郭力萌,金智新,王延生,2,趙 彬,鄧存寶,喬 玲
(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030024;2.晉能控股集團(tuán)有限公司,山西 大同 037000;3.太原市軌道交通發(fā)展有限公司,山西 太原 030002)
安全系統(tǒng)把安全本身作為系統(tǒng),是分析安全問(wèn)題的重要研究對(duì)象[1],通過(guò)全面研究安全系統(tǒng)內(nèi)、外部影響因素對(duì)安全事件發(fā)生發(fā)展及演化的影響,可為安全事件的主動(dòng)防控奠定基礎(chǔ)。
目前的研究多集中在安全系統(tǒng)內(nèi)部因素對(duì)安全事件的影響,如吳成偉[2]提出的物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)建筑物內(nèi)部消防設(shè)施;Zhang等[3]采用車(chē)輛安全報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)內(nèi)部環(huán)境以確保人員安全。在安全工作中常常由于較重視系統(tǒng)內(nèi)部變化,對(duì)系統(tǒng)外部影響因素考慮偏少,導(dǎo)致即使進(jìn)行了嚴(yán)密調(diào)控后仍存在較高的事故概率。近年來(lái),學(xué)者們開(kāi)始研究對(duì)安全事件演化具有擾動(dòng)影響的系統(tǒng)外部因素,如劉志宏[4]針對(duì)城市軌道交通信息系統(tǒng)內(nèi)外部的入侵建立信息安全綜合防護(hù)機(jī)制;Wang等[5]結(jié)合內(nèi)外部因素評(píng)價(jià)矩陣來(lái)分析公司的內(nèi)外部安全環(huán)境。雖然探討了系統(tǒng)外部影響,但依舊是以?xún)?nèi)部影響因素為主,連帶考慮外部影響,并未揭示外部影響因素對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的作用機(jī)制。隨著對(duì)安全問(wèn)題中外部因素?cái)_動(dòng)作用認(rèn)識(shí)的不斷加深,學(xué)者們逐漸開(kāi)始把外部影響因素作為分析安全問(wèn)題的重要對(duì)象,如Harolds[6]認(rèn)為改善外部環(huán)境可以減少衛(wèi)生診斷系統(tǒng)的錯(cuò)誤;劉韻[7]從高速鐵路的外部因素入手,研究重慶高鐵外部環(huán)境安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雖然以系統(tǒng)外部影響為研究主體,但依舊未能對(duì)外部影響因素的變化規(guī)律及擾動(dòng)機(jī)制有深入研究,而且缺乏對(duì)擾動(dòng)特性的系統(tǒng)性梳理,導(dǎo)致安全領(lǐng)域至今仍沒(méi)有能夠揭示系統(tǒng)外部擾動(dòng)對(duì)安全事件發(fā)生和演化影響共性規(guī)律的理論。因此,亟需揭示外部擾動(dòng)過(guò)程中安全事件的演化規(guī)律,建立事故主動(dòng)安全防控機(jī)制,從而為建立具有完整數(shù)學(xué)邏輯分析體系的系統(tǒng)外部擾動(dòng)安全防控理論奠定基礎(chǔ)。
金智新等[8]提出并構(gòu)建了安全結(jié)構(gòu)理論,為主動(dòng)安全防控奠定較為完備的理論基礎(chǔ),但關(guān)于系統(tǒng)外部擾動(dòng)作用并未深入研究。鑒于此,在安全結(jié)構(gòu)理論的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)外部入手,依據(jù)工程學(xué)擾動(dòng)概念及因素空間的數(shù)學(xué)表述,分析系統(tǒng)內(nèi)部受外部擾動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制及規(guī)律,提出外部擾動(dòng)調(diào)控思路。將系統(tǒng)的內(nèi)外部作用融合歸納,優(yōu)化調(diào)控方法,以期為主動(dòng)安全調(diào)控提供更完備的理論指導(dǎo)。
