煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論及動(dòng)態(tài)安全熵模型

吳大明

（應(yīng)急管理部 信息研究院，北京 100029）

從煤礦安全生產(chǎn)來(lái)看，在傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的指導(dǎo)應(yīng)用下，世界各國(guó)煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)有了明顯的好轉(zhuǎn)。例如，美國(guó)煤礦生產(chǎn)安全事故死亡人數(shù)從1907年高峰期的3 242人下降到2016年的9人[1-2]。但是，煤礦事故仍時(shí)有起伏，盡管社會(huì)對(duì)煤礦安全生產(chǎn)投入逐步增加，如安全重視程度加強(qiáng)、科研投入增多、新技術(shù)設(shè)備應(yīng)用普及加快和安全培訓(xùn)教育深入等，但是各產(chǎn)煤國(guó)家煤礦事故死亡人數(shù)很難實(shí)現(xiàn)“零”突破[3-5]。這些表明，傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的指導(dǎo)應(yīng)用效果已經(jīng)出現(xiàn)了“邊際效應(yīng)”。因此，亟需通過(guò)安全生產(chǎn)理論的創(chuàng)新，來(lái)為諸如計(jì)算機(jī)大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)發(fā)展水平的提升。從傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論辨析出發(fā)，通過(guò)歸納法和演繹法的辯證思維方式，提出了煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論，發(fā)展完善了安全生產(chǎn)理論體系。

1 傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論分類與問(wèn)題

1.1 傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的分類

1）簡(jiǎn)單線性序列事故理論。該類理論假設(shè)事故是一系列事件的最終結(jié)果，各個(gè)事件之間存在一定的線性關(guān)系。因此防止線性關(guān)系的產(chǎn)生演化就能預(yù)防事故的發(fā)生。代表理論為海因里希事故連鎖理論，它指出事故是互為因果的原因事件相繼發(fā)生的結(jié)果，中斷連鎖進(jìn)程可以避免事故發(fā)生[6]。

2）復(fù)雜線性事故理論。該類理論假設(shè)事故是由一系列不安全行為和潛在風(fēng)險(xiǎn)共同造成的結(jié)果。代表理論為詹姆斯·瑞森的“瑞士奶酪理論”，它將系統(tǒng)比喻成一摞瑞士奶酪，每一片奶酪代表系統(tǒng)的一道安全防線，奶酪上面的孔洞是系統(tǒng)潛在的隱患。通常情況下，事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)被每片奶酪的防線阻止，但當(dāng)每片奶酪的孔洞恰巧可以連成一條直線時(shí)，就有可能發(fā)生事故，例如機(jī)器設(shè)備故障、工人違規(guī)操作和防護(hù)設(shè)施失效同時(shí)發(fā)生引起的事故。

3）復(fù)雜非線性事故理論。該理論假設(shè)事故是由一系列相互作用的因素共同導(dǎo)致的，各個(gè)因素之間彼此存在相互關(guān)系，而不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。代表理論為霍爾納格的功能共振事故模型，它指出可以通過(guò)全面分析系統(tǒng)的功能性波動(dòng)和影響因素，進(jìn)而采取相應(yīng)措施來(lái)防范事故發(fā)生[7-9]。

1.2 傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論存在的問(wèn)題

1）傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論僅是對(duì)特殊事件（事故）的關(guān)注。傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論是以事故為出發(fā)點(diǎn)，其理論的提出是應(yīng)用從特殊（事故）到一般（全部事件，即生產(chǎn)活動(dòng)中相關(guān)所有事件的總和）的歸納法，即通過(guò)對(duì)事故發(fā)生的原因分析，找出防止全部事件中事故發(fā)生的對(duì)策措施。但是，由于事故僅占全部事件的一小部分，所以下次事故發(fā)生的真正致因因素很可能與以往類似事故的致因因素不一致。這是應(yīng)用歸納法總結(jié)規(guī)律特點(diǎn)時(shí)存在的本質(zhì)上缺陷，即對(duì)特殊事件總結(jié)的規(guī)律未必能適用全部事件的預(yù)防。

