安全科学方法学课件-安全系统工程的原理

第五章安全系统工程的原理

——系统科学理论《安全科学方法学》——安全系统学——安全系统演化的表达——安全系统优化的基础思想5.1概论5.3系统动力学与运用5.5运筹理论与方法——安全系统的构架5.7系统工程与运用——安全系统的脉络——安全系统调节的方法5.2系统的信息与运用5.4系统的控制理论与运用——复杂安全系统表达的工具——安全工程实践的指南5.6模糊系统理论与运用5.8安全系统工程方法主要内容5.1概述——安全系统学它是研究安全系统的系统要素、关系、组织、功能及结构优化等的理论和方法。安全系统论011.安全系统学研究的主要内容安全系统的动态特性：人类的安全系统是人、社会、环境、技术、经济等因素构成的大协调系统。安全系统的静态特性：①事故系统：人的不安全行为、物的不安全状态——事故直接原因

环境不良影响、管理欠缺——事故间接原因

②安全系统？DBCA人的安全素质（心理与生理素质、安全能力、文化素质）物或设备、环境的安全可靠性（设计、制造、使用安全性）生产过程能量的安全作用（能量的有效控制）

充分可靠的安全信息流（管理效能的充分发挥）安全系统闭环控制原则分层控制原则分级控制原则动态控制原则等同原则反馈原则能量控制理论等安全控制论02安全信息论03

安全信息①一次安全信息：客观安全性、现场信息；②二次安全信息：法规、政策、安全规划、分析报告。基本原理最终实现安全生产、生活的根本安全信息技术安全信息形式及安全信息动力技术。安全活动的信息资源0405事故突变论安全协调学应用突变论的理论和方法，研究事故突变模型。理论指导依据协调原理①组织协调学原理②专业人员保障系统的协调原理③安全经济投资保障协调合理机制安全组织机构安全机构职能事故隐患分类安全管理机制等0405事故突变论安全协调学应用突变论的理论和方法，研究事故突变模型。协调原理①组织协调学原理②专业人员保障系统的协调原理③安全经济投资保障协调合理机制安全专业人员的资格保证机制执业准入制度人员网络系统等理论指导依据0405事故突变论安全协调学应用突变论的理论和方法，研究事故突变模型。协调原理①组织协调学原理②专业人员保障系统的协调原理③安全经济投资保障协调合理机制安全投资结构关系安全效益金字塔关系安全技术经济评价等理论指导依据2.安全系统混沌学研究的主要内容

安全系统混沌学是以现代数学理论为工具，以系统非线性动力学为基础，以安全系统“混沌—耗散—突变—协同—灰色—分形—拓扑”等理论为主体，以实现安全系统混沌控制、降低事故发生率和负效应为目标，对安全科学基本规律、安全科学基本原理进行探索研究的学科。对安全科学的研究有重要的哲学指导意义。进一步深化对安全系统本质特征的认识；衍生出新的事故致因理论和新的系统安全分析法；重新塑造人们对安全管理的认识；产生新的安全评价方法和事故预测手段；重要意义12345安全系统混沌动力学安全系统混沌学的理论分支安全系统混沌动力学特征有界性内随机性分维性标度性普适性统计特性复杂多维系统的变量运动具有规律性；选择对系统长时间行为产生有益变化的小扰动。研究目标5.2系统的信息与运用

——安全系统的脉络5.2.1信息与载体5.2.2信息运作5.2.3信息与系统5.2.1信息与载体系统问题与信息问题密切相关信息科学系统科学信息科学需要用系统观点看信息，但信息是主词，系统方法是工具。系统科学需要用信息观点看系统，但主词是系统，信息方法是工具。

系统信息论从信息的生成、传送、转换、处理、控制、利用、消除的角度阐述系统问题的学科；是系统科学的重要组成部分；但至今尚未形成知识体系。人文社会系统信息信息：是个人或人类群体要表达的认识、思想、感情、意志等非物质的东西，须借助语言文字的表达才能有效地传播和交流。传递消息≠传递信息信息表达的真实性、诚实性、可信性至关重要。信息的载体信息不能离开物质而单独存在，必须借助于一定的物质形式，即由一定的物质来承载，信息才能显示自身的存在、运动变化和发挥影响；信息的载体：承载信息的物质存在形式；对物质性的载体的依赖性；世界上不存在离开物质载体的裸信息。信息本质特征之一物质实体如天然的石头、骨头、木材等，古人已懂得用石刻、骨刻、木刻等方式记载和保存信息。信息载体的分类如机械波、声波、电磁波、光波、无线电波等，人们说话、视物及广播和电视等信息活动。物质波动信号如自然语言、文字、数字、工程设计的符号、数码、线条等，信息是由这些符号表达出来的内容、思想、意义。符号载体信息载体有层次性，载体的载体还可能是载体；如符号载体可加载于物质实体和波动信号载体上。5.2系统的信息与运用

