混沌理论对特种设备安全管理的启示

李志海

（东营市质量技术监督局 东营 257000）



混沌理论对特种设备安全管理的启示

李志海

（东营市质量技术监督局 东营 257000）

摘 要：特种设备安全事故的频发，给特种设备安全监管带来了极大的挑战，也给监管单位和监管人员带来了沉重的工作压力，产生了事故无从规避的认识误区。本文借鉴混沌理论在现代管理学中的运用，分析了特种设备安全管理理念和管理模式，提供给监管人员观察问题和思考问题新的角度，从而能够采取更有效的措施，使特种设备管理行为纳入科学的有序状态。

关键词：混沌理论 特种设备 安全管理

近年，特种设备的数量迅速增加，使用场所范围更加广泛，与人民群众接触更加密切，在经济社会发展和日常生活发挥着更为巨大的作用。但是，特种设备数量剧增和落后的管理模式的矛盾日益突出，涉及特种设备的事故频繁发生，安全形势不容乐观。根据国家质检总局公布2014年全国特种设备安全状况，截至2014年底，全国特种设备总量达1036.46万台，较2013年上升10.63%。2014年，全国共发生特种设备事故283起，死亡282人，受伤330人。近期发生的“7·26”荆州百货商场电梯事故、“7.17”日照石化企业爆炸事故，更是将特种设备安全管理推到舆论的风口浪尖，特种设备安全管理水平的提高迫在眉睫。而通过对各类事故的统计分析，特种设备安全事故的发生带有很强的随机性和偶然性，从而给事故的预防和安全管理造成相当大的难度。尤其是事故发生后大范围的追责，让管理人员、监管人员产生极大的负面情绪和心理负担，“管与不管同结局、防范事故靠天意”的思想局部存在，加剧了事故防范的难度。因此，在特种设备安全监管方面，需要引入更加科学先进的理论、管理理念和管理模式，以不断提高科学监管的水平，而混沌理论作为一种新的组织理论和新兴的科学方法论，已经从物理学等自然科学领域，广泛引入到管理学中，给传统的管理学理论带来了历史性的变革［1］，这对特种设备安全监管也具有积极的指导和借鉴意义。

1 混沌理论的发展和应用

混沌理论（Chaos Theory）是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用以探讨动态系统中无法用单一的数据关系，而必须用整体、连续的数据关系才能加以解释及预测之行为，是非线性系统所独有且广泛存在一种非周期运动形式。

混沌理论被认为是继相对论和量子力学后，20世纪物理学的第三次重大革命，它消除了拉普拉斯关于决定论式可预测性的幻想。混沌理论的开端，追溯到1890年法国科学家庞加莱将动力学系统和拓扑学两大领域结合，指出了混沌存在的可能性。1918年，G.Duffing的研究揭示了非线性震动系统的奇异现象，并总结出Logistic方程。

现代意义的混沌起源于20世纪中期。Kolmogrov发现一个充分接近可积Hamilton系统的扰动较大时，系统图像就会产生混沌现象。1963年美国气象学家爱德华·诺顿·劳仑次对两无限平面间的大气湍流的模拟，并提出了著名的“蝴蝶效应”，开创了用数值实验方法研究混沌的先河［2］。

1976年，美国生物学家May R.M提出：简单的确定性数学模型——Logistic方程可以产生类似随机的行为。同年，天文学家Henon构造了Henon二维映射，发现Henon奇怪吸引子是一条无限长不封闭曲线，有自相似性。1977年，第一届国际混沌会议在意大利召开，标志着混沌科学的诞生。

20世纪80年代，是混沌理论迅速发展的时期。1981年，Shaw提供了用信息流观察混沌运动的新视角，给出了微分方程和映射系统中信息熵的计算公式。1982年，Cuckenheimer利用Lyapunov指数发展了区分混沌与真正随机运动的算法。

近些年来，混沌科学更是与其它科学相互渗透，无论是在生物学、生理学、心理学、数学、物理学、电子学、信息科学，还是天文学、气象学、经济学、管理学，甚至在音乐、艺术等领域，混沌都得到了广泛的应用。

据统计，混沌理论在安全领域已有一定的发展，目前较多的应用于安全系统中事故的演化分析方面。比如：邵辉研究了混沌理论在事故分析及预测中的应用，指出了事故对初始条件的敏感依赖性和事故的长期不可预测性［3］；施式亮研究了瓦斯爆炸事故的混沌特性及混沌控制，初步建立了瓦斯爆炸事故混沌分析模型［4］；钟贸华以矿井火灾为例提出了事故过程的确定性混沌分析方法［5］；杨冕将混沌科学中的现代化知识运用到安全科学的理论和实践中，率先提出了安全混沌学的定义。