2）傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論無(wú)法充分利用事件全程的數(shù)據(jù)信息。生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的成功事件（未發(fā)生事故的事件）數(shù)據(jù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于事故數(shù)據(jù)，但是應(yīng)用傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論對(duì)成功事件進(jìn)行解釋時(shí)，只能夠從不具備事故發(fā)生的條件給予粗略的解釋，無(wú)法對(duì)成功事件作深入分析。另外，隨著近年安全生產(chǎn)韌性理論的深入研究，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能夠抵御部分事故致因因素帶來(lái)的不利影響，這也從另一方面表明事故的觸發(fā)條件是一個(gè)較大的范圍，而不僅僅是傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論指出的致因因素節(jié)點(diǎn)[10-11]。

2 煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論

通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的定性分析，以煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域?yàn)檠芯繉?duì)象，提出煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論。即煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)是以研究系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程變化信息為目的，應(yīng)用相關(guān)方法尋找系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其功能的動(dòng)態(tài)過(guò)程中維系自身穩(wěn)定（或系統(tǒng)變化在一定的可控范圍內(nèi)）的規(guī)律和特點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到系統(tǒng)安全。在這里，將“系統(tǒng)”定義為一般事物的獨(dú)立單元，是由1個(gè)或多個(gè)組分組成的有機(jī)整體，它可以是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的1個(gè)掘進(jìn)面、1臺(tái)機(jī)器或1名礦工；將“系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程”定義為系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)目標(biāo)期間所觸發(fā)的一切事件，這個(gè)事件可能是單一的事件或復(fù)雜的多個(gè)事件，如1名礦工彎腰拾起工具是單一的簡(jiǎn)單事件，或者是1個(gè)洗選車間在一段時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的一切事件；將“方法”定義為分析研究問(wèn)題的思路辦法，如相關(guān)模型的提出以及在此基礎(chǔ)上對(duì)問(wèn)題的解決；將“維系自身穩(wěn)定”定義為系統(tǒng)整體的狀態(tài)未發(fā)生明顯變化，或是在一定范圍內(nèi)的可控變化，如1臺(tái)機(jī)器的運(yùn)行參數(shù)未發(fā)生變化，或者是車間內(nèi)的物品發(fā)生移動(dòng)，但未對(duì)車間的正常運(yùn)行造成影響；將“規(guī)律和特點(diǎn)”定義為為了維持系統(tǒng)狀態(tài)不變，通過(guò)分析（如對(duì)以往目標(biāo)實(shí)現(xiàn)時(shí)系統(tǒng)未發(fā)生質(zhì)的變化的總結(jié)）找出使系統(tǒng)正常運(yùn)行的信息，如設(shè)備性能、礦工素質(zhì)或系統(tǒng)各組分的合理組成與配合等相關(guān)信息；將“安全”定義為系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)的各個(gè)組成未發(fā)生質(zhì)的變化，如生產(chǎn)完成后，機(jī)器未損壞，礦工未傷亡。

3 煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)與應(yīng)用前景

3.1 煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)

基于煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論，提出構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)一步來(lái)說(shuō)明煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論關(guān)注的內(nèi)容和范圍。為了便于研究，將系統(tǒng)劃分為人、物、環(huán)境和管理等4個(gè)模塊，煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，這樣就將系統(tǒng)的研究分解到每個(gè)模塊。對(duì)于每個(gè)模塊，按照煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論，要掌握其發(fā)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息，并且為了提高信息的利用率和判斷的準(zhǔn)確性，模塊的背景信息也要掌握。在應(yīng)用中，應(yīng)盡可能的收集同一系統(tǒng)成功案例大數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘等計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)維系模塊狀態(tài)正常發(fā)展的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，找出規(guī)律并制定措施。通過(guò)措施的實(shí)施，基于各模塊的系統(tǒng)也保持了整體的狀態(tài)正常，從而達(dá)到系統(tǒng)安全。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用前景

近年來(lái)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步為海量數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，特別是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，它可以在龐大的數(shù)據(jù)中找出有價(jià)值的信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行使用。從研究和應(yīng)用進(jìn)展來(lái)看，一方面，數(shù)據(jù)挖掘模型算法不斷得到創(chuàng)新完善，應(yīng)用也逐步趨于成熟；另一方面，數(shù)據(jù)挖掘軟件的迭代升級(jí)也為模型算法的應(yīng)用提供了更廣闊的平臺(tái)，例如，Jonas的研究對(duì)形式概念分析挖掘模型搭建和應(yīng)用做了系統(tǒng)的分析[12]。因此，從理論上來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)能夠滿足煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)所需大數(shù)據(jù)支撐的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該理論的實(shí)踐應(yīng)用。

