基于熵變理論的鐵路運輸本質安全管理研究

　　摘要：本質安全是安全科學的前沿理論，是煤炭、化工、核能、交通等行業(yè)在生產中大力推行的管理模式，其理論體系也在不斷地創(chuàng)新發(fā)展。從解決鐵路安全生產面對的實際問題和豐富完善本質安全理論的目標出發(fā)，基于熵變理論和二維象限法，闡述了鐵路安全系統(tǒng)中熵流和熵產的應對策略。進一步分析了熵產的形成原因，給出了鐵路運輸生產中對抑制正熵流和促成負熵流的關鍵要素，即能量、信息與文化。最后，對照構建的鐵路運輸本質安全創(chuàng)新體系，提出了具體的實施路徑，以此確保本質安全在鐵路行業(yè)應用的針對性和有效性，為鐵路安全生產提供理論支撐。

　　關鍵詞：熵變理論;本質安全;鐵路安全管理;熵產;熵流;二維象限法

　　本質安全是對于生產系統(tǒng)中的某一種或幾種危險因子，從源頭上消除其產生的可能性，使系統(tǒng)無限趨近于絕對安全狀態(tài)的理念[1]。本質安全的最初認識可追溯至西方對飛機系統(tǒng)和火箭系統(tǒng)關于安全臨界狀態(tài)的研究，即可靠性分析[2]15-16。20世紀50年代世界宇航界正式提出本質安全概念，隨后，其理念在化工生產、礦業(yè)開采、核能發(fā)電、交通運輸等領域廣泛流行，鐵路運輸也在近些年開展了相關的實踐探索[3]，[4]43。

　　但是，安全本質化的理論研究卻存在線性思維、側重微觀、強調拆分等方面的不足。因此，在分析本質安全理論瓶頸，結合我國鐵路運輸生產實際的基礎上，引入熵變理論創(chuàng)新鐵路本質安全管理模式，對有效彌補本質安全應用的理論缺陷，推進其在鐵路安全管理中的科學性和實效性，實現鐵路運輸生產安全的高質量發(fā)展，具有十分重要的現實意義。

　　鐵路運輸論文： 鐵路線路巡防人員配置模型研究

　　1熵理論與安全管理

　　熵(Entropy)的概念是克勞修斯(RudolfClau�瞫ius)為解釋熱力學第一定律(能量守恒定律)中無法說明的問題而提出的。作為熱力學奠基人之一，他提出了熵增原理：系統(tǒng)演化的方向是恒定的，即始終是趨向于熵值的增加進行發(fā)展。

　　而后熵理論在不同維度得到了豐富，從學科應用看，物理學中將熵與微觀粒子混亂程度建立關聯(lián)，并由玻爾茲曼(L.E.Boltzmann)用來說明熱力學幾率的物理意義給出了統(tǒng)計上的量度。而后麥克斯韋(Maxwell)、吉布斯(Gibbs)等人將熵用在辨別化學反應進行的方向及程度上[5]31-33。1944年，量子理論創(chuàng)始人薛定諤(E.Schr�idinger)在《生命是什么———活細胞的物理觀》中，又將熵的研究成果擴展到了生物學。

　　現如今，熵變理論已經廣泛運用到了管理、人文、經濟、心理等各個領域，安全管理作為安全科學和管理科學交叉研究的領域，近年來也在嘗試熵變理論的引入應用[6-7]。從研究系統(tǒng)形式的維度來看，克勞修斯的理論的前提是孤立體系，但是在現實觀測中卻存在與其原理完全相反的現象。對此，齊拉德(LeoSzilard)發(fā)表于《物理學期刊》的論文中創(chuàng)造性地給出了“負熵”這個新概念，而薛定諤更是提出了“有機體以負熵為生”。負熵是熵增中的逆向進程，為熵變值增加了負的量，也揭示了體系在發(fā)展中存在著外界的參與。

