動態(tài)安全系統(tǒng)理論的研究與應用*

李銳 吳愛軍 楊苗

(西南科技大學環(huán)境與資源學院 四川綿陽 621010)

0 引言

近幾年來安全事故不斷，對此，人們往往只關注到表面的原因，驚訝于事故發(fā)生的突然性，而不曾識別其本質問題，即危險是始終存在的，究其原因是人們對“安全”的本質認識不清。

目前，關于“安全”的定義闡釋主要有：安全是指客觀事物的危險程度能夠為人們普通接受的狀態(tài)[1]；安全是免除了不可接受的損害風險的狀態(tài)[2]；安全是一種特定的技術狀態(tài)，即滿足一定安全技術指標要求物態(tài)[3]。而有關安全概念并沒有形成統(tǒng)一，主要原因是對安全的狀態(tài)認識不清楚。以上有關“安全”的概念均有兩個突出特點：一是認可危險的客觀存在，二是都確定沒有出現人員傷亡和財產損失或任務沒有受到影響。從認識論角度，這些概念都是被動接受和認識風險，而沒有積極主動地去認識和處理安全與風險間的關系。從價值論角度，安全與危險是對立統(tǒng)一的關系，相互以對方的存在而存在，無法分割。人類要生存，必須在一定風險下進行工作、生產和生活，不能一味地追求絕對安全，這是毫無意義的。因此，風險也是人類生存的價值體現，與安全共同推動事物發(fā)展。

積極主動認識“安全與風險”的關系是準確理解和把握安全概念的重要途徑。處理好兩者之間的關系，才能夠正確認識事故發(fā)生發(fā)展機制。經過無數學者不斷努力，人們對于安全定義相對越來越準確。其中較為完善和準確的是：安全指一定時空內理性人的身心免受外界危害的狀態(tài)[4]。這個定義意識到了安全的時間屬性，人的主體地位，但是還是存在一定的不足，并沒有闡明這個“狀態(tài)”到底是一種怎樣的狀態(tài)?；趨浅淌趯Π踩亩x，筆者對其進行延伸與深入以及完善，給出對安全定義的新認知——安全與危險糾纏理論。

1 安全與危險糾纏理論

事物不僅以兩種狀態(tài)存在，同時還有第三種狀態(tài)，如量子糾纏就是這種狀態(tài)。其實，安全與危險是對立統(tǒng)一的矛盾體，相互以對方的存在而存在，無法分割，這類似于量子糾纏態(tài)。因此，筆者將基于“安全”與“危險”對立統(tǒng)一特征，結合量子糾纏理論，重新認識“安全”與“危險”等基礎概念。

1.1 量子糾纏

假設一個零自旋中性π介子衰變成一個電子與一個正電子，分別朝著相反方向移動到區(qū)域A和B，兩區(qū)域的觀察者會觀測到電子、正電子各自沿著特定軸向的自旋。測量前，這兩個糾纏粒子共同形成了零自旋的“糾纏態(tài)”是兩個直積態(tài)的疊加，以狄拉克標記表示為[5]

(1)

式中，|↑〉?|↓〉表示電子的自旋為上旋當且僅當正電子的自旋為下旋；|↓〉?|↑〉表示電子的自旋為下旋當且僅當正電子的自旋為上旋。以上兩種狀況疊加在一起，每一種狀況都有可能發(fā)生，電子與正電子形成糾纏態(tài)。如果不去測量它們，那么這對電子和正電子會共同形成零自旋的糾纏狀態(tài)。如果觀測其中一個粒子，它們之間的糾纏態(tài)就會確定，導致電子和正電子都有了相反狀態(tài)的自旋。

微觀世界中同時處于多重疊加態(tài)的量子，它們旋轉的方向或多重的疊加狀態(tài)在擴張的軌道上并沒有做出任何改變或選擇，而是因為觀察者觀察或其他量子的作用，促使量子在擴張軌道上運動途中的運動軌跡，瞬間改變了時間參考系且同時塌縮。

