工程安全性的認知與保障需要復雜性思維

摘要：工程是根據自然界的規律和人類的需求規律創造一個自然界原本并不存在的人工事物，它包含了自然、社會、人、科學、技術等諸多因素，是一個開放的復雜系統。安全性是指不導致人員傷亡，危害健康及環境，不給設備或財產造成破壞或損失的能力。工程安全性貫穿在工程理念、立項決策、規劃設計、生產制造、施工操作、評價檢驗、管理運行等各環節的全過程之中，是衡量工程質量優劣的核心指標，也是一個涉及多種不確定性因素的復雜概念。這需要我們運用不確定性思維、動態思維、協同思維與整體思維等復雜性思維方式來認知與保障工程安全性，以防范與消減工程安全事故的發生。

關鍵詞：工程；安全性；不確定性思維；動態思維；協同思維；整體思維

中圖分類號：N949

文獻標識碼：A DOI：10.3963/j.issn.1671-6477.2018.02.0006

隨著科學技術和經濟社會的快速發展，各種工程建設在給人類造福的同時，安全事故（如建筑物倒塌、列車追尾與碰撞、航空航天災難、核電站核泄漏等）也給人類帶來災禍。怎樣認知與保障工程安全性是當今工程界、各國政府與人民最為關注的話題之一，也是我國現代化建設過程中始終需要重視的問題之一。工程是根據自然界的規律和人類的需求規律創造一個自然界原本并不存在的人工事物，它包含了自然、社會、人、科學、技術等諸多因素，是一個開放的復雜系統[1]95。按照國家標準（GJB1045—92）規定，安全性（safety）是指不導致人員傷亡，危害健康及環境，不給設備或財產造成破壞或損失的能力[2]。工程安全性貫穿在工程理念、立項決策、規劃設計、生產制造、施工操作、管理運行、評價檢驗等各環節的全過程之中，是標志工程優劣最重要、最核心的質量指標，也是一個涉及多種不確定性因素的復雜概念。復雜性思維是伴隨復雜性科學興起而與簡單性思維相對的思維方式，注重思考復雜系統所具有的不確定性、動態性、協同性與整體性等特質，這對指導人們認知與保障工程安全性具有重要的方法論意義。因此，認知與保障工程安全性需要運用與建構不確定性思維、動態思維、協同思維與整體思維等復雜性思維方式，以防范與消減工程安全事故的發生。

