化学灾害中个体风险感知的系统动力学建模与仿真研究

2020-06-13王中邮张春颜

科技管理研究 2020年9期

王中邮，张春颜

（天津工业大学经济与管理学院，天津 300387）

1 研究背景与现状

1.1 研究背景

所谓化学灾害事件，是指具有易燃、易爆、腐蚀、毒害和放射性等危险特性的化学危险品在存储、运输过程中所导致的事故。相较于其他类型灾害而言，除了可能导致直接的经济损失、人员伤亡、环境污染、交通通信中断之外，由于其自身的不易控制性、污染的广泛性、混合污染源的未知性和不易消散性等特殊性，还可能引发更大范围的民众恐慌、失序甚至混乱［1］。如2005 年吉林石化“11·13”爆炸事件所导致的供水紧张、物资哄抢风潮、松花江水污染、民众情绪紧张，2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事件和2019 年江苏盐城响水“3·21”爆炸事件所带来的不同程度的民众恐慌，等等。这种不同程度的情绪紧张、恐慌以致选择逃离是生物感知并躲避风险的本能选择。对于突发性灾害事件，绝大部分公众在其发生后都会凭借个人的判断来评估风险，即进行风险感知［2］，但是这种感知是受到多方因素影响的，如个体经验、媒体报道情况、事件本身的破坏情况以及政府的救援效果，等等。

1.2 研究现状

影响公众风险感知的因子是极为复杂的，所谓“风险感知是人们对某个特定风险的特征和严重性所做出的主观判断，是测量公众心理恐慌的重要指标”［3］。个体感知到危险并积极主动地去躲避危险是个体的一种本能，每个个体感知到的风险程度是不同的。从内部因素来说，如亲生经历过灾害的人和没有经历过灾害的人风险感知程度是不一样的，研究灾害的专家和普通民众感知到的风险程度也是不一样的；从外部因素来说，如能够接收到媒体大量集中关于灾害报道的人比不能够接收到的人风险感知程度要高。

通过梳理已有的研究成果可发现：国外对于风险感知的研究多集中在方法上，注重通过定量测量得出较为精确的结果，主要包括：一是心理测量范式，由斯洛维奇等人为代表提出。他指出“心理测量范式包括对测量结果进行排序、相关分析、因素分析等。这种方法是通过心理量表和多因素分析技术，以数量化的方式展现人们对风险的态度和知觉，目的是揭示出决定风险感知的因素”［4］。这是目前运用的比较广泛的研究方法。二是公式化测量范式，主要研究人们对接收到的客观风险信息转化成主观意识的途径。比如当面对风险时基于个人感知程度做出的风险行为结果，像发生死亡、造成财产损失的可能性等，通过将客观风险转换成主观意识的途径来测量出风险事件对个体生命造成影响的风险因子［5］。三是文化理论。这种方法是由Douglas 和Wildavsky首创，其重点说明的是公众感知到的风险是与其文化和社会背景紧密关联的，社会上不同群体面对风险时所感知到的风险程度是不同的，人们会自己选择所惧怕的风险以及惧怕的程度［4］。

国内不少学者也对公众的风险感知因素进行了研究。如张志强等［6］以煤矿类水灾害为例，借助系统动力学的方法研究了煤矿水灾害在多因素共同作用下的系统动力学演化机理，并对模型中关键参数进行了灵敏度分析，为煤矿水灾害安全决策提供了一种新的分析思路。陈伟等［7］基于系统动力学方法理论，探索了风险感知变化的实际影响因素体系，并结合Vensim 软件构建化工企业决策者的风险感知因果关系图和系统流程图，分析出影响企业决策者风险感知程度的影响因子。李华强等［8］以 “5·12”汶川地震为例，基于重灾区的实际调研数据，分析了重灾区公众在地震的风险感知特征及其影响因素，并构建了一个完整的风险感知理论模型。孙多勇［9］基于 Logit 建模的个体灾难恐惧感知模型。孟博等［10］在风险感知理论模型及影响因子分析中指出风险感知是风险中人群行为决策和风险判断过程的基础，风险目标因子则直接影响人们对风险等级的判断。武佳倩等［11］以2005 年吉林石化爆炸引发的城市供水危机为例，基于系统动力学理论构建水污染引发的突发事件应急仿真模型，为政府制定供水危机应急管理策略提供理论基础和技术支持。于小兵等［12］以2013 年台风“菲特”造成的余姚水灾为例，在系统动力学理论基础上将台风的自然属性和社会属性纳入研究模型，通过梳理各方主体在台风灾害中的应急行为机制，为相关部门制定台风灾害应急措施提供理论依据。马颖等［13］利用SD 模型研究食品安全风险感知和消费者信息搜寻行为之间的关系，利用SEM 模型分析消费者食品安全风险感知的影响因素，进而建立SD 模型分析信息搜寻行为对消费者食品安全风险感知的影响，以提出降低消费者食品安全风险感知的建议。魏明侠等［14］基于系统动力学理论，从在线交易者风险感知的视角出发，分析网上信用风险感知的影响因素，构建网上信用风险感知系统动力学理论，研究表明,商家信用和交易者的受骗经历对信用风险感知最敏感，其次是交易额和个人防范能力，最后是信用服务收费率的变动。

