田水承,張成鎮(zhèn)
(1 西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2 西安科技大學(xué) 教育部西部礦山開采及災(zāi)害治理重點實驗室,陜西 西安 710054)
脆弱性表示系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的能力及在擾動下系統(tǒng)破壞的程度。1968年,Margat[1]在研究地下水污染時首次提出了脆弱性(vulnerability)的概念,隨后脆弱性的研究多集中于自然災(zāi)害學(xué)科。目前,對脆弱性理論的研究已經(jīng)發(fā)展為跨學(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)和安全科學(xué)等多個學(xué)科。學(xué)術(shù)界對脆弱性的研究越來越重視,《Science》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—社會系統(tǒng)的脆弱性和恢復(fù)能力”的研究列為可持續(xù)性科學(xué)中7個核心問題之一[2]。因此,結(jié)合安全工程學(xué)科的特點,建立出適合解決系統(tǒng)安全問題的脆弱性模型及相應(yīng)評價指標(biāo)體系和指數(shù)公式,對脆弱性理論更好地適用于安全工程學(xué)科具有重要意義。
脆弱性的研究始于自然災(zāi)害學(xué)科,如今在社會學(xué)、地理學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)和可持續(xù)學(xué)等學(xué)科也得到了深入的研究,近10年內(nèi),逐漸有安全工程學(xué)科的學(xué)者對脆弱性進(jìn)行研究。由于脆弱性是反映系統(tǒng)內(nèi)各要素綜合作用的結(jié)果,安全問題也是以“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng)為對象,故將脆弱性理論應(yīng)用于安全工程學(xué)科,可以以一種全新的視角看待安全問題。武強(qiáng)等[3]基于GIS等技術(shù)提出了煤層底板突水評價脆弱性指數(shù),但是該脆弱性指數(shù)只適用于煤層底板突水,且煤層底板突水脆弱性要素也不夠詳細(xì);劉鐵民[4-5]基于安全生產(chǎn)事故對系統(tǒng)脆弱性的識別和評估進(jìn)行了研究;宋守信等[6-9]基于地下交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)、火災(zāi)和大客流擾動等脆弱性研究,提出了脆弱性特征要素遞次演化評價方法;田水承等[10]提出脆弱性特征要素間并非簡單的遞次關(guān)系,需要進(jìn)一步研究。本文借鑒脆弱性在其他學(xué)科成熟的理論和安全工程學(xué)科已有的研究成果進(jìn)一步研究,提出脆弱性四特征要素,建立脆弱性“玻璃心”模型及適用于該模型的指標(biāo)體系和指數(shù)公式。
在脆弱性研究的不同時期和學(xué)科領(lǐng)域,學(xué)者們對于脆弱性特征要素的看法不一,根據(jù)脆弱性特征要素的數(shù)量大致可分為三大類:單要素、雙要素和三要素,目前三要素觀點被大多數(shù)學(xué)者所接受,持三要素觀點的學(xué)者認(rèn)為脆弱性是對于外部壓力系統(tǒng)的暴露狀況、對干擾的敏感程度以及適應(yīng)能力等各個組成部分間相互作用的關(guān)系[11-12]。對于系統(tǒng)的安全問題,研究的對象是“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng),擾動(事件)的產(chǎn)生來源于系統(tǒng)內(nèi)隱患和能量意外釋放的軌跡交叉[13],當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生能量意外釋放且與隱患發(fā)生軌道交叉,系統(tǒng)內(nèi)將產(chǎn)生擾動,所以對于安全問題,擾動來自于系統(tǒng)內(nèi)部,且對系統(tǒng)的脆弱性起著至關(guān)重要的作用,故將擾動度作為系統(tǒng)安全脆弱性的特征要素是很有必要的。
本文在脆弱性三要素的基礎(chǔ)上加入擾動度要素,提出脆弱性四要素:擾動度、暴露度、敏感度和適應(yīng)度。
1)擾動度(disturbance)是指系統(tǒng)產(chǎn)生擾動的大小及擾動的持續(xù)時間。擾動源于系統(tǒng)內(nèi)部能量意外釋放與事故直接原因的結(jié)合,即系統(tǒng)內(nèi)部能量意外釋放與人的不安全行為或物的不安全狀態(tài)的軌跡交叉。擾動度取決于系統(tǒng)內(nèi)隱患大小、能量意外釋放大小和能量與隱患軌道交叉的概率,擾動度越高,系統(tǒng)脆弱性越大。
