基于系統(tǒng)動力學(xué)的安全防范系統(tǒng)各影響因素研究

劉 宇， 陳文靜

(中國人民公安大學(xué)警務(wù)信息工程與網(wǎng)絡(luò)安全學(xué)院， 北京 100038)

0 引言

安全防范的3個(gè)基本手段包括人力防范、實(shí)體防范和技術(shù)防范(以下分別簡稱為：人防、物防和技防)，安全防范以人防為基礎(chǔ)，以物防的保護(hù)和延遲為依托，以技防的探測感知為快速反應(yīng)的前導(dǎo)，通過聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動及時(shí)響應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)事件，妥善處置和化解風(fēng)險(xiǎn)，避免或減少損失。其中，人防的主要職能是“快速反應(yīng)和處置”，物防的主要功能是“阻止、遲滯”；技防的主要功能是“探測、報(bào)警、聯(lián)動”。在當(dāng)前安全形勢日益嚴(yán)峻，以及“跨界”、“融合”的安防發(fā)展趨勢下，安全防范的3種手段變得愈發(fā)復(fù)雜，其中人防和技防融入了大量的管理制度和機(jī)制；安全防范內(nèi)涵和外延同時(shí)也發(fā)生了巨大變化，對突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)和處置成為安全管理工作的重要組成部分。因此，安全防范系統(tǒng)需要在安全管理體系的支撐下，構(gòu)筑起人防、物防和技防三者相輔相成的防護(hù)屏障，部署好應(yīng)急響應(yīng)和處置流程，形成周界、出入口、防護(hù)區(qū)、監(jiān)視區(qū)、警戒區(qū)、禁區(qū)的縱深防護(hù)體系，聯(lián)網(wǎng)聯(lián)動整體運(yùn)行，隨時(shí)獲取安全態(tài)勢信息，并最終對突發(fā)事件做出快速和有力的響應(yīng)和處置[1]。

通過文獻(xiàn)查閱，發(fā)現(xiàn)我國學(xué)者將系統(tǒng)動力學(xué)運(yùn)用在系統(tǒng)內(nèi)部影響因素的研究有很多,但安防領(lǐng)域的相關(guān)研究卻很少。杜夢晨[2]通過對能源貧困影響因素的歸納和提煉，建立相關(guān)系統(tǒng)動力學(xué)模型并仿真運(yùn)行，得到了能源貧困影響因素系統(tǒng)中各因素的相互作用狀況和反饋機(jī)制，總結(jié)出了能源貧困問題的關(guān)鍵因素。帥珍珍等[3]通過構(gòu)建施工項(xiàng)目安全管理的系統(tǒng)動力學(xué)模型，定量分析了各個(gè)因素在安全投入增長相同的情況下對系統(tǒng)安全水平影響的大小，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)踐。常春光等[4]就裝配式建筑施工安全評價(jià)及管理措施等問題進(jìn)行系統(tǒng)動力學(xué)仿真模擬，得出不同因素對裝配式建筑施工安全的不同影響。

1 系統(tǒng)動力學(xué)及解決問題的一般步驟

美國Forrester教授在20世紀(jì)中葉創(chuàng)立了系統(tǒng)動力學(xué)(System Dynamics，簡寫為SD)。系統(tǒng)動力學(xué)創(chuàng)立之初借鑒了系統(tǒng)與信息等相關(guān)領(lǐng)域的理論，常常被用來研究一些非線性以及多變量的問題[5]。最初系統(tǒng)動力學(xué)主要用在工業(yè)生產(chǎn)、企業(yè)運(yùn)行等相關(guān)領(lǐng)域，經(jīng)過近七十多年的發(fā)展與完善，系統(tǒng)動力學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了拓展，被研究學(xué)者運(yùn)用于研究城市經(jīng)濟(jì)預(yù)測、經(jīng)營與管理、能源開發(fā)、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域[6-7]。

應(yīng)用系統(tǒng)動力學(xué)方法分析問題的一般流程如下圖1。在實(shí)際操作當(dāng)中，模型的構(gòu)建、對各項(xiàng)指標(biāo)的量化處理以及對模型運(yùn)行結(jié)果的分析都是極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[8]。

