基于熵理論的重大事故復雜鏈式演化機理及其建模*（安全）

                       黃  浪，吳  超，王  秉

             （中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙410083）

摘要：為完善重大事故演化的本質規律和探究事故后果累積放大原理，從安全物質學的視角提出事故鏈定義和形成機理，并解析其內涵；通過物質、能量和信息表征事故鏈演化過程的載體反映；基于物質流、能量流和信息流構建事故鏈式演化概念模型；基于熵理論和耗散結構理論論述事故階段演化特性；在此基礎上，提煉事故預防與控制策略框架。研究結果豐富了事故鏈式演化理論，可為事故預防與控制提供更深層次的理論基礎。

關鍵詞：事故演化；事故鏈；事故載體；熵理論；耗散結構理論；概念模型

中圖分類號：X91  doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 05. 002

0  引言

    近年來，中國安全生產狀況持續好轉，但重特大事故時有發生，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日天津濱海新區特別重大化學品倉庫爆炸事故。從已經公布的事故調查報告可以看出，上述事故都是初始事故在特定的時空范圍內相繼發生引發一系列衍生事故的結果，即事故的發生和擴大存在鏈式關系。由此可知，事故鏈式演化機理是一個有價值的研究取向。

    通過對事故發生發展過程所遵循的演化機理的研究，可以挖掘事故孕育源頭、厘清事故演化過程中的關鍵路徑和判斷事故發展方向，進而在事故的預防預控中占據主動地位。當前國內外事故鏈式演化機理的相關研究主要集中在以下幾個方面：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防、安全管理實踐中已得到一定的證實和應用，并形成了較為完善的理論體系，但在事故演化機理方面有待進行深入研究；②在事故演化方面，對事故進行多米諾鏈鎖分析、分析事故鏈模型。上述事故演變相關研究都是基于因果關系進行的簡單案例分析，缺乏對事故演變現象背后的內在機理進行深入研究。

    概念模型以形式化的方法揭示研究對象的主要概念、定義以及它們之間的邏輯關系，是對研究對象和內容的第一次抽象與假設，它將零散的、非結構化的知識轉換為系統的、結構化的與可讀性強的基礎理論知識。鑒于此，本文基于熵理論，立足于理論思辨層面，對事故演變的研究思路從傳統的“靜態一描述一解釋”向“動態一建模一啟示”轉變，綜合考慮事故鏈物質、能量和信息三者的復雜性耦合作用，對事故鏈形成機理、事故鏈載體反映、事故鏈式演化等進行研究，并構建事故預防與控制框架，以期完善事故演化機理理論體系，并促使事故預警預控、決策支持和應急救援遵循事故演化發展的客觀規律，從而有效提高事故預防與控制水平。

1  事故鏈定義及內涵

    事故的發生發展都是系統多種內外因素沿著某一條規律鏈相互作用的結果。按照安全科學相關理論，事故是致災物（可導致損害物質）、承災物（可遭受損害物質）與避災物（可避免或減少損害物質）三者之間以及它們與人和環境之間交互作用的涌現和漲落。從以下兩方面解析這種交互作用：①當致災物引發事故以后，事故系統的致災物、承災物與避災物按照各自被賦予的內涵處于三角形的頂點（穩定系統，如圖1中的粗箭頭標示），通過合理匹配達到有效的減災救災目的，這是最理想狀態。②當相互匹配不合理時（如不符合標準的救災物導致致災物作用時間、作用空間、作用強度等發生變化，以及承災物發生變異等），致災物作用于承災物產生了新的致災物，并作用于新的承災物，從而引發次生、衍生事故，形成事故鏈（如圖1所示）。

    由上述分析可知，事故鏈是指在特定的時間、空間范圍內，由于事故系統致災物、避災物和承災物之間不合理匹配而形成的一種由初始事故引發一系列次生事故的連鎖和擴大效應，是事故系統復雜性的基本形式。事故鏈內涵解析如下：

    1)若把整個事故看成一個大系統（事故系統），則事故鏈是復雜事故系統的重要組成部分和基本特征，事故鏈構成事故系統的一個子系統。事故鏈的發展態勢由致災物的危險性、承災物的暴露性和脆弱性、避災物的不確定性、環境的不穩定性以及人的主觀能動性在時間與空間上的復雜耦合作用決定。

    2)事故鏈的產生需滿足三個條件：①存在初始事故，初始事故發生后產生新的致災物。②新的致災物作用于承災物，導致至少一個二次事故發生。③次生事故擴大了初始事故嚴重程度，即所導致的一個或多個二次（或三次等）事故產生了大于初始事故后果的嚴重事故。

