复杂系统风险熵的涌现与动力学传播分析_汪送

摘 要：随着系统复杂程度和耦合程度的提高，基于还原论思想的因果失效律不 足 以 解 释 复 杂 系 统 安 全 事 故 的 致 因，因此必须采用基于复杂性科学和系统科学的事 故 分 析 方 法。 本 文 在 评 述 现 有 的 事 故 致 因 理 论 及 模 型 后 ，给 出 了复杂系统安全事故的五类致因因素及其因素间的 关 联 关 系，并 构 建 了 基 于 致 因 因 子 风 险 状 态 的 风 险 熵 函 数 ，分 析了风险熵的涌现过程，同时在构建复杂系统事故致 因 网 络 模 型 的 基 础 上，形 式 化 地 描 述 了 风 险 熵 在 事 故 致 因 网 络上的动力学传播过程。该研究结果可为复杂系统安全事故分析及预防提供新的思路。 关 键 词 ： 复 杂 系 统 ；风 险 熵 ；涌 现 ；动 力 学 传 播 ；事 故 致 因 网 络 中 图 分 类 号 ：Ｘ９１３．３；Ｘ９２８．０３ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１６７１－１５５６（２０１３）０２－０１１８－０３
状态，一旦系统风险 状 态 超 过 临 界 阈 值 则 可 能 会 导
致系统崩溃，即触 发 安 全 事 故。 假 定 ５ 个 一 级 致 因
所处的状态用ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、ｓ５ 来描述，则系统的 风 险
状态可描述为
ｆＲ ＝ （ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４，ｓ５）
（１）
式中：ｆＲ 为系统的风 险 状 态，它 是 关 于ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４、
遗 漏 控 制 、部 件 协 同 性 差 等 ；环 境 扰 动 主 要 指 环 境 冲 击造成的信 息、物 质、能 量 交 互 过 程 的 紊 乱 或 者 中 止；适应性衰退包 括 行 为 失 控、系 统 结 构 脆 性 等；信 息缺乏包括因信息缺乏所导致的认知缺陷和应变能 力差等。这五类因素近乎涵盖了复杂系统安全事故 的 所 有 致 因 ，并 共 同 决 定 着 复 杂 系 统 的 结 构 状 态 。
Ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｄ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｒｉｓｋ Ｅｎｔｒｏｐｙ ｉｎ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｓｙｓｔｅｍ
ＷＡＮＧ Ｓｏｎｇ１，２，ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ２，ＤＵ Ｃｈｕｎ２，ＧＵＡＮ Ｍｉｎｇ－ｌｕ２，ＬＩ Ｃｈｕｎ－ｈｏｎｇ１ （１．Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｍｅｄ Ｐｏｌｉｃｅ Ｆｏｒｃｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，
收 稿 日 期 ：２０１２－０６－２０ 修 回 日 期 ：２０１２－１２－０３ 基 金 项 目 ：国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （７１１７１１９９） 作 者 简 介 ：汪 送 （１９８４— ），男 ，博 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 复 杂 系 统 与 复 杂 网 络 研 究 。Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｎｅｓｏｏｎ＠１６３．ｃｏｍ
图 １ 复 杂 系 统 安 全 事 故 的 一 级 致 因 Ｆｉｇ．１ Ｆｉｒｓｔ ｌｅｖｅｌ ｃａｕｓａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ
ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ
如果将与复杂系统安全性相关的系统结构状态
定义为系统风险状 态，则 必 定 存 在 一 个 临 界 的 风 险
ｓ５ 的函数。
５个一级致因 因 素 相 互 作 用，则 造 成 系 统 风 险
状态的演变，当风险 状 态 出 现 阶 跃 式 突 变 而 超 过 临
界 阈 值 时 ，安杂系统风险熵及其涌现
２．１ 风险熵的界定 设ｉ（ｉ＝ １，２，… ，ｍ）为 复 杂 系 统 安 全 事 故 致 因
Ｘｉ’ａｎ７１００８６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ａｉｒ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００５１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｄｅｇｒｅｅ ｉｎ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｌａｗ ｏｆ ｃａｕｓａｌｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｓｔ ｉｄｅｏｌｏｇｙ ｉｓ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｏ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｃａｕｓａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ ｓａｆｅｔｙ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ， ａｎｄ ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｓｃｉｅｎｃｅ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎ－ ｃｅｉｖｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｔｈｅｏｒｉｅｓ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｓ ｏｆ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｃａｕｓａｔｉｏｎ，ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｆｉｖｅ ｓｏｒｔｓ ｏｆ ｃａｕ－ ｓａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎ－ ｓｔｒｕｃｔｓ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｅｎｔｒｏｐｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃａｕｓａｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ，ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｉｓｋ ｅｎｔｒｏｐｙ．Ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ａｃｃｉｄｅｎｔ ｃａｕｓａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓ－ ｔｅｍ，ａｎｄ ｆｏｒｍａｌｌｙ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｉｓｋ ｅｎｔｒｏｐｙ ｉｎ ｔｈｉｓ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｎｅｗ ｉｄｅａ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｉｓｋ ｅｎｔｒｏｐｙ；ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ；ｄｙｎａｍｉｃ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ；ａｃｃｉｄｅｎｔ ｃａｕｓａｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ
由上 述 分 析 可 知，适 应 性 的 衰 退 也 是 造 成 安 全 事故的重要致因，此 外 信 息 缺 乏 在 事 故 致 因 中 也 占 据重要地位 。 ［５］ 因 此，部 件 失 效、交 互 紊 乱、环 境 扰 动、适应性衰退和信 息 缺 乏 是 造 成 复 杂 系 统 安 全 事 故的 ５ 个 一 级 致 因 （见 图 １）。 其 中，部 件 失 效 包 括 物理部件故障、人 为 失 误、安 全 文 化 薄 弱、组 织 失 效 等；交互紊乱包括 约 束 失 效、非 功 能 性 交 互、重 复 或
第 ２０ 卷 ２ ０ １ ３年
第２期 ３ 月
安全与环境工程
Ｓａｆｅｔｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ＶＭｏａｌｒ．．２０ ２Ｎ０ｏ１．２３
复杂系统风险熵的涌现与动力学传播分析
汪 送１，２，王 瑛２，杜 纯２，管明露２，李春红１
（１．武警工程大学装备工程学院，西安 ７１００８６；２．空军工程大学装备管理与安全工程学院，西安 ７１００５１）
０ 引 言
在复杂系统的事故分析中，一因多果和一果多因 的情形十分普遍，事故的发生不再遵循线性的链式模 式 ，而是多种因 素 复 杂 交 互 的 结 果 ，每 起 安 全 事 故 背 后都隐藏着一张复杂而巨大的致因网络。因此对复 杂 系 统 进 行 事 故 分 析 ，不 能 仅 仅 依 靠 基 于 事 故 链［１］或 者 病 理 学［２］模 型 的 分 析 方 法 ，因 为 这 些 分 析 方 法 只 能 获得一些显在的事故近临致因，难以挖掘出事故背后
第２期
汪 送 等 ：复 杂 系 统 风 险 熵 的 涌 现 与 动 力 学 传 播 分 析
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ＣＲＥＡＭ （Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ Ｅｒｒｏｒ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｍｅｔｈｏｄ），指出随着系统复杂性的增加，人类的手工作 业 逐 渐 被 认 知 活 动 所 取 代 ，认 知 负 担 增 加 了 人 为 失 误 的可能性；Ｊ．Ｒａｓｍｕｓｓｅｎ［６］提 出 了 针 对 风 险 管 理 的 社 会技术框架（Ｓｏｃｉｏ－ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｒｉｓｋ Ｍａｎ－ ａｇｅｍｅｎｔ），建 议 通 过 对 组 织 、管 理 、操 作 结 构 进 行 建 模 来重现事故发生的前提。笔者曾提出了一种基于系 统 理 论 的 复 杂 系 统 事 故 分 析 的 认 知 －约 束 模 型 （ＳＴＣ－ ＣＭ，Ｓｙｓｔｅｍ－ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ Ｃｏｇｎｉｔｉｖｅ－ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ Ｍｏｄｅｌ），并 指出事故的发生是由于人类认知水平有限，导致不能 对复杂的事故致因行为进行及时有效的约束，进而酿 成安全事故［７］。
的系统致因，而对系统致因进行深入分析才是预防未 来类似事故发生的有效手段，对此有必要发展基于复 杂性科学和系统科学的事故致因理论。国外学者 Ｎ． Ｇ．Ｌｅｖｅｓｏｎ［３，４］发 展 了 基 于 系 统 理 论 的 事 故 模 型 ＳＴＡＭＰ （Ｓｙｓｔｅｍｓ－Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃ Ａｃｃｉｄｅｎｔ Ｍｏｄｅｌ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ），而 且 从 复 杂 性 科 学 的 角 度 出 发 ，将 安 全 视 为复杂系统的一种整体涌现，认为事故发生源于在设 计、制造、使用和维护过程中安全约束未被有效执行； Ｅ．Ｈｏｌｌｎａｇｅｌ［５］提 出 了 认 知 可 靠 性 和 失 误 分 析 方 法
虽然上述事故分析方法对于认知复杂系统的安 全事故致因机理有 一 定 的 促 进 作 用，但 大 多 属 于 事 后 的 分 析 方 法 ，对 于 事 故 的 前 期 预 防 作 用 并 不 明 显 。 鉴于此，本文拟从系 统 风 险 状 态 跃 迁 的 角 度 来 分 析 事故的成因过程，并 采 用 风 险 熵 来 度 量 系 统 的 危 险 状 态 ，以 期 为 复 杂 系 统 安 全 事 故 预 防 研 究 奠 定 基 础 。