突變理論在煤礦事故預防的應用研究

寧波遠景汽車零部件有限公司 崔韞峰

■事故突變理論及其研究

突變理論(Catastrophe Theory)是法國數學家勒內托姆(Rene Thom)教授于20 世紀60 年代中期創立的。傳統的微積分、微分方程對那種連續的和光滑變化的現象給予了成功的描述，而在解釋不連續和突變現象面前卻顯得束手無策。突變論運用微積分拓撲對奇點性質的研究成果，包括分類定理，對突變現象做出了成功的解釋。

突變理論是研究在連續發展過程中出現的突然變化的現象，以及突然變化與連續變化因素之間的關系。將突變理論應用于事故預防管理中，建立事故突變理論非常必要。突變理論系統的函數如下：

式中，Φ為系統的狀態參數ti的集合，Φ={t1,t2,…，tn}；Ψ為系統的狀態參數ui的集合，Ψ={u1,u2,…，un}。

突變理論的創始人托姆已證明，只要控制變量集7 中的控制變量個數不多于4 個，在某種等價意義下，V函數只會有7 種基本突變形式。他們是尖頂突變、折疊突變、燕尾突變、蝴蝶突變、雙曲臍點突變、橢圓臍點突變和拋物臍點突變。其中，尖頂突變是指只有2 個控制變量和一個狀態變量的機構，只存在一種突變形式。對于控制平面上的每一點，即對于2 個控制變量的每一個組合，至少存在一個最可能的行為，即得到一個行為點，這些行為點組成行為曲面。尖頂突變理論模型表明行為曲面在中間發生折疊。在表示最少可能行為的中間葉，控制變量的微小變化可能導致狀態變量的急劇突變。尖頂突變的幾何圖形如圖1所示。

圖1 尖頂突變的流形與折疊線

鑒定突變的突變流形分成上、中、下三葉，上下兩葉是穩定結構，中葉是不穩定結構。在從上葉到下葉或從下葉到上葉的轉換中，如果跨越了折疊線，則發生突跳。所有的突變形式都存在著同樣的突變特征，如多模態特征：上下兩葉狀態不同；突跳特征：經過折疊線時發生突跳；不可達特征：中葉不能到達；發散特征：一個小的變化導致狀態完全不同及滯后等。

■事故發生原因的系統分析

在人機系統中，人始終都處于主體地位。人是機器設備的創造者和操縱控制者，機器則是被制造被控制的對象。人機系統在運作過程中發生事故的原因如下。

1.系統功能被破壞

比利時布魯塞爾大學的心理學家法維爾日認為：人們試圖從操作上，從人與環境相互作用過程出發分析事故的發生；就廣義而言，甚至把事故視為生產過程的任何未預見到的中斷，以此為根據對于機器或材料像對于造成工人創傷的不幸事件那樣來研究。事故是系統活動的副產品，人們力求避免它，從而改進整個系統。法維爾日認為：任何事故之前都有系統功能的破壞(功能紊亂)，即有一個相期，其間系統的某些成分不能充分執行自己的功能或者執行的不是它固有的功能。這些情況經常在系統的結構不適當、結構不能適應功能的情況下發生。

2.反饋機制不健全

系統能動地發揮其功能，就是因為有反饋不斷地把系統對環境作用的結果作為信息返回到系統中去，使系統不斷進行調節。正因為不斷反饋調節，所以不管環境怎樣變化，系統都能正確地反應,系統的科學性、準確性也由此體現。人機系統的每個組成單位，如果缺乏必要的信息、缺乏加工信息的程序和指令，沒有對信息的適當的應答反應，危險的反應行為就可能在該單位發生。例如，生產現場的運輸通道可能由幾個單位共同使用，而彼此又互不通信息，沒有調控的程序和制度，事故就容易產生。事故最容易產生在各單位的交界結合部位。

3.系統存在薄弱環節

在人機系統不能充分完成生產計劃時，人們往往企圖以損害事故預防的辦法提高產量，使系統超負荷運轉，產生了一些違規的行為。這時整個系統正常的運作規律被打破，從而系統就產生了薄弱的環節，這樣最薄弱環節的功能首先失效，繼之影響相關環節功能失調，事故就必然發生。