    3)事故鏈演化具有兩方面特殊性：①初始事故發生后，次生事故是否發生存在一定的隨機性，但由于事故具有因果關系與引發關系，所以又不是完全的隨機現象。這種受到約束的隨機性會產生復雜性風險，進而增大事故系統復雜性。②事故鏈存在時間上延續性與空間上的擴展性，這種時空的延續擴展過程造成事故規模的累積放大。

2  重大事故鏈式演化模型構建

2.1  事故鏈載體反映

    通過分析相關重特大事故調查報告可知，事故鏈式關系演化的實質是介質載體的轉化，事故鏈式關系的載體反映是對事故鏈式規律的客觀認識。因此，將事故鏈式演化的研究落實到物質第一性，抓住事故過程中載體的演繹規律和本質，就能認識整個事故演化過程及其實質，并為能量轉化、事故損失度量提供量化的基礎條件。

    根據協同學理論，事故系統的形成與其內部各元素之間節、各子系統之間以及系統與外部環境之間的相互協同作用緊密相關，這種相互協同作用通過物質、能量與信息的交換予以表征。因此，可通過物質流、能量流與信息流的協同關系獲得事故系統在某一特定時間、空間、功能和目標下的特定結構。綜上分析得出事故鏈的載體反映：

    1)物質載體演化形態有固態、液態與氣態等，事故鏈的形成過程具有不同物質性態的單體演繹或多性態聚集、耦合與迭加等特征，這些性態由其含量、轉化形式和時空位置的演化而形成物質流，性態的演化導致了事故鏈式關系演繹的多樣性與復雜性。

    2)物質的流動與轉化需要能量，無論是物理性流動還是化學性流動，其流動過程中都伴隨著各種能量之間的聚集、耦合、傳輸、轉換，因此物質載體演化的另一伴生特征是能量的轉移和轉換（能量流）。

    3)在物質和能量的流動過程中產生的大量信息，因此以物質、能量為基礎的信息反映也是事故鏈的載體反映，通過光、聲、溫、速等基本形式表征，伴隨著鏈式載體起到輻射、轉化、傳播等作用而構成信息流。

2.2  重大事故鏈式演化概念模型

    事故鏈式載體在事故演化中起著重要的媒介和橋梁作用，在事故鏈式載體為依托的演化體系中，物質流、能量流、信息流構成演化核心，稱為“核心環流”，其他（人、環境等因素）則為“外環因素”，它們共同構成事故鏈式演化概念模型（如圖2所示）。事故鏈式載體在外部環境（外環因素）和載體的核心環流（內環作用）共同作用下實現其鏈式演變。

    1)核心環流

    安全生產活動中的主體對客體的認識是以能量流或物質流為載體，進行信息的獲取、傳遞、變換、處理和利用實現的。事故預防與控制的本質就是通過信息流的標示、導向、觀測、警戒和調控作用對系統中物質流和能量流進行控制、操縱、調節和管理（正作用），而錯誤反映系統中物質流和能量流狀態的信息則會觸發事故或導致事故處置失?。ㄘ撟饔茫?。因此，要充分發揮和正確利用信息流對物質流和能量流的引導和控制作用。

    2)外環因素

    在正常安全狀態下，系統中物質流、能量流、信息流都處于正常有序的排列和控制中，即系統中物質、能量、信息在一定的安全閥值范圍內與外界系統進行不斷的交換作用。如果遇到一定的觸發條件（如人的不安全行為、環境的不合理規劃、管理的缺陷、物的不安全狀態以及物質本身的設計缺陷等）使物質、能量和信息的正常交換作用失控，進而導致物質流、能量流、信息流的紊亂就會引發事故。

2.3事故鏈式階段性演化機理

    事故鏈在孕育、演化過程中具有階段性，不同階段鏈式載體的轉化呈現不同狀態，因此可通過事故演化過程中的載體特性來認識事故。R A Haslam、陳安等等將事故演化分為階段型演化、擴散型演化、因果型演化和情景型演化。根據事故載體反映和事故鏈式演化關系，

本文將事故鏈演化按照時間順序劃分為四個階段：事故潛伏期、事故爆發期、事故鏈蔓延期和事故終結期。

    根據熵理論，熵是對系統中物質、能量、信息的混亂和無序狀態的一種表征，系統越無序熵值越大，而耗散結構理論討論的則是系統從無序向有序轉化的機理、條件和規律。從事故鏈式演變特征可以看出，事故系統演變過程與熵的演變和耗散過程有很大共性，事故鏈從潛伏期到蔓延期是一個熵增大于熵減的過程，而終結期則是一個熵減大于熵增的過程。

    按照事故鏈載體反映和安全物質學理論，事故系統可以劃分為物質流子系統、能量流子系統、信息流子系統、人流子系統和環境子系統。由熵的加和性可知，事故系統的總熵可表述為：

