化學災害中個體風險感知的系統動力學建模與仿真研究

王中郵，張春顏

（天津工業大學經濟與管理學院，天津 300387）

1 研究背景與現狀

1.1 研究背景

所謂化學災害事件，是指具有易燃、易爆、腐蝕、毒害和放射性等危險特性的化學危險品在存儲、運輸過程中所導致的事故。相較于其他類型災害而言，除了可能導致直接的經濟損失、人員傷亡、環境污染、交通通信中斷之外，由于其自身的不易控制性、污染的廣泛性、混合污染源的未知性和不易消散性等特殊性，還可能引發更大范圍的民眾恐慌、失序甚至混亂［1］。如2005 年吉林石化“11·13”爆炸事件所導致的供水緊張、物資哄搶風潮、松花江水污染、民眾情緒緊張，2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事件和2019 年江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事件所帶來的不同程度的民眾恐慌，等等。這種不同程度的情緒緊張、恐慌以致選擇逃離是生物感知并躲避風險的本能選擇。對于突發性災害事件，絕大部分公眾在其發生后都會憑借個人的判斷來評估風險，即進行風險感知［2］，但是這種感知是受到多方因素影響的，如個體經驗、媒體報道情況、事件本身的破壞情況以及政府的救援效果，等等。

1.2 研究現狀

影響公眾風險感知的因子是極為復雜的，所謂“風險感知是人們對某個特定風險的特征和嚴重性所做出的主觀判斷，是測量公眾心理恐慌的重要指標”［3］。個體感知到危險并積極主動地去躲避危險是個體的一種本能，每個個體感知到的風險程度是不同的。從內部因素來說，如親生經歷過災害的人和沒有經歷過災害的人風險感知程度是不一樣的，研究災害的專家和普通民眾感知到的風險程度也是不一樣的；從外部因素來說，如能夠接收到媒體大量集中關于災害報道的人比不能夠接收到的人風險感知程度要高。

通過梳理已有的研究成果可發現：國外對于風險感知的研究多集中在方法上，注重通過定量測量得出較為精確的結果，主要包括：一是心理測量范式，由斯洛維奇等人為代表提出。他指出“心理測量范式包括對測量結果進行排序、相關分析、因素分析等。這種方法是通過心理量表和多因素分析技術，以數量化的方式展現人們對風險的態度和知覺，目的是揭示出決定風險感知的因素”［4］。這是目前運用的比較廣泛的研究方法。二是公式化測量范式，主要研究人們對接收到的客觀風險信息轉化成主觀意識的途徑。比如當面對風險時基于個人感知程度做出的風險行為結果，像發生死亡、造成財產損失的可能性等，通過將客觀風險轉換成主觀意識的途徑來測量出風險事件對個體生命造成影響的風險因子［5］。三是文化理論。這種方法是由Douglas 和Wildavsky首創，其重點說明的是公眾感知到的風險是與其文化和社會背景緊密關聯的，社會上不同群體面對風險時所感知到的風險程度是不同的，人們會自己選擇所懼怕的風險以及懼怕的程度［4］。

