

用年限、金属结构、安全保护装备是否齐全、有效在整个影响关系中至关重要，同时它很容易受到其他影响因素的间接影响，这也符合现实的操作情况。专业经验显示，操作人员是否符合规程、操作环境好坏对设备本体都有很大的影响。

(2)因素塔机设备的基础状况的相对重要程度在设备本体之下，基础状况f+e值排第二，它的f-e也为负值，这表示基础状况这个因素受其他因素的影响，当塔机设备基础状况不佳时，就更容易影响塔机操作的安全。

(3)使用作业是否符合规章制度在表中排第3位，使用作业的f-e为负值，说明与塔机设备的基础状况一样为结果因素，很容易受到其他安全致因的影响。使用作业如果不符合安全规范，产生安全事故的概率会急剧上升。

(4)塔机安装作业是否符合规章制度和作业人员资格经验的影响仅次于使用作业是否符合规章制度。f+e的值在平均值之上，f-e为正值，这说明安装作业规范性和安装人员的经验直接影响着其他安全致因，属于原因要素，安全管理应予以高度重视，做出合理的管理。

4 结 论

本文综合认知行为理论和人因工程理论，构建塔机安全操作人因影响因素模型，综合应用信息熵和DEMATEL法，针对塔机操作人因事故中的信息感知、信息分析、信息决策和信息执行4个阶段的影响因素做分析。分析结果表明，设备本体、基础状况、使用作业是否符合规章制度，安装作业是否符合规章制度，安装作业人员的资格和经验是造成塔机安全事故的主要原因。

(1)在信息感知、信息分析、计划与决策、执行过程四个阶段中，塔机操作安全事故既受某一因素所影响，又受各影响因素相互作用的影响。通过信息熵赋予影响因素指标权重，采用DEMATEL 修正熵权值，更有效客观地分析塔机操作安全事故的关键影响因素，为塔机的安全操作提供安全预警和防范机制。

(2)从信息感知、信息分析、计划与决策、执行过程等层面的12个影响因素出发，应用信息熵和DEMATEL，通过对湖北省宜昌市塔机作业安全事故的案例统计分析，表明设备本体情况、塔机设备的基础状况、使用作业是否符合规章制度塔机安装作业的操作是安全事故的关键的人因影响因素。

(3)利用分析结论，塔机操作和安全管理人员可以对现场塔机的安全操作情况进行评估跟进，为减少塔机安全事故的形成和现场安全管理防范提供有效可靠的理论依据。