混沌理論對(duì)特種設(shè)備安全管理的啟示

李志海

（東營市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 東營 257000）

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混沌理論對(duì)特種設(shè)備安全管理的啟示

李志海

（東營市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 東營 257000）

摘 要：特種設(shè)備安全事故的頻發(fā)，給特種設(shè)備安全監(jiān)管帶來了極大的挑戰(zhàn)，也給監(jiān)管單位和監(jiān)管人員帶來了沉重的工作壓力，產(chǎn)生了事故無從規(guī)避的認(rèn)識(shí)誤區(qū)。本文借鑒混沌理論在現(xiàn)代管理學(xué)中的運(yùn)用，分析了特種設(shè)備安全管理理念和管理模式，提供給監(jiān)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(shè)備管理行為納入科學(xué)的有序狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：混沌理論 特種設(shè)備 安全管理

近年，特種設(shè)備的數(shù)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(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和日常生活發(fā)揮著更為巨大的作用。但是，特種設(shè)備數(shù)量劇增和落后的管理模式的矛盾日益突出，涉及特種設(shè)備的事故頻繁發(fā)生，安全形勢(shì)不容樂觀。根據(jù)國家質(zhì)檢總局公布2014年全國特種設(shè)備安全狀況，截至2014年底，全國特種設(shè)備總量達(dá)1036.46萬臺(tái)，較2013年上升10.63%。2014年，全國共發(fā)生特種設(shè)備事故283起，死亡282人，受傷330人。近期發(fā)生的“7·26”荊州百貨商場電梯事故、“7.17”日照石化企業(yè)爆炸事故，更是將特種設(shè)備安全管理推到輿論的風(fēng)口浪尖，特種設(shè)備安全管理水平的提高迫在眉睫。而通過對(duì)各類事故的統(tǒng)計(jì)分析，特種設(shè)備安全事故的發(fā)生帶有很強(qiáng)的隨機(jī)性和偶然性，從而給事故的預(yù)防和安全管理造成相當(dāng)大的難度。尤其是事故發(fā)生后大范圍的追責(zé)，讓管理人員、監(jiān)管人員產(chǎn)生極大的負(fù)面情緒和心理負(fù)擔(dān)，“管與不管同結(jié)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(shè)備安全監(jiān)管方面，需要引入更加科學(xué)先進(jìn)的理論、管理理念和管理模式，以不斷提高科學(xué)監(jiān)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(xué)方法論，已經(jīng)從物理學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域，廣泛引入到管理學(xué)中，給傳統(tǒng)的管理學(xué)理論帶來了歷史性的變革［1］，這對(duì)特種設(shè)備安全監(jiān)管也具有積極的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 混沌理論的發(fā)展和應(yīng)用

混沌理論（Chaos Theory）是一種兼具質(zhì)性思考與量化分析的方法，用以探討動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中無法用單一的數(shù)據(jù)關(guān)系，而必須用整體、連續(xù)的數(shù)據(jù)關(guān)系才能加以解釋及預(yù)測之行為，是非線性系統(tǒng)所獨(dú)有且廣泛存在一種非周期運(yùn)動(dòng)形式。

混沌理論被認(rèn)為是繼相對(duì)論和量子力學(xué)后，20世紀(jì)物理學(xué)的第三次重大革命，它消除了拉普拉斯關(guān)于決定論式可預(yù)測性的幻想。混沌理論的開端，追溯到1890年法國科學(xué)家龐加萊將動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和拓?fù)鋵W(xué)兩大領(lǐng)域結(jié)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(dòng)系統(tǒng)的奇異現(xiàn)象，并總結(jié)出Logistic方程。

現(xiàn)代意義的混沌起源于20世紀(jì)中期。Kolmogrov發(fā)現(xiàn)一個(gè)充分接近可積Hamilton系統(tǒng)的擾動(dòng)較大時(shí)，系統(tǒng)圖像就會(huì)產(chǎn)生混沌現(xiàn)象。1963年美國氣象學(xué)家愛德華·諾頓·勞侖次對(duì)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(yīng)”，開創(chuàng)了用數(shù)值實(shí)驗(yàn)方法研究混沌的先河［2］。

1976年，美國生物學(xué)家May R.M提出：簡單的確定性數(shù)學(xué)模型——Logistic方程可以產(chǎn)生類似隨機(jī)的行為。同年，天文學(xué)家Henon構(gòu)造了Henon二維映射，發(fā)現(xiàn)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(huì)議在意大利召開，標(biāo)志著混沌科學(xué)的誕生。