2)暴露度(exposure)是指“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng)中人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)的程度。包括暴露程度和暴露時間長短,暴露度越高,系統(tǒng)中存在的安全隱患就越大,將直接導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生擾動概率的增大,系統(tǒng)的脆弱性也越大。
3)敏感度(susceptibility)是指系統(tǒng)在擾動下狀態(tài)偏離正常狀態(tài)的程度。包括偏離速度和偏離程度,系統(tǒng)的敏感度取決于系統(tǒng)本質(zhì)特征和系統(tǒng)事故的間接原因,敏感度越高,系統(tǒng)越敏感,系統(tǒng)的脆弱性越大。
4)適應(yīng)度(resilience)是指系統(tǒng)狀態(tài)偏離正常狀態(tài)時及系統(tǒng)發(fā)生事故后的恢復(fù)能力。包括恢復(fù)速度和恢復(fù)程度,系統(tǒng)的適應(yīng)度越大,相對而言系統(tǒng)的暴露度越低,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)偏離時及事故后,恢復(fù)能力越強(qiáng),適應(yīng)度越高,系統(tǒng)的脆弱性越小。
對于1個“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng),當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生了能量的意外釋放且與隱患發(fā)生了軌道交叉,擾動便會產(chǎn)生,此擾動使系統(tǒng)偏離正常狀態(tài)。與此同時,系統(tǒng)也積極采取行動,使系統(tǒng)的狀態(tài)恢復(fù),系統(tǒng)最終的狀態(tài)取決于擾動的大小、敏感的程度以及適應(yīng)的能力。
通過深入分析“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng)脆弱性各特征要素間的復(fù)雜關(guān)系,建立出脆弱性“玻璃心”二次事故模型,如圖1所示(“實心箭頭”表示增大系統(tǒng)脆弱性、“空心箭頭”表示系統(tǒng)的恢復(fù)及減少脆弱性)。擾動源于能量的意外釋放和暴露度中隱患的軌跡交叉,系統(tǒng)產(chǎn)生的擾動會使系統(tǒng)的狀態(tài)發(fā)生偏離,此時系統(tǒng)積極予以恢復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)偏離的極限在事故臨界線之內(nèi),此時系統(tǒng)只是發(fā)生險兆事件;當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)偏離的極限超過事故臨界線,此時系統(tǒng)將會發(fā)生事故(“玻璃心”出現(xiàn)破裂),發(fā)生事故后系統(tǒng)還將繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行積極恢復(fù)。事故相當(dāng)于一個大的擾動,會使系統(tǒng)狀態(tài)再次發(fā)生大的偏離,引發(fā)二次事故,事故后系統(tǒng)還將繼續(xù)對系統(tǒng)進(jìn)行積極恢復(fù)。對于沒有二次事故的系統(tǒng),其脆弱性“玻璃心”模型為圖1中左側(cè)“心”的部分。此外,系統(tǒng)的暴露度與適應(yīng)度之間存在一定的對立關(guān)系,暴露度高的系統(tǒng)適應(yīng)度相對較低,適應(yīng)度高的系統(tǒng)暴露度相對較低。
圖1 脆弱性“玻璃心”二次事故模型Fig.1 Vulnerability “Glass Heart” secondary accident model
根據(jù)本文提出的脆弱性四大特征要素,將其作為二級指標(biāo),每個二級指標(biāo)再分解出對應(yīng)的三級指標(biāo),建立“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng)脆弱性評價指體系,如圖2所示。
圖2 脆弱性評價二級指標(biāo)體系Fig.2 Secondary index system of vulnerability evaluation
為更加細(xì)致地描述系統(tǒng)脆弱性的大小,綜合考慮“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng)脆弱性四大特征要素相互作用過程中系統(tǒng)狀態(tài)的變化,將“玻璃心”模型脆弱性的大小分為4個等級,分別為:完整的、破裂的、破碎的、粉碎的。Ⅰ級:完整的是指系統(tǒng)將沒有人員傷亡和較大的財產(chǎn)損失;Ⅱ級:破裂的是指系統(tǒng)很可能有人員受傷或較大財產(chǎn)損失;Ⅲ級:破碎的是指系統(tǒng)很可能有人員死亡和較大財產(chǎn)損失或系統(tǒng)有人員傷亡和財產(chǎn)全被損失;Ⅳ級:粉碎的是指系統(tǒng)很可能有人員死亡和財產(chǎn)全被損失。不同等級的系統(tǒng)脆弱性在擾動下系統(tǒng)狀態(tài)的變化也不同,如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)狀態(tài)變化曲線Fig.3 System state change curve
