基于熵變理論的鐵路運(yùn)輸本質(zhì)安全管理研究

　　摘要：本質(zhì)安全是安全科學(xué)的前沿理論，是煤炭、化工、核能、交通等行業(yè)在生產(chǎn)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(chǎn)面對(duì)的實(shí)際問(wèn)題和豐富完善本質(zhì)安全理論的目標(biāo)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(chǎn)的應(yīng)對(duì)策略。進(jìn)一步分析了熵產(chǎn)的形成原因，給出了鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中對(duì)抑制正熵流和促成負(fù)熵流的關(guān)鍵要素，即能量、信息與文化。最后，對(duì)照構(gòu)建的鐵路運(yùn)輸本質(zhì)安全創(chuàng)新體系，提出了具體的實(shí)施路徑，以此確保本質(zhì)安全在鐵路行業(yè)應(yīng)用的針對(duì)性和有效性，為鐵路安全生產(chǎn)提供理論支撐。

　　關(guān)鍵詞：熵變理論;本質(zhì)安全;鐵路安全管理;熵產(chǎn);熵流;二維象限法

　　本質(zhì)安全是對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)中的某一種或幾種危險(xiǎn)因子，從源頭上消除其產(chǎn)生的可能性，使系統(tǒng)無(wú)限趨近于絕對(duì)安全狀態(tài)的理念[1]。本質(zhì)安全的最初認(rèn)識(shí)可追溯至西方對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)和火箭系統(tǒng)關(guān)于安全臨界狀態(tài)的研究，即可靠性分析[2]15-16。20世紀(jì)50年代世界宇航界正式提出本質(zhì)安全概念，隨后，其理念在化工生產(chǎn)、礦業(yè)開(kāi)采、核能發(fā)電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛流行，鐵路運(yùn)輸也在近些年開(kāi)展了相關(guān)的實(shí)踐探索[3]，[4]43。

　　但是，安全本質(zhì)化的理論研究卻存在線性思維、側(cè)重微觀、強(qiáng)調(diào)拆分等方面的不足。因此，在分析本質(zhì)安全理論瓶頸，結(jié)合我國(guó)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)實(shí)際的基礎(chǔ)上，引入熵變理論創(chuàng)新鐵路本質(zhì)安全管理模式，對(duì)有效彌補(bǔ)本質(zhì)安全應(yīng)用的理論缺陷，推進(jìn)其在鐵路安全管理中的科學(xué)性和實(shí)效性，實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全的高質(zhì)量發(fā)展，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　鐵路運(yùn)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(xué)第一定律(能量守恒定律)中無(wú)法說(shuō)明的問(wèn)題而提出的。作為熱力學(xué)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(jìn)行發(fā)展。

　　而后熵理論在不同維度得到了豐富，從學(xué)科應(yīng)用看，物理學(xué)中將熵與微觀粒子混亂程度建立關(guān)聯(lián)，并由玻爾茲曼(L.E.Boltzmann)用來(lái)說(shuō)明熱力學(xué)幾率的物理意義給出了統(tǒng)計(jì)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(xué)反應(yīng)進(jìn)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(xì)胞的物理觀》中，又將熵的研究成果擴(kuò)展到了生物學(xué)。

　　現(xiàn)如今，熵變理論已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了管理、人文、經(jīng)濟(jì)、心理等各個(gè)領(lǐng)域，安全管理作為安全科學(xué)和管理科學(xué)交叉研究的領(lǐng)域，近年來(lái)也在嘗試熵變理論的引入應(yīng)用[6-7]。從研究系統(tǒng)形式的維度來(lái)看，克勞修斯的理論的前提是孤立體系，但是在現(xiàn)實(shí)觀測(cè)中卻存在與其原理完全相反的現(xiàn)象。對(duì)此，齊拉德(LeoSzilard)發(fā)表于《物理學(xué)期刊》的論文中創(chuàng)造性地給出了“負(fù)熵”這個(gè)新概念，而薛定諤更是提出了“有機(jī)體以負(fù)熵為生”。負(fù)熵是熵增中的逆向進(jìn)程，為熵變值增加了負(fù)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(chǔ)上，將研究擴(kuò)展到了開(kāi)放系統(tǒng)，并運(yùn)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(chǎn)，即系統(tǒng)內(nèi)部各要素?zé)o規(guī)則作用而產(chǎn)生的熵增。對(duì)于安全管理來(lái)說(shuō)，其應(yīng)用對(duì)象都是處于復(fù)雜環(huán)境下的開(kāi)放系統(tǒng)，體系安全水平也是由內(nèi)部因素和外部因素所共同影響決定的，追求的最終目標(biāo)也往往是實(shí)現(xiàn)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(zhì)安全