20世紀(jì)80年代，是混沌理論迅速發(fā)展的時(shí)期。1981年，Shaw提供了用信息流觀察混沌運(yùn)動(dòng)的新視角，給出了微分方程和映射系統(tǒng)中信息熵的計(jì)算公式。1982年，Cuckenheimer利用Lyapunov指數(shù)發(fā)展了區(qū)分混沌與真正隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的算法。

近些年來，混沌科學(xué)更是與其它科學(xué)相互滲透，無論是在生物學(xué)、生理學(xué)、心理學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、電子學(xué)、信息科學(xué)，還是天文學(xué)、氣象學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)，甚至在音樂、藝術(shù)等領(lǐng)域，混沌都得到了廣泛的應(yīng)用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，混沌理論在安全領(lǐng)域已有一定的發(fā)展，目前較多的應(yīng)用于安全系統(tǒng)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(yù)測中的應(yīng)用，指出了事故對(duì)初始條件的敏感依賴性和事故的長期不可預(yù)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(mào)華以礦井火災(zāi)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(xué)中的現(xiàn)代化知識(shí)運(yùn)用到安全科學(xué)的理論和實(shí)踐中，率先提出了安全混沌學(xué)的定義。

2 混沌理論對(duì)特種設(shè)備安全管理的啟示

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

1）隨機(jī)性：特種設(shè)備安全管理體系處于混沌狀態(tài)是由體系內(nèi)部隨機(jī)性產(chǎn)生的不規(guī)則性行為，即內(nèi)隨機(jī)性。例如，在固定時(shí)點(diǎn)，企業(yè)范圍內(nèi)所有特種設(shè)備及相關(guān)行為視為統(tǒng)一的系統(tǒng)，即使設(shè)備狀態(tài)、工作環(huán)境都是確定的，而系統(tǒng)在混沌區(qū)的行為仍表現(xiàn)為隨機(jī)性。

2）敏感性：這里將特種設(shè)備管理組織的行為、作業(yè)人員的行為等因素設(shè)定為混沌系統(tǒng)中的初值。特種設(shè)備安全管理系統(tǒng)的混沌運(yùn)動(dòng)在時(shí)間演化和空間分布上，均具有對(duì)初值的極度敏感性。這種敏感性，將導(dǎo)致系統(tǒng)長期時(shí)間行為的不可預(yù)測性。

3）普適性與統(tǒng)計(jì)特性：當(dāng)系統(tǒng)趨于混沌時(shí)，安全事故的發(fā)生表現(xiàn)出一定的統(tǒng)計(jì)特征，總有一些普適的常數(shù)，如海因里希的1:29:300，事故規(guī)模大于X的安全事故與其數(shù)目Y之間滿足如下關(guān)系式：lgY=a-bX，這些普適性與統(tǒng)計(jì)性類似于混沌系統(tǒng)中的Feigenbeam常數(shù)和Lyapunov指數(shù)［6］。

4）標(biāo)度律：混沌現(xiàn)象是一種無周期性的有序態(tài)，具有無窮層次的自相似結(jié)構(gòu)，存在無標(biāo)度區(qū)域。只要對(duì)系統(tǒng)中各變量數(shù)值的影響參數(shù)掌握足夠全，總可以在一定尺度的安全系統(tǒng)混沌域內(nèi)預(yù)測到事故發(fā)生的相關(guān)信息。所以具有標(biāo)度律性質(zhì)。

基于以上比對(duì)，特種設(shè)備安全管理有等同于混沌系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)序和規(guī)律，從而使該理論在特種設(shè)備安全評(píng)價(jià)、企業(yè)內(nèi)部安全管理、特種設(shè)備監(jiān)督管理部門的安全監(jiān)管方面得以運(yùn)用。

