突變理論在煤礦事故預(yù)防的應(yīng)用研究

寧波遠(yuǎn)景汽車零部件有限公司 崔韞峰

■事故突變理論及其研究

突變理論(Catastrophe Theory)是法國數(shù)學(xué)家勒內(nèi)托姆(Rene Thom)教授于20 世紀(jì)60 年代中期創(chuàng)立的。傳統(tǒng)的微積分、微分方程對那種連續(xù)的和光滑變化的現(xiàn)象給予了成功的描述，而在解釋不連續(xù)和突變現(xiàn)象面前卻顯得束手無策。突變論運(yùn)用微積分拓?fù)鋵ζ纥c(diǎn)性質(zhì)的研究成果，包括分類定理，對突變現(xiàn)象做出了成功的解釋。

突變理論是研究在連續(xù)發(fā)展過程中出現(xiàn)的突然變化的現(xiàn)象，以及突然變化與連續(xù)變化因素之間的關(guān)系。將突變理論應(yīng)用于事故預(yù)防管理中，建立事故突變理論非常必要。突變理論系統(tǒng)的函數(shù)如下：

式中，Φ為系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)ti的集合，Φ={t1,t2,…，tn}；Ψ為系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)ui的集合，Ψ={u1,u2,…，un}。

突變理論的創(chuàng)始人托姆已證明，只要控制變量集7 中的控制變量個數(shù)不多于4 個，在某種等價(jià)意義下，V函數(shù)只會有7 種基本突變形式。他們是尖頂突變、折疊突變、燕尾突變、蝴蝶突變、雙曲臍點(diǎn)突變、橢圓臍點(diǎn)突變和拋物臍點(diǎn)突變。其中，尖頂突變是指只有2 個控制變量和一個狀態(tài)變量的機(jī)構(gòu)，只存在一種突變形式。對于控制平面上的每一點(diǎn)，即對于2 個控制變量的每一個組合，至少存在一個最可能的行為，即得到一個行為點(diǎn)，這些行為點(diǎn)組成行為曲面。尖頂突變理論模型表明行為曲面在中間發(fā)生折疊。在表示最少可能行為的中間葉，控制變量的微小變化可能導(dǎo)致狀態(tài)變量的急劇突變。尖頂突變的幾何圖形如圖1所示。

圖1 尖頂突變的流形與折疊線

鑒定突變的突變流形分成上、中、下三葉，上下兩葉是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，中葉是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在從上葉到下葉或從下葉到上葉的轉(zhuǎn)換中，如果跨越了折疊線，則發(fā)生突跳。所有的突變形式都存在著同樣的突變特征，如多模態(tài)特征：上下兩葉狀態(tài)不同；突跳特征：經(jīng)過折疊線時(shí)發(fā)生突跳；不可達(dá)特征：中葉不能到達(dá)；發(fā)散特征：一個小的變化導(dǎo)致狀態(tài)完全不同及滯后等。

■事故發(fā)生原因的系統(tǒng)分析

在人機(jī)系統(tǒng)中，人始終都處于主體地位。人是機(jī)器設(shè)備的創(chuàng)造者和操縱控制者，機(jī)器則是被制造被控制的對象。人機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)作過程中發(fā)生事故的原因如下。

1.系統(tǒng)功能被破壞

比利時(shí)布魯塞爾大學(xué)的心理學(xué)家法維爾日認(rèn)為：人們試圖從操作上，從人與環(huán)境相互作用過程出發(fā)分析事故的發(fā)生；就廣義而言，甚至把事故視為生產(chǎn)過程的任何未預(yù)見到的中斷，以此為根據(jù)對于機(jī)器或材料像對于造成工人創(chuàng)傷的不幸事件那樣來研究。事故是系統(tǒng)活動的副產(chǎn)品，人們力求避免它，從而改進(jìn)整個系統(tǒng)。法維爾日認(rèn)為：任何事故之前都有系統(tǒng)功能的破壞(功能紊亂)，即有一個相期，其間系統(tǒng)的某些成分不能充分執(zhí)行自己的功能或者執(zhí)行的不是它固有的功能。這些情況經(jīng)常在系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不適當(dāng)、結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)功能的情況下發(fā)生。

