突变理论在煤矿事故预防的应用研究

2020-09-25宁波远景汽车零部件有限公司崔韫峰

机电安全 2020年1期

宁波远景汽车零部件有限公司崔韫峰

■事故突变理论及其研究

突变理论(Catastrophe Theory)是法国数学家勒内托姆(Rene Thom)教授于20 世纪60 年代中期创立的。传统的微积分、微分方程对那种连续的和光滑变化的现象给予了成功的描述，而在解释不连续和突变现象面前却显得束手无策。突变论运用微积分拓扑对奇点性质的研究成果，包括分类定理，对突变现象做出了成功的解释。

突变理论是研究在连续发展过程中出现的突然变化的现象，以及突然变化与连续变化因素之间的关系。将突变理论应用于事故预防管理中，建立事故突变理论非常必要。突变理论系统的函数如下：

式中，Φ为系统的状态参数ti的集合，Φ={t1,t2,…，tn}；Ψ为系统的状态参数ui的集合，Ψ={u1,u2,…，un}。

突变理论的创始人托姆已证明，只要控制变量集7 中的控制变量个数不多于4 个，在某种等价意义下，V函数只会有7 种基本突变形式。他们是尖顶突变、折叠突变、燕尾突变、蝴蝶突变、双曲脐点突变、椭圆脐点突变和抛物脐点突变。其中，尖顶突变是指只有2 个控制变量和一个状态变量的机构，只存在一种突变形式。对于控制平面上的每一点，即对于2 个控制变量的每一个组合，至少存在一个最可能的行为，即得到一个行为点，这些行为点组成行为曲面。尖顶突变理论模型表明行为曲面在中间发生折叠。在表示最少可能行为的中间叶，控制变量的微小变化可能导致状态变量的急剧突变。尖顶突变的几何图形如图1所示。

图1 尖顶突变的流形与折叠线

鉴定突变的突变流形分成上、中、下三叶，上下两叶是稳定结构，中叶是不稳定结构。在从上叶到下叶或从下叶到上叶的转换中，如果跨越了折叠线，则发生突跳。所有的突变形式都存在着同样的突变特征，如多模态特征：上下两叶状态不同；突跳特征：经过折叠线时发生突跳；不可达特征：中叶不能到达；发散特征：一个小的变化导致状态完全不同及滞后等。

■事故发生原因的系统分析

在人机系统中，人始终都处于主体地位。人是机器设备的创造者和操纵控制者，机器则是被制造被控制的对象。人机系统在运作过程中发生事故的原因如下。

1.系统功能被破坏

比利时布鲁塞尔大学的心理学家法维尔日认为：人们试图从操作上，从人与环境相互作用过程出发分析事故的发生；就广义而言，甚至把事故视为生产过程的任何未预见到的中断，以此为根据对于机器或材料像对于造成工人创伤的不幸事件那样来研究。事故是系统活动的副产品，人们力求避免它，从而改进整个系统。法维尔日认为：任何事故之前都有系统功能的破坏(功能紊乱)，即有一个相期，其间系统的某些成分不能充分执行自己的功能或者执行的不是它固有的功能。这些情况经常在系统的结构不适当、结构不能适应功能的情况下发生。

2.反馈机制不健全

系统能动地发挥其功能，就是因为有反馈不断地把系统对环境作用的结果作为信息返回到系统中去，使系统不断进行调节。正因为不断反馈调节，所以不管环境怎样变化，系统都能正确地反应,系统的科学性、准确性也由此体现。人机系统的每个组成单位，如果缺乏必要的信息、缺乏加工信息的程序和指令，没有对信息的适当的应答反应，危险的反应行为就可能在该单位发生。例如，生产现场的运输通道可能由几个单位共同使用，而彼此又互不通信息，没有调控的程序和制度，事故就容易产生。事故最容易产生在各单位的交界结合部位。

3.系统存在薄弱环节

在人机系统不能充分完成生产计划时，人们往往企图以损害事故预防的办法提高产量，使系统超负荷运转，产生了一些违规的行为。这时整个系统正常的运作规律被打破，从而系统就产生了薄弱的环节，这样最薄弱环节的功能首先失效，继之影响相关环节功能失调，事故就必然发生。

4.事故的“多米诺”现象

人机系统中任何环节发生事故或停顿，都会破坏整个系统的运转，由此必须停产或半停产进行修复工作。统计研究表明：不幸事件的数量在完成修复工作前，大大高于正常工作时期，这就是事故的连锁反应。这一规律对事故预防有非常重要的意义，“祸不单行”讲的就是这一规律。