圖1 系統(tǒng)動力學(xué)流程圖

2 安全防范系統(tǒng)效能的系統(tǒng)動力學(xué)分析與建模

2.1 安全防范系統(tǒng)效能影響因素分析

本文提出了影響安全防范系統(tǒng)效能的5大要素：人防、物防、技防、安全管理和應(yīng)急響應(yīng)，并且通過改變構(gòu)建的系統(tǒng)動力學(xué)模型中對各影響因素的安全投入，研究五要素對安全防范系統(tǒng)效能水平的影響大小。

人力防范是指具有相應(yīng)素質(zhì)的人員有組織的實(shí)施防范、處置等安全管理的行為，簡稱人防[9]。人防的優(yōu)勢在于具有主觀能動性，同時(shí)也存在易疲勞、需要長期訓(xùn)練等特點(diǎn)[10]。實(shí)體防范是指利用建(構(gòu))筑物、屏障、設(shè)備或其組合，延遲風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的實(shí)體防護(hù)手段，簡稱物防[9]。物防如果安置得當(dāng)，可以起到直接阻斷攻擊的作用。古代的護(hù)城河、城墻城門、八卦陣、迷宮等都是最好的物防實(shí)例[10]。技術(shù)防范是指利用傳感器、計(jì)算機(jī)、信息處理及控制等現(xiàn)代電子技術(shù)，輔助提高探測、延遲與反應(yīng)能力的防護(hù)手段，簡稱技防[9]。技防是人的視覺、聽覺的能力延伸，具有信息集成的顯著特征[10]。安全管理則融合在安防系統(tǒng)建設(shè)和使用的全過程。應(yīng)急響應(yīng)是指為了應(yīng)對突發(fā)或重大安全事件的發(fā)生所做的準(zhǔn)備以及在事件發(fā)生后所采取的措施。

在確定了影響安防系統(tǒng)效能的5個(gè)一級影響指標(biāo)后，通過分析行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)文獻(xiàn)和專家咨詢，確立了各子系統(tǒng)下的二級影響因子，見表1。

表1 安全防范系統(tǒng)效能影響因子變量集

續(xù)表1

2.2 安全防范系統(tǒng)效能系統(tǒng)動力學(xué)模型變量集

結(jié)合上文內(nèi)容，對5大子系統(tǒng)的影響變量加以歸納與整理，建立了如表1所示的影響因子變量集。

2.3 安全防范系統(tǒng)效能系統(tǒng)動力學(xué)流圖及動力學(xué)方程

結(jié)合表1的變量集，構(gòu)建安全防范系統(tǒng)效能系統(tǒng)動力學(xué)流圖，如圖2所示。

安全防范系統(tǒng)效能的系統(tǒng)動力學(xué)方程：

L.K=L1.K×QZ1+L2.K×QZ2+L3.K×QZ3+L4.K×QZ4+L5.K×QZ5

(其中QZ1+QZ2+QZ3+QZ4+QZ5=1)

(1)人力防范子系統(tǒng)

L1.K=L1.J+(DT)×[R1(t)×YX11×YX12×YX13]R1(t)=EXP[-(P11×QZ11+P12×QZ12+P13×QZ13)]TR1=TR×BL1P11=TR1×BL11×ZH11P12=TR1×BL12×ZH12P13=P11×YX15+P12×YX14

(2)實(shí)體防范子系統(tǒng)

L2.K=L2.J+(DT)×[R2(t)×YX21×YX22×YX23]R2(t)=EXP[-(P21×QZ21+P22×QZ22)]TR2=TR×BL2P21=TR2×BL21×ZH21P22=TR2×BL22×ZH22

圖2 安全防范系統(tǒng)效能系統(tǒng)動力學(xué)流圖

(3)技術(shù)防范子系統(tǒng)

L3.K=L3.J+(DT)×[R3(t)×YX31]

R3(t)=EXP[-(P31×QZ31+P32×QZ32+

P33×QZ33+P43×QZ34)]

