安全科學(xué)與工程視域下脆弱性研究評(píng)述

田水承，張成鎮(zhèn)

0 引言

1968年Margat在研究地下水污染時(shí)首次提出了脆弱性這一概念，他認(rèn)為脆弱性是地下水對(duì)污染物的自我保護(hù)［1］，隨后脆弱性多被應(yīng)用于自然災(zāi)害領(lǐng)域的研究。目前脆弱性理論已經(jīng)發(fā)展為一種跨學(xué)科綜合性的研究視角，研究領(lǐng)域涉及災(zāi)害學(xué)、社會(huì)學(xué)、生態(tài)學(xué)、地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、工程學(xué)、管理學(xué)、可持續(xù)科學(xué)、安全科學(xué)等多個(gè)學(xué)科;學(xué)術(shù)界對(duì)脆弱性的研究越來越重視，《Science》雜志在2001年4月發(fā)表了“可持續(xù)性科學(xué)”一文，把“特殊地區(qū)的自然—社會(huì)系統(tǒng)的脆弱性和恢復(fù)能力”研究列為可持續(xù)性科學(xué)中的7個(gè)核心問題之一［2］。

脆弱性的研究源于自然災(zāi)害領(lǐng)域，1981年Timmerman提出了“脆弱性是災(zāi)害事件發(fā)生時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響的程度”［3］;目前在安全科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘难芯慷嗉杏趹?yīng)急管理和公共安全等方面;例如在《The Federal Response to Hurricane Katrina Lessons Learned》中指出，災(zāi)難造成嚴(yán)重后果的重要原因之一是“在應(yīng)急管理系統(tǒng)中應(yīng)急準(zhǔn)備不足和存在明顯的系統(tǒng)脆弱性”［4］;劉鐵民基于安全生產(chǎn)事故對(duì)事故災(zāi)難應(yīng)急管理中脆弱性的識(shí)別［5］和評(píng)估［6］進(jìn)行了研究，并提出“脆弱性是系統(tǒng)危險(xiǎn)暴露程度及其易感性和抗逆性尺度的考量”［7］;宋守信團(tuán)隊(duì)通過對(duì)城市軌道交通的系

統(tǒng)［8］、網(wǎng)絡(luò)［9］、火災(zāi)［10］和大客流擾動(dòng)［11］等脆弱性的研究，提出了“脆弱性是系統(tǒng)在某一擾動(dòng)下發(fā)生的變化程度，以及從擾動(dòng)的不利影響中恢復(fù)正常運(yùn)行的能力”［12］，且提出了脆弱性特征要素遞次演化評(píng)價(jià)方法;武強(qiáng)通過GIS等技術(shù)提出了5種實(shí)用的脆弱性指數(shù)法用于煤層底板突水的評(píng)價(jià)［13－17］。安全科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘难芯窟€多局限于微觀技術(shù)層面或獨(dú)立事件，且大多數(shù)學(xué)者直接采用其他學(xué)科領(lǐng)域已有的脆弱性理論或觀點(diǎn)用于系統(tǒng)危險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并沒有考慮到系統(tǒng)安全的特點(diǎn)。此外，擾動(dòng)的大小及險(xiǎn)兆事件發(fā)生的頻率對(duì)系統(tǒng)脆弱性也存在影響，對(duì)于將其認(rèn)定為脆弱性特征要素尚未有學(xué)者進(jìn)行研究。

1 脆弱性的定義及來源

1.1 脆弱性的定義

脆弱性(vulnerability)英文的解釋為物體容易受到攻擊、容易受到傷害以及容易被損壞的特性;中文對(duì)脆弱性的字面解釋，是指物體容易受到外部干擾的影響及對(duì)外來干擾抵抗力不強(qiáng)的特性。在學(xué)術(shù)界，由于學(xué)科背景、研究視角和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，不同學(xué)科領(lǐng)域的學(xué)者對(duì)脆弱性概念的定義存在較大差別。不同學(xué)者從各自的研究角度提出“脆弱性”的定義見表1．

