基于熵理論的重大事故復(fù)雜鏈?zhǔn)窖莼瘷C(jī)理及其建模*（安全）
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基于熵理論的重大事故復(fù)雜鏈?zhǔn)窖莼瘷C(jī)理及其建模*（安全）
黃 浪，吳 超，王 秉
（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）
摘要：為完善重大事故演化的本質(zhì)規(guī)律和探究事故后果累積放大原理，從安全物質(zhì)學(xué)的視角提出事故鏈定義和形成機(jī)理，并解析其內(nèi)涵；通過(guò)物質(zhì)、能量和信息表征事故鏈演化過(guò)程的載體反映；基于物質(zhì)流、能量流和信息流構(gòu)建事故鏈?zhǔn)窖莼拍钅Ｐ�；基于熵理論和耗散結(jié)構(gòu)理論論述事故階段演化特性；在此基礎(chǔ)上，提煉事故預(yù)防與控制策略框架。研究結(jié)果豐富了事故鏈?zhǔn)窖莼碚�，可為事故預(yù)防與控制提供更深層次的理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：事故演化；事故鏈；事故載體；熵理論；耗散結(jié)構(gòu)理論；概念模型
中圖分類號(hào)：X91 doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 05. 002
0 引言
近年來(lái)，中國(guó)安全生產(chǎn)狀況持續(xù)好轉(zhuǎn)，但重特大事故時(shí)有發(fā)生，如2013年11月22日山東青島特別重大輸油管道泄漏爆炸事故、2014年8月2日江蘇昆山特別重大事故粉塵爆炸事故、2015年8月12日天津?yàn)I海新區(qū)特別重大化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事故。從已經(jīng)公布的事故調(diào)查報(bào)告可以看出，上述事故都是初始事故在特定的時(shí)空范圍內(nèi)相繼發(fā)生引發(fā)一系列衍生事故的結(jié)果，即事故的發(fā)生和擴(kuò)大存在鏈?zhǔn)疥P(guān)系。由此可知，事故鏈?zhǔn)窖莼瘷C(jī)理是一個(gè)有價(jià)值的研究取向。
通過(guò)對(duì)事故發(fā)生發(fā)展過(guò)程所遵循的演化機(jī)理的研究，可以挖掘事故孕育源頭、厘清事故演化過(guò)程中的關(guān)鍵路徑和判斷事故發(fā)展方向，進(jìn)而在事故的預(yù)防預(yù)控中占據(jù)主動(dòng)地位。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外事故鏈?zhǔn)窖莼瘷C(jī)理的相關(guān)研究主要集中在以下幾個(gè)方面：①事故致因理論，如事故因果連鎖模型、“瑞士奶酪模型”( Swiss Cheese)、STAMP模型、“2-4”模型、“R-M”模型等。
事故致因理論雖然在事故預(yù)防、安全管理實(shí)踐中已得到一定的證實(shí)和應(yīng)用，并形成了較為完善的理論體系，但在事故演化機(jī)理方面有待進(jìn)行深入研究；②在事故演化方面，對(duì)事故進(jìn)行多米諾鏈鎖分析、分析事故鏈模型。上述事故演變相關(guān)研究都是基于因果關(guān)系進(jìn)行的簡(jiǎn)單案例分析，缺乏對(duì)事故演變現(xiàn)象背后的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行深入研究。
概念模型以形式化的方法揭示研究對(duì)象的主要概念、定義以及它們之間的邏輯關(guān)系，是對(duì)研究對(duì)象和內(nèi)容的第一次抽象與假設(shè)，它將零散的、非結(jié)構(gòu)化的知識(shí)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的、結(jié)構(gòu)化的與可讀性強(qiáng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。鑒于此，本文基于熵理論，立足于理論思辨層面，對(duì)事故演變的研究思路從傳統(tǒng)的“靜態(tài)一描述一解釋”向“動(dòng)態(tài)一建模一啟示”轉(zhuǎn)變，綜合考慮事故鏈物質(zhì)、能量和信息三者的復(fù)雜性耦合作用，對(duì)事故鏈形成機(jī)理、事故鏈載體反映、事故鏈?zhǔn)窖莼冗M(jìn)行研究，并構(gòu)建事故預(yù)防與控制框架，以期完善事故演化機(jī)理理論體系，并促使事故預(yù)警預(yù)控、決策支持和應(yīng)急救援遵循事故演化發(fā)展的客觀規(guī)律，從而有效提高事故預(yù)防與控制水平。