物理學家對于微觀世界的現象百思不得其解，歷史上出現了兩個用宏觀世界中糾纏類比微觀世界糾纏的經典案例，一個是著名的薛定諤的貓，另一個是波特曼決定，這或許是最簡單的宏觀世界里的“糾纏”了。

借鑒這樣奇妙又神奇的量子糾纏理論，筆者對“安全”與“危險”這對矛盾體有了全新認知，提出安全與危險糾纏機制。

1.2 安全與危險糾纏機制

平時人們所認識的“安全”和“危險”實質上是一種信息，是無法定義其大小，而微觀世界中的量子是最小的不可分割基本單位，可見，兩者具有相似性?；诖?，利用圖解法來闡述“安全與危險糾纏”理論較為容易，具體如圖1所示，箭頭向上、向下分別表示“出現”、“不出現”狀態(tài)。安全與危險都有以上兩種狀態(tài)。

圖1 安全與危險糾纏機制

(1)在安全與危險狀況疊加在一起的系統(tǒng)中，每一種情況都有可能發(fā)生，但不能確定具體哪種情況會發(fā)生。因此，安全與危險糾纏在一起而形成糾纏態(tài)。如果人們不去觀察它們，那么安全和危險就會共同形成糾纏狀態(tài)。

(2)如果觀測其中一個狀態(tài)，比如安全，那么它們之間的糾纏態(tài)就會確定，導致安全和危險都有了相反狀態(tài)。如果觀測安全是以“出現”狀態(tài)顯現，那么與之糾纏的危險就會以“不出現”的狀態(tài)而顯現。這種現象叫做安全與危險組成的系統(tǒng)的塌縮。

(3)理想的系統(tǒng)狀態(tài)是：系統(tǒng)始終以“安全與危險糾纏”狀態(tài)向前運行，中途如若發(fā)生塌縮也僅向 “安全”方向發(fā)生塌縮，且塌縮后又立刻回到“安危糾纏”態(tài)繼續(xù)運行(因為一旦向“危險方向”塌縮，事故就會發(fā)生，“安危糾纏”態(tài)就會被中斷和停止)，直到任務結束，整個過程都沒有人員和財產損失，那么系統(tǒng)的“安危糾纏”態(tài)完全塌縮為安全狀態(tài)，我們說系統(tǒng)在整個過程中是安全的。

簡言之，“安危糾纏”的特點是：向“安全”塌縮時，系統(tǒng)的“安危糾纏”態(tài)可以不斷自行恢復到“安危糾纏”狀態(tài)，而當向“危險”塌縮時，這種糾纏狀態(tài)就會中斷。

1.3 “安全、危險和事故”基本概念的新認知

基于“安危糾纏”理論，我們來重新認識以下幾個“熟悉又陌生”的概念，可以獲得全新的認知。

安全：當一個生產系統(tǒng)沒有出現人員傷亡、設備和財產損失，仍可以繼續(xù)正常運轉，直至任務結束，人們把此系統(tǒng)在這一生產過程所表現的狀態(tài)叫安全。系統(tǒng)的“安危糾纏”態(tài)不斷地向安全方向塌縮或轉化，那么系統(tǒng)之前的狀態(tài)或過程就是安全狀態(tài)，因此是確定的狀態(tài)。

危險：是系統(tǒng)在一定幾率下可能發(fā)生事故的狀態(tài)。系統(tǒng)的“安危糾纏”態(tài)有一定幾率向事故方向塌縮或轉化，因此屬于不確定狀態(tài)。

事故：當一個生產或生活系統(tǒng)出現設備損壞、人員傷亡等事件，導致整個生產系統(tǒng)將無法繼續(xù)正常運行，或部分無法正常運行，此時系統(tǒng)處于停止或半停止狀態(tài)，這種狀態(tài)叫事故。系統(tǒng)的“安危糾纏”態(tài)向危險方向塌縮，則“安危糾纏態(tài)”中斷，屬于確定狀態(tài)。