國內不少學者也對公眾的風險感知因素進行了研究。如張志強等［6］以煤礦類水災害為例，借助系統動力學的方法研究了煤礦水災害在多因素共同作用下的系統動力學演化機理，并對模型中關鍵參數進行了靈敏度分析，為煤礦水災害安全決策提供了一種新的分析思路。陳偉等［7］基于系統動力學方法理論，探索了風險感知變化的實際影響因素體系，并結合Vensim 軟件構建化工企業決策者的風險感知因果關系圖和系統流程圖，分析出影響企業決策者風險感知程度的影響因子。李華強等［8］以 “5·12”汶川地震為例，基于重災區的實際調研數據，分析了重災區公眾在地震的風險感知特征及其影響因素，并構建了一個完整的風險感知理論模型。孫多勇［9］基于 Logit 建模的個體災難恐懼感知模型。孟博等［10］在風險感知理論模型及影響因子分析中指出風險感知是風險中人群行為決策和風險判斷過程的基礎，風險目標因子則直接影響人們對風險等級的判斷。武佳倩等［11］以2005 年吉林石化爆炸引發的城市供水危機為例，基于系統動力學理論構建水污染引發的突發事件應急仿真模型，為政府制定供水危機應急管理策略提供理論基礎和技術支持。于小兵等［12］以2013 年臺風“菲特”造成的余姚水災為例，在系統動力學理論基礎上將臺風的自然屬性和社會屬性納入研究模型，通過梳理各方主體在臺風災害中的應急行為機制，為相關部門制定臺風災害應急措施提供理論依據。馬穎等［13］利用SD 模型研究食品安全風險感知和消費者信息搜尋行為之間的關系，利用SEM 模型分析消費者食品安全風險感知的影響因素，進而建立SD 模型分析信息搜尋行為對消費者食品安全風險感知的影響，以提出降低消費者食品安全風險感知的建議。魏明俠等［14］基于系統動力學理論，從在線交易者風險感知的視角出發，分析網上信用風險感知的影響因素，構建網上信用風險感知系統動力學理論，研究表明,商家信用和交易者的受騙經歷對信用風險感知最敏感，其次是交易額和個人防范能力，最后是信用服務收費率的變動。

結合已有研究，本研究在重點分析2005 年吉林石化“11·13 ”爆炸事故、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事故、2019 年江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故三起典型案例的基礎上，根據系統動力學（system dynamics,SD）原理，從風險感知水平與客觀風險水平的角度量化風險水平差距，構建化工企業個體風險感知的影響因素系統模型，并用Vensim 軟件進行仿真模擬，揭示化學災害后個體風險感知的影響機制，為相關治理者進行有效的風險防控提供切入點。

2 突發性化學災害事件風險感知因果關系構建

2.1 風險感知因果關系圖構建

風險感知和客觀風險的水平會很大程度上影響個體的行為選擇，也就是說，個體會依據兩者風險水平的差距并在持續不斷的風險衡量之后做出的不同行為傾向，即風險決策。

所謂風險感知水平是衡量個體心理恐慌的一種重要指標，是指所涉及到的個體在突發事故發生后，對事故嚴重性所做的主觀判斷水平；而所謂的客觀風險水平，是指企業在事故發生前以及發生后客觀實際存在的風險問題及造成事故嚴重性風險水平，事故發生前的客觀風險包括經營風險（如負債率、負利潤率、負現金流緊缺率等）和安全風險（如設備陳舊、安全失察、工作倦怠等），事故發生后的客觀風險包括污染風險（如污染區域、未污染區域、修復區域）和輿情風險（如未知人群、輿情人群、安撫人群）。

風險感知和風險衡量是一個復雜的過程，受到外部和內部多種因素的影響，其主要通過作用于兩者的周期發揮作用。風險感知的周期受化學災害造成的財產損失量、爆炸事故半徑及人員傷亡量的影響。風險衡量的周期受災害涉及個體對事故的可控感影響包括事故經驗、個體情緒恐慌程度以及外部環境如媒體報道程度等。在大多數的化學災害事件中，除了會導致人員傷亡、財產損失、公共基礎設施損毀等共通問題外，鑒于其自身的特殊性，較為特殊的是民眾大范圍恐慌所引發的輿情危機，以及污染的持續擴散問題，所以本文重點分析突發災害后個體在輿情、污染兩方面的風險感知因果關系圖，如圖1 和圖2 所示。