1 事故鏈定義及內(nèi)涵
事故的發(fā)生發(fā)展都是系統(tǒng)多種內(nèi)外因素沿著某一條規(guī)律鏈相互作用的結(jié)果。按照安全科學(xué)相關(guān)理論，事故是致災(zāi)物（可導(dǎo)致?lián)p害物質(zhì)）、承災(zāi)物（可遭受損害物質(zhì)）與避災(zāi)物（可避免或減少損害物質(zhì)）三者之間以及它們與人和環(huán)境之間交互作用的涌現(xiàn)和漲落。從以下兩方面解析這種交互作用：①當(dāng)致災(zāi)物引發(fā)事故以后，事故系統(tǒng)的致災(zāi)物、承災(zāi)物與避災(zāi)物按照各自被賦予的內(nèi)涵處于三角形的頂點(diǎn)（穩(wěn)定系統(tǒng)，如圖1中的粗箭頭標(biāo)示），通過(guò)合理匹配達(dá)到有效的減災(zāi)救災(zāi)目的，這是最理想狀態(tài)。②當(dāng)相互匹配不合理時(shí)（如不符合標(biāo)準(zhǔn)的救災(zāi)物導(dǎo)致致災(zāi)物作用時(shí)間、作用空間、作用強(qiáng)度等發(fā)生變化，以及承災(zāi)物發(fā)生變異等），致災(zāi)物作用于承災(zāi)物產(chǎn)生了新的致災(zāi)物，并作用于新的承災(zāi)物，從而引發(fā)次生、衍生事故，形成事故鏈（如圖1所示）。
由上述分析可知，事故鏈?zhǔn)侵冈谔囟ǖ臅r(shí)間、空間范圍內(nèi)，由于事故系統(tǒng)致災(zāi)物、避災(zāi)物和承災(zāi)物之間不合理匹配而形成的一種由初始事故引發(fā)一系列次生事故的連鎖和擴(kuò)大效應(yīng)，是事故系統(tǒng)復(fù)雜性的基本形式。事故鏈內(nèi)涵解析如下：
1)若把整個(gè)事故看成一個(gè)大系統(tǒng)（事故系統(tǒng)），則事故鏈?zhǔn)菑?fù)雜事故系統(tǒng)的重要組成部分和基本特征，事故鏈構(gòu)成事故系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。事故鏈的發(fā)展態(tài)勢(shì)由致災(zāi)物的危險(xiǎn)性、承災(zāi)物的暴露性和脆弱性、避災(zāi)物的不確定性、環(huán)境的不穩(wěn)定性以及人的主觀能動(dòng)性在時(shí)間與空間上的復(fù)雜耦合作用決定。
2)事故鏈的產(chǎn)生需滿足三個(gè)條件：①存在初始事故，初始事故發(fā)生后產(chǎn)生新的致災(zāi)物。②新的致災(zāi)物作用于承災(zāi)物，導(dǎo)致至少一個(gè)二次事故發(fā)生。③次生事故擴(kuò)大了初始事故嚴(yán)重程度，即所導(dǎo)致的一個(gè)或多個(gè)二次（或三次等）事故產(chǎn)生了大于初始事故后果的嚴(yán)重事故。
3)事故鏈演化具有兩方面特殊性：①初始事故發(fā)生后，次生事故是否發(fā)生存在一定的隨機(jī)性，但由于事故具有因果關(guān)系與引發(fā)關(guān)系，所以又不是完全的隨機(jī)現(xiàn)象。這種受到約束的隨機(jī)性會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜性風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而增大事故系統(tǒng)復(fù)雜性。②事故鏈存在時(shí)間上延續(xù)性與空間上的擴(kuò)展性，這種時(shí)空的延續(xù)擴(kuò)展過(guò)程造成事故規(guī)模的累積放大。
2 重大事故鏈?zhǔn)窖莼Ｐ蜆?gòu)建
2.1 事故鏈載體反映