——安全系统的脉络5.2.1信息与载体5.2.2信息运作5.2.3信息与系统信息运作5.2.2信息运作信息运作：是对有关信息的各种可能表现、变化、运动和操作形式的统称。包括被动的信息接收和主动的信息获取；传感技术。信息的获取原生态信息→（分辨、整理、归纳、去伪存真）→可用信息信息的加工处理包括存储和提取（使用存储信息）信息的存取A→（信息）→B：通信最简单的通信、高级通信信息的传递（通信）实现信息运作实现对载体的运作通过传送载体而传送信息；通过加工载体而加工信息；通过存取载体而存取信息。一切信息载体的运作都要消耗能量，因而一切信息运作都需要消耗能量。体现信息对物质的依从性5.2系统的信息与运用

——安全系统的脉络5.2.1信息与载体5.2.2信息运作5.2.3信息与系统5.2.3信息与系统

运用信息科学的观点和方法研究系统01获取对象系统信息；加工处理信息；使用信息。学科的信息化组分的信息、结构的信息、特性的信息、行为的信息、功能的信息、环境的信息、系统如何与环境互动的信息等分析、综合、提炼等进行决策、设计、操作、控制等

运用信息科学的观点和方法研究系统02撇开对象所涉及的物质运动和能量转换问题，只把研究对象看成信息的运作过程。信息运作看系统组成处理器探测器效应器系统的本体部分系统与环境的连接者处理器效应器探测器负责收集、感受、过滤外来的信息，并用系统自身能够“了解”和利用的方式表达和记录下来。核心是信息处理，加工处理信息来接收、消化、改造环境信息。其输出还融合了系统自身特点、需求、禁忌等信息。表达信息，跟环境（特别是功能对象）交换信息，相互作用，引起环境的回应性变化。模型早已应用于控制论和运筹学模型过分简化导致用处不大注意!

图5—1系统中信息运作的一个模型识别问题通信问题信息创生问题首先需要识别互动的对象。系统科学中，识别他物的同时也要表征自己，即相互表征、相互交流、相互识别。更为关键的系统科学问题。系统要适应变化了的环境，提高有序程度，向更高水平演化，都需要创造新信息。系统现象和问题的研究信息的消除信息运作要在通信中实施，或为通信做准备。在相互通信中相互识别，寻找合作方、合作方式、合作力度。必须善于保存系统信息，避免信息消失。要建立新结构，产生新性能，就必须消除旧结构，放弃旧性能。通过消除旧信息的载体而消除旧信息信息运作不同事物之间的互动信息交换5.3系统动力学与运用

——安全系统演化的表达5.3.1系统动力学的创立5.3.2系统动力学的基本概念和思路5.3.3非系统思维与系统思维5.3.1系统动力学的创立传统看法精确化、定量化、公理化结构不良系统现代看法复杂性复杂系统复杂系统前提条件新思想对象系统具有良好的结构系统具有一组可以精确观测的特征量；系统存在精确而有效的数学模型。放弃将复杂性→简单性的原则，当做复杂性来处理；形成系统动力学，作为描述和处理复杂性的系统理论。5.3系统动力学与运用

——安全系统演化的表达5.3.1系统动力学的创立5.3.2系统动力学的基本概念和思路5.3.3非系统思维与系统思维5.3.2系统动力学的基本概念和思路三个核心概念反馈回路流时间滞后正反馈回路（+）负反馈回路（-）按照反馈信息与顺馈信息综合的不同方式按照反馈回路在系统信息流通转换中的作用两者交叉影响主要反馈回路辅助（次要）反馈回路主要负反馈回路辅助负反馈回路主要正反馈回路辅助正反馈回路分类它是由系统不同部分之间信息的传送和流通而形成的各种闭合回路；代表系统运行的内在机制，决定系统的行为和功能。反馈回路1流2决策控制角度社会系统运行过程流信息流设备流人员流资金流物资流五种流相互连锁、反复放大引起企业行为的变化呈现具有共性的动态模式

流结构：各种流的流动渠道、方式以及种种相互依存、相互制约的关系。流的定量特征流量——输入变量积累（系统内部流的堆积量）——输出变量流速——状态变量状态变化——状态流简称时滞或时延；定义：t时刻的因产生的果是在t1=t+△t时刻才能出现的现象。其中，△t为时延量。时延+反馈：动态系统产生复杂性的重要内在根源。时间滞后3运筹学系统动力学VS模型是一种由数据产生行为的定量化模型。揭示系统流结构，把对流结构的定性描述与有关数据的收集和处理相结合。模型计算机仿真模型：由因果关系分析、流图、计算机程序等部分组成。关键步骤：分析因果关系——反馈环；分析动力学特性——时延环节。定量化模型非线性微分方程5.3系统动力学与运用