4 煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論與傳統(tǒng)理論對(duì)比分析

1）研究思路不同。煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論的研究思路是從一般之中找出普遍規(guī)律的演繹法，傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的思路是從特殊之中找出事故規(guī)律的歸納法，基本思路的不同決定著兩者分析問(wèn)題的角度和解決問(wèn)題的方式也不同。

2）研究?jī)?nèi)容不同。煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論是基于煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容主要為煤礦生產(chǎn)活動(dòng)中各類事件發(fā)展過(guò)程狀態(tài)不變的規(guī)律和特點(diǎn)，注重的是事件發(fā)展的動(dòng)態(tài)全過(guò)程，如通過(guò)收集系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的信息數(shù)據(jù)，將其與成功事件對(duì)應(yīng)運(yùn)行過(guò)程的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷系統(tǒng)發(fā)展是否保持在正常范圍內(nèi)；傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論關(guān)注各個(gè)領(lǐng)域，研究?jī)?nèi)容主要是導(dǎo)致事故發(fā)生的原因和影響因素，注重的是系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中引發(fā)事故的節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)附近的規(guī)律和特點(diǎn)，主要收集系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)隱患數(shù)據(jù)并與事故條件對(duì)比，判斷事故發(fā)生的可能性。

3）應(yīng)用方式不同。煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論的應(yīng)用是找出保持煤礦生產(chǎn)過(guò)程中系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顟B(tài)不變的規(guī)律，提出保持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的措施和辦法；傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的應(yīng)用是找出事件轉(zhuǎn)化成事故的致因因素，并從事故特性中總結(jié)出防范事故發(fā)生的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和研發(fā)相關(guān)防護(hù)設(shè)備。

5 基于煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論的動(dòng)態(tài)安全熵模型

5.1 基于熵的安全生產(chǎn)理論辨析

物理熱力學(xué)第二定律指出，孤立系統(tǒng)的熵值會(huì)不斷增加，直到達(dá)到平衡狀態(tài)[13-14]。應(yīng)用該理論對(duì)系統(tǒng)分析可以發(fā)現(xiàn)，一個(gè)不受外界干擾的系統(tǒng)熵值是不斷增加的，即無(wú)序性逐漸達(dá)到最大化，這時(shí)系統(tǒng)就有可能發(fā)生事故了。因此，若想保證系統(tǒng)安全，應(yīng)從外界注入使其熵值不增加的最小能量，保持系統(tǒng)的無(wú)序性不發(fā)生變化，甚至在能量過(guò)多的情況下，使系統(tǒng)的無(wú)序性減小，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)系統(tǒng)安全。例如，安全生產(chǎn)工作中的加強(qiáng)安全管理、加大安全投入和強(qiáng)化安全生產(chǎn)培訓(xùn)教育，這些都可以理解為向系統(tǒng)輸入外界能量，進(jìn)而降低系統(tǒng)的熵值。但是，傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論中事故預(yù)防的對(duì)策措施更多的是一次性的能量注入，實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)熵值的階段性降低，如煤礦企業(yè)定期的安全生產(chǎn)教育培訓(xùn)，然而這種方式不能徹底改變系統(tǒng)時(shí)刻的無(wú)序性增加。所以，會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管礦工接受了安全培訓(xùn)教育，但仍會(huì)發(fā)生誤操作。而從煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)來(lái)看，只有對(duì)事件全過(guò)程的關(guān)注和干預(yù)才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)熵值的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全。

因此，提出基于煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論的動(dòng)態(tài)安全熵模型。通過(guò)模型的構(gòu)建，可以找到為了維持系統(tǒng)整體狀態(tài)穩(wěn)定，系統(tǒng)的哪些組成部分信息需要關(guān)注，進(jìn)而開展收集、分析、趨勢(shì)研判和干預(yù)等工作。對(duì)于簡(jiǎn)單的單一系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其安全的唯一辦法就是保證其熵值在時(shí)間尺度上不增加；而對(duì)于由若干組成部分組成的復(fù)雜系統(tǒng)，保持系統(tǒng)的熵值不增加，一個(gè)方式是保持系統(tǒng)的每個(gè)組成部分的熵值均不增加，另一個(gè)方式是一部分的熵值增加可被另一部分的熵值減少抵消。從這2種思路出發(fā)，可以形成2種動(dòng)態(tài)安全熵模型。