A點(擾動)左側(cè)是系統(tǒng)的正常狀態(tài),在擾動下系統(tǒng)偏離正常狀態(tài),于此同時,系統(tǒng)積極地進(jìn)行自我恢復(fù),最終系統(tǒng)狀態(tài)將偏離到達(dá)極限狀態(tài)點B,此時擾動得到了控制,然后系統(tǒng)緩慢恢復(fù)。根據(jù)極限狀態(tài)點B所在的區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)脆弱性進(jìn)行分級:Ⅰ級脆弱性系統(tǒng),其在擾動下系統(tǒng)狀態(tài)的變化為1號曲線,系統(tǒng)狀態(tài)的偏離相當(dāng)于系統(tǒng)中發(fā)生了險兆事件,最終系統(tǒng)可以恢復(fù)到正常狀態(tài)的水平;Ⅱ級和Ⅲ級脆弱性系統(tǒng),其在擾動下系統(tǒng)狀態(tài)的變化分別為2號和3號曲線,其極限狀態(tài)點B分別落在Ⅱ級和Ⅲ級狀態(tài)區(qū)域,此時系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)生了事故,最終系統(tǒng)可以恢復(fù)至運行狀態(tài),但達(dá)不到初始的正常狀態(tài);Ⅳ級脆弱性系統(tǒng)狀態(tài)的變化為4號曲線,其在擾動下系統(tǒng)將發(fā)生粉碎性的事故,系統(tǒng)自身的恢復(fù)力對于該級別的脆弱性系統(tǒng)無能為力,系統(tǒng)最終報廢或被新系統(tǒng)取代。
對于某些Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級脆弱性系統(tǒng)來說,擾動下發(fā)生的事故會作為一個大的擾動引發(fā)二次事故,對系統(tǒng)產(chǎn)生更大的破壞,增大系統(tǒng)的脆弱性,故對系統(tǒng)脆弱性定級的時候也需將其考慮在內(nèi),如圖4所示。
圖4 二次事故系統(tǒng)狀態(tài)變化曲線Fig.4 System state change curve of secondary accident
在A點(擾動)下系統(tǒng)偏離正常狀態(tài),于此同時,系統(tǒng)在積極地進(jìn)行自我恢復(fù),當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)偏離至事故臨界線以下,系統(tǒng)中將發(fā)生事故,在A*時系統(tǒng)的事故作為擾動引發(fā)二次事故,使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生更大的偏離,5號曲線為系統(tǒng)狀態(tài)偏離的極限點B未低于系統(tǒng)粉碎臨界線,系統(tǒng)狀態(tài)在達(dá)到B點時事故得到控制,然后系統(tǒng)緩慢恢復(fù)至運行狀態(tài),但達(dá)不到初始正常狀態(tài);6號曲線為系統(tǒng)事故引發(fā)的二次事故超過了系統(tǒng)的承受和自我恢復(fù)能力,直接使系統(tǒng)的狀態(tài)偏離至粉碎臨界線以下,最終使系統(tǒng)報廢或被新系統(tǒng)取代。
擾動源于能量的意外釋放和暴露度中隱患的軌跡交叉,擾動度取決于系統(tǒng)隱患大小、意外釋放能量大小及軌道交叉的概率,故擾動度的公式為:
(1)
系統(tǒng)脆弱性指數(shù)公式,應(yīng)能反映各特征要素對系統(tǒng)脆弱性影響程度及各特征要素相互作用的強(qiáng)弱程度,依據(jù)此原則[14],通過深入研究和反復(fù)驗證,最終得出系統(tǒng)脆弱性指數(shù)公式:
(2)
根據(jù)脆弱性指數(shù)公式計算出的系統(tǒng)脆弱性指數(shù)值范圍,結(jié)合脆弱性大小的4個等級,量化每個脆弱性等級的取值范圍:脆弱性Ⅰ級(V≤0.25)、脆弱性Ⅱ級(0.25 本文以云南省某煤礦火災(zāi)為例,對脆弱性“玻璃心”模型進(jìn)行驗證,依據(jù)脆弱性指標(biāo)體系,結(jié)合該煤礦實際情況建立煤礦火災(zāi)的脆弱性指標(biāo)體系,如表1所示。系統(tǒng)暴露度中的1個三級指標(biāo)與能量意外釋放軌道交叉的概率即為煤礦火災(zāi)發(fā)生的可能性,煤礦火災(zāi)的可能性級別如表2所示。