2 混沌理论对特种设备安全管理的启示

混沌理论之所以在特种设备安全管理中得以应用，主要源于特种设备安全管理具有混沌理论的如下特性：

1）随机性：特种设备安全管理体系处于混沌状态是由体系内部随机性产生的不规则性行为，即内随机性。例如，在固定时点，企业范围内所有特种设备及相关行为视为统一的系统，即使设备状态、工作环境都是确定的，而系统在混沌区的行为仍表现为随机性。

2）敏感性：这里将特种设备管理组织的行为、作业人员的行为等因素设定为混沌系统中的初值。特种设备安全管理系统的混沌运动在时间演化和空间分布上，均具有对初值的极度敏感性。这种敏感性，将导致系统长期时间行为的不可预测性。

3）普适性与统计特性：当系统趋于混沌时，安全事故的发生表现出一定的统计特征，总有一些普适的常数，如海因里希的1:29:300，事故规模大于X的安全事故与其数目Y之间满足如下关系式：lgY=a-bX，这些普适性与统计性类似于混沌系统中的Feigenbeam常数和Lyapunov指数［6］。

4）标度律：混沌现象是一种无周期性的有序态，具有无穷层次的自相似结构，存在无标度区域。只要对系统中各变量数值的影响参数掌握足够全，总可以在一定尺度的安全系统混沌域内预测到事故发生的相关信息。所以具有标度律性质。

基于以上比对，特种设备安全管理有等同于混沌系统的运行时序和规律，从而使该理论在特种设备安全评价、企业内部安全管理、特种设备监督管理部门的安全监管方面得以运用。

2.1 在特种设备安全评价方面

安全分析评价最早起源于上世纪30年代美国保险业所开展的安全评价活动。可以分为定性风险评价和定量风险评价。定性风险评价就是对评价对象的风险状况做定性的分析，如是否达标，是否符合等，目前在特种设备安全管理中普遍应用。定量风险评价就是对评价对象的风险状况做定量的计算，常用的方法主要有数理统计评价法、模糊综合评价法［7］、灰色评价模型评价法、利用神经网络进行风险分析［8］等。以上评价方法都基于数学模型的建立，力求实现定量风险评价，已普遍在国外安全评价机构中应用。由于特种设备安全涉及设备管理、设备操作、设备固有属性、材料介质、使用环境等多种因素的影响，简单的定性分析无法满足安全评价的要求，但是由于存在复杂的不确定性、内在随机性和外在偶然性，同样给如何运用定量风险评价带来难题。因此，应建立基于风险分析和量化评价的特种设备安全评估体系和反馈改进机制。以特种设备制造、安装、使用、管理、监管全流程为研究系统，以每一流程的参数和安全评价结果和偶发因素为初始输入，从而对系统进行调整，加强薄弱环节，消除潜在隐患，以达到系统安全最优化。

2.2 在特种设备安全监督管理方面

混沌理论促使监管部门和人员正确认识事故致因。特种设备事故发生的普遍性、无序性和不可预测性给特种设备安全管理带来了极大的困难和困扰，管理人员大多认为事故的产生的根本原因在于工人偶然的不当操作或不当的使用环境，与监管失职和不到位关系较小，认为即使通过全面的监管也难以避免事故的发生。而基于混沌理论，系统的一个重要特征就是对初始条件的敏感依赖性。初始条件的细微差别在受到系统不断放大或缩小的非线性作用后，最终导致完全不同的结果［9］。因此，复杂的、严重的事故结果并不一定都需要复杂的原因。简单的前提同样可能造成复杂的结果。“蝴蝶效应”实质上就是混沌系统内在随机性作用的结果。即，一次安全监管的微小不到位、一个细小的疏漏、事故隐患整改不及时不彻底，也能决定系统的最终发展结果，导致恶性事故的发生。因此，在具体的特种设备安全监督管理工作中，要引进先进的监管理念，树立正确的事故致因论，克服懈怠逃避思想；要建立PDCA循环改进监管流程和闭环反馈监管方式，变被动监管为主动监管，从而产生低隐患、低风险的结果。

混沌理论能促进建立风险预警型的监管模式。混沌理论作为新兴的科学方法论，能够提供给监管人员对管理理论和管理实践更多的观察问题和思考问题的角度，从而采取更有效的措施［10］。因此，在特种设备安全管理系统中，安全检查频率、安全检查效能、安全管理方式都是系统的初始条件，可以基于物联网技术［11］研究建立超前、实时、动态危机预警指标体系，随时检测监管过程出现的偶然状况，并探索与工厂在用的自动化生产控制系统相衔接，采集压力、温度等相关数据作为系统的初始输入。根据指标指示状况判断系统状态，从而在安全事故发生前采取相应的干预措施，避免安全危机的出现。比如，目前我国大部分石油炼化企业的生产设备采用以微处理器为核心的DCS（Distributed Control System，集散控制系统）［12］，可实时采集压力容器中压力、温度、流量等数据，实现对特种设备的动态监管。

