煤礦安全生產(chǎn)成功學理論及動態(tài)安全熵模型

吳大明

（應急管理部 信息研究院，北京 100029）

從煤礦安全生產(chǎn)來看，在傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的指導應用下，世界各國煤礦安全生產(chǎn)形勢有了明顯的好轉(zhuǎn)。例如，美國煤礦生產(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，煤礦事故仍時有起伏，盡管社會對煤礦安全生產(chǎn)投入逐步增加，如安全重視程度加強、科研投入增多、新技術(shù)設(shè)備應用普及加快和安全培訓教育深入等，但是各產(chǎn)煤國家煤礦事故死亡人數(shù)很難實現(xiàn)“零”突破[3-5]。這些表明，傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的指導應用效果已經(jīng)出現(xiàn)了“邊際效應”。因此，亟需通過安全生產(chǎn)理論的創(chuàng)新，來為諸如計算機大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應用奠定基礎(chǔ)，進而實現(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)理論分類與問題

1.1 傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的分類

1）簡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，中斷連鎖進程可以避免事故發(fā)生[6]。

2）復雜線性事故理論。該類理論假設(shè)事故是由一系列不安全行為和潛在風險共同造成的結(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)生的風險會被每片奶酪的防線阻止，但當每片奶酪的孔洞恰巧可以連成一條直線時，就有可能發(fā)生事故，例如機器設(shè)備故障、工人違規(guī)操作和防護設(shè)施失效同時發(fā)生引起的事故。

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

1.2 傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論存在的問題

1）傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論僅是對特殊事件（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，其理論的提出是應用從特殊（事故）到一般（全部事件，即生產(chǎn)活動中相關(guān)所有事件的總和）的歸納法，即通過對事故發(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。這是應用歸納法總結(jié)規(guī)律特點時存在的本質(zhì)上缺陷，即對特殊事件總結(jié)的規(guī)律未必能適用全部事件的預防。

2）傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論無法充分利用事件全程的數(shù)據(jù)信息。生產(chǎn)經(jīng)營活動的成功事件（未發(fā)生事故的事件）數(shù)據(jù)要遠遠大于事故數(shù)據(jù)，但是應用傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論對成功事件進行解釋時，只能夠從不具備事故發(fā)生的條件給予粗略的解釋，無法對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[10-11]。

2 煤礦安全生產(chǎn)成功學理論

通過對傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的定性分析，以煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域為研究對象，提出煤礦安全生產(chǎn)成功學理論。即煤礦安全生產(chǎn)成功學是以研究系統(tǒng)動態(tài)過程變化信息為目的，應用相關(guān)方法尋找系統(tǒng)在實現(xiàn)其功能的動態(tài)過程中維系自身穩(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，進而達到系統(tǒng)安全。在這里，將“系統(tǒng)”定義為一般事物的獨立單元，是由1個或多個組分組成的有機整體，它可以是煤礦生產(chǎn)作業(yè)中的1個掘進面、1臺機器或1名礦工；將“系統(tǒng)動態(tài)過程”定義為系統(tǒng)在實現(xiàn)某項目標期間所觸發(fā)的一切事件，這個事件可能是單一的事件或復雜的多個事件，如1名礦工彎腰拾起工具是單一的簡單事件，或者是1個洗選車間在一段時間內(nèi)所發(fā)生的一切事件；將“方法”定義為分析研究問題的思路辦法，如相關(guān)模型的提出以及在此基礎(chǔ)上對問題的解決；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臺機器的運行參數(shù)未發(fā)生變化，或者是車間內(nèi)的物品發(fā)生移動，但未對車間的正常運行造成影響；將“規(guī)律和特點”定義為為了維持系統(tǒng)狀態(tài)不變，通過分析（如對以往目標實現(xiàn)時系統(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)在實現(xiàn)其功能時的各個組成未發(fā)生質(zhì)的變化，如生產(chǎn)完成后，機器未損壞，礦工未傷亡。