邀請該礦6名經(jīng)驗豐富的安全管理人員采取專家打分法對煤礦火災(zāi)脆弱性三級指標(biāo)對系統(tǒng)脆弱性大小貢獻(xiàn)值和暴露度三級指標(biāo)與能量意外釋放軌道交叉的概率進(jìn)行打分,最終取每個指標(biāo)的平均值作為該指標(biāo)脆弱性分值,如表3、表4所示。 表1 煤礦火災(zāi)脆弱性指標(biāo)體系Table 1 Vulnerability index system of coal mine fire 表2 煤礦火災(zāi)可能性[14]Table 2 Possibility of coal mine fire 表3 煤礦火災(zāi)脆弱性指標(biāo)分值Table 3 Vulnerability index score of coal mine fire 表4 暴露度指標(biāo)與意外釋放能量軌跡交叉概率Table 4 Exposure index and unexpected release energy trajectory crossover probability 將表3中各指標(biāo)的量化值和表4中暴露度三級指標(biāo)與能量意外釋放軌道交叉的概率值代入公式(2),計算出該煤礦火災(zāi)的脆弱性指數(shù)V=0.289 6,對照脆弱性取值范圍,該煤礦火災(zāi)的脆弱性為Ⅱ級,系統(tǒng)脆弱性屬于易破裂的,也從側(cè)面反映出該煤礦火災(zāi)風(fēng)險一般,該結(jié)果與該煤礦火災(zāi)危險等級評價結(jié)果[15]相吻合;故脆弱性“玻璃心”模型對煤礦火災(zāi)脆弱性的評價結(jié)果能反映出系統(tǒng)的真實情況,模型具有較強(qiáng)的實用性。 1)在于脆弱性三要素基礎(chǔ)上,加入擾動度要素,成為“人—機(jī)—環(huán)—管”系統(tǒng),能更加合理地反映系統(tǒng)安全的特征。 2)基于系統(tǒng)安全脆弱性四大特征要素,首次建立的脆弱性“玻璃心”模型,相比于脆弱性遞次演化模型,能夠更好地表示各特征要素間相互作用關(guān)系。 3)基于脆弱性“玻璃心”模型及適用于該模型的指標(biāo)體系和指數(shù)公式,對煤礦火災(zāi)事故進(jìn)行脆弱性實例驗證,計算出量化結(jié)果,對比脆弱性等級地取值范圍,得出煤礦火災(zāi)脆弱性等級,能較為準(zhǔn)確地反映出煤礦脆弱性真實情況。 [1] MARGAT J. Vulnerability of groundwater to pollution[R]. Orleans: France, 1968. [2] KATES R W, CLARK W C, CORELL R, et al. Environment and development: sustainability science[J]. Science, 2001(292): 641-642. [3] 武強(qiáng),張波,趙文德,等. 煤層底板突水評價的新型實用方法V: 基于GIS的ANN型、證據(jù)權(quán)型、Logistic回歸型脆弱性指數(shù)法的比較[J]. 煤炭學(xué)報, 2013, 38(1): 21-26. WU Qiang, ZHANG Bo, ZHAO Wende, et al. A new practical methodology of coal seam floor water burst evaluation V: the comparison study among ANN, the weight of evidence and the logistic regression vulnerable index method based on GIS [J]. Journal of China Coal Society, 2013, 38(1): 21-26. [4] 劉鐵民. 事故災(zāi)難成因再認(rèn)識: 脆弱性研究[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2010, 6(5): 5-10. LIU Tiemin.Recognition of disaster causes: study of the vulnerability[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2010, 6(5): 5-10. [5] 劉鐵民,徐永莉,王浩. 重特大事故頻發(fā)凸顯生產(chǎn)安全的系統(tǒng)脆弱性:2013年幾起特大事故反思[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2014, 10(4): 5-12. LIU Tiemin, XU Yongli, WANG Hao. The frequent serious accidents exposing the system vulnerability of work safety: Reflection on several serious accidents in 2013[J]. Journal of Safety Science and Technology, 2014, 10(4): 5-12. [6] 許葭,宋守信,袁朋偉,等. 