表1 不同學(xué)者對(duì)脆弱性的定義Tab．1 Different scholars’definitions of vulnerability

1.2 脆弱性的來源

大到全球化，小到一個(gè)物體，都存在脆弱性的表現(xiàn)，脆弱性的來源可以說是包羅萬象;不同學(xué)科對(duì)脆弱性研究的內(nèi)容、對(duì)象、視角存在較大的差別，所以在不同學(xué)科中脆弱性的來源和研究的側(cè)重點(diǎn)不一樣，美國(guó)學(xué)者M(jìn)cEntire和我國(guó)學(xué)者劉鐵民采用列表法對(duì)脆弱性的學(xué)科分類進(jìn)行了歸納［5，18］。

2 脆弱性理論模型

各學(xué)科領(lǐng)域在對(duì)脆弱性的深入研究中，提出了脆弱性程度與其影響因素相互關(guān)系的理論模型，文中通過對(duì)文獻(xiàn)資料的整理，歸納出8種各學(xué)科領(lǐng)域常用的脆弱性理論模型，脆弱性理論模型的詳細(xì)情況見表2．

表2 脆弱性理論模型Tab．2 Vulnerability theory model

3 脆弱性評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系

3.1 脆弱性評(píng)價(jià)方法

脆弱性評(píng)價(jià)是脆弱性研究的重要內(nèi)容，地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、災(zāi)害學(xué)和生態(tài)學(xué)等學(xué)科中對(duì)脆弱性評(píng)價(jià)方法的研究取得了一定成果，如Moss運(yùn)用綜合指數(shù)法對(duì)氣候改變的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［32］;Cutter和O’Brien采用了圖層疊置法分別對(duì)人—地城市系統(tǒng)的脆弱性和氣候變化的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［33－34］;史培軍采用函數(shù)模型評(píng)價(jià)法對(duì)災(zāi)害的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［35］;祝云舫和陳鴻起采用模糊物元評(píng)價(jià)法分別對(duì)環(huán)境和水安全的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［36－37］;Smith采用危險(xiǎn)度分析法對(duì)大西洋中部地區(qū)的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)［38］。

3.2 脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

脆弱性指標(biāo)體系的構(gòu)建是脆弱性評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，指標(biāo)體系中各級(jí)指標(biāo)的制定和選擇直接影響到脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果;文中通過對(duì)文獻(xiàn)資料的整理，歸納出了4種脆弱性指標(biāo)體系，其中不同學(xué)者對(duì)脆弱性指標(biāo)選取的方法不同，如信息量法、反推法、專家推薦法、數(shù)學(xué)分析法等;對(duì)于指標(biāo)權(quán)重的確定學(xué)者們大多采用的方法有AHP層次分析法、專家打分法、灰色關(guān)聯(lián)法、經(jīng)驗(yàn)權(quán)數(shù)法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、模糊逆方程法、熵值法等［39］，脆弱性指標(biāo)體系的詳細(xì)內(nèi)容見表3．

3.3 脆弱性指數(shù)計(jì)算方法

通過計(jì)算脆弱性指數(shù)，可以更加直觀的表示系統(tǒng)脆弱性的程度，由于不同領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘恼J(rèn)知、定義、研究角度以及采用的評(píng)價(jià)方法不同，故不同學(xué)者所采用的脆弱性指數(shù)計(jì)算方法也不同，文中通過學(xué)習(xí)文獻(xiàn)資料，歸納出5種脆弱性指數(shù)計(jì)算方法，且每種指數(shù)計(jì)算方法存在1種或2種，脆弱性指數(shù)計(jì)算方法的詳細(xì)內(nèi)容見表4．