平時人們所認知的安全與事故，其實是塌縮的、確定的狀態(tài)，而對于當前的狀態(tài)則是處于“安危糾纏”態(tài)。至此，筆者認為：基于“安危糾纏”理論安全的概念就可以形成統(tǒng)一認識，這個意義是非常重大的。因為人類要生存和發(fā)展，必須進行生產活動，而在生產過程中必須接受一定的風險。從這個意義上說，安全與危險是事物的一體兩面，是無法分割，它直接推動事物的發(fā)展，也促使人們在生產過程中不斷提高對安全的認知。

2 動態(tài)安全系統(tǒng)理論

2.1 動態(tài)安全系統(tǒng)理論的概念

由上可知，在日常生產、生活和工作中，人們所認知的“安全”和“事故”其實是系統(tǒng)的若干個“安危糾纏”塌縮后確定的狀態(tài)。通常情況下，安全狀態(tài)的時長遠大于事故狀態(tài)的時長。如圖2所示，若將這些狀態(tài)投影到時間軸上，就可看出：安全是若干個線段，而事故就是連接這些線段的一系列點，它們共同組成了整個生產或生活過程。所以，動態(tài)安全系統(tǒng)理論要達到的目的是使系統(tǒng)整個生產和生活過程中正常運轉，即利用安全技術手段來維持系統(tǒng)的安危糾纏態(tài)或使其向安全方向塌縮。由此，筆者給出動態(tài)系統(tǒng)安全理論的概念：動態(tài)安全系統(tǒng)理論就是將系統(tǒng)的整個生命過程簡化為無數個作業(yè)過程的重復，將系統(tǒng)整體的安全狀態(tài)的確定落實到單個安全影響因素安全狀態(tài)的量化上，通過分析單個作業(yè)過程的安全影響因素的變化規(guī)律，掌握在一個作業(yè)過程系統(tǒng)安全狀態(tài)的動態(tài)變化，再以此作為參考對相同作業(yè)過程進行分析，經過不斷的積累以及不斷的修正，從而真正掌握系統(tǒng)安全狀態(tài)的動態(tài)變化實現預測系統(tǒng)未來安全狀態(tài)的安全理論。

圖2 以時間為坐標的安全與危險示意

2.2 動態(tài)安全系統(tǒng)理論的意義

動態(tài)安全系統(tǒng)理論為安全管理提供了一種新思路、新方法，相比其他安全理論，動態(tài)安全系統(tǒng)理論是基于對安全的新認知提出來的，更深層次、更細化地探討了安全、風險與時間關系，更加貼合系統(tǒng)實際的狀況；新的動態(tài)安全系統(tǒng)理論的提出，也促使人們在時間維度下，動態(tài)地了解系統(tǒng)內部變化規(guī)律；新的動態(tài)安全系統(tǒng)理論的創(chuàng)建，順應安全科學發(fā)展的時代趨勢。它革新了傳統(tǒng)安全系統(tǒng)理論，有利于引導安全領域的科學觀念與研究方法產生質的變化。

3 動態(tài)安全系統(tǒng)理論的應用

理論的建立，最終的目的就是要應用于實際生產中。將動態(tài)安全理論應用于實際的生產系統(tǒng)中，即在系統(tǒng)中構建起動態(tài)安全系統(tǒng)模型，在這個模型中，人、機(機械、設備、材料)、環(huán)境、管理都處于正常運行的狀態(tài)，人作為系統(tǒng)的主體，能夠掌握系統(tǒng)安全狀態(tài)的動態(tài)變化，直觀地看到系統(tǒng)風險值的變化，對系統(tǒng)的安全狀態(tài)眼中有數，心中也有數。