3 煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)與應用前景

3.1 煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)

基于煤礦安全生產(chǎn)成功學理論，提出構(gòu)建煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)，進一步來說明煤礦安全生產(chǎn)成功學理論關(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個模塊，煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)構(gòu)成如圖1，這樣就將系統(tǒng)的研究分解到每個模塊。對于每個模塊，按照煤礦安全生產(chǎn)成功學理論，要掌握其發(fā)展過程中的動態(tài)信息，并且為了提高信息的利用率和判斷的準確性，模塊的背景信息也要掌握。在應用中，應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)挖掘等計算機技術(shù)，對維系模塊狀態(tài)正常發(fā)展的相關(guān)信息數(shù)據(jù)進行分析和研究，找出規(guī)律并制定措施。通過措施的實施，基于各模塊的系統(tǒng)也保持了整體的狀態(tài)正常，從而達到系統(tǒng)安全。

圖1 煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)構(gòu)成

3.2 煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)應用前景

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

4 煤礦安全生產(chǎn)成功學理論與傳統(tǒng)理論對比分析

1）研究思路不同。煤礦安全生產(chǎn)成功學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題的角度和解決問題的方式也不同。

2）研究內(nèi)容不同。煤礦安全生產(chǎn)成功學理論是基于煤礦安全生產(chǎn)領(lǐng)域，研究內(nèi)容主要為煤礦生產(chǎn)活動中各類事件發(fā)展過程狀態(tài)不變的規(guī)律和特點，注重的是事件發(fā)展的動態(tài)全過程，如通過收集系統(tǒng)運行時的信息數(shù)據(jù)，將其與成功事件對應運行過程的信息數(shù)據(jù)進行對比，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)注各個領(lǐng)域，研究內(nèi)容主要是導致事故發(fā)生的原因和影響因素，注重的是系統(tǒng)發(fā)展過程中引發(fā)事故的節(jié)點或節(jié)點附近的規(guī)律和特點，主要收集系統(tǒng)風險隱患數(shù)據(jù)并與事故條件對比，判斷事故發(fā)生的可能性。

3）應用方式不同。煤礦安全生產(chǎn)成功學理論的應用是找出保持煤礦生產(chǎn)過程中系統(tǒng)發(fā)展狀態(tài)不變的規(guī)律，提出保持系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定的措施和辦法；傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論的應用是找出事件轉(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)標準和研發(fā)相關(guān)防護設(shè)備。

5 基于煤礦安全生產(chǎn)成功學理論的動態(tài)安全熵模型

5.1 基于熵的安全生產(chǎn)理論辨析

物理熱力學第二定律指出，孤立系統(tǒng)的熵值會不斷增加，直到達到平衡狀態(tài)[13-14]。應用該理論對系統(tǒng)分析可以發(fā)現(xiàn)，一個不受外界干擾的系統(tǒng)熵值是不斷增加的，即無序性逐漸達到最大化，這時系統(tǒng)就有可能發(fā)生事故了。因此，若想保證系統(tǒng)安全，應從外界注入使其熵值不增加的最小能量，保持系統(tǒng)的無序性不發(fā)生變化，甚至在能量過多的情況下，使系統(tǒng)的無序性減小，實現(xiàn)了增強系統(tǒng)安全。例如，安全生產(chǎn)工作中的加強安全管理、加大安全投入和強化安全生產(chǎn)培訓教育，這些都可以理解為向系統(tǒng)輸入外界能量，進而降低系統(tǒng)的熵值。但是，傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論中事故預防的對策措施更多的是一次性的能量注入，實現(xiàn)短時間內(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，然而這種方式不能徹底改變系統(tǒng)時刻的無序性增加。所以，會發(fā)現(xiàn)，盡管礦工接受了安全培訓教育，但仍會發(fā)生誤操作。而從煤礦安全生產(chǎn)成功學來看，只有對事件全過程的關(guān)注和干預才能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)熵值的動態(tài)穩(wěn)定，進而實現(xiàn)安全。

