非常规突发事件系统动力学模型_李红霞

图2 Fig． 2
非常规突发事件系统动力学模型图
System dynamics model of unconventional emergency based on entropy theory
S t 表示 t 时刻系统的熵值。 设 S t0 表示 t0 时刻系统的熵值， S t 是一个增熵速率 r1 与负熵速率 r2 之差在时间 t 上的函数， S t = S t0 ， 当 t = 0 时， 即
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李红霞等： 非常规突发事件系统动力学模型
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d S = d e S + d i S ＞ 0 时， 熵变； d e S 是输入到系统的外部熵； d i S 是系统不可逆过程产生的内部熵 。当 d e S ＞ 0 ， 系统从外界吸收的熵为正， 总熵增加， 系统处于退化状态， 系统的混乱度增加。 任其发展， 导致系统崩溃 瓦解。当 d e S ＜ 0 ， 且 | d e S | ＜ d i S 时， 系统从外界吸收一定的负熵， 但较小无法抵消自身的熵增， 系统将逐 且 | d e S | = d i S 时， 系统吸收了一定的负熵且完全抵消了内部的熵增， 总熵没有 步走向衰落。当 | d e S | ＜ 0 ， 变化， 系统处于平衡态。当 d e S ＜ 0 ， 且 | d e S | ＞ d i S 时， 系统从外界吸引到了足够的负熵， 总熵减小， 系统进 入进化状态。这就是普利高津的耗散结构理论 称为增熵因子。
第 31 卷
第4 期
西 安
科
技
大
学
学
报
Vol． 31
No. 4
2011 年 07 月
JOURNAL OF XI’ AN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
Jul. 2011
文章编号： 1672 － 9315 （ 2011 ） 04 － 0476 － 06
非常规突发事件系统动力学模型
描述体系的混乱程度， 混乱无序程度越大， 其熵值也越大。 在一个孤立系统中， 随着系统的发展， 总熵不 断增加， 当系统的熵值达到最大值时， 整个系统就进入了“热寂 ” 状态， 即将崩溃。 但对于开放系统， 系统 可以与环境交换并利用物质、 能量和信息等来减少系统的总熵值 ， 使得系统的熵值不会毫无限制的增加， 直至崩溃， 而是通过一定的运转后达到一种平衡态
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西 安 科 技 大 学 学 报
2011 年
内， 形成新的平衡状态和耗散结构。因此， 根据熵原理和耗散结构理论， 非常规突发事件的应急管理实质 是一个熵减的过程。在管理过程中通过调动社会系统中的各种资源 ， 使得系统与周围环境进行交换的熵 流 d e S 和系统内部自行变化产生的熵 d i S 2 部分之和小于零， 即系统的熵增小于熵减， 从而使系统的总熵 直至达到一个新的平衡态， 系统从一种混乱无序的状态逐渐进入有序状态 。 值逐渐减少， 从上述非常规突发事件系统状态的熵解释来看 ， 要维持一个系统处于稳定有序的运行状态， 就应该 使系统形成一个良好的耗散结构 ， 尽量减少剔除增熵， 创造引入负熵。因此， 非常规突发事件的预防与应 急管理过程必须强化负熵因子， 控制增熵因子， 尽力引入负熵流， 以减少总熵， 达到维持系统的有序结构， 增加原系统与外界环境的物质和能量的交换 ， 以最大限度地实现物质和能量的耗散 ， 做到空间有序、 时间 有序和功能有序， 从而获取最大的安全效益。
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。
基于此， 本文中运用熵和耗散结构理论， 建立非常规突发事件的系统动力学模型 ， 来进一步认识和把握非 常规突发事件从发生到发展再到演化的整个危机运动过程 ， 以期为应急决策与管理工作提供理论依据 。