表3 脆弱性指標(biāo)體系Tab．3 Vulnerability index system

表4 脆弱性指數(shù)計(jì)算方法Tab．4 Calculation method of vulnerability index

4 安全科學(xué)與工程領(lǐng)域脆弱性研究

4.1 脆弱性研究現(xiàn)狀

目前，安全科學(xué)與工程領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘难芯慷嘞抻谖⒂^技術(shù)層面或獨(dú)立事件。劉鐵民以上?！?1·15”火災(zāi)事故為對(duì)象對(duì)公共安全脆弱性進(jìn)行了研究，以2013年幾起特大事故為對(duì)象對(duì)應(yīng)急管理的脆弱性進(jìn)行了研究;宋守信團(tuán)隊(duì)通過城市軌道交通的系統(tǒng)脆弱性因素辨識(shí)、站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)脆弱性評(píng)價(jià)、電氣火災(zāi)影響因子研究和大客流擾動(dòng)下的脆弱性研究等，來深入城市軌道交通系統(tǒng)安全應(yīng)急管理脆弱性的研究;武強(qiáng)團(tuán)隊(duì)基于煤層底板突水事故脆弱性的研究提出了5種實(shí)用的脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)方法。綜上，對(duì)安全科學(xué)與工程領(lǐng)域中公共安全、生產(chǎn)安全及煤層底板突水等方面的脆弱性做了初步的研究，并對(duì)脆弱性概念做出了初步的定義，也提出了一些脆弱性指數(shù)評(píng)價(jià)方法。

4.2 脆弱性特征要素

各領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣蕴卣饕氐脑O(shè)定可以分為3大類:單因素、雙因素和三因素。早期脆弱性研究學(xué)者，如 Margat，Timmerm和Berdica等，都把脆弱性的特征要素設(shè)定為單個(gè)因素，他們都認(rèn)為脆弱性是一種程度;此外有些學(xué)者提出了雙因素，如Gallopin［54］、李鶴［55］和 Jenelius［56］等，認(rèn)為脆弱性的特征因素主要包括系統(tǒng)對(duì)于干擾的敏感性和從干擾恢復(fù)到正常水平的適應(yīng)性;在雙因素的基礎(chǔ)上，有些學(xué)者將系統(tǒng)對(duì)外部干擾的暴露情況也納入脆弱性的特征要素，提出了脆弱性特征三要素觀點(diǎn)，如Smit，Brooks和鄒君等，認(rèn)同系統(tǒng)脆弱性的特征要素包括:暴露度、敏感度、適應(yīng)度［57－59］。從安全工程領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘亩x可以看出，安全領(lǐng)域的學(xué)者認(rèn)同的是三因素觀點(diǎn)

1)暴露度是指在擾動(dòng)作用下系統(tǒng)的暴露程度。在安全工程領(lǐng)域中相當(dāng)于事故隱患，暴露度體現(xiàn)出系統(tǒng)受到擾動(dòng)危害的概率，暴露度越高系統(tǒng)受到擾動(dòng)危害的概率就越大，系統(tǒng)的脆弱性越大;

2)敏感度是指擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害的程度，即系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)的反應(yīng)程度;敏感度越高，系統(tǒng)的脆弱性越大;

3)適應(yīng)度是指系統(tǒng)被擾動(dòng)后恢復(fù)到正常狀態(tài)的能力大小。包括恢復(fù)時(shí)間、恢復(fù)程度和恢復(fù)速度等;適應(yīng)度越大，系統(tǒng)的脆弱性越小。

4.3 脆弱性分析框架及指標(biāo)體系

4．3．1 脆弱性分析框架

隨著各領(lǐng)域?qū)W者對(duì)脆弱性研究的深入，相繼提出了研究系統(tǒng)脆弱性與其影響因素相互作用關(guān)系的分析框架，如:HOP模型、PAR模型、R－H模型和AHV模型等，在安全科學(xué)與工程領(lǐng)域宋守信團(tuán)隊(duì)以“人－機(jī)－環(huán)”系統(tǒng)為研究對(duì)象構(gòu)建了脆弱性特征要素遞次演化的分析框架，簡(jiǎn)單明了地反應(yīng)出“人－機(jī)－環(huán)”系統(tǒng)受脆弱性特征要素(暴露度→敏感度→適應(yīng)度)遞次作用的規(guī)律，如圖1所示。

圖1 脆弱性遞次演化分析框架Fig．1 Analysis framework of vulnerability subsequent evolution

4．3．2 脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

各領(lǐng)域已構(gòu)建的脆弱性指標(biāo)體系比較成熟的有生態(tài)環(huán)境脆弱性指標(biāo)體系、社會(huì)脆弱性指標(biāo)體系和經(jīng)濟(jì)脆弱性指標(biāo)體系;由于研究者研究方向的差異，安全科學(xué)與工程領(lǐng)域中脆弱性指標(biāo)體系也存在較大的差別。如武強(qiáng)構(gòu)建的煤層突水脆弱性指標(biāo)體系、佟瑞鵬構(gòu)建的社區(qū)安全脆弱性指標(biāo)體系以及宋守信團(tuán)隊(duì)基于脆弱性特征3要素構(gòu)建的脆弱性指標(biāo)體系，如圖2所示。