1974年,美國(guó)學(xué)者Desai提出擾動(dòng)狀態(tài)概念,為工程材料提供統(tǒng)一的本構(gòu)模擬方法[9]。主要思想是變形材料單元在外部荷載作用下,材料自調(diào)整導(dǎo)致內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化,引起觀測(cè)響應(yīng)的擾動(dòng),使初始時(shí)刻相對(duì)完整狀態(tài)轉(zhuǎn)化為完全調(diào)整狀態(tài)。
安全系統(tǒng)可以分為系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)外部,將擾動(dòng)狀態(tài)思想應(yīng)用于安全領(lǐng)域,認(rèn)為系統(tǒng)內(nèi)部在受到外部影響后發(fā)生變化,導(dǎo)致安全事件結(jié)果與預(yù)期發(fā)生偏差。將擾動(dòng)概念融入安全科學(xué)領(lǐng)域,明晰外部作用機(jī)制與內(nèi)部響應(yīng)規(guī)律,提出擾動(dòng)調(diào)控思路,以豐富擾動(dòng)作用下的安全調(diào)控理論內(nèi)涵。
安全結(jié)構(gòu)理論將安全定義為活動(dòng)與活動(dòng)環(huán)境作用形成的結(jié)構(gòu)形態(tài)。安全事件是安全系統(tǒng)內(nèi)活動(dòng)狀態(tài)變化引發(fā)環(huán)境狀態(tài)變化的結(jié)果,活動(dòng)狀態(tài)的改變是安全事件演化的內(nèi)在動(dòng)力。事故是活動(dòng)對(duì)環(huán)境的作用導(dǎo)致環(huán)境因素狀態(tài)偏離正常區(qū)域的結(jié)果,即安全事件朝著不被期望方向的演化結(jié)果[10]?;诎踩Y(jié)構(gòu)理論分析外部擾動(dòng)問(wèn)題,涉及如下基本概念:
1)因素與因素狀態(tài)[11]
因素是構(gòu)成事物的要素;因素的“取值”為因素的狀態(tài);導(dǎo)致事故發(fā)生的因素狀態(tài)集稱(chēng)為因素關(guān)于事故的因素屬性。如形狀是因素,形狀的取值方形、圓形等為因素狀態(tài)。
2)活動(dòng)因素與活動(dòng)環(huán)境因素
活動(dòng)是為實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)而進(jìn)行的行為動(dòng)作的總和,活動(dòng)形態(tài)可由活動(dòng)因素表征?;顒?dòng)環(huán)境因素指受活動(dòng)影響其因素狀態(tài)發(fā)生改變的環(huán)境因素。
3)安全事件演化鏈條
即活動(dòng)因素—活動(dòng)環(huán)境因素—演化結(jié)果。當(dāng)演化結(jié)果即活動(dòng)環(huán)境因素狀態(tài)處于安全區(qū)域時(shí),安全事件正常發(fā)展。
對(duì)安全問(wèn)題的研究,若未界定清晰的安全系統(tǒng)邊界,研究過(guò)程中易將系統(tǒng)內(nèi)外部的影響因素雜糅,甚至缺少對(duì)系統(tǒng)外部影響的研究。為闡明安全事件的發(fā)展演化過(guò)程,給出系統(tǒng)與外部影響因素的概念:
定義1活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng):給定區(qū)域內(nèi)各級(jí)活動(dòng)集及活動(dòng)致變因素集合,記作E。
外部擾動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部變化,易使安全事件演化失去控制。為研究外部擾動(dòng)作用機(jī)制,明晰外部因素概念,給出因素劃分條件。
因素劃分條件:根據(jù)因素間的主被動(dòng)作用關(guān)系,將對(duì)活動(dòng)因素作用的因素稱(chēng)為主動(dòng)作用因素,受活動(dòng)因素影響的因素稱(chēng)為被動(dòng)響應(yīng)因素。即活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)內(nèi)的活動(dòng)致變因素為被動(dòng)響應(yīng)因素。
