安全工程学-第2章 系统科学与安全工程-

安全工程学第二章系统科学与安全工程目录系统论与安全工程2.1控制论与安全工程2.2信息论与安全工程2.3第2章系统科学与安全工程突变论与安全工程2.4混沌论与安全工程2.5分形理论与安全工程2.62.1系统论与安全工程一般系统论的创始人贝塔朗菲指出：系统是处于一定的相互关系中，并与环境发生关系的各组成部分的总体。我国科学家钱学森对系统的定义：系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合成的具有特定功能的有机整体，而该系统本身又是它所从属的一个更大系统的组成部分。系统三要素：元素、元素间的关系、具有特定功能(目标)2.1系统论与安全工程系统的定义系统的数学表达设x为系统的元素（因素），是自变量，其变域记为X，叫做系统空间；设y为系统的目标，是因变量，其变域记为Y；设A是系统的参变量，其变域记为X*，为X的对偶空间；F(·)是元素x为着目标y而发生的关系。例：设y=F(x,A)是个生产系统，则X是生产要素（如劳动力、资金、土地、设备等）的变域，X*则是生产管理、技术改革、生产环境等X以外的系统内一切对生产有影响的因素的整体。2.1系统论与安全工程系统的数学表达当F(·)为线性映射时，y=F(x,A)则表达为y=A·x

（A为矩阵，y、x

均为列向量）或Y=A·X。则X为满秩矩阵，代表线性系统空间，矩阵Y是X经A变换成的线性空间（满秩），A是它的基底。2.1系统论与安全工程系统论的代表性成果—量子力学量子力学的核心研究内容：量子的波函数描述（单个元素）、量子纠缠（元素与元素之间的关系）“关系”是系统的要素之一，建立清晰的数学关系是解决诸多安全问题的关键。量子力学的方法或许是复杂安全工程背景下“关系”建模的钥匙。2.1系统论与安全工程系统论的代表性成果—模糊系统论（模糊数学）1965年，美国计算科学专家扎德Zadeh(LotfiA．Zadeh)教授提出用“隶属函数”来描述现象差异的中间过渡，从而突破了经典集合论中属于或不属于的绝对关系。模糊数学一经提出，即被广泛应用于模糊聚类分析、模糊综合评判、模糊决策、模糊控制、模糊信息处理等各个领域。2.1系统论与安全工程系统工程的定义系统工程是对系统进行合理规划、研究、设计和运行管理的思想、步骤、组织和技巧等的总称。它是以实现系统最优化为目的一门基础科学，是一种对所有系统都具有普遍意义的科学方法。智慧校园建设系统工程航空航天系统工程导弹系统工程2.1系统论与安全工程系统工程的分析步骤2.1系统论与安全工程安全系统安全系统是以人为中心，包括安全工程、卫生工程技术、安全管理、人机工程等部分组成，以消除伤害、疾病、损失，实现安全生产为目的的有机整体，它是生产系统的一个重要组成部分。2.1系统论与安全工程安全系统工程安全系统工程是指应用系统工程的基本原理和方法，辨识、分析、评价、排除和控制系统中的各种危险，对工艺过程、设备、生产周期和资金等因素进行分析评价和综合处理，使系统可能发生的事故得到控制，并使系统安全性达到最佳状态的一门综合性技术科学。安全系统工程的核心任务是系统危险因素识别与分析、系统风险评价、系统安全决策、事故防制。2.1系统论与安全工程安全系统工程的分析方法（1）按照由初级到高级分为：安全检查表、意外事故分析、子系统危险性分析、预先危险性分析、故障类型与影响分析、事故树分析、事件树分析等方法；（2）按照逻辑关系分为：归纳分析法（由个别到一般的推理）、演绎分析法（由一般到特殊）、综合分析法；（3）按数理方法分为：定性分析法、定量分析法。2.1系统论与安全工程2.2控制论与安全工程基本概念控制论是研究生命体、机器和组织的内部或彼此之间的控制和通信的科学。控制论用抽象的方式揭示包括工程系统、经济系统和社会系统等在内的一切控制系统的信息传输和信息处理的特性和规律，研究用不同的控制方式达到不同控制目的可能性和途径，而不涉及具体信号的传输和处理。信息论则偏于研究信息的测度理论和方法，并在此基础上研究与实际系统中信息的有效传输和有效处理的相关方法和技术问题，如编码、译码、滤波、信道容量和传输速率等。控制论与信息论的区别2.2.1控制论基本方法①确定输入输出变量。控制系统为达到一定的目的，需要以某种方式从外界提取必要的信息（称为输入），再按一定法则进行处理，产生新的信息（称为输出）反作用于外界。输入输出变量不仅可以表示行为，也可以表示信息。②黑箱方法。根据系统的输入输出变量找出它们之间存在的函数关系（即输入输出模型）的方法。黑箱方法可用来研究复杂的大系统和巨系统。2.2.1控制论基本方法③模型化方法。通过引入仅与系统有关的状态变量而用两组方程来描述系统即建立系统模型。一组称为转移方程又称状态方程，用以描述系统的演变规律；一组称为作用方程又称输出方程，用以描述系统与外界的作用。④统计方法。控制论方法属于统计方法的范畴，需要引入无偏性、最小方差、输入输出函数的自相关函数和相关分析等概念。2.2.1控制论鲁棒控制原理鲁棒控制指出，不要把技术目标拘泥于难以实现而又没有必要的“精确控制”问题，只需要把系统状态保持在用户需求范围（可记为目标值的一个δ邻域）内即可。工程应用案例：在进行安全控制时，控制目标应符合鲁棒性，如将煤矿回采工作面回风巷一般要求瓦斯浓度在1%以下，控制目标常设置为0.8%，0.8%其实就是1%的左邻域边界值。2.2.1控制论控制的目标恒值调控：在发生波动时使系统状态恢复到给定值，如恒温调控；随动调控：使系统状态跟随某个变化着的目标，如导弹控制。常用的调控方式平衡偏差式调控：根据系统的实际输出值与所需标准水平的偏差进行调控；补偿干扰式调控：当系统受外界干扰影响时，通过预测干扰作用造成的偏差，通过原设计补偿系统的可能偏差，减轻干扰的影响。2.2.2控制工程定义安全控制理论