结合已有研究，本研究在重点分析2005 年吉林石化“11·13 ”爆炸事故、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事故、2019 年江苏盐城响水“3·21”爆炸事故三起典型案例的基础上，根据系统动力学（system dynamics,SD）原理，从风险感知水平与客观风险水平的角度量化风险水平差距，构建化工企业个体风险感知的影响因素系统模型，并用Vensim 软件进行仿真模拟，揭示化学灾害后个体风险感知的影响机制，为相关治理者进行有效的风险防控提供切入点。

2 突发性化学灾害事件风险感知因果关系构建

2.1 风险感知因果关系图构建

风险感知和客观风险的水平会很大程度上影响个体的行为选择，也就是说，个体会依据两者风险水平的差距并在持续不断的风险衡量之后做出的不同行为倾向，即风险决策。

所谓风险感知水平是衡量个体心理恐慌的一种重要指标，是指所涉及到的个体在突发事故发生后，对事故严重性所做的主观判断水平；而所谓的客观风险水平，是指企业在事故发生前以及发生后客观实际存在的风险问题及造成事故严重性风险水平，事故发生前的客观风险包括经营风险（如负债率、负利润率、负现金流紧缺率等）和安全风险（如设备陈旧、安全失察、工作倦怠等），事故发生后的客观风险包括污染风险（如污染区域、未污染区域、修复区域）和舆情风险（如未知人群、舆情人群、安抚人群）。

风险感知和风险衡量是一个复杂的过程，受到外部和内部多种因素的影响，其主要通过作用于两者的周期发挥作用。风险感知的周期受化学灾害造成的财产损失量、爆炸事故半径及人员伤亡量的影响。风险衡量的周期受灾害涉及个体对事故的可控感影响包括事故经验、个体情绪恐慌程度以及外部环境如媒体报道程度等。在大多数的化学灾害事件中，除了会导致人员伤亡、财产损失、公共基础设施损毁等共通问题外，鉴于其自身的特殊性，较为特殊的是民众大范围恐慌所引发的舆情危机，以及污染的持续扩散问题，所以本文重点分析突发灾害后个体在舆情、污染两方面的风险感知因果关系图，如图1 和图2 所示。

2.2 风险感知因果关系路径分析

如图1 所示，舆情负反馈回路为：风险感知差距↑—风险决策↑—安抚速率↑—舆情人群↓—舆情风险等级↓—风险感知差距↓。

突发性化学灾害发生后一般会造成重大人员伤亡及严重污染，引发较大范围的社会关注，加之网络化时代信息传播的即时性，使得危机扩散的速度更快，给治理者及相关部门反应的时间就更短，如若应急处理不及时，官方信息供给不足就会导致“小道”消息横行，谣言丛生，使得人心惶惶。从风险治理者及相关部门的角度来分析，事故发生后，风险感知水平与客观风险水平差距加大，为使舆论人群情绪稳定，风险决策者将在最短的时间内对所涉及到的人群进行安抚，如采取新闻发布会的形式公布事故进展程度以及回应澄清不实言论，其效果就会使舆论人群进一步减少，使舆情风险等级降低，使风险感知水平与客观风险水平的差值维持在一定安全水平范围内，即形成负反馈回路。

如图2 所示，污染负反馈回路为：风险感知差距↑—风险决策↑—修复速率↑—污染区域↓—污染风险等级↓—风险感知差距↓。

涉及化工企业的灾害事件一般都会比较严重，这是由于化工企业储存危险化工品以及在生产过程中伴随的风险往往比其他企业要大。当其发生突发事故后，化工原料会和水、空气以及其他化工原料产生化学反应，发生爆炸，产生废气、废水，进而造成污染。当爆炸范围内所涉及到的个体在得知污染问题之后，风险感知水平与客观风险水平的差值会增加，个体会依据风险感知水平与客观风险水平的差值并在持续不断的风险衡量之后做出不同行为倾向，采取躲避或者面对的系列风险决策。从风险治理者及相关部门的角度来分析，事故发生后，治理者及相关部门在一般情况下都会采取积极面对的决策，以最短的时间加快修复污染区域，使已经污染的区域面积缩小，污染风险等级逐渐降低，进而风险感知水平与客观风险水平差值进一步缩小，维持在合理安全范围内，即形成负反馈回路。

