混沌理論對特種設備安全管理的啟示

李志海

（東營市質量技術監督局 東營 257000）

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混沌理論對特種設備安全管理的啟示

李志海

（東營市質量技術監督局 東營 257000）

摘 要：特種設備安全事故的頻發，給特種設備安全監管帶來了極大的挑戰，也給監管單位和監管人員帶來了沉重的工作壓力，產生了事故無從規避的認識誤區。本文借鑒混沌理論在現代管理學中的運用，分析了特種設備安全管理理念和管理模式，提供給監管人員觀察問題和思考問題新的角度，從而能夠采取更有效的措施，使特種設備管理行為納入科學的有序狀態。

關鍵詞：混沌理論 特種設備 安全管理

近年，特種設備的數量迅速增加，使用場所范圍更加廣泛，與人民群眾接觸更加密切，在經濟社會發展和日常生活發揮著更為巨大的作用。但是，特種設備數量劇增和落后的管理模式的矛盾日益突出，涉及特種設備的事故頻繁發生，安全形勢不容樂觀。根據國家質檢總局公布2014年全國特種設備安全狀況，截至2014年底，全國特種設備總量達1036.46萬臺，較2013年上升10.63%。2014年，全國共發生特種設備事故283起，死亡282人，受傷330人。近期發生的“7·26”荊州百貨商場電梯事故、“7.17”日照石化企業爆炸事故，更是將特種設備安全管理推到輿論的風口浪尖，特種設備安全管理水平的提高迫在眉睫。而通過對各類事故的統計分析，特種設備安全事故的發生帶有很強的隨機性和偶然性，從而給事故的預防和安全管理造成相當大的難度。尤其是事故發生后大范圍的追責，讓管理人員、監管人員產生極大的負面情緒和心理負擔，“管與不管同結局、防范事故靠天意”的思想局部存在，加劇了事故防范的難度。因此，在特種設備安全監管方面，需要引入更加科學先進的理論、管理理念和管理模式，以不斷提高科學監管的水平，而混沌理論作為一種新的組織理論和新興的科學方法論，已經從物理學等自然科學領域，廣泛引入到管理學中，給傳統的管理學理論帶來了歷史性的變革［1］，這對特種設備安全監管也具有積極的指導和借鑒意義。

1 混沌理論的發展和應用

混沌理論（Chaos Theory）是一種兼具質性思考與量化分析的方法，用以探討動態系統中無法用單一的數據關系，而必須用整體、連續的數據關系才能加以解釋及預測之行為，是非線性系統所獨有且廣泛存在一種非周期運動形式。

混沌理論被認為是繼相對論和量子力學后，20世紀物理學的第三次重大革命，它消除了拉普拉斯關于決定論式可預測性的幻想。混沌理論的開端，追溯到1890年法國科學家龐加萊將動力學系統和拓撲學兩大領域結合，指出了混沌存在的可能性。1918年，G.Duffing的研究揭示了非線性震動系統的奇異現象，并總結出Logistic方程。

現代意義的混沌起源于20世紀中期。Kolmogrov發現一個充分接近可積Hamilton系統的擾動較大時，系統圖像就會產生混沌現象。1963年美國氣象學家愛德華·諾頓·勞侖次對兩無限平面間的大氣湍流的模擬，并提出了著名的“蝴蝶效應”，開創了用數值實驗方法研究混沌的先河［2］。

1976年，美國生物學家May R.M提出：簡單的確定性數學模型——Logistic方程可以產生類似隨機的行為。同年，天文學家Henon構造了Henon二維映射，發現Henon奇怪吸引子是一條無限長不封閉曲線，有自相似性。1977年，第一屆國際混沌會議在意大利召開，標志著混沌科學的誕生。

20世紀80年代，是混沌理論迅速發展的時期。1981年，Shaw提供了用信息流觀察混沌運動的新視角，給出了微分方程和映射系統中信息熵的計算公式。1982年，Cuckenheimer利用Lyapunov指數發展了區分混沌與真正隨機運動的算法。

近些年來，混沌科學更是與其它科學相互滲透，無論是在生物學、生理學、心理學、數學、物理學、電子學、信息科學，還是天文學、氣象學、經濟學、管理學，甚至在音樂、藝術等領域，混沌都得到了廣泛的應用。

據統計，混沌理論在安全領域已有一定的發展，目前較多的應用于安全系統中事故的演化分析方面。比如：邵輝研究了混沌理論在事故分析及預測中的應用，指出了事故對初始條件的敏感依賴性和事故的長期不可預測性［3］；施式亮研究了瓦斯爆炸事故的混沌特性及混沌控制，初步建立了瓦斯爆炸事故混沌分析模型［4］；鐘貿華以礦井火災為例提出了事故過程的確定性混沌分析方法［5］；楊冕將混沌科學中的現代化知識運用到安全科學的理論和實踐中，率先提出了安全混沌學的定義。