一、認知與保障工程安全性需要不確定性思維

不確定性是復雜系統的基本特征之一。工程是人創造的復雜系統，有創造就會有風險。風險與安全是此消彼長的兩個方面，工程的風險是指在工程建設和運行過程中所產生的人和財產的損失及其這種損失存在的可能性[1]98。不確定性思維要求人們懂得安全與風險通常是并存的，安全性高說明風險性低，一個工程的安全概率是99%，那么它的風險概率就是1%，沒有100%絕對安全的工程，特別是建設從未有過的特大工程，由于工程建設與管理過程中的技術、人和環境等客觀和主觀上的不確定性導致工程存在著一定的風險。認知工程安全性需要運用與構建不確定性思維方式，其關鍵在于認知與把握以下四種不確定性：一是隨機不確定性。這主要表現為工程系統在未來時間內運行狀況、承受的載荷、環境的變化、其中設備的性能等方面的不確定性。這是由于條件不充分、系統內外環境的隨機變化，使得條件與事件之間不能出現必然的因果關系，導致工程系統的性能、安全性與可靠性均處于不確定的狀態之中。如高速鐵路動車組工程、地鐵列車工程、航空航天工程中的機車與飛行器在運行中承受的載荷、應力、性能、狀態，以及內外環境等均是隨機變化的。又如，目前科技水平尚無法準確預測地震、海嘯以及偶發的惡劣天氣等自然災害對工程安全的影響，加上人為（有意或無意）造成的工程事故等，均呈現隨機不確定性。二是模糊不確定性。工程活動中涉及科技、人文、思維等領域中深淺程度不同的模糊不確定性。如人們在評定工程的質量和狀態時有時用“好”、“差”、“正常”、“不正常”、“穩定”、“不穩定”、“安全”、“不安全”和“可靠”、“不可靠”等表達，呈現出主觀判斷的差異、語言表達的模糊不確定性與事物外延的不確定性，即事物與現象從差異的一方到另一方存在著中間連續過渡的過程，呈現出“亦此亦彼”的模糊狀態。這就是說，在科學技術與工程評估中有些復雜性事物的界限是不清楚的，難以精確化表示，不能作出“非此即彼”的斷言。美國控制論專家L. A. Zadeh 教授于1965 年發表一篇《模糊子集》的著名論文，提出了一條互克性原理：“當系統的復雜性增加時，我們使它精確化的能力將減少，直至達到一個閾值，一旦超過它，復雜性和精確性將互相排斥”。這就是說復雜性越高，有意義的精確化能力便越低，事物的模糊性與復雜性緊密相聯，模糊性來源于復雜性[3]。三是混沌不確定性。主要是指確定性系統中的一種內在隨機性。混沌理論研究表明，只要確定性系統中有非線性因素作用，系統會在一定參數范圍內產生一種內在隨機性。在工程系統中表現為對初始條件、參數和環境的微小擾動具有高度的敏感性，某些微不足道的漲落可能導致突變行為，即所謂發生“差之毫厘、失之千里”的“蝴蝶效應”[4]。如2012年2月22日阿根廷列車脫軌造成至少49人死亡，逾600人受傷。據阿根廷官方宣布事故的主要原因是列車運營商忽視列車剎車系統存在安全隱患，不重視這個系統內的小故障（它對列車安全極為敏感）而造成嚴重的慘劇。四是信息未確知性。一種是指客觀條件的限制而造成的信息不完善，致使工程決策者在決策時尚無法確知的信息，如設計計算上的困難、測量上的困難、不能獲得工程運行中多種要素變化的精確資料，如工程設備中機械零件的疲勞與磨損、電子元件的“老化”，這是一種由客觀信息的不完善性所導致的不確定性。另一種是人們主觀知識的不完善性，這是由于工程的決策者、設計者、施工者、管理者所掌握的證據不充分及主觀知識的有限性，不足以確定工程的真實狀況和數量關系，而帶來的主觀認識不清晰的不確定性[5]。目前，對上述四種不確定性的處理是將有關專家和人類已有造物的經驗與概率論、數理統計、大數據分析、模糊決策、混沌控制以及科技、工程等有關理論知識、方法、手段綜合起來加以認知、研究與評估。從方法論的角度看，就是要運用與建構不確定性思維方式與理論來深入認知、分析工程安全性，對上述工程中存在的客觀與主觀的許多不確定因素帶來的風險、隱患與安全性、可靠性的矛盾，工程決策者、設計者、管理者等工程相關人員必須保持清醒與辯證的認識。一方面盡量預知工程系統各個環節可能出現和存在的安全隱患，推測可能出現的各種故障，分析和預測其發生的可能性大小，提出處理安全隱患與降低風險的措施，建設與健全故障監測系統，強化安全防護設施，盡可能把各種不確定因素轉化為可控因素，并廣泛宣傳安全知識，提高工程中各類人員的安全意識，進行精細化管理，努力將工程的安全性控制在“萬無一失”和更高的成功概率之內；另一方面使社會和人們對工程安全性有一個客觀、理性的認識，正視工程“風險與造福”的兩重性，按照科學規律與方法來防范工程風險，增強工程安全意識，提高抗風險的心理承受能力。

二、認知與保障工程安全性需要動態思維

認知與保障工程安全性需要動態思維，這是因為工程系統的性能、安全性、可靠性都不是一個靜態的質量概念，而是隨著工程運行時間的變化而變化的動態概念。通常工程完工時或其中的設備出廠時所測得的各種質量指標，只是一個相對的“靜態質量”的概念。隨著工程運行時間的推移（變化），其承受的載荷、內外環境均是隨機變化的、各種偶然因素的襲擊與干擾是難以預測的，其中各種設備的性能、安全性、可靠性處于變化的或下降的趨勢。因此，對工程和其中設備的性能、安全性、可靠性等質量指標的要求，是以設計要求的壽命周期內能夠完成工程或其中設備規定功能的能力加以衡量的，這是一個“動態質量”或“時間質量”的概念。質量只有與時間因素相聯，保證工程和其中的設備在規定時間內完成規定功能才有實際意義。譬如工程設備中的電子產品的壽命分布，基本上與人的壽命分布相似。圖1示出了工程設備中電子產品的失效率曲線（或壽命分布曲線），它反映了產品的失效率與運行時間之間關系的一般規律。因為曲線很像浴盆，所以又叫浴盆（bathtub）曲線[6]。