定義2外部因素:給定區(qū)域內(nèi)對(duì)活動(dòng)因素產(chǎn)生動(dòng)態(tài)擾動(dòng)影響的主動(dòng)作用因素,記作d。
如馬路人行道場(chǎng)景中,行人穿過(guò)馬路視為活動(dòng),行人速度等為活動(dòng)因素;馬路上的行車(chē)為環(huán)境,行車(chē)速度等為活動(dòng)環(huán)境因素;光照強(qiáng)度對(duì)活動(dòng)產(chǎn)生擾動(dòng)作用,可作為行人活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)的外部因素。
定義3安全管控空間:將活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)E、外部因素d以及相關(guān)關(guān)系R組成的動(dòng)態(tài)空間稱(chēng)為安全管控空間P,P=(E,d,R)。包含安全事件演化的全部因素,是安全事件的演化和調(diào)控空間。
結(jié)構(gòu)決定事物的屬性,是研究事物的前提。將外部因素關(guān)系網(wǎng)中各因素抽象為點(diǎn),因素間的相關(guān)關(guān)系抽象為線(xiàn),由點(diǎn)和線(xiàn)組成外部因素拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[12]。如圖1所示,以安全管控空間為根節(jié)點(diǎn)逐級(jí)劃分,得到可直接測(cè)得因素狀態(tài)的原子外部因素,后續(xù)研究均為原子外部因素,簡(jiǎn)稱(chēng)為外部因素。
圖1 外部因素拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有向圖Fig.1 Directed graph of external factor topology
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖直觀地展現(xiàn)外部因素的相關(guān)關(guān)系及層次結(jié)構(gòu),可作為各類(lèi)分析中外部因素的基礎(chǔ)架構(gòu),為后續(xù)外部因素狀態(tài)演化研究提供結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)。
外部因素在活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)的整個(gè)生命周期內(nèi)產(chǎn)生持續(xù)的擾動(dòng)作用,然而由于系統(tǒng)穩(wěn)定性,外部因素狀態(tài)達(dá)到一定值時(shí)才會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)響應(yīng)。將對(duì)活動(dòng)因素狀態(tài)造成影響的外部因素狀態(tài)稱(chēng)為外部因素?cái)_動(dòng)狀態(tài)s(d)。當(dāng)擾動(dòng)作用點(diǎn)屬于活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)時(shí),可以等價(jià)表示為對(duì)活動(dòng)因素狀態(tài)的擾動(dòng)。
定義4擾動(dòng)域:外部因素?cái)_動(dòng)狀態(tài)的集合為外部因素關(guān)于活動(dòng)因素的擾動(dòng)屬性,稱(chēng)活動(dòng)因素的所有外部因素的擾動(dòng)屬性組合為外部因素?cái)_動(dòng)域P(w),如式(1)所示:
(1)
式中:w為活動(dòng)因素,dk為w的外部因素;Bk為dk關(guān)于w的擾動(dòng)屬性,k=1,2,…,m,m為正整數(shù)。
圖2以3個(gè)同級(jí)外部因素構(gòu)成的三維坐標(biāo)架為例說(shuō)明擾動(dòng)域的幾何形態(tài)。長(zhǎng)方體為外部因素所有狀態(tài)構(gòu)成的集合域,橢球體為系統(tǒng)不受外部因素影響的穩(wěn)定域,長(zhǎng)方體去掉橢球體的區(qū)域即為此3個(gè)外部因素的擾動(dòng)域。s(td1,td2,td3)曲線(xiàn)為某刻外部因素綜合擾動(dòng)狀態(tài)的變化軌跡。