2 混沌理論對特種設備安全管理的啟示

混沌理論之所以在特種設備安全管理中得以應用，主要源于特種設備安全管理具有混沌理論的如下特性：

1）隨機性：特種設備安全管理體系處于混沌狀態是由體系內部隨機性產生的不規則性行為，即內隨機性。例如，在固定時點，企業范圍內所有特種設備及相關行為視為統一的系統，即使設備狀態、工作環境都是確定的，而系統在混沌區的行為仍表現為隨機性。

2）敏感性：這里將特種設備管理組織的行為、作業人員的行為等因素設定為混沌系統中的初值。特種設備安全管理系統的混沌運動在時間演化和空間分布上，均具有對初值的極度敏感性。這種敏感性，將導致系統長期時間行為的不可預測性。

3）普適性與統計特性：當系統趨于混沌時，安全事故的發生表現出一定的統計特征，總有一些普適的常數，如海因里希的1:29:300，事故規模大于X的安全事故與其數目Y之間滿足如下關系式：lgY=a-bX，這些普適性與統計性類似于混沌系統中的Feigenbeam常數和Lyapunov指數［6］。

4）標度律：混沌現象是一種無周期性的有序態，具有無窮層次的自相似結構，存在無標度區域。只要對系統中各變量數值的影響參數掌握足夠全，總可以在一定尺度的安全系統混沌域內預測到事故發生的相關信息。所以具有標度律性質。

基于以上比對，特種設備安全管理有等同于混沌系統的運行時序和規律，從而使該理論在特種設備安全評價、企業內部安全管理、特種設備監督管理部門的安全監管方面得以運用。

2.1 在特種設備安全評價方面

安全分析評價最早起源于上世紀30年代美國保險業所開展的安全評價活動。可以分為定性風險評價和定量風險評價。定性風險評價就是對評價對象的風險狀況做定性的分析，如是否達標，是否符合等，目前在特種設備安全管理中普遍應用。定量風險評價就是對評價對象的風險狀況做定量的計算，常用的方法主要有數理統計評價法、模糊綜合評價法［7］、灰色評價模型評價法、利用神經網絡進行風險分析［8］等。以上評價方法都基于數學模型的建立，力求實現定量風險評價，已普遍在國外安全評價機構中應用。由于特種設備安全涉及設備管理、設備操作、設備固有屬性、材料介質、使用環境等多種因素的影響，簡單的定性分析無法滿足安全評價的要求，但是由于存在復雜的不確定性、內在隨機性和外在偶然性，同樣給如何運用定量風險評價帶來難題。因此，應建立基于風險分析和量化評價的特種設備安全評估體系和反饋改進機制。以特種設備制造、安裝、使用、管理、監管全流程為研究系統，以每一流程的參數和安全評價結果和偶發因素為初始輸入，從而對系統進行調整，加強薄弱環節，消除潛在隱患，以達到系統安全最優化。

2.2 在特種設備安全監督管理方面

混沌理論促使監管部門和人員正確認識事故致因。特種設備事故發生的普遍性、無序性和不可預測性給特種設備安全管理帶來了極大的困難和困擾，管理人員大多認為事故的產生的根本原因在于工人偶然的不當操作或不當的使用環境，與監管失職和不到位關系較小，認為即使通過全面的監管也難以避免事故的發生。而基于混沌理論，系統的一個重要特征就是對初始條件的敏感依賴性。初始條件的細微差別在受到系統不斷放大或縮小的非線性作用后，最終導致完全不同的結果［9］。因此，復雜的、嚴重的事故結果并不一定都需要復雜的原因。簡單的前提同樣可能造成復雜的結果。“蝴蝶效應”實質上就是混沌系統內在隨機性作用的結果。即，一次安全監管的微小不到位、一個細小的疏漏、事故隱患整改不及時不徹底，也能決定系統的最終發展結果，導致惡性事故的發生。因此，在具體的特種設備安全監督管理工作中，要引進先進的監管理念，樹立正確的事故致因論，克服懈怠逃避思想；要建立PDCA循環改進監管流程和閉環反饋監管方式，變被動監管為主動監管，從而產生低隱患、低風險的結果。