5.人为事故是事故的主要原因

人是人机系统的主体，机器的错误归根到底是由于人的设计或操作错误造成的。尤其是现代自动设备的广泛使用，把体力劳动型的工人变成“脑力劳动型”的工人，在现场操作人员中，感知决策功能比体力操作功能占优势。有研究材料表明：肌内功能的份量总共只占5%左右。所以，操作人员观察信号，发现情况，区别解释这些信号，以及思维判断决策等心理活动，对事故预防特别重要。

6.客观环境是事故发生的外在诱因

环境条件的优劣直接影响人机系统的运转,环境将引起人的精神、体力和思维的变动，从而改变人的正常行为，造成事故的隐患。有研究材料表明：温度、湿度、通风、噪声、采光等与人体不适，都是导致事故发生的原因。

■突变理论在事故预防管理中的应用

煤矿企业具有人员多、作业分散、设备设施多、分布面广、自然条件恶劣、不安全因素多、作业环境复杂、管理困难等特点，工作场所处于经常变化之中，自然灾害和生产事故的危险源始终影响和制约着煤矿的安全生产。对于煤矿这样的复杂工业系统，紧紧依靠安全技术系统的可靠性和人的可靠性，不足以杜绝事故，而直接影响安全技术系统可靠性和人的可靠性的组织管理因素，已经成为是否导致复杂系统事故发生的深层次原因。事物的安全演变过程具有流变突变的特点，即事物发展过程一般符合R-M规律。R-M的全过程，如图2可以表述为：当某一事物诞生后的初期(OA阶段)，损伤量随时间呈减速递增，新秩序在此期间逐渐形成和完善。当新秩序发展到成熟阶段时(AB阶段)，完善的新秩序使损伤量匀速缓慢增加。经过一个稳定增加的时期后，原秩序将再次向无序方向发展，进而损伤量开始加速增大(BC段)。任何事物都具有其固有的损伤量承受能力或界限。超出此限后，事物将发生安全流变。事物发生安全流变时的损伤值即为该事物的临界损伤量。当原秩序被破坏后，事物又开始回归到一个新的安全状态，即损伤量为新的近似零值，原事物的秩序消失，从而又形成了另一个同类新事物诞生的起点(D点)。物质世界就是在安全到危险的无限循环中存在和发展的。

图2 安全流变一突变示意图

事故的发生是由于人的因素(安全意识、安全教育、管理水平、应变能力、身体素质等)和物的因素(工作条件、机器的故障、自动化程度、保护装置等)共同作用的结果。在此把人的因素H和物的因素M作为两个控制参数，把生产能力或系统功能F作为状态参数。利用突变理论可建立事故致因的尖顶突变模型，如图3 所示。

图3 事故致因尖顶突变模型

图3为事故致因尖顶突变模型的突变流形和分叉集。曲面的上叶表示系统功能好，指生产状况、安全水平俱佳。下叶表示系统功能坏，指生产中断，人受伤害、物质受损坏的状态。从上叶到下叶或从下叶到上叶系统功能的突跳就是事故发生。

利用这样的尖顶突变理论，可以对事故致因做出合理的解释。在煤矿的作业中，由于工作的环境、人员的素质、使用的机器设备、加上管理的组织的不良，从而事故的隐患慢慢地显露，以至于事故的发生。也就是当人的因素H和物的因素M同时恶化时，就有可能使系统功能F急剧恶化，如图3 中曲线abcd，其中b-c是系统功能F的突跳，变化值vF=F(Hb,Mb) -F(Hc,Mc)，是由b到c时系统发生事故。相应的在分叉集上就是一条经过分叉集两个边缘的曲线。进一步分析，当H、M恶化程度不一样时，F产生的突跳程度也不一样。见曲线a1b1c1d1和a2b2c2d2,则b1-c1的突跳vF1=F(Hb1,Mb1) -F(Hc1,Mc1),vF2=F(Hb2,Mb2) -F(Hc2,Mc2)，明显vF1＜vF2，也即前者是小型事故，后者为重大事故。反映到分叉集上是两条跨越分叉集程度不一样的曲线。当突变流形上的曲线在由上叶向下叶发展时，如果不经过折叠线，虽然也会导致生产能力的降低和系统功能的恶化，但不会发生事故，如曲线a3b3。在事故致因尖顶突变模型的突变流形上选择不同的点，通过分析不同点之间的转换，将得到许多重要的结论。如图4 所示,选择从A到J共8 个点形成的几何图形进行讨论。