图2 污染负反馈回路因果关系

3 风险感知系统模型的建立

3.1 模型的建立

突发化学灾害中影响个体的风险感知因素是很多的，且这些因素是一个不断变化的动态发展过程。在事故发生的每一个阶段所采取的措施也是不同的［5］。

本研究着眼于化学灾害发生前后的不同风险，分析各因素之间的变化关系及各因素对个体风险感知的影响，事故发生前主要存在的是经营风险和安全风险，事故发生后主要存在的是污染风险和舆情风险，结合系统动力学原理和方法对个体风险感知进行合理的建模仿真，如图3 所示。所建立的系统模型中涉及状态变量、辅助变量、速率变量、隐含变量如表1 所示。状态变量是指对输入和输出变量（或其中之一）进行积累的变量，在状态变量方程中代表输入和输出的变量称为速率变量；辅助变量是指辅助状态变量等设立的变量［15］。

图3 化学灾害中个体风险感知的影响因素系统模型

表1 风险感知系统模型变量汇总

3.2 系统方程式的构建

根据系统动力学原理以及系统变量之间的逻辑关系，建立函数方程式，涉及IF THEN ELSE 语句、取整函数、延迟函数、斜坡函数、脉冲函数等函数。模型中部分数据来源于2005 年吉林石化“11·13”爆炸事件、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事件、2019 年江苏盐城响水“3·21”爆炸事件官方报告以及为了模拟需要假设的部分数据，继而进行合理的模拟。系统中部分主要变量之间的函数关系式如表2 所示。

表2 风险感知模型主要函数关系式

4 风险感知系统模拟与分析

4.1 风险水平差值分析

本系统模型设定的模拟时间是100 h，时间步长是0.062 5。X 轴表示时间，Y 轴表示风险等级。

本模型从风险感知与客观风险水平的角度分析风险水平，并将影响客观风险水平的因素分为四方面，即经营风险、安全风险、污染风险、舆情风险。经营与安全风险为化工企业事故发生前的风险安全隐患，是一个不断积累的变量。污染与舆情风险为化工企业事故发生后的次生灾害，是一个事故发生后持续发展的过程。

假设客观风险由其自然发生，没有人为干扰。由图4 可知，客观风险等级随时间在不断地升高，会在一个等级上持续一段时间再向下一个等级发展，最后处于稳定水平。这种发展过程符合民众对真实发生事故的认知，即事故开始逐渐变得严重，最后趋于稳定水平。

风险感知水平是个体的主观判断水平，客观风险有其演化机制。事故发生后，灾害涉及到的个体对事故的信息收集不足，经过风险衡量后得到的风险感知水平不稳定，风险感知水平曲线忽上忽下，如图4 呈破浪状。后期随着对事故信息的收集越来越充足，风险感知水平会逐渐下降并和客观风险水平逐渐拟合，稳定在一定水平上，之后做出是躲避危险还是面对危险的风险决策。

图4 风险感知水平与客观风险水平的差值拟合图

图5 污染风险等级变化

4.2 污染风险等级分析

在忽略其他影响因素的情况下，研究采取污染控制措施时间点对污染风险等级的影响。本模型将采取的污染控制措施时间点分为15 个时间单位，分析每一时间单位污染风险等级的变化。因为化工企业本身就带有污染性，所以将0～1 等级设为安全范围内的等级水平。

在第1 个时间单位采取措施，污染风险等级将会在第20 小时从等级1 降为等级0。此后每增加一个时间单位，污染风险等级就会延长20 个小时才能从等级1 降为等级0，直到第6 个时间单位时，污染等级已全部上升到等级1。

在第7 个时间单位采取措施，污染风险等级会在等级1 上持续5 小时之后上升到等级2，在等级2上持续15 小时，第20 小时后降到安全范围等级1。此后每增加一个时间单位，污染风险等级就会在等级2 上多持续20 小时，同理，降为等级1 的时间也会增加20 小时。

在第10 个时间单位时采取措施，污染风险等级将会在第10 小时上升到等级3 并持续5 小时，在第15 小时降为等级2 并持续65 小时，在第80 小时降到安全范围等级1。

在第11 个时间单位采取措施，污染风险等级将会在第10 小时上升到等级3 并持续20 小时，在第30 小时降为等级2 并持续70 小时直到模拟时间结束。此后每增加一个时间单位，在等级3 上的时间就会增加20 小时，降为等级2 的时间也会相应的增加20 小时，直到模拟时间结束。