　　2.1鐵路本質(zhì)安全

　　本質(zhì)安全既是一種管理技術(shù)，也是一種安全哲學(xué)思想。在17世紀(jì)前，人類面對(duì)自然界的威脅幾乎無(wú)能為力，安全哲學(xué)觀念屬于聽(tīng)天由命的宿命論。隨著蒸汽時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器大工業(yè)得到發(fā)展，生產(chǎn)組織管理形式發(fā)生質(zhì)的變化，人類安全生產(chǎn)的認(rèn)識(shí)論進(jìn)入到了事后處理的經(jīng)驗(yàn)論。

　　20世紀(jì)開(kāi)始至今，人類實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)安全管理向現(xiàn)代安全管理的飛躍，為保障核能工業(yè)、宇航工程等重大項(xiàng)目的實(shí)施，人類安全理念也由接受綜合防控理念，更進(jìn)一步到提出本質(zhì)論的安全哲學(xué)觀，本質(zhì)安全也是人類安全哲學(xué)最新的理論成果。鐵路已經(jīng)開(kāi)展了本質(zhì)安全的實(shí)踐應(yīng)用，本質(zhì)安全所強(qiáng)調(diào)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(duì)保障鐵路運(yùn)輸安全起到了積極作用。

　　由于鐵路運(yùn)用本質(zhì)安全尚處于嘗試探索初期，而且本質(zhì)安全理論仍在不斷發(fā)展完善，因此鐵路在安全的本質(zhì)化管理中遇到了諸多問(wèn)題。一是本質(zhì)安全主要是針對(duì)人、物、環(huán)境、管理(4M)四項(xiàng)基本要素進(jìn)行的分析與整治，相比而言觀測(cè)的系統(tǒng)過(guò)于微觀，并且對(duì)于各系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)度考慮也稍顯不足。二是過(guò)于側(cè)重源頭性防控，由此帶來(lái)的是顧此失彼，對(duì)于整個(gè)事故產(chǎn)生機(jī)理的邏輯鏈條以及各環(huán)節(jié)節(jié)點(diǎn)上因素的控制性未能深入探究。

　　2.2熵變理論的引入針對(duì)鐵路本質(zhì)安全當(dāng)前面對(duì)的宏觀梳理和應(yīng)用性分析不夠的情況，運(yùn)用熵理論對(duì)本質(zhì)安全進(jìn)行改進(jìn)，以此描述鐵路安全體系這一復(fù)雜系統(tǒng)的混亂、無(wú)序程度，通過(guò)(總熵)做出準(zhǔn)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(guò)事件或事物的兩個(gè)重要層面作出直觀的說(shuō)明，得到有依據(jù)的分類分析[8]。對(duì)鐵路安全體系中正負(fù)熵流和熵產(chǎn)的類型劃分可以依托二維象限法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)分析工具的運(yùn)用方式及熵變公式中各要素的雙重屬性。

　　4類分別是：對(duì)鐵路安全體系產(chǎn)生積極影響且可控的A類;產(chǎn)生消極影響且可控的B類;產(chǎn)生消極影響且不可控的C類;產(chǎn)生積極影響且不可控的D類。負(fù)熵流(denS)處在A類區(qū)域，正熵流(depS)處在B類區(qū)域，可對(duì)這兩方面采取管控的策略;熵產(chǎn)(diS)處在C類區(qū)域，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行深入分析，以對(duì)今后可能出現(xiàn)的變化進(jìn)行預(yù)測(cè)研究，D類區(qū)域暫不必采取行動(dòng)。