2.3 在企业特种设备安全管理方面

特种设备安全管理的主体责任是企业。任何一次细微的管理疏忽都可能导致事故的发生。企业安全管理的基本任务是力求以最小的成本保障最大的安全和最佳的经营效能。

目前，基于对安全系统基本特征与运行机制的认识，已经产生了以“安全熵理论”、“安全流变-突变理论”、“安全混沌学”等为代表的一批新的安全科学理论［13］。

通过对“安全混沌学”的研究，在特种设备安全管理过程中可以得到如下理论和借鉴：

1）特种设备安全管理系统是以耗散结构形式存在，具备混沌属性的复杂系统，其内部存在人员、设备、管理各要素中的扰动与涨落，在正熵流和负熵流的作用下，系统状态变量不断运动，若其中有害的微小扰动被放大，则可导致安全系统局部失稳，产生事故；

2）运用安全混沌学思想，可以重新塑造员工对特种设备安全管理的认识，在安全系统中，由于特种设备安全事故的发生具有内在随机性，唯有依靠不断的安全管理才能监测调节系统的控制参数，将系统的运行稳定在预期的轨道上，实现安全系统的混沌控制；

3）运用安全混沌学思想，可以通过尖点突变评价理论、模糊评价理论以及安全灰色预测理论等新的安全评价方法和事故预测手段，为特种设备安全系统的分级、综合评价和事故预测提供科学的理论依据。

因此，在实际应用中，可以借助企业在用的DCS系统，建立特种设备安全动态监测系统。对特种设备安全管理系统中设备状况、人员技术水平、环境变化等适时监测，减少有害因素的发生，如通过人员培训减少人的不安全行为，通过定期检验、自行检验消除物的不安全状态；并借助MATLAB软件建立以耗散结构为基础的系统模型，对变化的指标进行评价分析，随时进行初始输入的修正。又根据混沌理论，确定性的安全系统中，由于事故的发生具有内在随机性，唯有依靠连续不断的安全管理才能监控调解系统的控制参数，将系统的运行稳定在预期的轨道上。

3 结论

根据以上分析，可以得出以下结论：

1）树立正确的事故致因观。特种设备安全管理、监管人员应正确认识事故致因，任何一次事故的发生都不是偶然，一次安全监管的微小不到位、一个作业人员的培训的缺失、一次事故隐患整改不及时不彻底，也能决定系统的最终发展结果，导致安全系统局部失稳，最终产生恶性事故；

2）特种设备安全管理需要严密的控制计划和对及时的参数监测。特种设备监管部门和使用单位应建立PDCA循环管理流程，即Plan（计划）、Do（执行）、Check（检查）和Act（修正） ，以闭环反馈的监管方式，修正、消除容易引起事故发生的微小挠动，从而大幅降低事故概率；

3）应探索建立与企业在用的自动化生产控制系统（如DCS等）相衔接的风险预警系统，依靠自动监测和人工监测的方式实时采集特种设备相关参数和风险因素的变换指标，依据风险混沌评价，对实时指标进行预测评价。当评价结果出现风险时，启动预警程序，排除风险隐患，实现对特种设备的动态监管。

参考文献

［1］ 罗珉，李映东.混沌理论对管理学发展的启示［J］.财经科学，2004，207（06）：20-23.

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［3］ 邵辉.混沌理论在书谷分析及预测中的应用［J］.中国安全科学学报，2005，15（4）：21-24.

［4］ 施式亮，梁小玲.瓦斯爆炸事故的混沌特性及其控制方法初探［J］.中国安全科学学报，2003，13（9）：54-58.

［5］ 钟茂华，范维澄，王清安，等.事故过程的确定性混沌分析方法［J］.中国安全科学学报，2000，10（3）：28-32.

［6］ 吴超，杨冕.安全混沌学的创建及其研究［J］.中国安全科学学报，2010，20（8）：3-16.

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［12］ 谢国波.几类混沌系统的设计及应用研究［D］.广州：广东工业大学，2012.

［13］ 姚有利.基于分岔理论的人-机-环煤矿安全系统的混沌调控［J］.中国安全科学学报，2010，20（3）：97-101.

Enlightenment of Chaos Theory on Special Equipment Safety Management

Li Zhihai
（Dongying Quality and Technical Supervision Dongying 257000）

AbstractFrequently occurred accidents have brought great challenges to the monitoring unit and regulators，and product mistakes that accident is impossible to avoid to the regulators. This article references chaos theory in modern management， analyzes the special equipment safety management ideas and management models， provides new point of view to regulators for observation and thinking problems， which can help to take more effective measures to make special equipment management behavior in the scientific and orderly state.

KeywordsChaos theory Special equipment Safety management

作者简介：李志海（1985～），男，硕士，科员，从事特种设备安全监察、行政执法工作。

收稿日期：（2015-09-28）

中图分类号：X922

文献标识码：B

文章编号：1673-257X（2016）06-0053-04

DOI：10.3969/j.issn.1673-257X.2016.06.013