——安全系统演化的表达5.3.1系统动力学的创立5.3.2系统动力学的基本概念和思路5.3.3非系统思维与系统思维5.3.3非系统思维与系统思维局部目标之和不等于整体目标，局部成功不等于整体成功。系统出错：不应归咎于局部或个人，应从不同局部互动方式上找原因。.局限思考常常被未觉察的结构和看不见的运作所困。系统思维有助于掌握一种结构形态，进而拥有运用和改变这种结构形态和运行力量的能力。被未觉察的力量左右系统行为系统思维也承认外部原因，但强调内因是主要的、经常性的因素。遇到问题，应从内部、内外互动关系中寻找解决问题之道。以片段思考的方式看待外部世界不考虑事件的全体及其环状因果互动关系，认为每个事件都有明显的原因。系统思维提供了一套概念，做到善于驾驭复杂性。不考虑环状因果关系非系统思维的特点看不到短期效益可能同时联系着长期弊病，系统病态会不断积累，一旦呈现已是无法解决。系统思维中，时延是形成动力学特性的重要机制，必须学会识别缓慢渐进的过程，识别因与果之间的时间差距。.无时延概念眼里只有细节复杂性，看不到动态复杂性，往往迷失于复杂的细节中。要善于发现复杂事件背后运作的动力学机制，揭示深层次的非线性因果环路的作用，掌握动态的均衡搭配。无动态复杂性系统思维是一项区别高杠杆解（小的改变能够持续导致重大改善的解）和低杠杆解之差异的修炼。

解决问题的关键：找出小而有效的高杠杆解。不区分主次轻重看不到对象系统还从属于更大的时空范围，因而不能完全辨识系统整体运作的微妙特性。注意找出因果反馈环、时延等机制产生的影响。局限于狭小范围非系统思维的特点给定动力学方程未给定动力学方程分析系统的动力学特性考察系统的静态特性可不用数学模型，基于系统定性分析，对系统的动力学特性作深入分析。——圣吉5.4系统的控制理论与运用

——安全系统调节的方法利用系统的控制理论和方法调节控制运行安全系统5.4系统的控制理论与运用

——安全系统调节的方法5.4.1控制现象5.4.2控制与反馈5.4.3控制与系统5.4.4控制系统的描述5.4.1控制现象

控制首先是一个关系概念施加控制的一方受到控制的一方施控主体或控制器受控对象控制是前者对后者施加控制的一种不对称关系。

控制又是一种目的性行为，施控主体采取一定的策略手段作用于受控对象，力求使其行为状态发生合目的的变化，从现在的已有状态转变为期望的未来状态。身—心关系中的控制人—人关系中的控制人—机关系中的控制人—天关系中的控制天—天关系中的控制控制关系分类身—心关系中的控制人—人关系中的控制人体：心理活动对生理活动有控制作用；需要能够自我控制，控制情绪、控制欲望、控制饮食等等。比如：运动员过份紧张、想赢怕输的心理可能导致肢体失调；“心想事成”的心理；意念控制等。人的社会关系归根结底是自己与他人的关系，还包括个人与集体、小集体与大集体、部门与国家、国家与国家之间的关系。比如：领导控制、管理控制、教育控制、选择控制等。有人群就有控制。人们通过控制工具来达到生活目标，如端碗吃饭、提笔写字、骑车上班等；机器控制问题日趋复杂，控制技术日趋精致，出现机器控制人的危险，如青少年沉迷网络等。人从事改造自然的实践活动，试图控制自然界某一部分的行为；如培育植物、驯化动物、兴修水利等。大自然在全局上控制着人类的活动，如气温升降、刮风、下雨、旱涝、地震等。人—机关系中的控制人—天关系中的控制自然界的种种自控行为，如太阳控制地球植物的光合作用，基因控制生物个体的发育，各种动物互为天敌等。天—天关系中的控制人类认识和实践活动时时、处处离不开控制，问题只在于如何控制是合理的、科学的和有效的。5.4系统的控制理论与运用