　　3熵產(chǎn)分析：鐵路系統(tǒng)自然積累的風(fēng)險(xiǎn)隱患

　　3.1鐵路復(fù)雜巨系統(tǒng)帶來(lái)熵產(chǎn)多元化

　　對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，其構(gòu)成的元素、子系統(tǒng)數(shù)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(guān)系多變，即為“復(fù)雜系統(tǒng)”，鐵路系統(tǒng)就是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)。鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)覆蓋全國(guó)范圍、涵蓋眾多業(yè)務(wù)，涉及車、機(jī)、工、電、輛等存在較大差異化的工種。如今(截止2019年底)，中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到13.9萬(wàn)公里，高鐵營(yíng)業(yè)里程3.5萬(wàn)公里，位居世界第一，日均開(kāi)行的8000多列旅客列車則由18個(gè)鐵路局集團(tuán)公司以及200多萬(wàn)名鐵路職工為其提供安全保障。由此可見(jiàn)，這樣的巨系統(tǒng)一旦運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，將有來(lái)自于各個(gè)場(chǎng)所、各個(gè)業(yè)務(wù)、各個(gè)專業(yè)的熵源源不斷地產(chǎn)生，如此多元化的熵產(chǎn)匯聚成了系統(tǒng)巨大的熵增。

　　3.2安全保障機(jī)制基本處于平衡態(tài)

　　鐵路企業(yè)在運(yùn)輸生產(chǎn)安全中保持了長(zhǎng)期穩(wěn)定的良好態(tài)勢(shì)，近些年中國(guó)鐵路交通事故10億噸公里死亡率低于德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家[9]。鐵路安全生產(chǎn)成績(jī)的取得，源自于安全保障體系的日趨成熟，由此帶來(lái)的是對(duì)于安全管理自信的提升，以及對(duì)于當(dāng)前管理機(jī)制的信賴。根據(jù)耗散結(jié)構(gòu)理論，要打破并遠(yuǎn)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(dāng)前穩(wěn)定的安全管理機(jī)制中，通過(guò)引入先進(jìn)技術(shù)、創(chuàng)新安全管理模式打破系統(tǒng)走向“熵死”的趨勢(shì)，是鐵路企業(yè)面對(duì)的迫切挑戰(zhàn)。

　　3.3趨近于獨(dú)立封閉的行業(yè)系統(tǒng)

　　中國(guó)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(yùn)營(yíng)管理、信號(hào)通信、線路施工、機(jī)車牽引等方面具有高度專業(yè)性，使得鐵路系統(tǒng)長(zhǎng)期處于相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)，在不進(jìn)行較大規(guī)模與外界系統(tǒng)交互的情況下，即可滿足內(nèi)部對(duì)于運(yùn)輸生產(chǎn)各方面需求的響應(yīng)。根據(jù)熵增原理，這樣系統(tǒng)將會(huì)對(duì)于外界變化產(chǎn)生不敏感的反應(yīng)，逐漸在系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)行為異常、管理滯后和結(jié)果波動(dòng)，也直接地表現(xiàn)為出現(xiàn)各種形式無(wú)序的內(nèi)部熵增參量。

　　4熵流管控：調(diào)節(jié)鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)中形成的安全或危險(xiǎn)態(tài)勢(shì)