通過(guò)分析相關(guān)重特大事故調(diào)查報(bào)告可知，事故鏈?zhǔn)疥P(guān)系演化的實(shí)質(zhì)是介質(zhì)載體的轉(zhuǎn)化，事故鏈?zhǔn)疥P(guān)系的載體反映是對(duì)事故鏈?zhǔn)揭?guī)律的客觀認(rèn)識(shí)。因此，將事故鏈?zhǔn)窖莼难芯柯鋵?shí)到物質(zhì)第一性，抓住事故過(guò)程中載體的演繹規(guī)律和本質(zhì)，就能認(rèn)識(shí)整個(gè)事故演化過(guò)程及其實(shí)質(zhì)，并為能量轉(zhuǎn)化、事故損失度量提供量化的基礎(chǔ)條件。
根據(jù)協(xié)同學(xué)理論，事故系統(tǒng)的形成與其內(nèi)部各元素之間節(jié)、各子系統(tǒng)之間以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的相互協(xié)同作用緊密相關(guān)，這種相互協(xié)同作用通過(guò)物質(zhì)、能量與信息的交換予以表征。因此，可通過(guò)物質(zhì)流、能量流與信息流的協(xié)同關(guān)系獲得事故系統(tǒng)在某一特定時(shí)間、空間、功能和目標(biāo)下的特定結(jié)構(gòu)。綜上分析得出事故鏈的載體反映：
1)物質(zhì)載體演化形態(tài)有固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)等，事故鏈的形成過(guò)程具有不同物質(zhì)性態(tài)的單體演繹或多性態(tài)聚集、耦合與迭加等特征，這些性態(tài)由其含量、轉(zhuǎn)化形式和時(shí)空位置的演化而形成物質(zhì)流，性態(tài)的演化導(dǎo)致了事故鏈?zhǔn)疥P(guān)系演繹的多樣性與復(fù)雜性。
2)物質(zhì)的流動(dòng)與轉(zhuǎn)化需要能量，無(wú)論是物理性流動(dòng)還是化學(xué)性流動(dòng)，其流動(dòng)過(guò)程中都伴隨著各種能量之間的聚集、耦合、傳輸、轉(zhuǎn)換，因此物質(zhì)載體演化的另一伴生特征是能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換（能量流）。
3)在物質(zhì)和能量的流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的大量信息，因此以物質(zhì)、能量為基礎(chǔ)的信息反映也是事故鏈的載體反映，通過(guò)光、聲、溫、速等基本形式表征，伴隨著鏈?zhǔn)捷d體起到輻射、轉(zhuǎn)化、傳播等作用而構(gòu)成信息流。
2.2 重大事故鏈?zhǔn)窖莼拍钅Ｐ?/font>
事故鏈?zhǔn)捷d體在事故演化中起著重要的媒介和橋梁作用，在事故鏈?zhǔn)捷d體為依托的演化體系中，物質(zhì)流、能量流、信息流構(gòu)成演化核心，稱為“核心環(huán)流”，其他（人、環(huán)境等因素）則為“外環(huán)因素”，它們共同構(gòu)成事故鏈?zhǔn)窖莼拍钅Ｐ停ㄈ鐖D2所示）。事故鏈?zhǔn)捷d體在外部環(huán)境（外環(huán)因素）和載體的核心環(huán)流（內(nèi)環(huán)作用）共同作用下實(shí)現(xiàn)其鏈?zhǔn)窖葑儭?/font>
1)核心環(huán)流
安全生產(chǎn)活動(dòng)中的主體對(duì)客體的認(rèn)識(shí)是以能量流或物質(zhì)流為載體，進(jìn)行信息的獲取、傳遞、變換、處理和利用實(shí)現(xiàn)的。事故預(yù)防與控制的本質(zhì)就是通過(guò)信息流的標(biāo)示、導(dǎo)向、觀測(cè)、警戒和調(diào)控作用對(duì)系統(tǒng)中物質(zhì)流和能量流進(jìn)行控制、操縱、調(diào)節(jié)和管理（正作用），而錯(cuò)誤反映系統(tǒng)中物質(zhì)流和能量流狀態(tài)的信息則會(huì)觸發(fā)事故或?qū)е率鹿侍幹檬。ㄘ?fù)作用）。因此，要充分發(fā)揮和正確利用信息流對(duì)物質(zhì)流和能量流的引導(dǎo)和控制作用。
2)外環(huán)因素