因此，提出基于煤礦安全生產(chǎn)成功學理論的動態(tài)安全熵模型。通過模型的構(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，進而開展收集、分析、趨勢研判和干預等工作。對于簡單的單一系統(tǒng)，實現(xiàn)其安全的唯一辦法就是保證其熵值在時間尺度上不增加；而對于由若干組成部分組成的復雜系統(tǒng)，保持系統(tǒng)的熵值不增加，一個方式是保持系統(tǒng)的每個組成部分的熵值均不增加，另一個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個部分組成的系統(tǒng)，為了使每個部分的熵值不增加，最有效的辦法是對每部分施加持續(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)理論的角度來看，可以通過增加監(jiān)察人員的頻次來干預，但有時會出現(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)帶來沉重的負擔；而從煤礦安全生產(chǎn)成功學理論來看，其解決問題的方法是通過收集系統(tǒng)組成部分發(fā)展過程中的信息，對信息進行分析、對比和判斷，有針對性的加以干預并降低該組成部分的熵值，如可以通過儀器監(jiān)測人員身體狀態(tài)變化的信息，如果某時收到人員眼皮跳動頻率發(fā)生變化的信號，通過與正常范圍數(shù)值的對比，判斷人員可能疲勞或精神溜號，并以提醒或強制休息等方式對其進行干預，使其熵值快速下降。同理，系統(tǒng)的各個組成部分都可以通過信息的不斷采集、對比和分析判斷，來采取措施保持各組分熵值不增加，實現(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)是一個有機的整體，其各組成部分之間處于相互作用的動態(tài)過程，為實現(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減少對應的熵值，這樣就能實現(xiàn)系統(tǒng)的安全。以煤礦提升作業(yè)為例，假設(shè)系統(tǒng)僅有操作司機和提升系統(tǒng)2個組分部分，為了實現(xiàn)整體熵值不發(fā)生變化，要么司機的熵值增加和提升系統(tǒng)的熵值減小相等，要么司機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)理論的角度來看，一種方法是對人機系統(tǒng)均增加外界干預，另一種方法是考慮到彈性安全理論，可以在人機系統(tǒng)的某個方面?zhèn)戎氐脑黾油饨绺深A，但是這2種方法的應用均會隨著要求的提高而投入增大。而從煤礦安全生產(chǎn)成功學理論來看，隨著工作時間的增加，司機的熵值會逐漸增大，在此過程中，可以收集司機狀態(tài)的變化，將其反饋給提升系統(tǒng)，提升系統(tǒng)通過對采集數(shù)據(jù)的智能化自適性學習來提高其自身運行的有序性，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)實現(xiàn)了自動化運行[15]。

實際中，該模型應用的難度在于無法準確把握系統(tǒng)不同組分熵值增減變化的差值，因此在應用時，一是盡可能的深入挖掘各組分的信息，對收集的數(shù)據(jù)進行合理的計算和分析，提高走勢研判準確性；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為在一定程度上實現(xiàn)了系統(tǒng)安全。

6 結(jié)語

基于演繹法提出了煤礦安全生產(chǎn)成功學理論，相對于傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論，該理論更側(cè)重于系統(tǒng)發(fā)展過程中的動態(tài)變化，即通過過程的干預來維持系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定，進而實現(xiàn)安全。建立了煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)，結(jié)合計算機技術(shù)應用分析了煤礦安全生產(chǎn)成功學系統(tǒng)應用的可能性與前景。引入了熵理論對煤礦安全生產(chǎn)成功學理論論證，構(gòu)建了2種動態(tài)安全熵模型，進一步比較了傳統(tǒng)安全生產(chǎn)理論和煤礦安全生產(chǎn)成功學理論的差異，指出通過外界能量注入等手段來維持動態(tài)系統(tǒng)熵值不增加或減少是實現(xiàn)安全的重要途徑。