　　本質(zhì)安全管理從源頭上根本上消除風(fēng)險(xiǎn)隱患的思想說(shuō)明，合理管控危險(xiǎn)能量是保障安全的初級(jí)要求，也是從正熵流上實(shí)現(xiàn)安全管理的基本目標(biāo)形態(tài)(Ⅰ型本質(zhì)安全)。同時(shí)，為滿足耗散結(jié)構(gòu)理論的開(kāi)放性特征，需要系統(tǒng)加強(qiáng)與外界的交互，吸收外部?jī)?yōu)秀要素，推動(dòng)內(nèi)部負(fù)熵流的增強(qiáng)。由此，提出運(yùn)用“硬”和“軟”的兩種方式，通過(guò)前沿信息技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部高效流轉(zhuǎn)，以科技硬實(shí)力促進(jìn)負(fù)熵流的自然形成，提升本質(zhì)安全級(jí)別(Ⅱ型本質(zhì)安全)[11]。更高級(jí)別的狀態(tài)(Ⅲ型本質(zhì)安全)是構(gòu)建安全文化體系，讓內(nèi)部各組織子系統(tǒng)能夠自發(fā)地涌現(xiàn)更多的有序參量。

　　4.1抑制正熵流：阻隔危險(xiǎn)能量的積聚轉(zhuǎn)移

　　美國(guó)的安全專家哈登(Haddon)在1966年提出的事故能量轉(zhuǎn)移理論對(duì)事故發(fā)生的本質(zhì)給出了定義，即事故是能量的不正常轉(zhuǎn)移。因此，分析正熵流產(chǎn)生的對(duì)象，應(yīng)聚焦在機(jī)械能(動(dòng)能、勢(shì)能)、電能、化學(xué)能、熱能、聲能、輻射能等能量作用類型上，對(duì)能量的合理有效控制是預(yù)防事故，實(shí)現(xiàn)安全本質(zhì)化的基礎(chǔ)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)于能量的控制根據(jù)兩類危險(xiǎn)源理論分為兩種，即防治危險(xiǎn)能量的積聚和阻止危險(xiǎn)能量的轉(zhuǎn)移。

　　兩類危險(xiǎn)源是事故致因原理中的劃分方式，第一類危險(xiǎn)源主要是由能量構(gòu)成，如：行駛中高鐵列車的動(dòng)能、易燃易爆危險(xiǎn)運(yùn)輸品的化學(xué)能、處在高處鐵路集裝箱的勢(shì)能等，它們一旦失控可能產(chǎn) 生巨大的安全威脅。第二類危險(xiǎn)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?qū)е聦?duì)能量限制約束失效的因素，危險(xiǎn)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(nèi)正熵流的產(chǎn)生，必須同時(shí)針對(duì)于兩類危險(xiǎn)源制定措施，因?yàn)閷?duì)于安全生產(chǎn)事故來(lái)說(shuō)，第一類危險(xiǎn)源決定了后果的嚴(yán)重程度，第二類危險(xiǎn)源決定了事故發(fā)生的可能性，而兩類危險(xiǎn)源共同作用決定了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的高低，即可理解為正熵流的大小。一方面，針對(duì)第一類危險(xiǎn)源，要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)能量的消除減弱、限定閾值、及時(shí)疏導(dǎo)等方法防止危險(xiǎn)能量的不可控聚集;另一方面，針對(duì)第二類危險(xiǎn)源，可通過(guò)合理轉(zhuǎn)移、距離控制、時(shí)間控制、局部強(qiáng)化等技術(shù)阻止危險(xiǎn)能量不正常的轉(zhuǎn)移。雖然危險(xiǎn)源是不以人的意志轉(zhuǎn)移的客觀存在，但是對(duì)其發(fā)生可能性和造成后果嚴(yán)重程度的控制能夠降低正熵流，達(dá)到本質(zhì)安全的基本態(tài)(Ⅰ型)。

　　5鐵路運(yùn)輸本質(zhì)安全管理創(chuàng)新體系的實(shí)現(xiàn)路徑

　　以鐵路運(yùn)輸本質(zhì)安全管理新體系為遵循，以體系中管控危險(xiǎn)能量、推進(jìn)信息和文化和諧交互的三層次本質(zhì)安全形態(tài)為對(duì)應(yīng)目標(biāo)，提出提升鐵路本質(zhì)安全水平的現(xiàn)實(shí)路徑。

