安全工程領(lǐng)域脆弱性“玻璃心”模型構(gòu)建*

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)

0 引言

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。

1 脆弱性特征要素

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。

2 脆弱性“玻璃心”模型構(gòu)建

2.1 建立模型

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

2.2 脆弱性評價指標(biāo)體系

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

2.3 脆弱性分級及系統(tǒng)動態(tài)變化

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。

2.4 脆弱性指數(shù)公式

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

3 煤礦火災(zāi)實例驗證

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。

4 結(jié)論

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。

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