TR3=TR×BL3

P31=TR3×BL31×ZH31

P32=TR3×BL32×ZH32

P33=TR3×BL33×ZH33

(4)安全管理子系統(tǒng)

L4.K=L4.J+(DT)×[R4(t)×YX41×YX42×YX43]R4(t)=EXP[-(P41×QZ41+P42×QZ42+P43×QZ43)]TR4=TR×BL4P41=TR4×BL41×ZH41P42=TR4×BL42×ZH42P43=TR4×BL43×ZH43

(5)應(yīng)急響應(yīng)子系統(tǒng)

L5.K=L5.J+(DT)×[R5(t)×YX51×YX52]R5(t)=EXP[-(P51×QZ51+P52×QZ52)]TR5=TR×BL5P51=TR5×BL51×ZH51P52=TR5×BL52×ZH52

式中L表示安全防范系統(tǒng)效能高低的指標(biāo)，Li.K(i=1,2,3,4,5)為K時(shí)刻該子系統(tǒng)的安全效能水平值，Li.J(i=1,2,3,4,5)為J時(shí)刻該子系統(tǒng)的安全效能水平值，DT為仿真模型中的時(shí)間步長，設(shè)定為一個(gè)月。

3 安全防范系統(tǒng)效能的系統(tǒng)動力學(xué)仿真及結(jié)果分析

3.1 模擬仿真參數(shù)確定

本文選取某軍工單位為研究案例，該單位占地面積約25萬m2，內(nèi)部有4座主體辦公樓，6座倉庫及其他廠房，周界全長約1 900 m，高度約2 m左右；共有4道大門和外界直接相連，值崗巡邏安全保衛(wèi)人員16人；技防系統(tǒng)主要有視頻監(jiān)控、入侵報(bào)警、出入口控制和電子巡更系統(tǒng)等。

模型中所涉及到權(quán)重的確定方法為層次分析法，初始值和常數(shù)的確定，采用專家打分法和問卷調(diào)查法[11-14]，因文章篇幅受限，問卷調(diào)查樣表不做羅列，多次調(diào)整修正后，本文所確定的權(quán)重、初始值及部分常數(shù)的取值，如表2所示。

此處對仿真條件進(jìn)行說明，設(shè)定系統(tǒng)效能仿真的安全水平目標(biāo)值為90。通過前期對該單位各子系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀效能的評估，得到其安防系統(tǒng)效能初始值為68.51，遂通過安全投入來提升安全效能。根據(jù)企業(yè)臺賬設(shè)定安全投入為20萬/月，即TR=20(無量綱)，仿真時(shí)間為48個(gè)月。

3.2 模擬仿真的輸出及結(jié)果分析

綜合以上各條件，利用VensimPLE進(jìn)行模擬仿真，得到如圖3仿真趨勢圖。

從圖3可以看出，隨著時(shí)間的變化安全防范系統(tǒng)效能水平逐漸提升，并且提升的速度逐漸放緩。根據(jù)圖4的輸出數(shù)據(jù)，安全防范系統(tǒng)效能值在第40個(gè)月的時(shí)候才達(dá)到目標(biāo)水平，表明持續(xù)的安全投入是安全防范系統(tǒng)效能提高的前提條件。

表2 模型參數(shù)取值

圖3 安防系統(tǒng)效能仿真趨勢圖

通過Vensim PLE仿真,還可以得到各個(gè)子系統(tǒng)效能變化趨勢圖，如圖5所示。由圖5可知，人力防范效能、實(shí)體防范效能、技術(shù)防范效能增加較快，而安全管理效能及應(yīng)急響應(yīng)效能增加較慢，說明安防系統(tǒng)的安全投入對人防、物防、技防3種防范手段效能的提升較為明顯，而對安全管理與應(yīng)急響應(yīng)等非硬性因素提升較為緩慢。為此，后文設(shè)置了對比實(shí)驗(yàn)。

