基于管理熵的輸氣站安全管理分析

易明慧 鄒小軍

（1.中國(guó)石化天然氣分公司廣西天然氣管道有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545001；2.廣西聯(lián)通南寧分公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著我國(guó)天然氣事業(yè)的蓬勃發(fā)展，天然氣輸氣站安全日益成為天然氣企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。輸氣站施工類型多種多樣，對(duì)技術(shù)水平有較高的要求，并且人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)頻頻出現(xiàn)，使得管理難度大大增加[1]。因此，建立輸氣站安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用合理的數(shù)學(xué)模型對(duì)安全管理水平進(jìn)行評(píng)價(jià)是筆者研究的關(guān)鍵問題。

1 基于管理熵安全管理水平評(píng)價(jià)的科學(xué)性分析

管理熵Brusselator模型指出：系統(tǒng)只有不斷從外界引入負(fù)熵來抑制系統(tǒng)內(nèi)部正熵的增加，才能不斷使自身趨于有序運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)外部環(huán)境變化的目的，即在系統(tǒng)負(fù)熵和正熵之間存在一種特定關(guān)系，當(dāng)負(fù)熵輸入較低無法抑制正熵增加時(shí)，系統(tǒng)趨于無序化；隨著負(fù)熵的不斷增大，系統(tǒng)不斷趨于有序；當(dāng)負(fù)熵的輸入超過一定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)成為耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)從低層次向高層次有序地越遷，而這種“耗散結(jié)構(gòu)”系統(tǒng)就能保持與環(huán)境的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)快速持續(xù)發(fā)展[2]。管理熵能夠?qū)ο到y(tǒng)中的不確定性進(jìn)行有效度量，同時(shí)安全管理系統(tǒng)是開放、動(dòng)態(tài)、非線性且遠(yuǎn)離原始態(tài)的，是以耗散結(jié)構(gòu)形式存在的[3]。因此，利用管理熵和Brusselator模型相結(jié)合的方式對(duì)輸氣站安全管理進(jìn)行評(píng)價(jià)具有科學(xué)合理性。

2 輸氣站安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

以層次分析法中的遞階層次結(jié)構(gòu)思想為基礎(chǔ)，通過對(duì)輸氣站安全管理構(gòu)成要素進(jìn)行分析，將輸氣站安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為正熵流和負(fù)熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)兩個(gè)熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行詳細(xì)的指標(biāo)分解。

2.1 正熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

正熵來源于系統(tǒng)內(nèi)部，是系統(tǒng)無序化的根本原因。系統(tǒng)的內(nèi)部矛盾致使系統(tǒng)無序化并不斷增強(qiáng)的過程即為系統(tǒng)正熵增加，內(nèi)部因素歸于有序即為系統(tǒng)正熵減少?，F(xiàn)將輸氣站安全管理內(nèi)部系統(tǒng)分為制度、人員、設(shè)備、勞保用品、操作、安全培訓(xùn)與溝通7部分，從這7個(gè)方面建立輸氣站安全管理的正熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

2.2 負(fù)熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

負(fù)熵來自系統(tǒng)的外部環(huán)境，是系統(tǒng)歸于有序的根源。外部環(huán)境的輸入有利于系統(tǒng)運(yùn)行即為負(fù)熵增加，外部環(huán)境的輸入不利于系統(tǒng)運(yùn)行即為負(fù)熵減少。負(fù)熵的增加能夠減少正熵給系統(tǒng)運(yùn)行帶來的消極影響，且負(fù)熵的產(chǎn)生并不是自發(fā)的，想要生成負(fù)熵，外部環(huán)境必須對(duì)系統(tǒng)輸入有利于系統(tǒng)運(yùn)行的因素?，F(xiàn)將輸氣站安全管理系統(tǒng)外部環(huán)境分為企業(yè)環(huán)境和行業(yè)環(huán)境兩部分，從這兩個(gè)方面建立輸氣站安全管理的負(fù)熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖1 輸氣站安全管理正熵流評(píng)價(jià)體系圖