區間Ⅰ，相當于兒童期，稱為早期失效期，一般為產品試車跑合階段。這一階段失效率高的原因主要是由于材料缺陷、制造工藝缺陷、裝配或檢驗差錯等引起。因此，為了提高產品安全性、可靠性，產品在出廠前應進行嚴格的調試、檢驗，查找失效原因，并采取各種措施發現隱患，糾正缺陷，使失效率下降，成為合格產品，并進入穩定狀態。 區間Ⅱ，相當于人的成年期。這個時期稱為產品正常運行期。在此期間內如果發生失效，一般都是由于偶然的原因引起的，例如個別產品由于使用過程中工作條件發生不可預測的突然變化而引起失效。對此應通過提高產品設計與制造質量，提高設備使用管理水平，加強監視診斷和維護保養等措施，可使產品的失效率降低到最低水平，而且保持穩定（近似為常數），使產品壽命得以延長，這個時期是產品最佳狀態時期。區間Ⅲ，相當于人的老年期，在這期間穩定了的失效率逐漸上升。在產品長期使用后，由于疲勞、磨損、老化等原因使失效率隨時間推移而上升。這個期間叫做耗損失效期。改進耗損的辦法是提高產品質量，對整機制定一套預防維修和更新產品的措施，即達到耗損期前就及時維修或更換某些老化的易損件，使上升的失效率降下來，以延長產品整機使用壽命。在工程設備中電子產品的全壽命周期內，產品的失效率越大，安全性越低；失效率越小，安全性越高。因此，要特別重視對產品進行失效、故障分析，定期檢測，采取降低失效率，保證安全性的各種預防措施。要特別警惕偶然事件所引發的產品隨機失效，要居安思危，未雨綢繆，制定各種防止突發事件，保障工程安全運行的應對預案。又如土建工程結構的設計與施工規范，既要考慮各種荷載作用下的結構強度要求，又要考慮各種環境因素作用（如干濕、凍融等大氣侵蝕以及工程周圍水、土中有害化學介質侵蝕）下的壽命與耐久性要求，以防止坍塌之類事故的發生。總之，在工程建設與管理運行的全過程中，需要以動態思維將工程的安全性與運行時間聯系起來考慮。既要從規劃設計、材料選擇、生產制造、運輸、保管、施工工藝等環節上保證和提高工程與產品的質量，而且要通過有計劃、有針對性的適時檢測、維護、維修與保養以及正確的操作與使用等措施，減低失效率、提高耐久性，控制與保證工程及其設備在全壽命周期內的質量、安全性與可靠性。

三、認知與保障工程安全性需要協同思維

德國物理學家赫爾曼·哈肯（H. Haken）從整體性角度研究系統，強調協同是多個子系統之間相互協調、相互合作的或同步的聯合作用，達到“整體大于部分之和”的相干協同效應，使系統自發地從無序（或低級有序）走向有序（或高級有序）的宏觀結構[7]。這啟發人們要在協同思維的指導下，協調好工程系統中多個要素（或子系統）之間的關系（如圖2所示），以達到“1+1>2”的非線性協同效應，從整體上保障與提升工程系統的有序性與安全性。

（一）物與物之間的協調

工程是創造和建構新的社會存在物的人類實踐活動，也是工程建設者將工程中各種物件集成的活動過程。工程系統中物件與物件之間的有機組合、匹配與協調是實現工程的功能和安全運行的基礎。因此，參與工程建設全過程的每一個人應明確自己對工程的質量、安全性與可靠性的責任，運用現代科學知識與方法，在科學論證的前提下，對工程內各種設備（硬件與軟件），以及設備內的各種構件、機械零件、電氣元件等精心設計、制造、裝配、施工、操作與管理，使其彼此協調、有機組合，一環扣一環，確保每一個環節的質量標準，使工程安全可靠地運行，實現預期的功能。如通信、信號系統是實現高速動車自動控制和應急處理故障、事故的關鍵，這就要求設計制造與裝配人員運用先進的技術手段和方法，使通信與信號系統各個單元之間彼此相互關聯、互動反饋、協調工作，以保證高速動車安全、可靠、快速、正常運行。