3.1 動態(tài)安全系統(tǒng)模型的建立

一個系統(tǒng)存在的價值在于它能夠完成特定功能或者說規(guī)定的任務，所以系統(tǒng)總是不停地重復著相同的生產活動。所以根據動態(tài)安全系統(tǒng)理論，對一個系統(tǒng)的安全狀態(tài)進行研究，可以降維成對系統(tǒng)完成一個生產活動的完整過程進行研究。還未開始生產時，系統(tǒng)初始的安全值由一些在短期內不會大幅度變動的安全影響因素決定，這一類型的因素，筆者稱其為固有安全影響因素，例如機器設備的可靠性，操作人員的生理狀態(tài)等；開始生產后，隨著生產的進程，出現一些新的安全影響因素，稱其為作業(yè)伴隨安全影響因素，比如物料的投入等，由于安全影響因素存在固有風險度，即一些安全影響因素的加入，勢必降低系統(tǒng)的安全值，就算是正常、正確的操作，也會降低安全值，而錯誤操作更有可能會使得系統(tǒng)安全值在極短時間內驟降，達到臨界，發(fā)生事故。要想掌握系統(tǒng)的安全狀態(tài)的變化，就是要掌握隨時間、生產進程變化的安全因素。筆者選擇安全熵[6]作為系統(tǒng)安全狀態(tài)的量化工具，量化系統(tǒng)的安全度，再結合先進的技術，捕捉安全影響因素的變化，以時間為橫坐標，安全值為縱坐標，繪制風險曲線[7]，使得系統(tǒng)的安全度能夠直觀地以圖形和數字的形式呈現出來。

3.1.1 步驟闡述

(1)按照工藝流程劃分評價單元；

(2)分析各單元安全影響因素；

(3)利用結構熵權法[8]計算各安全影響因素權重；

(4)利用安全熵計算固有安全影響因素的安全值；

(5)利用風險熵[9]計算作業(yè)伴隨安全影響因素的實時風險值；

(6)以已確定狀態(tài)的系統(tǒng)安全值作為起始值，繪制隨時間變化的動態(tài)風險曲線。

3.1.2 應用展示

以一個正常工作中的塔式起重機生產系統(tǒng)為例(為了簡化，在此不包括塔式起重機的安裝與拆卸以及作業(yè)前起重機的調試，僅分析塔吊的使用過程，且不涉及具體計算，僅做方法展示)，建立動態(tài)安全系統(tǒng)理論模型。

(1)單元劃分

由于在此僅對塔吊使用過程的風險值變化進行分析，所以以安裝爬升完成后的安全狀態(tài)的安全值作為風險曲線的起點，完成貨物吊運時間點的安全值作為風險曲線的終點，主要分析使用階段的因素變化對系統(tǒng)風險值的影響。

(2)確定安全影響因素

已有許多學者針對塔吊安全影響因素開展研究[10-14]。根據這些文獻以及塔吊操作規(guī)程，分析整理出以下安全影響因素(見表1)。

表1 起重機安全影響因素一覽表

3.1.3 結構熵權法確定安全因素權重

(1)采集專家意見，形成“典型排序”，對“典型排序”進行“盲度”分析，得到P個專家全體對指標xt的評價向量V=(v1，v2，…，vt)，t為指標個數。

3.1.4 安全熵

通過對固有安全影響因素進行安全度評價，再結合其所對應的權重，就可得出系統(tǒng)已確定狀態(tài)的安全熵。

使用量化打分的方式對安全因素的安全度進行評價，細化各安全指標的內容，對其進行打分，且針對不同的指標，啟用不同的評價小組。評價主要分為5個等級，“很差、差、一般、好、很好”，對應“1分、2分、3分、4分、5分”。與人相關的安全影響因素由管理人員進行打分；與機(機械、設備、材料)相關的安全影響因素，由具體機器設備的操作人員對其進行打分；與環(huán)境相關的安全影響因素由所處環(huán)境中的作業(yè)人員進行打分；與管理相關的安全影響因素由所有人員共同打分。部分樣表如表2所示。

表2 安全度評價樣表[15](部分)