圖2 3個(gè)外部因素?cái)_動(dòng)域Fig.2 Disturbance domain of three external factors
基于擾動(dòng)域的概念,安全事件的外部失穩(wěn)演化過(guò)程如圖3所示。當(dāng)外部因素綜合擾動(dòng)狀態(tài)處于穩(wěn)定域時(shí),活動(dòng)因素狀態(tài)不變,事件保持正常演化;當(dāng)綜合擾動(dòng)狀態(tài)在擾動(dòng)域內(nèi)變化時(shí),活動(dòng)因素狀態(tài)受擾動(dòng)影響變化,且擾動(dòng)狀態(tài)處于不同位置導(dǎo)致不同程度的擾動(dòng),安全事件演化過(guò)程也隨擾動(dòng)程度加劇由安全轉(zhuǎn)為危險(xiǎn);當(dāng)活動(dòng)因素狀態(tài)失穩(wěn),事故發(fā)生。
利用外部因素?cái)_動(dòng)域,根據(jù)某時(shí)刻外部因素的綜合擾動(dòng)狀態(tài),判斷活動(dòng)因素狀態(tài)變化,推斷安全事件的演化結(jié)果,以此對(duì)外部因素進(jìn)行分類(lèi)調(diào)控。
外部因素狀態(tài)改變導(dǎo)致活動(dòng)因素狀態(tài)變化,影響安全事件的正常演化過(guò)程。為全面分析安全事件,須了解外部因素狀態(tài)隨時(shí)間的演化特性,給定初始時(shí)刻外部因素狀態(tài)s0,將各類(lèi)演化形式視為連續(xù)變化的特殊類(lèi)別并分為以下幾類(lèi)。
外部因素臨界狀態(tài)演化指外部因素狀態(tài)隨時(shí)間變化存在最大臨界狀態(tài),給出如下閾值定義。
定義5:設(shè)外部因素狀態(tài)為s(d),?sr∈s,使得時(shí)刻t取任意值時(shí),均有st≤sr成立,稱(chēng)sr為外部因素的臨界狀態(tài)。
如圖4(a)~(c)所示,sr作為外部因素的閾值,各類(lèi)波動(dòng)趨勢(shì)的狀態(tài)最大值均無(wú)限趨近閾值。如馬路人行道場(chǎng)景中,光照強(qiáng)度總在閾值范圍內(nèi)波動(dòng)。
圖4 外部因素狀態(tài)臨界狀態(tài)演化規(guī)律Fig.4 Evolution law of critical state of external factors
外部因素臨界時(shí)刻演化指外部因素狀態(tài)在某時(shí)刻達(dá)到極值,即外部因素狀態(tài)在臨界時(shí)刻發(fā)生劇變,給出如下閾值定義。
定義6:設(shè)?tr∈t,趨近tr時(shí)外部因素狀態(tài)迅速增加到極大值,稱(chēng)tr為外部因素的臨界時(shí)刻。
如圖5(a)~(c),臨界時(shí)刻tr作為外部因素狀態(tài)演化的閾值,表示外部因素?fù)碛泄潭ǖ膲勖芷?,需預(yù)留一定時(shí)間進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。如馬路人行道場(chǎng)景中,行人密度在某時(shí)刻達(dá)到最大值,屬周期性因素。
圖5 外部因素狀態(tài)臨界時(shí)刻演化規(guī)律Fig.5 Evolution law of critical time of external factor state
外部因素?zé)o臨界閾值演化指外部因素狀態(tài)變化無(wú)任何極值,始終呈自由波動(dòng)變化,給出如下定義。
定義7:當(dāng)外部因素狀態(tài)無(wú)規(guī)律變化時(shí),稱(chēng)這類(lèi)外部因素為無(wú)臨界閾值的外部因素。
外部因素狀態(tài)s(d)隨時(shí)刻t變化如圖6(a)~(c)所示,無(wú)臨界閾值說(shuō)明外部因素狀態(tài)無(wú)極值,如馬路人行道場(chǎng)景中,噪聲變化無(wú)極值。此類(lèi)因素需設(shè)置安全閾值,及時(shí)進(jìn)行調(diào)控,避免造成嚴(yán)重的后果。
圖6 外部因素狀態(tài)無(wú)臨界演化規(guī)律Fig.6 Non-critical evolution law of external factor state