（二）人與物之間的協調

主要指工程系統內人與機之間，以及工程與其所服務的人群之間的匹配與協調。以道路交通工程系統為例，它是一個人、車、路、環境四大要素相互聯系、相互制約、相互依賴的開放復雜系統。路是靜態的，而人、車、環境是動態的，在交通高峰時，控制參數的微小變化就可能導致交通堵塞等突變現象；天氣環境的突然惡化，也會對道路交通系統的運行和安全產生影響。如何面對和處置各種隨機變化的情況，這就要從道路交通工程系統的特點出發，從立項、規劃設計、施工到管理運行全面考慮道路承載能力、人流、車流與路況的協調，以適應人、車與環境的動態變化，確保各種狀態下的安全。從工程系統內人機互動、互控（或協調）層面上看，一方面，需要通過科學的設計，研制人機友好的界面和有效的、宜人的信息交換、反饋系統，使人對物的駕馭與控制符合人的體力、感覺、心理等方面的承受，以降低人為故障與誤操作。另一方面，開發應用新的技術裝備，使設備對人的行為加以約束，如采用道岔微機連鎖裝置，防止人為錯誤處理列車進路，避免列車沖撞；采用機車運行監控裝置保證在司機精神不振的情況下，列車不闖紅燈、不超速。

（三）人與人之間的協調

按照協同學的觀點，子系統或要素之間的協同效應，源于對系統整體性和目的性的追求。這就啟示人們：第一，協調好工程活動中所有利益相關者（工程師、工人、投資者、決策者、管理者以及工程環境中的居民等）之間的關系。這要求工程活動中所有利益相關者務必充分認識到他們的利益被工程項目制約在一起，工程的正常安全運行是他們的整體利益，也是最大的利益。只有大家各盡所能、各司其職、協調配合，實現了工程安全運行的整體利益目標，他們各自的局部利益才能得到保障。第二，加強職業和工程倫理教育培訓，學習工程系統安全性知識（包括國家安全性標準及安全規范）與工程師的道德規范，使全體參與工程建設和管理的人員能夠自覺地認識到質量、安全性與可靠性是工程的生命線，為確保工程的安全性和實現共同的建設目標，彼此應協同一致，并充分發揮各自的主觀能動性與創造性。第三，應認識到人與人之間的協同需要一定的條件，自律（自覺）與他律需要配合。參與工程建設與管理的人的思想觀念、精神狀態、生活方式、工作技能、文化素質、心理素質等各不相同，必須在工程安全文化的導引下，通過人與人之間對話交流、溝通協商、相互幫助、互惠互利等方式，以及共同制定的“公約”、“條例”、“法規”、“道德規范”等制度規則加以約束與協調，以達到維護工程整體利益與保障安全性的目的。

（四）工程系統與環境的協調

這里環境是指工程系統外部的自然與社會環境，從工程系統與環境的關系看，工程的決策者、設計者、建造者、操作者、運營者與管理者都要貫徹這樣一種安全理念：任何工程的建設和運行決不能以危害與犧牲環境為代價，對社會發展與生態環境造成破壞與污染。工程活動必須建立在符合客觀規律（包括自然規律和社會規律）的基礎上，遵循資源節約、環境友好及社會和諧的要求，遵守社會道德與環境倫理，嚴格執行政府制定的環保法規和條例，堅持科學發展觀，促進人與自然、社會的和諧發展。

四、認知與保障工程安全性需要整體思維

一般系統論創立者貝塔朗菲認為：“我們被迫在一切知識領域中運用整體或系統概念來處理復雜性問題。這意味著科學思維基本方向的轉變。”[8]工程既是一個多子系統（或要素）組成的復雜系統，又是一個多環節的復雜系統。工程安全性是一個系統整體安全性的概念，在工程的理念、規劃、決策、設計、制造、施工、操作、監理、維護、保養、運行、管理等一系列環節與過程中都要考慮安全性問題。一些工程事故往往是由多種因素綜合造成的，有天氣、災害等客觀原因，也有人為的原因，有時各種客觀原因只是一個誘發因素，主要原因還是人為造成的，如決策失誤、設計缺陷、野蠻施工、違規操作、管理失職、貪污腐敗、身心不健康、恐怖活動等。各種原因有時相互關聯，發生連鎖效應。對此，工程的決策者、設計者、建設者、管理者、操作者等都應引以為戒，嚴格遵守各項安全標準與質量管理規范，以及國家有關的法律、法規，并定期對特大型工程（如航空航天工程、高速列車工程、核電工程等）人員進行身體與心理的檢查與考核，保持對人民的生命、財產高度負責的精神，切實加強工作責任心，認真貫徹全面質量觀與整體安全觀，建構嚴密、完整、健全的質量管理系統、安全監控系統、偶然突發事件的預警與應急處置系統等，確保工程的安全性與可靠性。這主要體現在以下三個層面。