4.事故的“多米諾”現象

人機系統中任何環節發生事故或停頓，都會破壞整個系統的運轉，由此必須停產或半停產進行修復工作。統計研究表明：不幸事件的數量在完成修復工作前，大大高于正常工作時期，這就是事故的連鎖反應。這一規律對事故預防有非常重要的意義，“禍不單行”講的就是這一規律。

5.人為事故是事故的主要原因

人是人機系統的主體，機器的錯誤歸根到底是由于人的設計或操作錯誤造成的。尤其是現代自動設備的廣泛使用，把體力勞動型的工人變成“腦力勞動型”的工人，在現場操作人員中，感知決策功能比體力操作功能占優勢。有研究材料表明：肌內功能的份量總共只占5%左右。所以，操作人員觀察信號，發現情況，區別解釋這些信號，以及思維判斷決策等心理活動，對事故預防特別重要。

6.客觀環境是事故發生的外在誘因

環境條件的優劣直接影響人機系統的運轉,環境將引起人的精神、體力和思維的變動，從而改變人的正常行為，造成事故的隱患。有研究材料表明：溫度、濕度、通風、噪聲、采光等與人體不適，都是導致事故發生的原因。

■突變理論在事故預防管理中的應用

煤礦企業具有人員多、作業分散、設備設施多、分布面廣、自然條件惡劣、不安全因素多、作業環境復雜、管理困難等特點，工作場所處于經常變化之中，自然災害和生產事故的危險源始終影響和制約著煤礦的安全生產。對于煤礦這樣的復雜工業系統，緊緊依靠安全技術系統的可靠性和人的可靠性，不足以杜絕事故，而直接影響安全技術系統可靠性和人的可靠性的組織管理因素，已經成為是否導致復雜系統事故發生的深層次原因。事物的安全演變過程具有流變突變的特點，即事物發展過程一般符合R-M規律。R-M的全過程，如圖2可以表述為：當某一事物誕生后的初期(OA階段)，損傷量隨時間呈減速遞增，新秩序在此期間逐漸形成和完善。當新秩序發展到成熟階段時(AB階段)，完善的新秩序使損傷量勻速緩慢增加。經過一個穩定增加的時期后，原秩序將再次向無序方向發展，進而損傷量開始加速增大(BC段)。任何事物都具有其固有的損傷量承受能力或界限。超出此限后，事物將發生安全流變。事物發生安全流變時的損傷值即為該事物的臨界損傷量。當原秩序被破壞后，事物又開始回歸到一個新的安全狀態，即損傷量為新的近似零值，原事物的秩序消失，從而又形成了另一個同類新事物誕生的起點(D點)。物質世界就是在安全到危險的無限循環中存在和發展的。

圖2 安全流變一突變示意圖

事故的發生是由于人的因素(安全意識、安全教育、管理水平、應變能力、身體素質等)和物的因素(工作條件、機器的故障、自動化程度、保護裝置等)共同作用的結果。在此把人的因素H和物的因素M作為兩個控制參數，把生產能力或系統功能F作為狀態參數。利用突變理論可建立事故致因的尖頂突變模型，如圖3 所示。

圖3 事故致因尖頂突變模型

圖3為事故致因尖頂突變模型的突變流形和分叉集。曲面的上葉表示系統功能好，指生產狀況、安全水平俱佳。下葉表示系統功能壞，指生產中斷，人受傷害、物質受損壞的狀態。從上葉到下葉或從下葉到上葉系統功能的突跳就是事故發生。