在正常安全狀態(tài)下，系統(tǒng)中物質(zhì)流、能量流、信息流都處于正常有序的排列和控制中，即系統(tǒng)中物質(zhì)、能量、信息在一定的安全閥值范圍內(nèi)與外界系統(tǒng)進(jìn)行不斷的交換作用。如果遇到一定的觸發(fā)條件（如人的不安全行為、環(huán)境的不合理規(guī)劃、管理的缺陷、物的不安全狀態(tài)以及物質(zhì)本身的設(shè)計(jì)缺陷等）使物質(zhì)、能量和信息的正常交換作用失控，進(jìn)而導(dǎo)致物質(zhì)流、能量流、信息流的紊亂就會(huì)引發(fā)事故。
2.3事故鏈?zhǔn)诫A段性演化機(jī)理
事故鏈在孕育、演化過(guò)程中具有階段性，不同階段鏈?zhǔn)捷d體的轉(zhuǎn)化呈現(xiàn)不同狀態(tài)，因此可通過(guò)事故演化過(guò)程中的載體特性來(lái)認(rèn)識(shí)事故。R A Haslam、陳安等等將事故演化分為階段型演化、擴(kuò)散型演化、因果型演化和情景型演化。根據(jù)事故載體反映和事故鏈?zhǔn)窖莼P(guān)系，
本文將事故鏈演化按照時(shí)間順序劃分為四個(gè)階段：事故潛伏期、事故爆發(fā)期、事故鏈蔓延期和事故終結(jié)期。
根據(jù)熵理論，熵是對(duì)系統(tǒng)中物質(zhì)、能量、信息的混亂和無(wú)序狀態(tài)的一種表征，系統(tǒng)越無(wú)序熵值越大，而耗散結(jié)構(gòu)理論討論的則是系統(tǒng)從無(wú)序向有序轉(zhuǎn)化的機(jī)理、條件和規(guī)律。從事故鏈?zhǔn)窖葑兲卣骺梢钥闯觯鹿氏到y(tǒng)演變過(guò)程與熵的演變和耗散過(guò)程有很大共性，事故鏈從潛伏期到蔓延期是一個(gè)熵增大于熵減的過(guò)程，而終結(jié)期則是一個(gè)熵減大于熵增的過(guò)程。
按照事故鏈載體反映和安全物質(zhì)學(xué)理論，事故系統(tǒng)可以劃分為物質(zhì)流子系統(tǒng)、能量流子系統(tǒng)、信息流子系統(tǒng)、人流子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng)。由熵的加和性可知，事故系統(tǒng)的總熵可表述為：
根據(jù)以上分析，構(gòu)建事故系統(tǒng)熵的階段性變化規(guī)律如圖3所示（圖中的時(shí)間段不代表實(shí)際時(shí)間長(zhǎng)短）。
1)潛伏期（O-t2）：0-t1時(shí)間段，S=0，系統(tǒng)演化的有序趨勢(shì)和無(wú)序趨勢(shì)處于均衡狀態(tài)，即系統(tǒng)的有序性和無(wú)序性相互抵消，系統(tǒng)整體上處于一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)，這是最理想的安全管理和事故預(yù)防狀態(tài)。但是隨著二者的相互作用以及系統(tǒng)安全要素的改變和外界環(huán)境的變化，這種臨界狀態(tài)有可能失衡。
t1-t2時(shí)間段，S >0，由于系統(tǒng)不合理設(shè)計(jì)、規(guī)劃和管理缺陷等危險(xiǎn)因素一直潛存，引發(fā)事故的各種因素不斷積聚，系統(tǒng)正熵產(chǎn)生的無(wú)序效應(yīng)大于負(fù)熵產(chǎn)生的有序效應(yīng)，系統(tǒng)總趨勢(shì)走向失穩(wěn)。此時(shí)存在兩種情況：①及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故載體信息的異常演變，并采取管理措施或技術(shù)措施增大系統(tǒng)負(fù)熵，使系統(tǒng)總熵重新趨于平衡狀態(tài)，系統(tǒng)恢復(fù)正常，如圖中的a-曲線所示。②沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故載體信息演變趨勢(shì)，或發(fā)現(xiàn)了但沒(méi)有采取控制措施以及措施失效，則系統(tǒng)繼續(xù)向著正熵變大的方向演變，導(dǎo)致事故發(fā)生，進(jìn)入事故爆發(fā)階段，如圖中的a+所示。
2)爆發(fā)期（t2-t3）：事故系統(tǒng)總熵迅速擴(kuò)大，事故由可能變成了現(xiàn)實(shí)，進(jìn)入全面爆發(fā)階段，導(dǎo)致人員傷亡、財(cái)產(chǎn)受損。存在兩種情況：①根據(jù)事故鏈?zhǔn)窖莼d體信息，采取正確的處理措施，向事故系統(tǒng)輸入負(fù)熵，使事故系統(tǒng)有序效應(yīng)大于無(wú)序效應(yīng)，事故得到控制，系統(tǒng)總熵重新趨于0，系統(tǒng)恢復(fù)平衡狀態(tài)，如圖中b-所示。②如果沒(méi)有采取輸入負(fù)熵的措施，或負(fù)熵不足以抵消正熵，則事故鏈繼續(xù)演變，進(jìn)人事故鏈蔓延期，如圖中b+所示。
