基于熵理论的重大事故复杂链式演化机理及其建模*（安全）

                       黄  浪，吴  超，王  秉

             （中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083）

摘要：为完善重大事故演化的本质规律和探究事故后果累积放大原理，从安全物质学的视角提出事故链定义和形成机理，并解析其内涵；通过物质、能量和信息表征事故链演化过程的载体反映；基于物质流、能量流和信息流构建事故链式演化概念模型；基于熵理论和耗散结构理论论述事故阶段演化特性；在此基础上，提炼事故预防与控制策略框架。研究结果丰富了事故链式演化理论，可为事故预防与控制提供更深层次的理论基础。

关键词：事故演化；事故链；事故载体；熵理论；耗散结构理论；概念模型

中图分类号：X91  doi：10. 11731/j. issn．1673 -193x．2016. 05. 002

0  引言

    近年来，中国安全生产状况持续好转，但重特大事故时有发生，如2013年11月22日山东青岛特别重大输油管道泄漏爆炸事故、2014年8月2日江苏昆山特别重大事故粉尘爆炸事故、2015年8月12日天津滨海新区特别重大化学品仓库爆炸事故。从已经公布的事故调查报告可以看出，上述事故都是初始事故在特定的时空范围内相继发生引发一系列衍生事故的结果，即事故的发生和扩大存在链式关系。由此可知，事故链式演化机理是一个有价值的研究取向。

    通过对事故发生发展过程所遵循的演化机理的研究，可以挖掘事故孕育源头、厘清事故演化过程中的关键路径和判断事故发展方向，进而在事故的预防预控中占据主动地位。当前国内外事故链式演化机理的相关研究主要集中在以下几个方面：①事故致因理论，如事故因果连锁模型、“瑞士奶酪模型”( Swiss Cheese)、STAMP模型、“2-4”模型、“R-M”模型等。

事故致因理论虽然在事故预防、安全管理实践中已得到一定的证实和应用，并形成了较为完善的理论体系，但在事故演化机理方面有待进行深入研究；②在事故演化方面，对事故进行多米诺链锁分析、分析事故链模型。上述事故演变相关研究都是基于因果关系进行的简单案例分析，缺乏对事故演变现象背后的内在机理进行深入研究。

    概念模型以形式化的方法揭示研究对象的主要概念、定义以及它们之间的逻辑关系，是对研究对象和内容的第一次抽象与假设，它将零散的、非结构化的知识转换为系统的、结构化的与可读性强的基础理论知识。鉴于此，本文基于熵理论，立足于理论思辨层面，对事故演变的研究思路从传统的“静态一描述一解释”向“动态一建模一启示”转变，综合考虑事故链物质、能量和信息三者的复杂性耦合作用，对事故链形成机理、事故链载体反映、事故链式演化等进行研究，并构建事故预防与控制框架，以期完善事故演化机理理论体系，并促使事故预警预控、决策支持和应急救援遵循事故演化发展的客观规律，从而有效提高事故预防与控制水平。

1  事故链定义及内涵

    事故的发生发展都是系统多种内外因素沿着某一条规律链相互作用的结果。按照安全科学相关理论，事故是致灾物（可导致损害物质）、承灾物（可遭受损害物质）与避灾物（可避免或减少损害物质）三者之间以及它们与人和环境之间交互作用的涌现和涨落。从以下两方面解析这种交互作用：①当致灾物引发事故以后，事故系统的致灾物、承灾物与避灾物按照各自被赋予的内涵处于三角形的顶点（稳定系统，如图1中的粗箭头标示），通过合理匹配达到有效的减灾救灾目的，这是最理想状态。②当相互匹配不合理时（如不符合标准的救灾物导致致灾物作用时间、作用空间、作用强度等发生变化，以及承灾物发生变异等），致灾物作用于承灾物产生了新的致灾物，并作用于新的承灾物，从而引发次生、衍生事故，形成事故链（如图1所示）。

    由上述分析可知，事故链是指在特定的时间、空间范围内，由于事故系统致灾物、避灾物和承灾物之间不合理匹配而形成的一种由初始事故引发一系列次生事故的连锁和扩大效应，是事故系统复杂性的基本形式。事故链内涵解析如下：

    1)若把整个事故看成一个大系统（事故系统），则事故链是复杂事故系统的重要组成部分和基本特征，事故链构成事故系统的一个子系统。事故链的发展态势由致灾物的危险性、承灾物的暴露性和脆弱性、避灾物的不确定性、环境的不稳定性以及人的主观能动性在时间与空间上的复杂耦合作用决定。

    2)事故链的产生需满足三个条件：①存在初始事故，初始事故发生后产生新的致灾物。②新的致灾物作用于承灾物，导致至少一个二次事故发生。③次生事故扩大了初始事故严重程度，即所导致的一个或多个二次（或三次等）事故产生了大于初始事故后果的严重事故。