打分完成后對數據進行匯總以及歸一化處理，得出各安全因素的安全度。將各因素權重和安全度代入式(2)，即得到系統(tǒng)安全熵。

式中，ωi為各安全因素權重，pi為各因素安全度。

3.1.5 風險熵

關于風險熵的計算，利用與安全熵相同的思想，不同的是這里是對安全影響因素的風險度進行分析。針對這一部分安全影響因素，其中一些可采用量化打分方式計算其風險度，包括吊物類型和重量，不同的吊物，不同的重量，其風險度不同，可以根據經驗進行打分；而另外一部分因素的狀態(tài)隨時間變化，擬采用動態(tài)監(jiān)控的技術，對其變化進行捕捉，以觀察其對系統(tǒng)安全狀態(tài)的影響。如提升速度、轉動角速度、環(huán)境風速、能見度、溫度、電源電壓、作業(yè)高度等可根據以往經驗以及相關資料，劃分其閾值區(qū)間，每個區(qū)間對應不同風險度，通過實時的監(jiān)測，就能捕捉到這些因素的風險度變化。由于人的不可控性，所以與人相關的幾個安全影響因素應該是波動性最大的，通過對2007—2016年我國在役塔吊安全事故[16]進行統(tǒng)計分析可知塔吊事故中比重最大的是吊物墜落砸人，占所統(tǒng)計事故總數的56%，而造成事故的原因中安全管理原因占56%，而在安全管理中，現場安全管理問題比重最大，事故原因中人為因素占28%，雖不是比重最大的，但是人因是導致塔吊安全風險發(fā)生的最直接因素。因此，在塔吊工作過程中對于人相關的安全影響因素的監(jiān)控是十分重要的，也是掌握系統(tǒng)安全實時動態(tài)的關鍵。

將各因素權重ωi和風險度pi代入式(3)，即得到系統(tǒng)風險熵。

系統(tǒng)安全熵值變化為

sω(t)=sω1(t)-sω2(t) (4)

3.1.6 繪制風險曲線

根據初始數據以及結合動態(tài)監(jiān)測，就可以繪制出動態(tài)安全風險曲線，概念圖如圖3所示。

圖3 塔吊作業(yè)過程安全風險曲線概念

3.2 實現動態(tài)管理

實現動態(tài)管理應該從兩方面著手，一個是思想上，一個是技術上。思想上，要革新人們對安全的認知，讓人們有生產過程時刻與風險相伴的意識，使其積極主動地維護系統(tǒng)的安危糾纏態(tài)，即主動地輸出安全行為[17]。技術上，采用動態(tài)安全系統(tǒng)理論對系統(tǒng)進行管理，根據系統(tǒng)的危險度不同，管理的密度與精確度也相應有所區(qū)別，高危行業(yè)較低微行業(yè)，對系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài)進行觀測，其時間尺度要更小，風險曲線的繪制要更細致，而更高危的行業(yè)，在其最危險的工藝環(huán)節(jié)應做到實時監(jiān)控、實時記錄，但這并不意味著低危行業(yè)就能放松警惕，低危行業(yè)也需要經常關注系統(tǒng)的安全變化。因此，動態(tài)管理并不是狹義的要掌握系統(tǒng)每分每秒的變化，而是廣義的動態(tài)管理，不同行業(yè)，細化不同，具體問題具體分析，實事求是，這樣才能真正地實現動態(tài)管理，也才能真正地推行動態(tài)管理。

4 結論

(1)從安全與危險的關系出發(fā)，結合量子糾纏理論，得出的安危糾纏機制以及對安全定義的新認知更加貼合安全本質，符合實際生產狀況，有利于后續(xù)安全理論的提出以及安全科學的建設。

(2)將以重復的作業(yè)過程表現系統(tǒng)的整個生命過程以及用若干個安全影響因素變化反映系統(tǒng)整體安全狀態(tài)變化的動態(tài)安全系統(tǒng)理論應用在系統(tǒng)管理中，對系統(tǒng)進行靈活的、廣義的動態(tài)管理，實現系統(tǒng)抽象安全狀態(tài)的量化，以及大致掌握其安全動態(tài)的變化趨勢，有利于事故的預防。

(3)結合塔吊生產系統(tǒng)的作業(yè)過程，對動態(tài)安全系統(tǒng)理論的應用進行了展示，但只進行概念闡述以及僅做了方法陳述與步驟分析，還需進行不斷地研究。