2.反饋機(jī)制不健全

系統(tǒng)能動地發(fā)揮其功能，就是因?yàn)橛蟹答伈粩嗟匕严到y(tǒng)對環(huán)境作用的結(jié)果作為信息返回到系統(tǒng)中去，使系統(tǒng)不斷進(jìn)行調(diào)節(jié)。正因?yàn)椴粩喾答佌{(diào)節(jié)，所以不管環(huán)境怎樣變化，系統(tǒng)都能正確地反應(yīng),系統(tǒng)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性也由此體現(xiàn)。人機(jī)系統(tǒng)的每個組成單位，如果缺乏必要的信息、缺乏加工信息的程序和指令，沒有對信息的適當(dāng)?shù)膽?yīng)答反應(yīng)，危險(xiǎn)的反應(yīng)行為就可能在該單位發(fā)生。例如，生產(chǎn)現(xiàn)場的運(yùn)輸通道可能由幾個單位共同使用，而彼此又互不通信息，沒有調(diào)控的程序和制度，事故就容易產(chǎn)生。事故最容易產(chǎn)生在各單位的交界結(jié)合部位。

3.系統(tǒng)存在薄弱環(huán)節(jié)

在人機(jī)系統(tǒng)不能充分完成生產(chǎn)計(jì)劃時(shí)，人們往往企圖以損害事故預(yù)防的辦法提高產(chǎn)量，使系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一些違規(guī)的行為。這時(shí)整個系統(tǒng)正常的運(yùn)作規(guī)律被打破，從而系統(tǒng)就產(chǎn)生了薄弱的環(huán)節(jié)，這樣最薄弱環(huán)節(jié)的功能首先失效，繼之影響相關(guān)環(huán)節(jié)功能失調(diào)，事故就必然發(fā)生。

4.事故的“多米諾”現(xiàn)象

人機(jī)系統(tǒng)中任何環(huán)節(jié)發(fā)生事故或停頓，都會破壞整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，由此必須停產(chǎn)或半停產(chǎn)進(jìn)行修復(fù)工作。統(tǒng)計(jì)研究表明：不幸事件的數(shù)量在完成修復(fù)工作前，大大高于正常工作時(shí)期，這就是事故的連鎖反應(yīng)。這一規(guī)律對事故預(yù)防有非常重要的意義，“禍不單行”講的就是這一規(guī)律。

5.人為事故是事故的主要原因

人是人機(jī)系統(tǒng)的主體，機(jī)器的錯誤歸根到底是由于人的設(shè)計(jì)或操作錯誤造成的。尤其是現(xiàn)代自動設(shè)備的廣泛使用，把體力勞動型的工人變成“腦力勞動型”的工人，在現(xiàn)場操作人員中，感知決策功能比體力操作功能占優(yōu)勢。有研究材料表明：肌內(nèi)功能的份量總共只占5%左右。所以，操作人員觀察信號，發(fā)現(xiàn)情況，區(qū)別解釋這些信號，以及思維判斷決策等心理活動，對事故預(yù)防特別重要。

6.客觀環(huán)境是事故發(fā)生的外在誘因

環(huán)境條件的優(yōu)劣直接影響人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn),環(huán)境將引起人的精神、體力和思維的變動，從而改變?nèi)说恼Ｐ袨?，造成事故的隱患。有研究材料表明：溫度、濕度、通風(fēng)、噪聲、采光等與人體不適，都是導(dǎo)致事故發(fā)生的原因。