    根據以上分析，構建事故系統熵的階段性變化規律如圖3所示（圖中的時間段不代表實際時間長短）。

 1)潛伏期（O-t₂）：0-t₁時間段，S=0，系統演化的有序趨勢和無序趨勢處于均衡狀態，即系統的有序性和無序性相互抵消，系統整體上處于一種穩定平衡狀態，這是最理想的安全管理和事故預防狀態。但是隨著二者的相互作用以及系統安全要素的改變和外界環境的變化，這種臨界狀態有可能失衡。

    t₁-t₂時間段，S >0，由于系統不合理設計、規劃和管理缺陷等危險因素一直潛存，引發事故的各種因素不斷積聚，系統正熵產生的無序效應大于負熵產生的有序效應，系統總趨勢走向失穩。此時存在兩種情況：①及時發現事故載體信息的異常演變，并采取管理措施或技術措施增大系統負熵，使系統總熵重新趨于平衡狀態，系統恢復正常，如圖中的a^-曲線所示。②沒有及時發現事故載體信息演變趨勢，或發現了但沒有采取控制措施以及措施失效，則系統繼續向著正熵變大的方向演變，導致事故發生，進入事故爆發階段，如圖中的a⁺所示。

    2)爆發期（t₂-t₃）：事故系統總熵迅速擴大，事故由可能變成了現實，進入全面爆發階段，導致人員傷亡、財產受損。存在兩種情況：①根據事故鏈式演化載體信息，采取正確的處理措施，向事故系統輸入負熵，使事故系統有序效應大于無序效應，事故得到控制，系統總熵重新趨于0，系統恢復平衡狀態，如圖中b^-所示。②如果沒有采取輸入負熵的措施，或負熵不足以抵消正熵，則事故鏈繼續演變，進人事故鏈蔓延期，如圖中b⁺所示。

    3)蔓延期（t₃-t₄）：事故系統總熵由于事故鏈式演變而繼續增大，次生、衍生事故相繼發生，事故損失和危害逐漸增大。蔓延時間跨度取決于事故的嚴重程度以及事故處理效果。若事故鏈演變得到有效控制（有效的應急救援），蔓延就會很快結束，不再發生后續事故；反

之，則事故造成的影響會不斷加劇且擴散。

    4)終結期（t₄-t₅）：事故系統總熵可能因為物質、能量的耗散而自行趨于0（事故鏈式演化過程自行終結），也可能因為人為控制和干預而重新趨于0（事故鏈式演化過程因為人為控制和干預而終結）。事故鏈自行終結所造成的損失通常大于人為干預造成的損失，事故鏈式演化終結的時間主要取決于物質、能量、信息的混亂程度以及事故造成的破壞強度和人為干預力度。

3  重大事故鏈式演化模型的應用

    基于所構建的重大事故鏈式演化概念模型，結合典型行業的事故應急救援可知，無論是事前的預防、事中的控制，還是事后的救援，一方面需要抑制物質流、能量流、信息流、人流和環境要素所產生的正熵，另一方面需要通過控制手段使這些要素產生負熵。針對事故

鏈的階段演化特性，提出潛伏期“預防”、爆發期和蔓延期“斷鏈控制”和終結期“治理”的措施，即避免事故發生的關鍵是掌握事故鏈的演化路徑，在事故潛伏期采取斷鏈預防和控制措施，將事故消滅在萌芽和生長階段?；�于上述分�?，以事故階段性鏈式演化為切入點，構建事故預防與控制框架，如圖4所示。

    每種類型的事故鏈在演化過程中的各階段都有特定的演變形態和表現特征，因此可通過監測物質、能量、信息的聚集與轉化確定其演化階段，分析事故系統各要素之間或子系統之間的相互作用關系以及事故系統與環境的相互作用關系，找出事故預防與控制的切入點，確定應急方式和對策（如表1所示）。

4  結論

    1)從安全物質學的視角提出事故鏈定義，并從事故鏈時間與空間上的復雜耦合性、次生事故的隨機性，以及事故鏈產生條件等方面解析其內涵；基于致災物、承災物與避災物三者之間以及它們與人和環境之間交互作用論述重大事故鏈形成機理。

    2)將事故鏈的研究落實到物質第一性，抓住事故鏈式演化過程中的演繹規律和本質，通過物質、能量、信息形式表征事故鏈的載體反映；構建以物質流、能量流、信息流為演化核心的重大事故鏈式演化概念模型。

    3)將事故鏈演化周期按照時間順序劃分為四個階段：潛伏期、爆發期、蔓延期和終結期。事故鏈從潛伏期到蔓延期是一個熵增大于熵減的過程，而終結期則是一個熵減大于熵增的過程；基于熵理論和耗散結構理論，論述事故鏈式階段性演化機理。

    4)基于重大事故鏈載體反映和鏈式階段性演化機理，構建事故預防與控制策略框架，提出潛伏期“預防”、爆發期和蔓延期“斷鏈控制”和終結期“治理”的措施。