　　普利高津在此基礎上，將研究擴展到了開放系統(tǒng)，并運用公式“dS=deS+diS”表示系統(tǒng)的總熵變，其中deS表示熵流，diS表示熵產，即系統(tǒng)內部各要素無規(guī)則作用而產生的熵增。對于安全管理來說，其應用對象都是處于復雜環(huán)境下的開放系統(tǒng)，體系安全水平也是由內部因素和外部因素所共同影響決定的，追求的最終目標也往往是實現管理體系不 斷地向著有序的方向發(fā)展。

　　2熵變視域下的鐵路本質安全

　　2.1鐵路本質安全

　　本質安全既是一種管理技術，也是一種安全哲學思想。在17世紀前，人類面對自然界的威脅幾乎無能為力，安全哲學觀念屬于聽天由命的宿命論。隨著蒸汽時代的到來，機器大工業(yè)得到發(fā)展，生產組織管理形式發(fā)生質的變化，人類安全生產的認識論進入到了事后處理的經驗論。

　　20世紀開始至今，人類實現了由傳統(tǒng)安全管理向現代安全管理的飛躍，為保障核能工業(yè)、宇航工程等重大項目的實施，人類安全理念也由接受綜合防控理念，更進一步到提出本質論的安全哲學觀，本質安全也是人類安全哲學最新的理論成果。鐵路已經開展了本質安全的實踐應用，本質安全所強調的源頭治理、綜合防控，從根本上消除或減小事故發(fā)生可能性的思路，對保障鐵路運輸安全起到了積極作用。

　　由于鐵路運用本質安全尚處于嘗試探索初期，而且本質安全理論仍在不斷發(fā)展完善，因此鐵路在安全的本質化管理中遇到了諸多問題。一是本質安全主要是針對人、物、環(huán)境、管理(4M)四項基本要素進行的分析與整治，相比而言觀測的系統(tǒng)過于微觀，并且對于各系統(tǒng)間的關聯(lián)度考慮也稍顯不足。二是過于側重源頭性防控，由此帶來的是顧此失彼，對于整個事故產生機理的邏輯鏈條以及各環(huán)節(jié)節(jié)點上因素的控制性未能深入探究。

　　2.2熵變理論的引入針對鐵路本質安全當前面對的宏觀梳理和應用性分析不夠的情況，運用熵理論對本質安全進行改進，以此描述鐵路安全體系這一復雜系統(tǒng)的混亂、無序程度，通過(總熵)做出準確的度量判斷。

　　2.3二維象限法分析二維象限法(Two-dimensionalquadrantmeth�瞣d)可以通過事件或事物的兩個重要層面作出直觀的說明，得到有依據的分類分析[8]。對鐵路安全體系中正負熵流和熵產的類型劃分可以依托二維象限法實現，根據分析工具的運用方式及熵變公式中各要素的雙重屬性。

　　4類分別是：對鐵路安全體系產生積極影響且可控的A類;產生消極影響且可控的B類;產生消極影響且不可控的C類;產生積極影響且不可控的D類。負熵流(denS)處在A類區(qū)域，正熵流(depS)處在B類區(qū)域，可對這兩方面采取管控的策略;熵產(diS)處在C類區(qū)域，應當對其進行深入分析，以對今后可能出現的變化進行預測研究，D類區(qū)域暫不必采取行動。

　　3熵產分析：鐵路系統(tǒng)自然積累的風險隱患

　　3.1鐵路復雜巨系統(tǒng)帶來熵產多元化

　　對于一個系統(tǒng)而言，其構成的元素、子系統(tǒng)數量極為龐大，可以稱為“巨系統(tǒng)”;而其各組成元素、子系統(tǒng)的種類多樣，層次關系多變，即為“復雜系統(tǒng)”，鐵路系統(tǒng)就是典型的復雜巨系統(tǒng)。鐵路運輸系統(tǒng)覆蓋全國范圍、涵蓋眾多業(yè)務，涉及車、機、工、電、輛等存在較大差異化的工種。如今(截止2019年底)，中國鐵路運營里程達到13.9萬公里，高鐵營業(yè)里程3.5萬公里，位居世界第一，日均開行的8000多列旅客列車則由18個鐵路局集團公司以及200多萬名鐵路職工為其提供安全保障。由此可見，這樣的巨系統(tǒng)一旦運轉起來，將有來自于各個場所、各個業(yè)務、各個專業(yè)的熵源源不斷地產生，如此多元化的熵產匯聚成了系統(tǒng)巨大的熵增。