■突變理論在事故預(yù)防管理中的應(yīng)用

煤礦企業(yè)具有人員多、作業(yè)分散、設(shè)備設(shè)施多、分布面廣、自然條件惡劣、不安全因素多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、管理困難等特點(diǎn)，工作場所處于經(jīng)常變化之中，自然災(zāi)害和生產(chǎn)事故的危險(xiǎn)源始終影響和制約著煤礦的安全生產(chǎn)。對于煤礦這樣的復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)，緊緊依靠安全技術(shù)系統(tǒng)的可靠性和人的可靠性，不足以杜絕事故，而直接影響安全技術(shù)系統(tǒng)可靠性和人的可靠性的組織管理因素，已經(jīng)成為是否導(dǎo)致復(fù)雜系統(tǒng)事故發(fā)生的深層次原因。事物的安全演變過程具有流變突變的特點(diǎn)，即事物發(fā)展過程一般符合R-M規(guī)律。R-M的全過程，如圖2可以表述為：當(dāng)某一事物誕生后的初期(OA階段)，損傷量隨時(shí)間呈減速遞增，新秩序在此期間逐漸形成和完善。當(dāng)新秩序發(fā)展到成熟階段時(shí)(AB階段)，完善的新秩序使損傷量勻速緩慢增加。經(jīng)過一個穩(wěn)定增加的時(shí)期后，原秩序?qū)⒃俅蜗驘o序方向發(fā)展，進(jìn)而損傷量開始加速增大(BC段)。任何事物都具有其固有的損傷量承受能力或界限。超出此限后，事物將發(fā)生安全流變。事物發(fā)生安全流變時(shí)的損傷值即為該事物的臨界損傷量。當(dāng)原秩序被破壞后，事物又開始回歸到一個新的安全狀態(tài)，即損傷量為新的近似零值，原事物的秩序消失，從而又形成了另一個同類新事物誕生的起點(diǎn)(D點(diǎn))。物質(zhì)世界就是在安全到危險(xiǎn)的無限循環(huán)中存在和發(fā)展的。

圖2 安全流變一突變示意圖

事故的發(fā)生是由于人的因素(安全意識、安全教育、管理水平、應(yīng)變能力、身體素質(zhì)等)和物的因素(工作條件、機(jī)器的故障、自動化程度、保護(hù)裝置等)共同作用的結(jié)果。在此把人的因素H和物的因素M作為兩個控制參數(shù)，把生產(chǎn)能力或系統(tǒng)功能F作為狀態(tài)參數(shù)。利用突變理論可建立事故致因的尖頂突變模型，如圖3 所示。

圖3 事故致因尖頂突變模型

圖3為事故致因尖頂突變模型的突變流形和分叉集。曲面的上葉表示系統(tǒng)功能好，指生產(chǎn)狀況、安全水平俱佳。下葉表示系統(tǒng)功能壞，指生產(chǎn)中斷，人受傷害、物質(zhì)受損壞的狀態(tài)。從上葉到下葉或從下葉到上葉系統(tǒng)功能的突跳就是事故發(fā)生。

利用這樣的尖頂突變理論，可以對事故致因做出合理的解釋。在煤礦的作業(yè)中，由于工作的環(huán)境、人員的素質(zhì)、使用的機(jī)器設(shè)備、加上管理的組織的不良，從而事故的隱患慢慢地顯露，以至于事故的發(fā)生。也就是當(dāng)人的因素H和物的因素M同時(shí)惡化時(shí)，就有可能使系統(tǒng)功能F急劇惡化，如圖3 中曲線abcd，其中b-c是系統(tǒng)功能F的突跳，變化值vF=F(Hb,Mb) -F(Hc,Mc)，是由b到c時(shí)系統(tǒng)發(fā)生事故。相應(yīng)的在分叉集上就是一條經(jīng)過分叉集兩個邊緣的曲線。進(jìn)一步分析，當(dāng)H、M惡化程度不一樣時(shí)，F(xiàn)產(chǎn)生的突跳程度也不一樣。見曲線a1b1c1d1和a2b2c2d2,則b1-c1的突跳vF1=F(Hb1,Mb1) -F(Hc1,Mc1),vF2=F(Hb2,Mb2) -F(Hc2,Mc2)，明顯vF1＜vF2，也即前者是小型事故，后者為重大事故。反映到分叉集上是兩條跨越分叉集程度不一樣的曲線。當(dāng)突變流形上的曲線在由上葉向下葉發(fā)展時(shí)，如果不經(jīng)過折疊線，雖然也會導(dǎo)致生產(chǎn)能力的降低和系統(tǒng)功能的惡化，但不會發(fā)生事故，如曲線a3b3。在事故致因尖頂突變模型的突變流形上選擇不同的點(diǎn)，通過分析不同點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)換，將得到許多重要的結(jié)論。如圖4 所示,選擇從A到J共8 個點(diǎn)形成的幾何圖形進(jìn)行討論。

圖4 事故模型分析

B-A及B-C：當(dāng)只有一個控制變量惡化，即僅有物的因素M惡化或人的因素H惡化，而另一個控制變量處于極佳狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)功能F不會發(fā)生突跳，即不會發(fā)生事故，但系統(tǒng)功能將逐漸降低。