2.1 在特種設(shè)備安全評(píng)價(jià)方面

安全分析評(píng)價(jià)最早起源于上世紀(jì)30年代美國保險(xiǎn)業(yè)所開展的安全評(píng)價(jià)活動(dòng)?？梢苑譃槎ㄐ燥L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)就是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)狀況做定性的分析，如是否達(dá)標(biāo)，是否符合等，目前在特種設(shè)備安全管理中普遍應(yīng)用。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)就是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的風(fēng)險(xiǎn)狀況做定量的計(jì)算，常用的方法主要有數(shù)理統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法［7］、灰色評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)法、利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析［8］等。以上評(píng)價(jià)方法都基于數(shù)學(xué)模型的建立，力求實(shí)現(xiàn)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，已普遍在國外安全評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)中應(yīng)用。由于特種設(shè)備安全涉及設(shè)備管理、設(shè)備操作、設(shè)備固有屬性、材料介質(zhì)、使用環(huán)境等多種因素的影響，簡單的定性分析無法滿足安全評(píng)價(jià)的要求，但是由于存在復(fù)雜的不確定性、內(nèi)在隨機(jī)性和外在偶然性，同樣給如何運(yùn)用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)帶來難題。因此，應(yīng)建立基于風(fēng)險(xiǎn)分析和量化評(píng)價(jià)的特種設(shè)備安全評(píng)估體系和反饋改進(jìn)機(jī)制。以特種設(shè)備制造、安裝、使用、管理、監(jiān)管全流程為研究系統(tǒng)，以每一流程的參數(shù)和安全評(píng)價(jià)結(jié)果和偶發(fā)因素為初始輸入，從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，消除潛在隱患，以達(dá)到系統(tǒng)安全最優(yōu)化。

2.2 在特種設(shè)備安全監(jiān)督管理方面

混沌理論促使監(jiān)管部門和人員正確認(rèn)識(shí)事故致因。特種設(shè)備事故發(fā)生的普遍性、無序性和不可預(yù)測性給特種設(shè)備安全管理帶來了極大的困難和困擾，管理人員大多認(rèn)為事故的產(chǎn)生的根本原因在于工人偶然的不當(dāng)操作或不當(dāng)?shù)氖褂铆h(huán)境，與監(jiān)管失職和不到位關(guān)系較小，認(rèn)為即使通過全面的監(jiān)管也難以避免事故的發(fā)生。而基于混沌理論，系統(tǒng)的一個(gè)重要特征就是對(duì)初始條件的敏感依賴性。初始條件的細(xì)微差別在受到系統(tǒng)不斷放大或縮小的非線性作用后，最終導(dǎo)致完全不同的結(jié)果［9］。因此，復(fù)雜的、嚴(yán)重的事故結(jié)果并不一定都需要復(fù)雜的原因。簡單的前提同樣可能造成復(fù)雜的結(jié)果?！昂?yīng)”實(shí)質(zhì)上就是混沌系統(tǒng)內(nèi)在隨機(jī)性作用的結(jié)果。即，一次安全監(jiān)管的微小不到位、一個(gè)細(xì)小的疏漏、事故隱患整改不及時(shí)不徹底，也能決定系統(tǒng)的最終發(fā)展結(jié)果，導(dǎo)致惡性事故的發(fā)生。因此，在具體的特種設(shè)備安全監(jiān)督管理工作中，要引進(jìn)先進(jìn)的監(jiān)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(huán)改進(jìn)監(jiān)管流程和閉環(huán)反饋監(jiān)管方式，變被動(dòng)監(jiān)管為主動(dòng)監(jiān)管，從而產(chǎn)生低隱患、低風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果。

混沌理論能促進(jìn)建立風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警型的監(jiān)管模式。混沌理論作為新興的科學(xué)方法論，能夠提供給監(jiān)管人員對(duì)管理理論和管理實(shí)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(shè)備安全管理系統(tǒng)中，安全檢查頻率、安全檢查效能、安全管理方式都是系統(tǒng)的初始條件，可以基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［11］研究建立超前、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)危機(jī)預(yù)警指標(biāo)體系，隨時(shí)檢測監(jiān)管過程出現(xiàn)的偶然狀況，并探索與工廠在用的自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)相銜接，采集壓力、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的初始輸入。根據(jù)指標(biāo)指示狀況判斷系統(tǒng)狀態(tài)，從而在安全事故發(fā)生前采取相應(yīng)的干預(yù)措施，避免安全危機(jī)的出現(xiàn)。比如，目前我國大部分石油煉化企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備采用以微處理器為核心的DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)）［12］，可實(shí)時(shí)采集壓力容器中壓力、溫度、流量等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特種設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

2.3 在企業(yè)特種設(shè)備安全管理方面

特種設(shè)備安全管理的主體責(zé)任是企業(yè)。任何一次細(xì)微的管理疏忽都可能導(dǎo)致事故的發(fā)生。企業(yè)安全管理的基本任務(wù)是力求以最小的成本保障最大的安全和最佳的經(jīng)營效能。

目前，基于對(duì)安全系統(tǒng)基本特征與運(yùn)行機(jī)制的認(rèn)識(shí)，已經(jīng)產(chǎn)生了以“安全熵理論”、“安全流變-突變理論”、“安全混沌學(xué)”等為代表的一批新的安全科學(xué)理論［13］。