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熵的定义与耗散结构理论
熵是热力学过程中， 描述不可逆过程单向性所引入的状态函数。 后来随着其应用的扩展， 熵被用来
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。一个开放复杂系统的熵变化 dS 可分为与周围环
境进行交换的熵流 d e S 和系统内部自行变化的熵产生 d i S 2 部分， 即 dS = d e S + d i S． 其中： dS 是系统的总
收稿日期： 2010 － 10 － 18 基金项目： 陕西省教 育 厅 专 项 基 金 项 目 （ 08JK364 ） ； 陕 西 省 软 科 学 研 究 计 划 项 目 （ 2006KR80 ） ； 陕 西 省 教 育 厅 专 项 基 金 项 目 （ 04JK80 ） 通讯作者： 袁晓芳（ 1982 － ） ， 女， 河北承德人， 博士， 主要从事安全管理与安全系统工程方面的研究．
［8 ］
。 这里将对维持系统有序运转有贡献且可以被系统利
用的物质、 能量和信息等统称为减熵因子或负熵因子； 相反， 把破坏系统有序运转的物质、 能量和信息等
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非常规突发事件系统状态的熵解释
运用熵和耗散结构理论来解释分析非常规突发事件发生与应急管理过程中的系统状态变化情况（ 图 1） 。
图1 Fig． 1
［9 ］
。 而是在人的作用下， 各种有利于社会
伤口愈合的负熵因子（ 主要是非常规突发事件的应急管理措施 ） 在非常规突发事件的激发下出现新的资 源、 信息、 人员、 技术及组织的重组， 形成负熵因子的强势组合， 增强化解增熵能量的能力， 逐渐消减增熵 能量及其带来的影响， 使系统的总熵减少， 系统从极度混乱无序的状态重新进入社会有序运行的范围之
（ 2） （ 3）
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则由式（ 1 ） （ 2 ） （ 3 ） 联立， 可以得到非常规突发事件的系统熵值方程
t
S t = S t + （ r1 － r2 ） d t ， 0 t0 r = f（ S t ， ZS） ， 1 r = g（ S ， C） ． 2 t FS ，
1 1 2 李红霞 ， 袁晓芳 ， 田水承
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（ 1． 西安科技大学 管理学院， 陕西 西安 710054 ； 2． 西部矿井开采及灾害防治 教育部重点实验室 安全管理研究所， 陕西 西安 710054 ）
摘
要： 非常规突发事件的发生演变和应急管理过程与开放系统的熵演变过程有很大共性 ， 都属
于一种耗散结构， 具有典型的不规则性、 突发性、 动态性和复杂性等特征。 运用熵和耗散结构理 论来解释非常规突发事件发生与应急管理过程中的熵态变化情况 ， 将增熵因子、 负熵因子和系统 承载能力作为系统的控制变量， 建立了非常规突发事件的系统动力学模型和扇状模型 。 研究表 负熵因子和系统承载能力三者共同作用组成的动态系统 ； 事 明： 非常规突发事件是由增熵因子、 件的预警与应急管理必须强化负熵因子 ， 控制增熵因子， 使系统形成一个良好的耗散结构， 尽量 处于有序平衡区域和理想稳定区域 。该研究有助于理解并把握非常规突发事件从发生到发展再 到演化的整个危机运动过程， 便于采取相应的措施， 建立科学有效的危机防控体系。 关键词： 非常规突发事件； 熵理论； 耗散结构； 系统动力学 中图分类号： X 913． 4 文献标志码： A
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非常规突发事件的系统动力学模型
依据上述熵原理与耗散结构理论 ， 增熵因子和负熵因子的流入速率直接影响系统的熵值 。增熵因子