混沌理論能促進建立風險預警型的監管模式。混沌理論作為新興的科學方法論，能夠提供給監管人員對管理理論和管理實踐更多的觀察問題和思考問題的角度，從而采取更有效的措施［10］。因此，在特種設備安全管理系統中，安全檢查頻率、安全檢查效能、安全管理方式都是系統的初始條件，可以基于物聯網技術［11］研究建立超前、實時、動態危機預警指標體系，隨時檢測監管過程出現的偶然狀況，并探索與工廠在用的自動化生產控制系統相銜接，采集壓力、溫度等相關數據作為系統的初始輸入。根據指標指示狀況判斷系統狀態，從而在安全事故發生前采取相應的干預措施，避免安全危機的出現。比如，目前我國大部分石油煉化企業的生產設備采用以微處理器為核心的DCS（Distributed Control System，集散控制系統）［12］，可實時采集壓力容器中壓力、溫度、流量等數據，實現對特種設備的動態監管。

2.3 在企業特種設備安全管理方面

特種設備安全管理的主體責任是企業。任何一次細微的管理疏忽都可能導致事故的發生。企業安全管理的基本任務是力求以最小的成本保障最大的安全和最佳的經營效能。

目前，基于對安全系統基本特征與運行機制的認識，已經產生了以“安全熵理論”、“安全流變-突變理論”、“安全混沌學”等為代表的一批新的安全科學理論［13］。

通過對“安全混沌學”的研究，在特種設備安全管理過程中可以得到如下理論和借鑒：

1）特種設備安全管理系統是以耗散結構形式存在，具備混沌屬性的復雜系統，其內部存在人員、設備、管理各要素中的擾動與漲落，在正熵流和負熵流的作用下，系統狀態變量不斷運動，若其中有害的微小擾動被放大，則可導致安全系統局部失穩，產生事故；

2）運用安全混沌學思想，可以重新塑造員工對特種設備安全管理的認識，在安全系統中，由于特種設備安全事故的發生具有內在隨機性，唯有依靠不斷的安全管理才能監測調節系統的控制參數，將系統的運行穩定在預期的軌道上，實現安全系統的混沌控制；

3）運用安全混沌學思想，可以通過尖點突變評價理論、模糊評價理論以及安全灰色預測理論等新的安全評價方法和事故預測手段，為特種設備安全系統的分級、綜合評價和事故預測提供科學的理論依據。

因此，在實際應用中，可以借助企業在用的DCS系統，建立特種設備安全動態監測系統。對特種設備安全管理系統中設備狀況、人員技術水平、環境變化等適時監測，減少有害因素的發生，如通過人員培訓減少人的不安全行為，通過定期檢驗、自行檢驗消除物的不安全狀態；并借助MATLAB軟件建立以耗散結構為基礎的系統模型，對變化的指標進行評價分析，隨時進行初始輸入的修正。又根據混沌理論，確定性的安全系統中，由于事故的發生具有內在隨機性，唯有依靠連續不斷的安全管理才能監控調解系統的控制參數，將系統的運行穩定在預期的軌道上。

3 結論

根據以上分析，可以得出以下結論：

1）樹立正確的事故致因觀。特種設備安全管理、監管人員應正確認識事故致因，任何一次事故的發生都不是偶然，一次安全監管的微小不到位、一個作業人員的培訓的缺失、一次事故隱患整改不及時不徹底，也能決定系統的最終發展結果，導致安全系統局部失穩，最終產生惡性事故；

2）特種設備安全管理需要嚴密的控制計劃和對及時的參數監測。特種設備監管部門和使用單位應建立PDCA循環管理流程，即Plan（計劃）、Do（執行）、Check（檢查）和Act（修正） ，以閉環反饋的監管方式，修正、消除容易引起事故發生的微小撓動，從而大幅降低事故概率；

3）應探索建立與企業在用的自動化生產控制系統（如DCS等）相銜接的風險預警系統，依靠自動監測和人工監測的方式實時采集特種設備相關參數和風險因素的變換指標，依據風險混沌評價，對實時指標進行預測評價。當評價結果出現風險時，啟動預警程序，排除風險隱患，實現對特種設備的動態監管。

參考文獻

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Enlightenment of Chaos Theory on Special Equipment Safety Management

Li Zhihai
（Dongying Quality and Technical Supervision Dongying 257000）

AbstractFrequently occurred accidents have brought great challenges to the monitoring unit and regulators，and product mistakes that accident is impossible to avoid to the regulators. This article references chaos theory in modern management， analyzes the special equipment safety management ideas and management models， provides new point of view to regulators for observation and thinking problems， which can help to take more effective measures to make special equipment management behavior in the scientific and orderly state.

KeywordsChaos theory Special equipment Safety management

作者簡介：李志海（1985～），男，碩士，科員，從事特種設備安全監察、行政執法工作。

收稿日期：（2015-09-28）

中圖分類號：X922

文獻標識碼：B

文章編號：1673-257X（2016）06-0053-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.013