    3)事故链演化具有两方面特殊性：①初始事故发生后，次生事故是否发生存在一定的随机性，但由于事故具有因果关系与引发关系，所以又不是完全的随机现象。这种受到约束的随机性会产生复杂性风险，进而增大事故系统复杂性。②事故链存在时间上延续性与空间上的扩展性，这种时空的延续扩展过程造成事故规模的累积放大。

2  重大事故链式演化模型构建

2.1  事故链载体反映

    通过分析相关重特大事故调查报告可知，事故链式关系演化的实质是介质载体的转化，事故链式关系的载体反映是对事故链式规律的客观认识。因此，将事故链式演化的研究落实到物质第一性，抓住事故过程中载体的演绎规律和本质，就能认识整个事故演化过程及其实质，并为能量转化、事故损失度量提供量化的基础条件。

    根据协同学理论，事故系统的形成与其内部各元素之间节、各子系统之间以及系统与外部环境之间的相互协同作用紧密相关，这种相互协同作用通过物质、能量与信息的交换予以表征。因此，可通过物质流、能量流与信息流的协同关系获得事故系统在某一特定时间、空间、功能和目标下的特定结构。综上分析得出事故链的载体反映：

    1)物质载体演化形态有固态、液态与气态等，事故链的形成过程具有不同物质性态的单体演绎或多性态聚集、耦合与迭加等特征，这些性态由其含量、转化形式和时空位置的演化而形成物质流，性态的演化导致了事故链式关系演绎的多样性与复杂性。

    2)物质的流动与转化需要能量，无论是物理性流动还是化学性流动，其流动过程中都伴随着各种能量之间的聚集、耦合、传输、转换，因此物质载体演化的另一伴生特征是能量的转移和转换（能量流）。

    3)在物质和能量的流动过程中产生的大量信息，因此以物质、能量为基础的信息反映也是事故链的载体反映，通过光、声、温、速等基本形式表征，伴随着链式载体起到辐射、转化、传播等作用而构成信息流。

2.2  重大事故链式演化概念模型

    事故链式载体在事故演化中起着重要的媒介和桥梁作用，在事故链式载体为依托的演化体系中，物质流、能量流、信息流构成演化核心，称为“核心环流”，其他（人、环境等因素）则为“外环因素”，它们共同构成事故链式演化概念模型（如图2所示）。事故链式载体在外部环境（外环因素）和载体的核心环流（内环作用）共同作用下实现其链式演变。

    1)核心环流

    安全生产活动中的主体对客体的认识是以能量流或物质流为载体，进行信息的获取、传递、变换、处理和利用实现的。事故预防与控制的本质就是通过信息流的标示、导向、观测、警戒和调控作用对系统中物质流和能量流进行控制、操纵、调节和管理（正作用），而错误反映系统中物质流和能量流状态的信息则会触发事故或导致事故处置失败（负作用）。因此，要充分发挥和正确利用信息流对物质流和能量流的引导和控制作用。

    2)外环因素

    在正常安全状态下，系统中物质流、能量流、信息流都处于正常有序的排列和控制中，即系统中物质、能量、信息在一定的安全阀值范围内与外界系统进行不断的交换作用。如果遇到一定的触发条件（如人的不安全行为、环境的不合理规划、管理的缺陷、物的不安全状态以及物质本身的设计缺陷等）使物质、能量和信息的正常交换作用失控，进而导致物质流、能量流、信息流的紊乱就会引发事故。

2.3事故链式阶段性演化机理

    事故链在孕育、演化过程中具有阶段性，不同阶段链式载体的转化呈现不同状态，因此可通过事故演化过程中的载体特性来认识事故。R A Haslam、陈安等等将事故演化分为阶段型演化、扩散型演化、因果型演化和情景型演化。根据事故载体反映和事故链式演化关系，

本文将事故链演化按照时间顺序划分为四个阶段：事故潜伏期、事故爆发期、事故链蔓延期和事故终结期。

    根据熵理论，熵是对系统中物质、能量、信息的混乱和无序状态的一种表征，系统越无序熵值越大，而耗散结构理论讨论的则是系统从无序向有序转化的机理、条件和规律。从事故链式演变特征可以看出，事故系统演变过程与熵的演变和耗散过程有很大共性，事故链从潜伏期到蔓延期是一个熵增大于熵减的过程，而终结期则是一个熵减大于熵增的过程。

    按照事故链载体反映和安全物质学理论，事故系统可以划分为物质流子系统、能量流子系统、信息流子系统、人流子系统和环境子系统。由熵的加和性可知，事故系统的总熵可表述为：