圖2 輸氣站安全管理負(fù)熵流評(píng)價(jià)體系圖

3 安全管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系管理熵流的計(jì)算

從物理學(xué)角度看，熵作為分子運(yùn)動(dòng)的無序度的度量，熵值越大，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)越無序。系統(tǒng)的熵值可以從分子排列方式的統(tǒng)計(jì)中得出，設(shè)系統(tǒng)有兩種物質(zhì)，A物質(zhì)有n1個(gè)分子，B物質(zhì)有n2個(gè)分子，系統(tǒng)的熵值可由玻爾茲曼公式計(jì)算：E＝klnΩ，其中k為比例系數(shù)，Ω為系統(tǒng)中兩種物質(zhì)分子的微觀排列[4]。熵權(quán)法、層次分析法及專家打分法等方法都能夠確定各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，但是層次分析法和專家打分法的主觀性較強(qiáng)，根據(jù)計(jì)算出的各指標(biāo)熵值，通過熵權(quán)法能夠更快更準(zhǔn)確地得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

3.1 正熵流計(jì)算

根據(jù)輸氣站安全管理正熵流指標(biāo)體系，各個(gè)指標(biāo)的比重為：

式中，為第i個(gè)指標(biāo)下第j個(gè)子項(xiàng)的比重；xAij為第i個(gè)指標(biāo)下第j個(gè)子項(xiàng)的分值。

令為各指標(biāo)的子項(xiàng)數(shù)，則正熵流指標(biāo)體系中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值eAi為：

其中，0≤eAi≤1，第i項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)為：

式中，λAi為第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)；m為指標(biāo)數(shù)。

安全管理正熵為：

3.2 負(fù)熵流計(jì)算

根據(jù)輸氣站安全管理負(fù)熵流指標(biāo)體系，各個(gè)指標(biāo)的比重為：

式中，為第i個(gè)指標(biāo)下第j個(gè)子項(xiàng)的比重；xBij為第i個(gè)指標(biāo)下第j個(gè)子項(xiàng)的分值。

為使A與B的數(shù)值在同一數(shù)域，令n為各指標(biāo)的子項(xiàng)數(shù)，則負(fù)熵系統(tǒng)中各評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值eBi為：

其中，-2≤eBi≤0，第i項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)為：

式中，λBi為第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)；m為指標(biāo)數(shù)。

安全管理負(fù)熵為：

4 輸氣站安全管理體系耗散結(jié)構(gòu)判斷

4.1 Brusselator模型簡(jiǎn)介

Brusselator模型的化學(xué)反應(yīng)式如下所示：式中，A、B為初始反應(yīng)物，在化學(xué)反應(yīng)中不斷消耗的同時(shí)又不斷從外界得到補(bǔ)充；D、E為化學(xué)反應(yīng)的生成物，生成之后就不再產(chǎn)生變化；X、Y為反應(yīng)過程的中間物質(zhì)，在化學(xué)反應(yīng)中不斷生成的同時(shí)又不斷被化學(xué)反應(yīng)所消耗；K1、K2、K3、K4為動(dòng)力學(xué)常數(shù)。

假設(shè)動(dòng)力學(xué)常數(shù)為1，則該化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程可以轉(zhuǎn)化為：

令可求得該方程的唯一均勻定態(tài)解：

在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)附近對(duì)系統(tǒng)作線性穩(wěn)定性分析，成為耗散結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)臨界值的條件為：

4.2 輸氣站安全管理體系耗散結(jié)構(gòu)的判斷

根據(jù)Brusselator模型，對(duì)其化學(xué)反應(yīng)過程與輸氣站安全管理系統(tǒng)熵變過程進(jìn)行對(duì)應(yīng)。設(shè)初始反應(yīng)物A為系統(tǒng)正熵，B為系統(tǒng)負(fù)熵；反應(yīng)生成物D為非耗散結(jié)構(gòu)，E為耗散結(jié)構(gòu)；反應(yīng)過程的中間物質(zhì)X、Y分別為正熵指標(biāo)的可量化因子和負(fù)熵指標(biāo)的可量化因子。如式（9）所示，在K1階段，輸氣站安全管理系統(tǒng)在內(nèi)部正熵A的作用下演化為正熵指標(biāo)可量化因子X；在K2階段，系統(tǒng)在外部負(fù)熵B的作用下，不斷消耗內(nèi)部正熵A給系統(tǒng)帶來的不良影響，并演化為負(fù)熵指標(biāo)可量化因子Y和非耗散結(jié)構(gòu)D；在K3、K4階段，正負(fù)熵可量化因子相互作用，演變?yōu)榉€(wěn)定、有序的耗散結(jié)構(gòu)E。正熵A和負(fù)熵B隨著可量化因子X、Y的非線性作用而發(fā)生變化，只有滿足式（12）時(shí)，系統(tǒng)才產(chǎn)生自組織行為。結(jié)合式（8）可以得出輸氣站安全管理系統(tǒng)成為耗散結(jié)構(gòu)的判據(jù)，如下所示：