利用這樣的尖頂突變理論，可以對事故致因做出合理的解釋。在煤礦的作業中，由于工作的環境、人員的素質、使用的機器設備、加上管理的組織的不良，從而事故的隱患慢慢地顯露，以至于事故的發生。也就是當人的因素H和物的因素M同時惡化時，就有可能使系統功能F急劇惡化，如圖3 中曲線abcd，其中b-c是系統功能F的突跳，變化值vF=F(Hb,Mb) -F(Hc,Mc)，是由b到c時系統發生事故。相應的在分叉集上就是一條經過分叉集兩個邊緣的曲線。進一步分析，當H、M惡化程度不一樣時，F產生的突跳程度也不一樣。見曲線a1b1c1d1和a2b2c2d2,則b1-c1的突跳vF1=F(Hb1,Mb1) -F(Hc1,Mc1),vF2=F(Hb2,Mb2) -F(Hc2,Mc2)，明顯vF1＜vF2，也即前者是小型事故，后者為重大事故。反映到分叉集上是兩條跨越分叉集程度不一樣的曲線。當突變流形上的曲線在由上葉向下葉發展時，如果不經過折疊線，雖然也會導致生產能力的降低和系統功能的惡化，但不會發生事故，如曲線a3b3。在事故致因尖頂突變模型的突變流形上選擇不同的點，通過分析不同點之間的轉換，將得到許多重要的結論。如圖4 所示,選擇從A到J共8 個點形成的幾何圖形進行討論。

圖4 事故模型分析

B-A及B-C：當只有一個控制變量惡化，即僅有物的因素M惡化或人的因素H惡化，而另一個控制變量處于極佳狀態時，系統功能F不會發生突跳，即不會發生事故，但系統功能將逐漸降低。

A-G-E：當兩個控制變量同時惡化時，即由于人的H不安全行為和物的M不安全狀態，事故就不可避免地發生。此時F一定產生突跳。

C-B：當一個控制狀態變量良好時，提高另一個控制變量的狀態，就能提高狀態變量值。即在機器設備條件良好時，提高工人的安全素質，加強安全管理和安全監察，就能提高安全生產水平和勞動生產效率。這也證明安全工作和生產是一致的。

D-I-J：如果在機器設備環境極差的不安全環境中盲目強調人的主觀意識，則非但不能提高系統功能，而且必然穿過折疊線使F發生突跳，導致事故的發生。

D-C-B：當系統的兩個狀態變量都很糟糕時，即當H、M很差時，提高系統安全性的方案是：首先應提高M的本質安全水平(D-C)，然后提高H的安全水平，這樣才能繞過折疊線，在避免事故發生的前提下提高系統的安全性。

■減少事故發生的預防管理措施

1.提高人對安全認識的觀念

安全是生命的保障和基礎,如果沒有安全，生命就失去了基礎和保障，就失去了生活的價值和意義，人的一切活動都是徒勞的。只有人提高了對安全的認識，理解了安全對人生命的價值，人們才能從根本上建立安全的觀念，從安全出發對待任何活動。

2.加強人們對安全知識的學習

通過對安全知識的學習，了解事故發生的原因和規律，掌握預防和控制事故發生方法和技術，實現自保和他保的目的。通過學習安全知識，提高人們的安全意識，制止一些違規和違法的行為。

3.建立安全生產的激勵和約束機制

人是事故源的第一因素，只有人的安全行為，才能獲得安全的活動。人有其發展的客觀規律，而且人有主觀能動性，只有引導和激勵其發展，才能使人的行為安全，同時建立合理的約束機制，約束一些外界客觀因素對人主觀因素的偏離導向，實現安全責任制。

4.建立科學的設備、設施檢驗、監測和維修制度

事故的發生除了人的不安全行為，就是物的不安全狀態，這是事故發生的源泉之一。只有建立科學合理的設備、設施檢驗、監測和維修制度，才能從根本上發現和消除物的不安全狀態，實現物的本質安全，達到安全生產。

5.創造良好的工作和生活環境

人、物是在一個生產環境中，環境對人、物都有特定的影響，只有建立合理的工作環境，才能避免環境對人、物產生的不利影響，實現安全的目的。

6.改變落后安全管理的觀念,提高安全管理水平

安全管理實現安全的重要手段和有效的方法，只有改變那種滯后的事故管理，變成超前隱患預防管理，同時利用科學技術和現代化的管理思想提高安全管理的水平，才能實現安全活動。

總之，利用事故突變理論，研究事故的預防管理，主要是解決事故發生的原因及機理，提出有效的對策，實現安全的生產活動。