    根据以上分析，构建事故系统熵的阶段性变化规律如图3所示（图中的时间段不代表实际时间长短）。

 1)潜伏期（O-t₂）：0-t₁时间段，S=0，系统演化的有序趋势和无序趋势处于均衡状态，即系统的有序性和无序性相互抵消，系统整体上处于一种稳定平衡状态，这是最理想的安全管理和事故预防状态。但是随着二者的相互作用以及系统安全要素的改变和外界环境的变化，这种临界状态有可能失衡。

    t₁-t₂时间段，S >0，由于系统不合理设计、规划和管理缺陷等危险因素一直潜存，引发事故的各种因素不断积聚，系统正熵产生的无序效应大于负熵产生的有序效应，系统总趋势走向失稳。此时存在两种情况：①及时发现事故载体信息的异常演变，并采取管理措施或技术措施增大系统负熵，使系统总熵重新趋于平衡状态，系统恢复正常，如图中的a^-曲线所示。②没有及时发现事故载体信息演变趋势，或发现了但没有采取控制措施以及措施失效，则系统继续向着正熵变大的方向演变，导致事故发生，进入事故爆发阶段，如图中的a⁺所示。

    2)爆发期（t₂-t₃）：事故系统总熵迅速扩大，事故由可能变成了现实，进入全面爆发阶段，导致人员伤亡、财产受损。存在两种情况：①根据事故链式演化载体信息，采取正确的处理措施，向事故系统输入负熵，使事故系统有序效应大于无序效应，事故得到控制，系统总熵重新趋于0，系统恢复平衡状态，如图中b^-所示。②如果没有采取输入负熵的措施，或负熵不足以抵消正熵，则事故链继续演变，进人事故链蔓延期，如图中b⁺所示。

    3)蔓延期（t₃-t₄）：事故系统总熵由于事故链式演变而继续增大，次生、衍生事故相继发生，事故损失和危害逐渐增大。蔓延时间跨度取决于事故的严重程度以及事故处理效果。若事故链演变得到有效控制（有效的应急救援），蔓延就会很快结束，不再发生后续事故；反

之，则事故造成的影响会不断加剧且扩散。

    4)终结期（t₄-t₅）：事故系统总熵可能因为物质、能量的耗散而自行趋于0（事故链式演化过程自行终结），也可能因为人为控制和干预而重新趋于0（事故链式演化过程因为人为控制和干预而终结）。事故链自行终结所造成的损失通常大于人为干预造成的损失，事故链式演化终结的时间主要取决于物质、能量、信息的混乱程度以及事故造成的破坏强度和人为干预力度。

3  重大事故链式演化模型的应用

    基于所构建的重大事故链式演化概念模型，结合典型行业的事故应急救援可知，无论是事前的预防、事中的控制，还是事后的救援，一方面需要抑制物质流、能量流、信息流、人流和环境要素所产生的正熵，另一方面需要通过控制手段使这些要素产生负熵。针对事故

链的阶段演化特性，提出潜伏期“预防”、爆发期和蔓延期“断链控制”和终结期“治理”的措施，即避免事故发生的关键是掌握事故链的演化路径，在事故潜伏期采取断链预防和控制措施，将事故消灭在萌芽和生长阶段。基于上述分析，以事故阶段性链式演化为切入点，构建事故预防与控制框架，如图4所示。

    每种类型的事故链在演化过程中的各阶段都有特定的演变形态和表现特征，因此可通过监测物质、能量、信息的聚集与转化确定其演化阶段，分析事故系统各要素之间或子系统之间的相互作用关系以及事故系统与环境的相互作用关系，找出事故预防与控制的切入点，确定应急方式和对策（如表1所示）。

4  结论

    1)从安全物质学的视角提出事故链定义，并从事故链时间与空间上的复杂耦合性、次生事故的随机性，以及事故链产生条件等方面解析其内涵；基于致灾物、承灾物与避灾物三者之间以及它们与人和环境之间交互作用论述重大事故链形成机理。

    2)将事故链的研究落实到物质第一性，抓住事故链式演化过程中的演绎规律和本质，通过物质、能量、信息形式表征事故链的载体反映；构建以物质流、能量流、信息流为演化核心的重大事故链式演化概念模型。

    3)将事故链演化周期按照时间顺序划分为四个阶段：潜伏期、爆发期、蔓延期和终结期。事故链从潜伏期到蔓延期是一个熵增大于熵减的过程，而终结期则是一个熵减大于熵增的过程；基于熵理论和耗散结构理论，论述事故链式阶段性演化机理。

    4)基于重大事故链载体反映和链式阶段性演化机理，构建事故预防与控制策略框架，提出潜伏期“预防”、爆发期和蔓延期“断链控制”和终结期“治理”的措施。