——安全系统调节的方法5.4.1控制现象5.4.2控制与反馈5.4.3控制与系统5.4.4控制系统的描述5.4.2控制与反馈01控制与信息信息运作是控制的灵魂，控制作为一种行为过程包含了信息运作的所有项目。实施控制的前提：获取完备而有效的信息，包括：受控对象的信息控制系统自身的信息既有实时的信息，也有过去的或历史的信息。系统工作环境的信息控制过程的信息01控制与信息有效控制的关键：施控者制定正确的控制策略和指令，去改变受控者。指令信息必须能够为受控对象识别和接受，指令的形成建立在充分了解受控对象特性的基础上。控制的实质：施控者与受控者的信息沟通、转换和利用过程。需要对获取的信息进行加工处理。01控制与信息人参与的控制过程中，各种信息运作都需要编码，以信号或符号载体的运作来实现信息运作；复杂的控制还需要存储暂时不用的信息以备以后需要时提取，还包括消除失效的信息。控制过程通信过程控制与反馈信息馈送方式和方向02顺馈：信息从输入端向输出端的传送；反馈：在控制系统中把信号或信息从系统（或它的子系统）的输出端反向馈送到输入端，即反向馈送信息。图5-3（1）控制与反馈顺馈信息控制：无馈信息控制；有控制就有信息的顺馈，但未必一定有信息反馈。02图5-3（2）有顺馈无反馈的控制控制与反馈正反馈与负反馈02正反馈负反馈作用激励对象，强化和放大输出行为；如火药爆炸、奖励等。抑制对象，弱化和缩小输出行为；如惩罚等。重要性系统的放大机制、激励机制。系统的稳定性机制：系统受到来自内外的干扰作用，或多或少会偏离稳定态，负反馈控制可克服干扰，恢复稳定态。系统实现目的性行为的关键机制：系统通过不断的负反馈去寻找目的态，如维纳讲的用手拿杯子过程等。保持目的态。控制与反馈反馈概念02有助于深入理解系统和环境的互动关系；实际系统的控制行为：①改变受控对象——自身反馈环；②影响系统环境——系统与环境的反馈环。总结：日积月累的系统内部控制行为会对环境造成不可忽视的变化，再作用于系统自身，造成系统未曾预设的严重后果，如“自作自受”，“恶有恶报、善有善报”等。5.4系统的控制理论与运用

——安全系统调节的方法5.4.1控制现象5.4.2控制与反馈5.4.3控制与系统5.4.4控制系统的描述5.4.3控制与系统

控制是一种系统现象，或系统功能，要靠一系列元件、环节、子系统合理而有效地整合为一个统一体，才能承担一定的控制任务，达到预期的控制目的。系统的两个一级子系统2.受控对象1.施控者（控制器）由若干特定的功能元件或环节构成；是非控制系统的

对象所不具备

的。设计、分析和操纵控

制器的

前提。控制是获取、传送、加工、交换和利用信息的信息活动。组成控制系统的环节≠组成通信系统的环节控制属于一类过程系统；信息从上一环节到下一环节的运动是子过程，但不同环节承担着不同任务，彼此协同运作才能完成系统整体的控制任务。敏感（测量）环节——负责获取信息决策环节——负责处理信息、形成控制指令执行环节——负责实施控制作用控制系统的主要功能环节以这三种主要环节为骨架，再加上某些起连接、校正、辅助（如放大）等作用的中间环节，形成有机联系的整体，就是控制系统。信息运作角度看控制理论指导依据图5—4控制系统的一般结构定值控制控制任务：确保受控量y稳定地保持在某个预定值y0上，即y=y0。如房屋空调机的使用；体温靠人体具有的恒温调节机制保持在36.5℃。控制任务：执行某个预定的变化程序u（t），以确保受控量y（t）按照这个程序变化。如钟表的运行、个体发育的基因控制等。结构特征：设置程序机构，由它保存和输出程序，控制器按照程序去控制对象，完成控制任务。又称跟踪控制；控制任务：保证控制对象跟踪一个具有机动性、无法预知的目标物而行动，最终“捕捉到”或“击中”目标物。如自动火炮搜索敌机、雷达跟踪目标等。控制系统分类程序控制随动控制按照控制任务划分简单控制控制方式：只下达控制指令、不检查控制效果。如工程、教育、管理、行政领导等领域的应用。优点：系统结构简单，实施过程方便易行。应用场合：对象的行为规律可以确切掌握、环境的干扰可以忽略不计、对象能够忠实执行指

令。控制方式：通过采取补偿措施以克服干扰影响、提高控制效果；必要性：来自外部干扰不可忽略；可能性：干扰性质能精确描述，并且系统有能力采取补偿措施；结构特征：系统中设置专门的补偿装置，负责观测干扰信息，并把它传送到控制器输入端，经过加工处

理，形成控制

指令。又称误差控制；控制方式：把反映对象行为特性的输出信息反馈到控制器的输入端，跟目标信息进行比较，形成误差，根据误差的性质和程度，以缩小并最终消除误差为准则制定控制指令，去改变对象的行为状态。结构特征：系统内设置反馈环节，负责观测对象的输出信息，并将信息反向传送到输入端。控制系统分类补偿控制反馈控制按照控制方式划分图5—5程序控制系统图5—6补偿控制系统图5—7反馈控制系统以定值控制为例，反馈信息y与目标信息y0的差Δy（y-y0）叫做误差信息。根据误差Δy制定控制指令，干预受控对象，使其行为状态发生变化，以消除Δy。反馈控制系统信息传送形成闭合环路——闭环控制简单控制系统补偿控制系统