根據(jù)以上外部因素狀態(tài)隨時(shí)間的演化規(guī)律,可用數(shù)學(xué)邏輯方法表述演化過(guò)程,從演化曲線(xiàn)中預(yù)判因素狀態(tài),及時(shí)采取措施以減少事故的發(fā)生。歸納各類(lèi)外部因素狀態(tài)的演化特征和閾值,可證明外部因素狀態(tài)隨時(shí)間變化存在一定的必然性和可控性。
外部因素?cái)_動(dòng)使活動(dòng)因素狀態(tài)發(fā)生動(dòng)態(tài)變化,為降低事故發(fā)生概率,引導(dǎo)安全事件正向發(fā)展,對(duì)活動(dòng)因素狀態(tài)受外部因素?cái)_動(dòng)的響應(yīng)機(jī)制及二者間的擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行分類(lèi)分析。
擾動(dòng)響應(yīng)機(jī)制是研究外部擾動(dòng)問(wèn)題的根本出發(fā)點(diǎn),如圖7所示,外部因素d通過(guò)對(duì)活動(dòng)因素w產(chǎn)生擾動(dòng),導(dǎo)致活動(dòng)環(huán)境因素f發(fā)生變化,最終影響安全事件的演化進(jìn)程。
圖7 外部因素的擾動(dòng)響應(yīng)過(guò)程Fig.7 Disturbance response process of external factors
設(shè)初始時(shí)刻的活動(dòng)因素是無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)z0,則有活動(dòng)因素響應(yīng)狀態(tài)z(t),如式(2)所示:
z(t)=H(s(di))
(2)
式中:s(di)為外部因素狀態(tài);H為擾動(dòng)響應(yīng)函數(shù),i=1,2,…,n,n為正整數(shù)。
在活動(dòng)的生命周期內(nèi),外部因素對(duì)活動(dòng)因素產(chǎn)生持續(xù)的擾動(dòng)作用,將活動(dòng)因素的狀態(tài)變化值與無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)疊加,可得到某時(shí)刻活動(dòng)因素的響應(yīng)狀態(tài)?;谙到y(tǒng)穩(wěn)定性的概念,初始時(shí)刻后的一定時(shí)間內(nèi)活動(dòng)因素將保持無(wú)擾動(dòng)狀態(tài)。設(shè)活動(dòng)失穩(wěn)臨界狀態(tài)zr,對(duì)應(yīng)的外部因素狀態(tài)s1,有如下擾動(dòng)響應(yīng)形式。
4.2.1 臨界狀態(tài)sr形式
外部因素狀態(tài)隨時(shí)間以臨界狀態(tài)形式變化時(shí),存在狀態(tài)閾值sr。已知si≤sr,活動(dòng)因素狀態(tài)的外部擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖8(a)~(c)所示。當(dāng)s1
圖8 臨界狀態(tài)擾動(dòng)—響應(yīng)規(guī)律Fig.8 Disturbance-response law of critical state
根據(jù)活動(dòng)因素狀態(tài)進(jìn)入失穩(wěn)臨界狀態(tài)時(shí),外部因素狀態(tài)與閾值的關(guān)系,可采取不同的調(diào)控方法,通過(guò)最便捷的方法達(dá)到最優(yōu)的調(diào)控效果。
4.2.2 臨界時(shí)刻tr形式
當(dāng)外部因素狀態(tài)隨時(shí)間以臨界時(shí)刻形式變化時(shí),存在時(shí)刻閾值tr,因素的生命周期為0~tr。如圖9(a),設(shè)外部因素狀態(tài)在時(shí)刻t1后迅速增加,稱(chēng)t1時(shí)刻的曲線(xiàn)斜率kr為極限斜率,將t1時(shí)刻的外部因素狀態(tài)s2作為活動(dòng)因素狀態(tài)受外部擾動(dòng)的重要響應(yīng)狀態(tài)?;顒?dòng)因素狀態(tài)的外部擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖9(b)~(d)所示。當(dāng)s2