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

1）特種設(shè)備安全管理系統(tǒng)是以耗散結(jié)構(gòu)形式存在，具備混沌屬性的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)部存在人員、設(shè)備、管理各要素中的擾動(dòng)與漲落，在正熵流和負(fù)熵流的作用下，系統(tǒng)狀態(tài)變量不斷運(yùn)動(dòng)，若其中有害的微小擾動(dòng)被放大，則可導(dǎo)致安全系統(tǒng)局部失穩(wěn)，產(chǎn)生事故；

2）運(yùn)用安全混沌學(xué)思想，可以重新塑造員工對(duì)特種設(shè)備安全管理的認(rèn)識(shí)，在安全系統(tǒng)中，由于特種設(shè)備安全事故的發(fā)生具有內(nèi)在隨機(jī)性，唯有依靠不斷的安全管理才能監(jiān)測調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制參數(shù)，將系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定在預(yù)期的軌道上，實(shí)現(xiàn)安全系統(tǒng)的混沌控制；

3）運(yùn)用安全混沌學(xué)思想，可以通過尖點(diǎn)突變?cè)u(píng)價(jià)理論、模糊評(píng)價(jià)理論以及安全灰色預(yù)測理論等新的安全評(píng)價(jià)方法和事故預(yù)測手段，為特種設(shè)備安全系統(tǒng)的分級(jí)、綜合評(píng)價(jià)和事故預(yù)測提供科學(xué)的理論依據(jù)。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，可以借助企業(yè)在用的DCS系統(tǒng)，建立特種設(shè)備安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。對(duì)特種設(shè)備安全管理系統(tǒng)中設(shè)備狀況、人員技術(shù)水平、環(huán)境變化等適時(shí)監(jiān)測，減少有害因素的發(fā)生，如通過人員培訓(xùn)減少人的不安全行為，通過定期檢驗(yàn)、自行檢驗(yàn)消除物的不安全狀態(tài)；并借助MATLAB軟件建立以耗散結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)模型，對(duì)變化的指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，隨時(shí)進(jìn)行初始輸入的修正。又根據(jù)混沌理論，確定性的安全系統(tǒng)中，由于事故的發(fā)生具有內(nèi)在隨機(jī)性，唯有依靠連續(xù)不斷的安全管理才能監(jiān)控調(diào)解系統(tǒng)的控制參數(shù)，將系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定在預(yù)期的軌道上。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以得出以下結(jié)論：

1）樹立正確的事故致因觀。特種設(shè)備安全管理、監(jiān)管人員應(yīng)正確認(rèn)識(shí)事故致因，任何一次事故的發(fā)生都不是偶然，一次安全監(jiān)管的微小不到位、一個(gè)作業(yè)人員的培訓(xùn)的缺失、一次事故隱患整改不及時(shí)不徹底，也能決定系統(tǒng)的最終發(fā)展結(jié)果，導(dǎo)致安全系統(tǒng)局部失穩(wěn)，最終產(chǎn)生惡性事故；

2）特種設(shè)備安全管理需要嚴(yán)密的控制計(jì)劃和對(duì)及時(shí)的參數(shù)監(jiān)測。特種設(shè)備監(jiān)管部門和使用單位應(yīng)建立PDCA循環(huán)管理流程，即Plan（計(jì)劃）、Do（執(zhí)行）、Check（檢查）和Act（修正） ，以閉環(huán)反饋的監(jiān)管方式，修正、消除容易引起事故發(fā)生的微小撓動(dòng)，從而大幅降低事故概率；

3）應(yīng)探索建立與企業(yè)在用的自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)（如DCS等）相銜接的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警系統(tǒng)，依靠自動(dòng)監(jiān)測和人工監(jiān)測的方式實(shí)時(shí)采集特種設(shè)備相關(guān)參數(shù)和風(fēng)險(xiǎn)因素的變換指標(biāo)，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)混沌評(píng)價(jià)，對(duì)實(shí)時(shí)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測評(píng)價(jià)。當(dāng)評(píng)價(jià)結(jié)果出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，啟動(dòng)預(yù)警程序，排除風(fēng)險(xiǎn)隱患，實(shí)現(xiàn)對(duì)特種設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

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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(shè)備安全監(jiān)察、行政執(zhí)法工作。

收稿日期：（2015-09-28）

中圖分類號(hào)：X922

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1673-257X（2016）06-0053-04

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