A-G-E：當(dāng)兩個控制變量同時(shí)惡化時(shí)，即由于人的H不安全行為和物的M不安全狀態(tài)，事故就不可避免地發(fā)生。此時(shí)F一定產(chǎn)生突跳。

C-B：當(dāng)一個控制狀態(tài)變量良好時(shí)，提高另一個控制變量的狀態(tài)，就能提高狀態(tài)變量值。即在機(jī)器設(shè)備條件良好時(shí)，提高工人的安全素質(zhì)，加強(qiáng)安全管理和安全監(jiān)察，就能提高安全生產(chǎn)水平和勞動生產(chǎn)效率。這也證明安全工作和生產(chǎn)是一致的。

D-I-J：如果在機(jī)器設(shè)備環(huán)境極差的不安全環(huán)境中盲目強(qiáng)調(diào)人的主觀意識，則非但不能提高系統(tǒng)功能，而且必然穿過折疊線使F發(fā)生突跳，導(dǎo)致事故的發(fā)生。

D-C-B：當(dāng)系統(tǒng)的兩個狀態(tài)變量都很糟糕時(shí)，即當(dāng)H、M很差時(shí)，提高系統(tǒng)安全性的方案是：首先應(yīng)提高M(jìn)的本質(zhì)安全水平(D-C)，然后提高H的安全水平，這樣才能繞過折疊線，在避免事故發(fā)生的前提下提高系統(tǒng)的安全性。

■減少事故發(fā)生的預(yù)防管理措施

1.提高人對安全認(rèn)識的觀念

安全是生命的保障和基礎(chǔ),如果沒有安全，生命就失去了基礎(chǔ)和保障，就失去了生活的價(jià)值和意義，人的一切活動都是徒勞的。只有人提高了對安全的認(rèn)識，理解了安全對人生命的價(jià)值，人們才能從根本上建立安全的觀念，從安全出發(fā)對待任何活動。

2.加強(qiáng)人們對安全知識的學(xué)習(xí)

通過對安全知識的學(xué)習(xí)，了解事故發(fā)生的原因和規(guī)律，掌握預(yù)防和控制事故發(fā)生方法和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自保和他保的目的。通過學(xué)習(xí)安全知識，提高人們的安全意識，制止一些違規(guī)和違法的行為。

3.建立安全生產(chǎn)的激勵和約束機(jī)制

人是事故源的第一因素，只有人的安全行為，才能獲得安全的活動。人有其發(fā)展的客觀規(guī)律，而且人有主觀能動性，只有引導(dǎo)和激勵其發(fā)展，才能使人的行為安全，同時(shí)建立合理的約束機(jī)制，約束一些外界客觀因素對人主觀因素的偏離導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)安全責(zé)任制。

4.建立科學(xué)的設(shè)備、設(shè)施檢驗(yàn)、監(jiān)測和維修制度

事故的發(fā)生除了人的不安全行為，就是物的不安全狀態(tài)，這是事故發(fā)生的源泉之一。只有建立科學(xué)合理的設(shè)備、設(shè)施檢驗(yàn)、監(jiān)測和維修制度，才能從根本上發(fā)現(xiàn)和消除物的不安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)物的本質(zhì)安全，達(dá)到安全生產(chǎn)。

5.創(chuàng)造良好的工作和生活環(huán)境

人、物是在一個生產(chǎn)環(huán)境中，環(huán)境對人、物都有特定的影響，只有建立合理的工作環(huán)境，才能避免環(huán)境對人、物產(chǎn)生的不利影響，實(shí)現(xiàn)安全的目的。

6.改變落后安全管理的觀念,提高安全管理水平

安全管理實(shí)現(xiàn)安全的重要手段和有效的方法，只有改變那種滯后的事故管理，變成超前隱患預(yù)防管理，同時(shí)利用科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代化的管理思想提高安全管理的水平，才能實(shí)現(xiàn)安全活動。

總之，利用事故突變理論，研究事故的預(yù)防管理，主要是解決事故發(fā)生的原因及機(jī)理，提出有效的對策，實(shí)現(xiàn)安全的生產(chǎn)活動。