圖9 臨界時(shí)刻擾動(dòng)—響應(yīng)規(guī)律Fig.9 Disturbance-response law of critical time
kr與s2是此類(lèi)演化形式的重要閾值,安全調(diào)控工作若在曲線(xiàn)變化斜率到達(dá)kr前完成,可及時(shí)控制外部因素狀態(tài)突變,降低事故發(fā)生概率。
4.2.3 無(wú)臨界閾值形式
當(dāng)外部因素狀態(tài)隨時(shí)間以無(wú)閾值形式變化時(shí),外部因素狀態(tài)變化無(wú)閾值,活動(dòng)因素狀態(tài)的外部擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)如圖10所示。雖然外部因素狀態(tài)演化不存在閾值,但活動(dòng)因素狀態(tài)必在時(shí)刻t2進(jìn)入zr,t2時(shí)刻的外部因素狀態(tài)s1是活動(dòng)因素失穩(wěn)的臨界狀態(tài)和安全調(diào)控時(shí)決定安全裕量的重要參數(shù)。如路口噪聲不存在閾值,但當(dāng)噪聲為s1時(shí),行人速度為失穩(wěn)狀態(tài)zr,存在如圖10的變化形式,需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,及時(shí)采取控制措施。
圖10 無(wú)臨界擾動(dòng)—響應(yīng)規(guī)律Fig.10 Non-critical disturbance-response law
對(duì)各類(lèi)外部因素狀態(tài)演化形式下活動(dòng)因素狀態(tài)演化趨勢(shì)的分析,為制定外部擾動(dòng)調(diào)控方法指明方向。分析擾動(dòng)響應(yīng)曲線(xiàn)的變化趨勢(shì),根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯關(guān)系預(yù)判活動(dòng)因素狀態(tài),對(duì)外部因素進(jìn)行主動(dòng)調(diào)控,可從源頭改變安全事件的演化方向和進(jìn)程,降低事故發(fā)生概率,提高整體安全性。
1)外部擾動(dòng)問(wèn)題研究的是活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)和外部因素及二者作用關(guān)系?;顒?dòng)環(huán)境系統(tǒng)是安全事件發(fā)展演化的主體;外部因素是對(duì)活動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)動(dòng)態(tài)擾動(dòng)影響的主動(dòng)作用因素;二者間的作用關(guān)系推動(dòng)了安全事件演化進(jìn)程。
2)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是證明外部因素相互獨(dú)立性和層級(jí)關(guān)聯(lián)性的整體架構(gòu)。外部因素時(shí)變特性是外部因素狀態(tài)隨時(shí)間的演化規(guī)律,呈現(xiàn)波動(dòng)漸近的2類(lèi)漸近變化形式和始終平穩(wěn)波動(dòng)的自由變化形式。
3)外部因素對(duì)安全事件演化過(guò)程的擾動(dòng)通過(guò)外部因素—活動(dòng)因素—環(huán)境因素構(gòu)成的安全事件演化鏈條逐級(jí)體現(xiàn)?;顒?dòng)因素的外部擾動(dòng)響應(yīng)規(guī)律是活動(dòng)因素狀態(tài)受外部因素?cái)_動(dòng)呈規(guī)則曲線(xiàn)波動(dòng),并受臨界狀態(tài)、臨界時(shí)刻等閾值限制。特別地,無(wú)臨界形式為特殊的線(xiàn)性變化且不受閾值限制。
4)在安全科學(xué)領(lǐng)域中,對(duì)于安全系統(tǒng)外部擾動(dòng)問(wèn)題的研究尚處于初步階段,外部因素與活動(dòng)因素的作用機(jī)制、演化機(jī)理及響應(yīng)效果等方面有待進(jìn)一步完善。后續(xù)將在繼續(xù)完善外部擾動(dòng)分析方法的基礎(chǔ)上融合安全調(diào)控思想,對(duì)安全結(jié)構(gòu)調(diào)控展開(kāi)分析。