　　5.1源頭治理本質(zhì)化

　　鐵路源頭治理的本質(zhì)化需要實(shí)施本質(zhì)設(shè)計(jì)和本質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)策略。對(duì)于鐵路能量的管控必須從頂層設(shè)計(jì)開(kāi)始，設(shè)計(jì)是“源頭的源頭”，本質(zhì)設(shè)計(jì)要基于最小化、替代性、緩和性、簡(jiǎn)化性等基本原則，最大程度規(guī)避可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)能量聚集。同時(shí)，要對(duì)鐵路設(shè)施的最大承載、關(guān)鍵部件設(shè)備的壽命、修程修制的模式給出科學(xué)的設(shè)計(jì)規(guī)范，防止危險(xiǎn)能量的溢出。在管的基礎(chǔ)上，還要控，有了上層設(shè)計(jì)更要有底層落地，不折不扣地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求需要職工作業(yè)、監(jiān)督檢查的標(biāo)準(zhǔn)化，定期組織開(kāi)展鐵路崗位作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)態(tài)分析評(píng)價(jià)，確保將能量控制在觸發(fā)事故的閾值之下。

　　5.2風(fēng)險(xiǎn)管控本質(zhì)化

　　鐵路風(fēng)險(xiǎn)管控的本質(zhì)化需要實(shí)施本質(zhì)數(shù)字和本質(zhì)防控策略。實(shí)現(xiàn)本質(zhì)數(shù)字的治理，要借助大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)與鐵路行業(yè)深度融合，推進(jìn)數(shù)據(jù)資源賦能鐵路安全管理，提升對(duì)鐵路運(yùn)輸中人、物、環(huán)境產(chǎn)生各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集感知，高速傳輸存儲(chǔ)并深度分析，為安全決策提供重要的輔助支撐。以數(shù)據(jù)集成平臺(tái)為基礎(chǔ)，將鐵路安全保障信息合理輸出為管理防控手段。本質(zhì)防控的方法與技術(shù)包括：采取雙重預(yù)防機(jī)制、應(yīng)用HAZOP分析、建立NOSA五星管理體系、實(shí)施PDCA循環(huán)等。

　　5.3組織協(xié)同本質(zhì)化

　　鐵路組織協(xié)同的本質(zhì)化需要實(shí)施本質(zhì)價(jià)值和本質(zhì)責(zé)任策略。實(shí)現(xiàn)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(jià)值觀念，通過(guò)制度規(guī)范作業(yè)者的行動(dòng)，以行動(dòng)養(yǎng)成習(xí)慣，以習(xí)慣生成性格，以性格涵養(yǎng)本質(zhì)價(jià)值。同時(shí)，要建立安全生產(chǎn)責(zé)任制體系，覆蓋領(lǐng)導(dǎo)干部和全部員工，排查從設(shè)備設(shè)施“一點(diǎn)”，到業(yè)務(wù)流程“一線”，到人員崗位“一面”，再到作業(yè)系統(tǒng)“一體”的責(zé)任需求，構(gòu)建責(zé)任鏈條，擰緊責(zé)任螺絲。

　　以本質(zhì)價(jià)值、本質(zhì)責(zé)任作為引領(lǐng)，形成以自適應(yīng)、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(guò)程。結(jié)語(yǔ)安全生產(chǎn)是鐵路永恒的話題，本質(zhì)安全作為人類安全哲學(xué)的最新理論，也必將是鐵路在今后較長(zhǎng)一段時(shí)期堅(jiān)持實(shí)踐和深化完善的重要理念。在當(dāng)前鐵路發(fā)展迅猛、技術(shù)裝備快速革新、外部環(huán)境嚴(yán)峻復(fù)雜、安全運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)要求更高的背景下，應(yīng)積極運(yùn)用熵變理論協(xié)助剖析鐵路這一復(fù)雜巨系統(tǒng)，堅(jiān)持對(duì)本質(zhì)安全管理的理論創(chuàng)新，不斷在實(shí)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(yùn)輸安全的持續(xù)穩(wěn)定。

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　　作者：楊子楠

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