圖4 安防系統(tǒng)效能數(shù)據(jù)輸出界面圖

3.3 對比實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

通過以上仿真模擬可以直觀地看到，相對于傳統(tǒng)的人防、物防、技防等硬性安防技術(shù)手段，安全管理與應(yīng)急響應(yīng)的效能值提升較為緩慢，但這不代表可以減少甚至取消這兩方面的相關(guān)投入，為此專門設(shè)置了對比實(shí)驗(yàn)。在以下幾組方案中安全投入保持不變，只是通過改變不同子系統(tǒng)投入的比例并比較仿真結(jié)果，需要說明的是對比方案中的投入比例值只反映投入的力度與趨勢變化，不具有具體指導(dǎo)意義。

表3 安全投入不同比例方案

按照表3中方案進(jìn)行相關(guān)參數(shù)修改，并在仿真軟件中復(fù)合模擬得到各方案下安防系統(tǒng)效能水平變化圖，如圖6所示。不同方案下得到的曲線變化趨勢大致相同，隨著時(shí)間推移，各方案下安防系統(tǒng)效能的變化量逐漸在曲線上顯現(xiàn)出來，結(jié)果表明：不同安全投入比例對子系統(tǒng)效能的增長存在影響，并最終導(dǎo)致了安防系統(tǒng)效能值不同的變化趨勢。

圖6 不同方案下系統(tǒng)效能水平變化趨勢圖

由圖7所示的對比仿真輸出數(shù)據(jù)，可以看出：原方案、方案1、方案2、方案3以及方案4分別在第40、48、36、33、47個(gè)月到達(dá)目標(biāo)值(90)。對比原方案，在同樣是達(dá)到目標(biāo)水平的情況下，方案1是同等比例投入，結(jié)果要比原方案延遲至少8個(gè)月。方案2是將安全管理與應(yīng)急響應(yīng)的投入比例增加至0.38和0.22，結(jié)果比原方案提早4個(gè)月。方案3是對安全管理與應(yīng)急響應(yīng)的投入比例分別加強(qiáng)了至0.40和0.25，結(jié)果比原方案進(jìn)一步提前了7個(gè)月。而方案4則將安全管理與應(yīng)急響應(yīng)的安全投入比例降至了0.24和0.11,此時(shí)人、物、技3部分的投入比例相應(yīng)提升，結(jié)果發(fā)現(xiàn)比原方案延遲了7個(gè)月。

圖7 對比仿真下系統(tǒng)效能數(shù)據(jù)輸出界面圖

由方案1與原方案對比可得：安全投入一定時(shí)，均等投入的做法不可取，會使有限的安全投入資源造成浪費(fèi)。

方案2、3、4一起與原方案對比可得：安全投入一定時(shí)，適當(dāng)加強(qiáng)對安全管理與應(yīng)急響應(yīng)的投入有利于提高安防系統(tǒng)整體的效能。

綜上所述，目前該單位安防系統(tǒng)提升安全效能的工作重點(diǎn)應(yīng)放在進(jìn)一步提升安全管理和突發(fā)事件的應(yīng)急響應(yīng)與處置能力方面。

4 結(jié)論

根據(jù)上文對該單位安防系統(tǒng)效能的模擬仿真以及仿真對比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本文所得基本結(jié)論如下：

(1)根據(jù)所得各因素權(quán)重大小可知，在5大子系統(tǒng)中對安防系統(tǒng)效能影響的大小排序依次為人力防范子系統(tǒng)、技術(shù)防范子系統(tǒng)、實(shí)體防范子系統(tǒng)、安全管理子系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)子系統(tǒng)。

(2)企業(yè)在安防系統(tǒng)建設(shè)時(shí)，安全效能的提升離不開長期安全資金的投入。

(3)安防系統(tǒng)建設(shè)的安全投入一定時(shí)，均等投入效果最差，決策管理者必須結(jié)合實(shí)際情況差異化的給與投入排序，才能在較短的時(shí)間內(nèi)使安防系統(tǒng)的效能提升到目標(biāo)水平。

(4)安防系統(tǒng)建設(shè)的安全投入一定時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)對安全管理與應(yīng)急響應(yīng)的投入。改善安全管理體制與應(yīng)急響應(yīng)水平后，可以更加順暢高效地聯(lián)動人、物、技3種手段進(jìn)行防范，有利于快速提高安防系統(tǒng)整體的效能。