在第15 个时间单位采取措施，污染风险等级会在第15 小时上升到等级4 并持续10 小时，在第25小时降为等级3，直到模拟时间结束，如图5 所示。

通过以上分析，可以看出在化学灾害事故发生后引起的污染风险等级变化过程，整个模拟过程和真实发生的化学事故污染过程有较高的拟合度。从第11 个时间单位到第15 个时间单位，污染风险等级降不到安全范围内，这可能是由于化工企业发生事故后造成的污染程度过于严重，短时间内降不到安全范围内或者污染区域向未污染区域扩散的速度大于修复污染的速度。比如2005 年吉林石化“11·13”爆炸事故、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事故、2019 年江苏盐城响水“3·21”爆炸事故，这三起化学事故发生后都产生了较为严重的污染，特别是天津瑞海“8·12”爆炸事故，直到爆炸一个月之后空气质量才恢复到爆炸前的水平而处于爆炸区域的土壤直到半年后还能够检测到污染物。这种污染风险等级不能够降到安全范围内的情况，也会使风险感知水平短期内维持在较高水平，与客观风险水平的差值短时间内会增大，不利于民众安心生活。

4.3 舆情风险等级分析

在忽略其他影响因素的情况下，研究采取舆情控制措施时间点对舆情风险等级的影响。根据实际情况可知，污染风险一定程度上能带来舆情风险，但要形成舆情，必须要有足够的舆情人数作为基数。本模型将舆情人数分为4个等级，小于500人为等级0，500～5 000 人为等级1，5 001～20 000 人为等级2，20 001～100 000 人为等级3，大于100 000 人为等级4。本模型把舆情控制措施时间点分为40 个时间单位，分析每一时间单位舆情风险等级的变化。

由于形成一定规模的舆情人基数需要一定的时间，因此在本模型中设前15 个时间单位为舆情人基数形成阶段，设舆情等级为0。

在舆情形成到第16 小时后，人数超过500 人，舆情等级升到1 并持续2 小时。如果在这时采取舆情风险控制措施，会使舆情等级在第18 小时后降为0。此后每增加一个时间单位，舆情风险在等级1 上持续的时间也会增加2 小时，直到第25 个时间单位。

在舆情形成到第24 小时后，人数超过5 000 人，舆情等级上升到2 并持续3 小时。如果在这时采取舆情风险控制措施，会使舆情在第30 小时后等级降为1 并持续13 小时，在第43 小时后等级降为0。此后每增加一个时间单位，舆情风险在等级2 上持续的时间也会增加2 小时，一直到第30 个时间单位。

在舆情形成到第29 小时后，人数超过20 000 人，舆情等级上升到3 并持续2 小时，如果在这时采取舆情风险控制措施，会使舆情在第31 小时后等级降为2 并持续8 小时，在第39 小时后等级降为1 并持续16 小时，在第56 小时等级降为0。此后每增加一个时间单位，舆情风险在各等级上持续的时间会相应的增加2 小时，一直到第37 个时间单位。

在舆情形成到第35 小时后，人数超过100 000人，舆情等级上升到4 并持续2 小时，如果在这时采取舆情风险控制措施，会使舆情在第37 小时后等级降为3 并持续11 小时，在第48 小时后等级降为2 并持续10 小时，在第58 小时等级降为1 并持续16 小时，在第75 小时等级降为0。此后每增加一个时间单位，舆情风险在各等级上持续的时间会相应的增加2 小时，直到模拟结束，如图6 所示。

通过对以上舆情等级形成过程的分析可以看出，舆情人数是以指数形式增长的。舆情信息的传播及获取途径主要是传统媒体和网络媒体［16］。据《数字中国建设发展报告(2018 年)》发布的报告称2018年中国网民达8.29 亿人，互联网普及率59.6%，舆情人群在获取事故信息的同时对其获得的信息进行持续的风险衡量，形成风险感知并与客观风险水平做对比，进而对风险作出判断决策。

图6 舆情风险等级变化

4.4 安全风险等级分析

海恩法则指出，每一起严重事故的背后，必然有29 次轻微事故和300 起未遂先兆以及1 000 起事故隐患。其强调两点：一是事故的发生是量的积累的结果；二是再好的技术、再完美的规章，在实际操作层面，也无法取代人自身的素质和责任心。海恩法则同样适用于企业安全方面。2005 年吉林石化“11·13” 爆炸事故、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事故、2019 年江苏盐城响水“3·21”爆炸事故，这三起化学灾害无一例外的被国家安全部门认定为特大生产安全责任事故，给人民生命财产带来了重大损失。通过对模型的分析可知，化工企业通过提高对生产设备的检修频率，及时更替老旧设备，提高生产管理人员的安全意识，增加安全培训、演习次数等这些措施能够有效地降低安全风险等级。