2.2 風險感知因果關系路徑分析

如圖1 所示，輿情負反饋回路為：風險感知差距↑—風險決策↑—安撫速率↑—輿情人群↓—輿情風險等級↓—風險感知差距↓。

突發性化學災害發生后一般會造成重大人員傷亡及嚴重污染，引發較大范圍的社會關注，加之網絡化時代信息傳播的即時性，使得危機擴散的速度更快，給治理者及相關部門反應的時間就更短，如若應急處理不及時，官方信息供給不足就會導致“小道”消息橫行，謠言叢生，使得人心惶惶。從風險治理者及相關部門的角度來分析，事故發生后，風險感知水平與客觀風險水平差距加大，為使輿論人群情緒穩定，風險決策者將在最短的時間內對所涉及到的人群進行安撫，如采取新聞發布會的形式公布事故進展程度以及回應澄清不實言論，其效果就會使輿論人群進一步減少，使輿情風險等級降低，使風險感知水平與客觀風險水平的差值維持在一定安全水平范圍內，即形成負反饋回路。

如圖2 所示，污染負反饋回路為：風險感知差距↑—風險決策↑—修復速率↑—污染區域↓—污染風險等級↓—風險感知差距↓。

涉及化工企業的災害事件一般都會比較嚴重，這是由于化工企業儲存危險化工品以及在生產過程中伴隨的風險往往比其他企業要大。當其發生突發事故后，化工原料會和水、空氣以及其他化工原料產生化學反應，發生爆炸，產生廢氣、廢水，進而造成污染。當爆炸范圍內所涉及到的個體在得知污染問題之后，風險感知水平與客觀風險水平的差值會增加，個體會依據風險感知水平與客觀風險水平的差值并在持續不斷的風險衡量之后做出不同行為傾向，采取躲避或者面對的系列風險決策。從風險治理者及相關部門的角度來分析，事故發生后，治理者及相關部門在一般情況下都會采取積極面對的決策，以最短的時間加快修復污染區域，使已經污染的區域面積縮小，污染風險等級逐漸降低，進而風險感知水平與客觀風險水平差值進一步縮小，維持在合理安全范圍內，即形成負反饋回路。

圖2 污染負反饋回路因果關系

3 風險感知系統模型的建立

3.1 模型的建立

突發化學災害中影響個體的風險感知因素是很多的，且這些因素是一個不斷變化的動態發展過程。在事故發生的每一個階段所采取的措施也是不同的［5］。

本研究著眼于化學災害發生前后的不同風險，分析各因素之間的變化關系及各因素對個體風險感知的影響，事故發生前主要存在的是經營風險和安全風險，事故發生后主要存在的是污染風險和輿情風險，結合系統動力學原理和方法對個體風險感知進行合理的建模仿真，如圖3 所示。所建立的系統模型中涉及狀態變量、輔助變量、速率變量、隱含變量如表1 所示。狀態變量是指對輸入和輸出變量（或其中之一）進行積累的變量，在狀態變量方程中代表輸入和輸出的變量稱為速率變量；輔助變量是指輔助狀態變量等設立的變量［15］。

圖3 化學災害中個體風險感知的影響因素系統模型

表1 風險感知系統模型變量匯總

3.2 系統方程式的構建

根據系統動力學原理以及系統變量之間的邏輯關系，建立函數方程式，涉及IF THEN ELSE 語句、取整函數、延遲函數、斜坡函數、脈沖函數等函數。模型中部分數據來源于2005 年吉林石化“11·13”爆炸事件、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事件、2019 年江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事件官方報告以及為了模擬需要假設的部分數據，繼而進行合理的模擬。系統中部分主要變量之間的函數關系式如表2 所示。

表2 風險感知模型主要函數關系式

4 風險感知系統模擬與分析

4.1 風險水平差值分析

本系統模型設定的模擬時間是100 h，時間步長是0.062 5。X 軸表示時間，Y 軸表示風險等級。

本模型從風險感知與客觀風險水平的角度分析風險水平，并將影響客觀風險水平的因素分為四方面，即經營風險、安全風險、污染風險、輿情風險。經營與安全風險為化工企業事故發生前的風險安全隱患，是一個不斷積累的變量。污染與輿情風險為化工企業事故發生后的次生災害，是一個事故發生后持續發展的過程。