5 實(shí)例分析

5.1 調(diào)查數(shù)據(jù)

筆者以X輸氣站為對(duì)象進(jìn)行分析，根據(jù)正負(fù)熵流指標(biāo)體系，通過問卷調(diào)查方法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在輸氣站負(fù)責(zé)人的幫助下，發(fā)放問卷100份，其中有效問卷92份，用A、B、C、D、E分別代表很高、較高、一般、較低、很低的指標(biāo)程度。

5.2 X輸氣站管理熵的計(jì)算

由輸氣站安全管理正熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可知：m＝21，n＝5。根據(jù)式（1）、式（2）、式（3）、式（4）以及調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行正熵的計(jì)算，結(jié)果如表1所示。由輸氣站安全管理負(fù)熵流評(píng)價(jià)指標(biāo)體系可知：m＝10，n＝5。根據(jù)式（5）、式（6）、式（7）、式（8）以及調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行負(fù)熵的計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表1 X輸氣站安全管理正熵計(jì)算結(jié)果表

5.3 X輸氣站安全管理體系耗散結(jié)構(gòu)分析

由表1、表2可知：X輸氣站安全管理正熵值A(chǔ)＝0.766377，負(fù)熵值B＝-1.450704。因此，1＋A2＝1.587334＞|B|。根據(jù)系統(tǒng)為耗散結(jié)構(gòu)的判據(jù)式（13）可推斷出X輸氣站安全管理系統(tǒng)處于非耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)。究其原因，是由于其安全管理系統(tǒng)正熵偏高和負(fù)熵偏低兩方面因素造成的，一方面致使正熵偏高的主要原因?yàn)椋簡(jiǎn)T工安全心理素質(zhì)不夠高，熵值為0.902753；安全監(jiān)督檢查頻率及全面性不足，熵值為0.940134；安全培訓(xùn)覆蓋不夠全面，熵值為0.897618；安全溝通全面性不足，熵值為0.855313。另一方面致使負(fù)熵偏低的主要原因有：輸氣站對(duì)創(chuàng)新支持力度不夠，熵值為-1.69276；輸氣站安全投入水平不足，熵值為-1.61343；行業(yè)結(jié)構(gòu)合理性不夠，熵值為-1.59945。

表2 X輸氣站安全管理負(fù)熵計(jì)算結(jié)果表

X輸氣站處于非耗散結(jié)構(gòu)狀態(tài)，若不根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果中正熵偏高和負(fù)熵偏低的指標(biāo)對(duì)安全管理工作進(jìn)行調(diào)整，其安全管理系統(tǒng)無序性將不斷增強(qiáng)并逐漸衰落。輸氣站要進(jìn)行有針對(duì)性的整改，才能更好地適應(yīng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)輸氣站安全管理系統(tǒng)由非耗散結(jié)構(gòu)向耗散結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變[5]。

6 結(jié)束語

筆者從管理熵和耗散結(jié)構(gòu)的角度對(duì)輸氣站安全管理進(jìn)行嘗試，有助于從新視角認(rèn)識(shí)輸氣站安全管理。用計(jì)算輸氣站安全管理系統(tǒng)正熵和負(fù)熵的方式，定量地了解輸氣站安全管理存在的問題和不足，從而有針對(duì)性地對(duì)輸氣站安全管理出現(xiàn)的問題和不足采取相應(yīng)措施，促使安全管理工作更有成效。

[1]鄒小軍，賀軍.提高采油廠承包商安全管理水平[J].現(xiàn)代職業(yè)安全，2016（7）：38.

[2]鄒小軍.采油廠安全管理評(píng)價(jià)研究[D].成都：西南石油大學(xué)，2015.

[3]張鐵男，程寶元，張亞娟.基于耗散結(jié)構(gòu)的企業(yè)管理熵Brusselator模型研究[J].管理工程學(xué)報(bào)，2010（3）：103-108.

[4]張景林，蔡天富.對(duì)安全系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制的探討—安全系統(tǒng)本征與結(jié)構(gòu)[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2006（5）：16-21.

[5]伊·普利高津.從混沌到有序[M].上海：上海世紀(jì)出版集團(tuán)，2005：174-197.