3)蔓延期（t3-t4）：事故系統(tǒng)總熵由于事故鏈?zhǔn)窖葑兌^續(xù)增大，次生、衍生事故相繼發(fā)生，事故損失和危害逐漸增大。蔓延時(shí)間跨度取決于事故的嚴(yán)重程度以及事故處理效果。若事故鏈演變得到有效控制（有效的應(yīng)急救援），蔓延就會(huì)很快結(jié)束，不再發(fā)生后續(xù)事故；反
之，則事故造成的影響會(huì)不斷加劇且擴(kuò)散。
4)終結(jié)期（t4-t5）：事故系統(tǒng)總熵可能因?yàn)槲镔|(zhì)、能量的耗散而自行趨于0（事故鏈?zhǔn)窖莼^(guò)程自行終結(jié)），也可能因?yàn)槿藶榭刂坪透深A(yù)而重新趨于0（事故鏈?zhǔn)窖莼^(guò)程因?yàn)槿藶榭刂坪透深A(yù)而終結(jié)）。事故鏈自行終結(jié)所造成的損失通常大于人為干預(yù)造成的損失，事故鏈?zhǔn)窖莼K結(jié)的時(shí)間主要取決于物質(zhì)、能量、信息的混亂程度以及事故造成的破壞強(qiáng)度和人為干預(yù)力度。
3 重大事故鏈?zhǔn)窖莼Ｐ偷膽?yīng)用
基于所構(gòu)建的重大事故鏈?zhǔn)窖莼拍钅Ｐ停Y(jié)合典型行業(yè)的事故應(yīng)急救援可知，無(wú)論是事前的預(yù)防、事中的控制，還是事后的救援，一方面需要抑制物質(zhì)流、能量流、信息流、人流和環(huán)境要素所產(chǎn)生的正熵，另一方面需要通過(guò)控制手段使這些要素產(chǎn)生負(fù)熵。針對(duì)事故
鏈的階段演化特性，提出潛伏期“預(yù)防”、爆發(fā)期和蔓延期“斷鏈控制”和終結(jié)期“治理”的措施，即避免事故發(fā)生的關(guān)鍵是掌握事故鏈的演化路徑，在事故潛伏期采取斷鏈預(yù)防和控制措施，將事故消滅在萌芽和生長(zhǎng)階段�；谏鲜龇治觯允鹿孰A段性鏈?zhǔn)窖莼癁榍腥朦c(diǎn)，構(gòu)建事故預(yù)防與控制框架，如圖4所示。
每種類型的事故鏈在演化過(guò)程中的各階段都有特定的演變形態(tài)和表現(xiàn)特征，因此可通過(guò)監(jiān)測(cè)物質(zhì)、能量、信息的聚集與轉(zhuǎn)化確定其演化階段，分析事故系統(tǒng)各要素之間或子系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系以及事故系統(tǒng)與環(huán)境的相互作用關(guān)系，找出事故預(yù)防與控制的切入點(diǎn)，確定應(yīng)急方式和對(duì)策（如表1所示）。
4 結(jié)論
1)從安全物質(zhì)學(xué)的視角提出事故鏈定義，并從事故鏈時(shí)間與空間上的復(fù)雜耦合性、次生事故的隨機(jī)性，以及事故鏈產(chǎn)生條件等方面解析其內(nèi)涵；基于致災(zāi)物、承災(zāi)物與避災(zāi)物三者之間以及它們與人和環(huán)境之間交互作用論述重大事故鏈形成機(jī)理。
2)將事故鏈的研究落實(shí)到物質(zhì)第一性，抓住事故鏈?zhǔn)窖莼^(guò)程中的演繹規(guī)律和本質(zhì)，通過(guò)物質(zhì)、能量、信息形式表征事故鏈的載體反映；構(gòu)建以物質(zhì)流、能量流、信息流為演化核心的重大事故鏈?zhǔn)窖莼拍钅Ｐ汀?/font>
3)將事故鏈演化周期按照時(shí)間順序劃分為四個(gè)階段：潛伏期、爆發(fā)期、蔓延期和終結(jié)期。事故鏈從潛伏期到蔓延期是一個(gè)熵增大于熵減的過(guò)程，而終結(jié)期則是一個(gè)熵減大于熵增的過(guò)程；基于熵理論和耗散結(jié)構(gòu)理論，論述事故鏈?zhǔn)诫A段性演化機(jī)理。
4)基于重大事故鏈載體反映和鏈?zhǔn)诫A段性演化機(jī)理，構(gòu)建事故預(yù)防與控制策略框架，提出潛伏期“預(yù)防”、爆發(fā)期和蔓延期“斷鏈控制”和終結(jié)期“治理”的措施。
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