5 總結(jié)與討論

5.1 安全科學(xué)與工程視域下脆弱性的定義

圖2 脆弱性評(píng)價(jià)二級(jí)指標(biāo)體系Fig．2 Secondary indicator system of vulnerability assessment

目前脆弱性在很多學(xué)科領(lǐng)域已成為研究熱點(diǎn)，不同學(xué)科背景、研究視角和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣缘亩x存在較大差異，但同一個(gè)學(xué)科領(lǐng)域?qū)Υ嗳跣杂邢鄬?duì)統(tǒng)一的定義，有利于脆弱性的研究;安全科學(xué)與工程領(lǐng)域現(xiàn)有的脆弱性定義雖然存在差異，但對(duì)脆弱性特征要素大部分學(xué)者持有脆弱性三要素觀點(diǎn)。本文通過歸納安全科學(xué)與工程領(lǐng)域已有學(xué)者對(duì)脆弱性的定義，結(jié)合系統(tǒng)安全脆弱性的特點(diǎn)，將脆弱性概念概括為:脆弱性是某一擾動(dòng)(例如不良事件發(fā)生)，對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的偏離正常安全狀態(tài)的程度或遭受損害的程度，以及從擾動(dòng)的不利影響(偏離安全狀態(tài))恢復(fù)正常狀態(tài)的程度的綜合考量。脆弱性與韌性是相對(duì)的概念，系統(tǒng)在一定條件下，脆弱性小，則韌性大，脆弱性大，則韌性小。

5.2 深化脆弱性特征要素及要素間關(guān)系研究

通過借鑒其他學(xué)科領(lǐng)域脆弱性特征要素觀點(diǎn)，目前安全科學(xué)與工程領(lǐng)域大多學(xué)者都認(rèn)同三要素，但是缺少聯(lián)系系統(tǒng)安全的特點(diǎn)。比如:在災(zāi)害學(xué)中學(xué)者認(rèn)為擾動(dòng)來源于系統(tǒng)外部，但系統(tǒng)安全中事故的產(chǎn)生大多源于系統(tǒng)內(nèi)部人的不安全行為及物的不安全狀態(tài)。此外，系統(tǒng)安全中險(xiǎn)兆事件發(fā)生的頻率也直接影響著系統(tǒng)安全的脆弱性，故將擾動(dòng)及險(xiǎn)兆事件作為系統(tǒng)安全脆弱性的特征因素很值得進(jìn)一步研究。脆弱性特征要素間并非獨(dú)立或簡(jiǎn)單的遞次關(guān)系，而是存在著相互影響及耦合關(guān)系;在安全科學(xué)與工程領(lǐng)域，如公共安全、生產(chǎn)安全及安全管理等多方面也存在著同樣復(fù)雜、系統(tǒng)的問題，故可借鑒脆弱性在其它領(lǐng)域成熟的研究思路和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合系統(tǒng)安全自身的特點(diǎn)深化脆弱性研究。

5.3 安全科學(xué)與工程領(lǐng)域要完善脆弱性理論模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

理論模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為系統(tǒng)安全脆弱性評(píng)價(jià)的核心內(nèi)容，如果缺少完善的理論模型、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性，目前安全科學(xué)與工程領(lǐng)域脆弱性的研究還不夠深入和全面，所采用的理論模型及評(píng)價(jià)方法大多是借鑒其他學(xué)科領(lǐng)域的，很少結(jié)合系統(tǒng)安全的特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，這將導(dǎo)致脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果不能準(zhǔn)確的反映系統(tǒng)安全脆弱性。未來，需要在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)安全的特點(diǎn)，完善安全科學(xué)與工程領(lǐng)域脆弱性理論模型和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

致謝:

本文得到太原理工大學(xué)煤炭產(chǎn)業(yè)科學(xué)發(fā)展研究中心2017—2018年度開放基金(MAQTYLG－201701)支持，特致謝意。

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