假設客觀風險由其自然發生，沒有人為干擾。由圖4 可知，客觀風險等級隨時間在不斷地升高，會在一個等級上持續一段時間再向下一個等級發展，最后處于穩定水平。這種發展過程符合民眾對真實發生事故的認知，即事故開始逐漸變得嚴重，最后趨于穩定水平。

風險感知水平是個體的主觀判斷水平，客觀風險有其演化機制。事故發生后，災害涉及到的個體對事故的信息收集不足，經過風險衡量后得到的風險感知水平不穩定，風險感知水平曲線忽上忽下，如圖4 呈破浪狀。后期隨著對事故信息的收集越來越充足，風險感知水平會逐漸下降并和客觀風險水平逐漸擬合，穩定在一定水平上，之后做出是躲避危險還是面對危險的風險決策。

圖4 風險感知水平與客觀風險水平的差值擬合圖

圖5 污染風險等級變化

4.2 污染風險等級分析

在忽略其他影響因素的情況下，研究采取污染控制措施時間點對污染風險等級的影響。本模型將采取的污染控制措施時間點分為15 個時間單位，分析每一時間單位污染風險等級的變化。因為化工企業本身就帶有污染性，所以將0～1 等級設為安全范圍內的等級水平。

在第1 個時間單位采取措施，污染風險等級將會在第20 小時從等級1 降為等級0。此后每增加一個時間單位，污染風險等級就會延長20 個小時才能從等級1 降為等級0，直到第6 個時間單位時，污染等級已全部上升到等級1。

在第7 個時間單位采取措施，污染風險等級會在等級1 上持續5 小時之后上升到等級2，在等級2上持續15 小時，第20 小時后降到安全范圍等級1。此后每增加一個時間單位，污染風險等級就會在等級2 上多持續20 小時，同理，降為等級1 的時間也會增加20 小時。

在第10 個時間單位時采取措施，污染風險等級將會在第10 小時上升到等級3 并持續5 小時，在第15 小時降為等級2 并持續65 小時，在第80 小時降到安全范圍等級1。

在第11 個時間單位采取措施，污染風險等級將會在第10 小時上升到等級3 并持續20 小時，在第30 小時降為等級2 并持續70 小時直到模擬時間結束。此后每增加一個時間單位，在等級3 上的時間就會增加20 小時，降為等級2 的時間也會相應的增加20 小時，直到模擬時間結束。

在第15 個時間單位采取措施，污染風險等級會在第15 小時上升到等級4 并持續10 小時，在第25小時降為等級3，直到模擬時間結束，如圖5 所示。

通過以上分析，可以看出在化學災害事故發生后引起的污染風險等級變化過程，整個模擬過程和真實發生的化學事故污染過程有較高的擬合度。從第11 個時間單位到第15 個時間單位，污染風險等級降不到安全范圍內，這可能是由于化工企業發生事故后造成的污染程度過于嚴重，短時間內降不到安全范圍內或者污染區域向未污染區域擴散的速度大于修復污染的速度。比如2005 年吉林石化“11·13”爆炸事故、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事故、2019 年江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故，這三起化學事故發生后都產生了較為嚴重的污染，特別是天津瑞海“8·12”爆炸事故，直到爆炸一個月之后空氣質量才恢復到爆炸前的水平而處于爆炸區域的土壤直到半年后還能夠檢測到污染物。這種污染風險等級不能夠降到安全范圍內的情況，也會使風險感知水平短期內維持在較高水平，與客觀風險水平的差值短時間內會增大，不利于民眾安心生活。

4.3 輿情風險等級分析

在忽略其他影響因素的情況下，研究采取輿情控制措施時間點對輿情風險等級的影響。根據實際情況可知，污染風險一定程度上能帶來輿情風險，但要形成輿情，必須要有足夠的輿情人數作為基數。本模型將輿情人數分為4個等級，小于500人為等級0，500～5 000 人為等級1，5 001～20 000 人為等級2，20 001～100 000 人為等級3，大于100 000 人為等級4。本模型把輿情控制措施時間點分為40 個時間單位，分析每一時間單位輿情風險等級的變化。