　　3.2安全保障機制基本處于平衡態(tài)

　　鐵路企業(yè)在運輸生產安全中保持了長期穩(wěn)定的良好態(tài)勢，近些年中國鐵路交通事故10億噸公里死亡率低于德國、法國、英國等發(fā)達國家[9]。鐵路安全生產成績的取得，源自于安全保障體系的日趨成熟，由此帶來的是對于安全管理自信的提升，以及對于當前管理機制的信賴。根據耗散結構理論，要打破并遠離既往較為熟悉舒適的平衡狀態(tài)，是改變系統(tǒng)熵值不可避免地向著增加方向發(fā)展的重要途徑。因此，如何在當前穩(wěn)定的安全管理機制中，通過引入先進技術、創(chuàng)新安全管理模式打破系統(tǒng)走向“熵死”的趨勢，是鐵路企業(yè)面對的迫切挑戰(zhàn)。

　　3.3趨近于獨立封閉的行業(yè)系統(tǒng)

　　中國鐵路從誕生起就是采用軍事化和半軍事化的管理方式，由于鐵路系統(tǒng)在行車組織、運營管理、信號通信、線路施工、機車牽引等方面具有高度專業(yè)性，使得鐵路系統(tǒng)長期處于相對獨立的狀態(tài)，在不進行較大規(guī)模與外界系統(tǒng)交互的情況下，即可滿足內部對于運輸生產各方面需求的響應。根據熵增原理，這樣系統(tǒng)將會對于外界變化產生不敏感的反應，逐漸在系統(tǒng)內出現行為異常、管理滯后和結果波動，也直接地表現為出現各種形式無序的內部熵增參量。

　　4熵流管控：調節(jié)鐵路運輸生產中形成的安全或危險態(tài)勢

　　本質安全管理從源頭上根本上消除風險隱患的思想說明，合理管控危險能量是保障安全的初級要求，也是從正熵流上實現安全管理的基本目標形態(tài)(Ⅰ型本質安全)。同時，為滿足耗散結構理論的開放性特征，需要系統(tǒng)加強與外界的交互，吸收外部優(yōu)秀要素，推動內部負熵流的增強。由此，提出運用“硬”和“軟”的兩種方式，通過前沿信息技術的引入，實現數據在系統(tǒng)內部高效流轉，以科技硬實力促進負熵流的自然形成，提升本質安全級別(Ⅱ型本質安全)[11]。更高級別的狀態(tài)(Ⅲ型本質安全)是構建安全文化體系，讓內部各組織子系統(tǒng)能夠自發(fā)地涌現更多的有序參量。

　　4.1抑制正熵流：阻隔危險能量的積聚轉移

　　美國的安全專家哈登(Haddon)在1966年提出的事故能量轉移理論對事故發(fā)生的本質給出了定義，即事故是能量的不正常轉移。因此，分析正熵流產生的對象，應聚焦在機械能(動能、勢能)、電能、化學能、熱能、聲能、輻射能等能量作用類型上，對能量的合理有效控制是預防事故，實現安全本質化的基礎。具體來說，對于能量的控制根據兩類危險源理論分為兩種，即防治危險能量的積聚和阻止危險能量的轉移。

　　兩類危險源是事故致因原理中的劃分方式，第一類危險源主要是由能量構成，如：行駛中高鐵列車的動能、易燃易爆危險運輸品的化學能、處在高處鐵路集裝箱的勢能等，它們一旦失控可能產 生巨大的安全威脅。第二類危險源是人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不安全條件及管理的缺陷等能夠導致對能量限制約束失效的因素，危險能量可以抓住這些漏洞缺失，突破安全屏障的阻擋，最終釀成事故[12]。