5.2 系統(tǒng)組成部分熵值均不增加模型

由人、物、環(huán)境和管理等4個(gè)部分組成的系統(tǒng)，為了使每個(gè)部分的熵值不增加，最有效的辦法是對(duì)每部分施加持續(xù)的外界能量。以系統(tǒng)中的人員為例，為了保持人員的正常操作和安全，從傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的角度來(lái)看，可以通過(guò)增加監(jiān)察人員的頻次來(lái)干預(yù)，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)監(jiān)察人員剛剛離開不久就發(fā)生了事故，并且監(jiān)察頻次的增加又需要更大的人力投入，最終給系統(tǒng)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)；而從煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論來(lái)看，其解決問(wèn)題的方法是通過(guò)收集系統(tǒng)組成部分發(fā)展過(guò)程中的信息，對(duì)信息進(jìn)行分析、對(duì)比和判斷，有針對(duì)性的加以干預(yù)并降低該組成部分的熵值，如可以通過(guò)儀器監(jiān)測(cè)人員身體狀態(tài)變化的信息，如果某時(shí)收到人員眼皮跳動(dòng)頻率發(fā)生變化的信號(hào)，通過(guò)與正常范圍數(shù)值的對(duì)比，判斷人員可能疲勞或精神溜號(hào)，并以提醒或強(qiáng)制休息等方式對(duì)其進(jìn)行干預(yù)，使其熵值快速下降。同理，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分都可以通過(guò)信息的不斷采集、對(duì)比和分析判斷，來(lái)采取措施保持各組分熵值不增加，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全。

5.3 系統(tǒng)組成部分熵值增減平衡模型

系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)的整體，其各組成部分之間處于相互作用的動(dòng)態(tài)過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體熵值不變，如果某組成部分的熵值增加，那么其它組成部分就應(yīng)減少對(duì)應(yīng)的熵值，這樣就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全。以煤礦提升作業(yè)為例，假設(shè)系統(tǒng)僅有操作司機(jī)和提升系統(tǒng)2個(gè)組分部分，為了實(shí)現(xiàn)整體熵值不發(fā)生變化，要么司機(jī)的熵值增加和提升系統(tǒng)的熵值減小相等，要么司機(jī)的熵值減小和提升系統(tǒng)的熵值增加相等。以第一種情況為例，從傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的角度來(lái)看，一種方法是對(duì)人機(jī)系統(tǒng)均增加外界干預(yù)，另一種方法是考慮到彈性安全理論，可以在人機(jī)系統(tǒng)的某個(gè)方面?zhèn)戎氐脑黾油饨绺深A(yù)，但是這2種方法的應(yīng)用均會(huì)隨著要求的提高而投入增大。而從煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論來(lái)看，隨著工作時(shí)間的增加，司機(jī)的熵值會(huì)逐漸增大，在此過(guò)程中，可以收集司機(jī)狀態(tài)的變化，將其反饋給提升系統(tǒng)，提升系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)的智能化自適性學(xué)習(xí)來(lái)提高其自身運(yùn)行的有序性，從而降低提升系統(tǒng)的熵值，甚至在極限情景下，提升系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化運(yùn)行[15]。

實(shí)際中，該模型應(yīng)用的難度在于無(wú)法準(zhǔn)確把握系統(tǒng)不同組分熵值增減變化的差值，因此在應(yīng)用時(shí)，一是盡可能的深入挖掘各組分的信息，對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的計(jì)算和分析，提高走勢(shì)研判準(zhǔn)確性；二是只有在某組分熵值減少較大而其它組分熵值增加較少的情況下才能夠認(rèn)為在一定程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)安全。

6 結(jié)語(yǔ)

基于演繹法提出了煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論，相對(duì)于傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論，該理論更側(cè)重于系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，即通過(guò)過(guò)程的干預(yù)來(lái)維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全。建立了煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用分析了煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用的可能性與前景。引入了熵理論對(duì)煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論論證，構(gòu)建了2種動(dòng)態(tài)安全熵模型，進(jìn)一步比較了傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論和煤礦安全生產(chǎn)成功學(xué)理論的差異，指出通過(guò)外界能量注入等手段來(lái)維持動(dòng)態(tài)系統(tǒng)熵值不增加或減少是實(shí)現(xiàn)安全的重要途徑。