基于ANP的地鐵站點網(wǎng)絡(luò)脆弱性評價[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報,2015, 25(12): 129-134. XU Jia, SONG Shouxin, YUAN Pengwei, et al. Evaluation of network vulnerability of subway stations based on ANP[J], China Safety Science Journal, 2015, 25(12): 129-134. [7] 宋守信,肖楚陽,翟懷遠(yuǎn),等. 基于脆弱性理論的地鐵電氣火災(zāi)影響因子研究[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報,2016, 36(5): 691-696. SONG Shouxin, XIAO Chuyang, ZHAI Huaiyuan, et al. Influential factors for subway electrical fire based on vulnerability[J]. Journal of Xi’an University of Science and Thchnology, 2016, 36 (5): 691-696. [8] 宋守信,姚德志,肖楚陽. 基于多級可拓評價方法的大客流擾動下地鐵脆弱性研究[J]. 城市軌道交通研究,2017(1): 25-31. SONG Shouxin, YAO Dezhi ,XIAO Chuyang. Research on subway vulnerability under large passenger flow disturbance based on multi-level extension evaluation method[J]. Research on Urban Rail Transit, 2017(1): 25-31. [9] 宋守信,徐葭,陳明利,等. 脆弱性特征要素遞次演化分析與評價方法研究[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2017, 16(2): 57-65. SONG Shouxin, XU Jia, CHEN Mingli, et al. The mechanism and evaluation of vulnerability factors progressive growth[J]. Journal of Beijing University (Social Sciences Edition), 2017, 16(2): 57-65. [10] 田水承,張成鎮(zhèn). 安全科學(xué)與工程視域下脆弱性研究評述[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報, 2018, 38(1):8-16. TIAN Shuicheng, ZHANG Chengzhen. Overview of vulnerability based on safety science and engineering[J]. Journal of Xi’an University of Science and Thchnology, 2018, 38(1):8-16. [11] SMIT B, WANDEL J. Adaptation, adaptive capacity and vulnerability[J]. Global Environmental Change, 2006, 16(3): 282-292. [12] BROOKS N, ADGER W N, KELLY P M. The Determinants of vulnerability and adaptive capacity at the national level and the implications for adaptation[J]. Global Environmental Change, 2005, 15(2): 151-163. [13] 田水承,景國勛,安全管理學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2016. [14] 張興凱. 礦井火災(zāi)風(fēng)險指數(shù)評價法[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報, 2006, 6(4): 89-92. ZHANG Xingkai. Index method of mine fire risk assessment[J]. Journal of Safety and Environment, 2006, 6(4): 89-92. [15] 陳盟. 煤礦火災(zāi)危險等級多層次模糊綜合評價[D]. 長沙: 中南大學(xué), 2014.3 煤礦火災(zāi)實例驗證
4 結(jié)論