由于形成一定規模的輿情人基數需要一定的時間，因此在本模型中設前15 個時間單位為輿情人基數形成階段，設輿情等級為0。

在輿情形成到第16 小時后，人數超過500 人，輿情等級升到1 并持續2 小時。如果在這時采取輿情風險控制措施，會使輿情等級在第18 小時后降為0。此后每增加一個時間單位，輿情風險在等級1 上持續的時間也會增加2 小時，直到第25 個時間單位。

在輿情形成到第24 小時后，人數超過5 000 人，輿情等級上升到2 并持續3 小時。如果在這時采取輿情風險控制措施，會使輿情在第30 小時后等級降為1 并持續13 小時，在第43 小時后等級降為0。此后每增加一個時間單位，輿情風險在等級2 上持續的時間也會增加2 小時，一直到第30 個時間單位。

在輿情形成到第29 小時后，人數超過20 000 人，輿情等級上升到3 并持續2 小時，如果在這時采取輿情風險控制措施，會使輿情在第31 小時后等級降為2 并持續8 小時，在第39 小時后等級降為1 并持續16 小時，在第56 小時等級降為0。此后每增加一個時間單位，輿情風險在各等級上持續的時間會相應的增加2 小時，一直到第37 個時間單位。

在輿情形成到第35 小時后，人數超過100 000人，輿情等級上升到4 并持續2 小時，如果在這時采取輿情風險控制措施，會使輿情在第37 小時后等級降為3 并持續11 小時，在第48 小時后等級降為2 并持續10 小時，在第58 小時等級降為1 并持續16 小時，在第75 小時等級降為0。此后每增加一個時間單位，輿情風險在各等級上持續的時間會相應的增加2 小時，直到模擬結束，如圖6 所示。

通過對以上輿情等級形成過程的分析可以看出，輿情人數是以指數形式增長的。輿情信息的傳播及獲取途徑主要是傳統媒體和網絡媒體［16］。據《數字中國建設發展報告(2018 年)》發布的報告稱2018年中國網民達8.29 億人，互聯網普及率59.6%，輿情人群在獲取事故信息的同時對其獲得的信息進行持續的風險衡量，形成風險感知并與客觀風險水平做對比，進而對風險作出判斷決策。

圖6 輿情風險等級變化

4.4 安全風險等級分析

海恩法則指出，每一起嚴重事故的背后，必然有29 次輕微事故和300 起未遂先兆以及1 000 起事故隱患。其強調兩點：一是事故的發生是量的積累的結果；二是再好的技術、再完美的規章，在實際操作層面，也無法取代人自身的素質和責任心。海恩法則同樣適用于企業安全方面。2005 年吉林石化“11·13” 爆炸事故、2015 年天津瑞海“8·12”爆炸事故、2019 年江蘇鹽城響水“3·21”爆炸事故，這三起化學災害無一例外的被國家安全部門認定為特大生產安全責任事故，給人民生命財產帶來了重大損失。通過對模型的分析可知，化工企業通過提高對生產設備的檢修頻率，及時更替老舊設備，提高生產管理人員的安全意識，增加安全培訓、演習次數等這些措施能夠有效地降低安全風險等級。

4.5 經營風險等級分析

在化工企業經營方面，現金流緊缺率、負利潤率、負債率是影響企業安全經營的主要因素。企業處于虧損狀態，勢必造成企業工作人員積極性不高、責任感降低、安全意識淡化，可能會使安全風險等級升高，甚至有可能形成“蝴蝶效應”，引起重大化學災害突發事故。

5 總結

個體對化工企業事故造成的風險進行感知、衡量與決策，這是一個連續的過程。在這個過程中個體會將風險感知水平與客觀風險水平作對比，形成差值，差值會隨著時間不斷縮小，即為逐漸擬合的一個過程。

當化工企業發生突發事故后，治理者及相關部門要在幾個關鍵的時間點采取措施控制事故造成的污染風險、輿情風險，才能使風險等級降到最低。