　　要抑制系統(tǒng)內正熵流的產生，必須同時針對于兩類危險源制定措施，因為對于安全生產事故來說，第一類危險源決定了后果的嚴重程度，第二類危險源決定了事故發(fā)生的可能性，而兩類危險源共同作用決定了風險等級的高低，即可理解為正熵流的大小。一方面，針對第一類危險源，要通過對系統(tǒng)能量的消除減弱、限定閾值、及時疏導等方法防止危險能量的不可控聚集;另一方面，針對第二類危險源，可通過合理轉移、距離控制、時間控制、局部強化等技術阻止危險能量不正常的轉移。雖然危險源是不以人的意志轉移的客觀存在，但是對其發(fā)生可能性和造成后果嚴重程度的控制能夠降低正熵流，達到本質安全的基本態(tài)(Ⅰ型)。

　　5鐵路運輸本質安全管理創(chuàng)新體系的實現路徑

　　以鐵路運輸本質安全管理新體系為遵循，以體系中管控危險能量、推進信息和文化和諧交互的三層次本質安全形態(tài)為對應目標，提出提升鐵路本質安全水平的現實路徑。

　　5.1源頭治理本質化

　　鐵路源頭治理的本質化需要實施本質設計和本質標準策略。對于鐵路能量的管控必須從頂層設計開始，設計是“源頭的源頭”，本質設計要基于最小化、替代性、緩和性、簡化性等基本原則，最大程度規(guī)避可能出現的危險能量聚集。同時，要對鐵路設施的最大承載、關鍵部件設備的壽命、修程修制的模式給出科學的設計規(guī)范，防止危險能量的溢出。在管的基礎上，還要控，有了上層設計更要有底層落地，不折不扣地實現目標要求需要職工作業(yè)、監(jiān)督檢查的標準化，定期組織開展鐵路崗位作業(yè)標準化的動態(tài)分析評價，確保將能量控制在觸發(fā)事故的閾值之下。

　　5.2風險管控本質化

　　鐵路風險管控的本質化需要實施本質數字和本質防控策略。實現本質數字的治理，要借助大數據、互聯(lián)網、人工智能、區(qū)塊鏈、超級計算等新技術與鐵路行業(yè)深度融合，推進數據資源賦能鐵路安全管理，提升對鐵路運輸中人、物、環(huán)境產生各項數據的采集感知，高速傳輸存儲并深度分析，為安全決策提供重要的輔助支撐。以數據集成平臺為基礎，將鐵路安全保障信息合理輸出為管理防控手段。本質防控的方法與技術包括：采取雙重預防機制、應用HAZOP分析、建立NOSA五星管理體系、實施PDCA循環(huán)等。

　　5.3組織協(xié)同本質化

　　鐵路組織協(xié)同的本質化需要實施本質價值和本質責任策略。實現文化的深度和諧交互，必須要有統(tǒng)一且能夠觸發(fā)足夠共鳴的安全價值觀念，通過制度規(guī)范作業(yè)者的行動，以行動養(yǎng)成習慣，以習慣生成性格，以性格涵養(yǎng)本質價值。同時，要建立安全生產責任制體系，覆蓋領導干部和全部員工，排查從設備設施“一點”，到業(yè)務流程“一線”，到人員崗位“一面”，再到作業(yè)系統(tǒng)“一體”的責任需求，構建責任鏈條，擰緊責任螺絲。

　　以本質價值、本質責任作為引領，形成以自適應、自組織為形式，潛移默化影響職工從要我安全，到我要安全，再到我要他人也安全的協(xié)同安全過程。結語安全生產是鐵路永恒的話題，本質安全作為人類安全哲學的最新理論，也必將是鐵路在今后較長一段時期堅持實踐和深化完善的重要理念。在當前鐵路發(fā)展迅猛、技術裝備快速革新、外部環(huán)境嚴峻復雜、安全運輸標準要求更高的背景下，應積極運用熵變理論協(xié)助剖析鐵路這一復雜巨系統(tǒng)，堅持對本質安全管理的理論創(chuàng)新，不斷在實踐中豐富發(fā)展，梳理系統(tǒng)逐步從混沌走向規(guī)律，確保鐵路運輸安全的持續(xù)穩(wěn)定。

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　　作者：楊子楠

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