（一）理念層面：將工程安全理念貫穿于工程活動的全過程

工程安全理念是工程共同體關于怎樣保證工程安全可靠運行與使用的一種理性認識，是保證工程安全運行與使用的思想觀念。工程人必須樹立“以人為本”，“人的生命高于一切，責任重于泰山”、“人與自然、社會和諧”的工程安全理念。一切工程都是為人而興建的，越是重大的工程，越要通盤考慮，看看是否能夠保證造福于人民；是否能夠保證人民的生命財產安全；是否能夠保證造福于子孫后代；是否能夠保證自然與生態環境不被破壞；是否能夠保證促進經濟社會協調發展與國家長治久安。工程安全理念是保證工程安全運行與使用的靈魂，滲透在工程活動的各個階段、各個環節，貫穿于工程活動的全過程。可以說，工程安全理念從根本上決定著工程的優劣和成敗。在工程實施過程中，工程安全理念要以建設標準、管理制度、施工程序、操作手則、勞動紀律、生產條例、安全措施等作為存在方式的載體，并通過工程共同體內部不同群體的行為表現出來。為此，工程的投資者、決策者、領導者和全體參與工程建設的人員都必須樹立科學的、先進的工程安全理念，要有強烈的責任意識和對人民群眾高度負責的精神，堅決杜絕各類“豆腐渣工程”、“擾民工程”、“環境不友好工程”等，按科學規律辦事，把各項安全責任制落到實處。

（二）技術層面：應用全方位的安全性設計技術

為確保工程的安全性，特別是確保特大型工程的安全性，首先應對工程系統進行安全性設計技術分析，如故障樹分析（Fault Tree Analysis）、故障模式影響及危害度分析（Failure Model Effect and Criticality Analysis）、人員可靠性分析（Human Reliability Analysis）等[9]，對工程系統可能存在的各種故障、風險及其對工程安全可靠與功能的影響和危害度進行全方位的定性定量分析。針對各種具體工程需要，應采取相應的防故障與風險，以及保障安全的各種現代設計技術，如安全性設計、可靠性設計、動態分析與設計、防斷裂設計、減摩耐磨設計、防腐蝕設計、耐環境設計、健壯設計、維修保障設計等[10]，并將這些現代設計技術分別應用到有關工程活動的各環節之中，以保證工程的安全運行。

（三）管理層面：認真貫徹落實全面質量管理

第一，認真貫徹落實全方位的質量管理。不僅要對工程質量進行管理，也要對工程人員的工作質量進行管理；不僅要對工程系統硬件進行質量檢驗與評價，也要對軟件進行質量檢驗與評價；不僅要對工程的性能進行管理，也要對其安全性、可靠性、適應性、經濟性、時間性、維護性進行管理；不僅要對物進行管理，也要對人進行管理等。

第二，認真貫徹落實全過程的質量管理。就是要對工程的方案制定過程、設計過程、設備制造過程、裝配過程、運輸過程、施工過程、驗收過程、維護過程、保養過程、使用過程等進行全過程質量管理。將工程管理活動有機地整合起來，環環相扣，對每一環節的質量問題進行檢驗、診斷、處理、控制，嚴格執行各項技術標準與質量標準（規范、規程、條例等），不能有絲毫疏漏，以確保工程的安全性與可靠性。

第三，認真貫徹落實全員的質量管理。工程的質量、安全性、可靠性都與人的技能、責任心、道德與法律意識、身體、精神、心理狀態等密切相關。因此，要注重工程系統中全體人員的工程倫理與工程法規教育、安全教育與技能培訓，依法依規從事工程活動，嚴格遵守安全生產、質量管理的各項規范與程序，并根據工種對人員素質要求的不同，定期對相關人員進行體格檢查和心理健康檢測與輔導，把全體人員的積極性、主動性、創造性與責任感引導到保證工程質量與安全性的目標上來，把工程質量與安全目標落實到每一個崗位、每一道工序、每一環節，做到人人都有質量安全責任和要求。以確保一個科學、嚴謹、完整的質量標準體系與安全規范得以落實。

認知與保障工程的安全性是參與工程活動的決策者、投資者、設計者、建設者、管理者與操作者等全體人員的重要職責，是遵循科學發展觀，確保經濟社會發展提質增效、穩中求進，主動適應經濟發展新常態的必然要求，也是全面建成小康社會和廣大人民群眾追求平安、幸福生活的呼喚。當前，隨著科學技術的迅速發展，工程活動無論在規模上，還是在復雜程度上，都不斷地達到新的高度，因此，需要運用與構建復雜性思維方式來認知與保障工程安全性，對工程安全性從整體上進行系統的、動態的分析與把握，為防范和消減工程安全事故提供一種有益的思路與啟示。

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（責任編輯 王婷婷）