越强， 增熵速率越大， 系统的熵值增加越大， 形成正反馈环； 负熵因子越强， 负熵速率越大， 系统的熵值越 小， 形成负反馈环。此外， 由于耗散结构的存在， 人等自组织单元在非常规突发事件的击发下会出现新的 资源、 信息、 人员、 技术及组织的重组能力（ 主要是非常规突发事件的应急决策与管理能力 ） ， 若将其归纳 为系统的承载能力， 尽管其会受到增熵因子的弱化影响 ， 但它对负熵因子具有较强的强化作用， 与系统熵 值间形成负反馈环。设非常规突发事件系统熵值 S 为状态变量， 影响系统熵值的增熵因素为 ZS， 增熵速 率为 r1 ， 负熵因素为 FS， 负熵速率为 r2 ， 系统承载能力为 C． 其中增熵因素 ZS 主要来自系统内部， 其对系 统的承载能力具有削弱的作用， 如环境破坏、 设备故障、 管理混乱、 信息不透明、 社会恐慌等， 其构成增熵 因子集 ZS = ｛ zs i | 1 ≤i≤n｝ ； 负熵因素 FS 既有来自系统内部的， 也有来自系统承载能力的， 如环境良好、 高 科技应用、 信息通畅、 心理疏导、 管理到位等， 其构成负熵因子集 FS = ｛ fs j | 1 ≤j≤m｝ ； 系统承载能力 C 对负 熵因子具有增强功能， 同时又会受到增熵因子的削弱影响 。依据系统动力学理论可构建如图 2 所示的非 常规突发事件的系统动力学模型 。
∫
（ 4）
将式（ 2 ） 和（ 3 ） 代入式（ 1 ） ， 分别求式（ 1 ） 对时间 t 的一阶偏导数和二阶偏导数， 即 S t ZS） － g（ S t ， FS， C） ， = f（ S t ， t
t
S t = S t0 + （ r1 － r2 ） dt．
t0
∫
（ 1）
增熵速率 r1 是关于系统熵值 S t 和增熵因子集 ZS 的函数， 即 r1 = f （ S t ， ZS） ． 负熵速率 r2 是关于系统熵值 S t 和负熵因子集 FS 和系统承载能力 C 的函数， 即 r2 = g （ S t ， FS， C） ．
非常规突发事件发生及治理前后系统状态变化图
System state changes in the process of unconventional emergency’ s occurrence and management
在非常规突发事件发生前， 系统在各种增熵因子和负熵因子的综合作用下 ， 各个单元井然有序， 各司 处于一种有序稳定的平衡态。但随着系统中各种增熵因子（ 如： 自然环境恶化， 资源不足， 危险源突 其职， 显， 管理不善， 腐败现象严重， 舆论谣言四起， 不安全行为频现， 利益主体利欲熏心， 社会恐慌等等 ） 不断增 破坏力越来越急速地聚合膨胀。 而保持社会或组织系统有效运转， 化解增熵能量的负熵因子 （ 如： 人 加， 财力等资源资金， 管理制度， 治理措施， 组织协同， 信息畅通， 高科技技术等等 ） 有限， 且由于增熵因子 力、 的逐渐增强也会形成对负熵因子的限制。 因而社会的自组织功能逐渐被弱化， 系统的原有平衡态被破 逐渐走向不稳定状态。此现象不断积累， 一旦负熵流受迫到最低点， 系统熵增达到临界点， 破坏力超 坏， 越系统的承载能力， 那么此时一个小小的随机扰动因素 （ 即导火索事件） 就能够引起非常规突发事件的全 面爆发， 社会组织系统将发生脆性断裂。因此， 根据熵原理和耗散结构理论可以看出， 非常规突发事件的 发生实质是一个熵增的过程。尽管其处于一个开放系统中， 但由于系统与周围环境进行交换的熵流 d e S 和系统内部自行变化产生的熵流 d i S 两部分之和大于零， 即系统的熵增大于熵减， 系统的总熵依然在增 加。当引发非常规突发事件的矛盾积聚到一定程度 ， 系统总熵和直接决定事件发生的事件势一旦越过临 系统的平衡状态将被打破， 从而导致非常规突发事件产生， 系统从有序状态进入不稳定状态， 再进 界点， 入一种混乱无序的状态。 在非常规突发事件发生的阶段， 系统的总熵值达到最大状态， 系统处于最混乱无序状态， 非常规突发 社会各界资源的调动也难以在短时间内实现 。但此时由于人这种世界上最高级的自组 事件最难以控制， 织单元的存在， 系统并没有放弃自组织功能对系统修复的努力