是应用控制论的一般原理和方法研究安全控制系统的调节与控制制度规律的一门学科。是由各种相互制约和影响的安全要素所组成的，具有一定安全特征和功能的整体。

安全控制系统

2.2.3安全控制工程安全系统的控制原则①合理使用各种反馈控制方式

③建立多级递阶控制体系

安全系统控制原则

②首选前馈控制方式

④力争实现闭环控制

局部状态反馈：过程中实时检测事故后的反馈：找出事故原因，反馈防止同类事故发生负反馈：对缺点进行批评惩罚正反馈：对好行为进行表扬安全管理工作应当设法形成一种自动反馈机制，从而实现自动闭环控制。安全系统是属于大系统范畴，各控制层次之间除了督促下层贯彻执行有关方针、政策外，还要提高下属层次的自组织能力。2.2.3安全控制工程2.3信息论与安全工程信息的定义美国数学家、信息论的创始人香农指出：信息是用来消除随机不确定性的东西。关于信息的几点认识数据是反映客观实体的属性值或对客观事物的记载。如数字、文字、声音、图像或图形等。数据是原料，信息是产品，信息是经过加工的数据；信息形成知识，是有用的知识。2.3.1信息论信息论的核心概念—信息熵：衡量信息量大小的指标信息熵越大，不确定越大，信息量越大H为信息量，M为常数，p(i)为事件i发生的概率信息的度量公式：信息论的定义信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。2.3.1信息论推广应用1：安全评价中客观权重的确定被评价的采空区1被评价的采空区2被评价的采空区3围岩强度a11a12a13地质环境a21a22a23悬空时间a31a32a33空区体积a41a42a43信息是系统有序程度的一个度量，熵是系统无序程度的一个度量。根据信息熵的定义，对于某项因素，可以用熵值来判断某个因素取值的离散程度，指标的信息熵越大，不确定性越大，造成系统的离散程度越大，该指标对综合评价的影响（即权重）就越大。通过计算影响因素fi

的信息熵得到该因素的权重信息论的核心概念—信息熵：衡量信息量大小的指标2.3.1信息论推广应用2：演化出条件熵，可用于因素约简因素f1因素f1因素f1结果gu1a11a12a13g1u2a21a22a23g2u3a31a32a33g3工程应用背景：有众多因素影响某个工程的安全结果，但是有些因素是没有用的，如果不删掉，会增加数据统计量，因此，想删减掉。核心思想：若因素不可删，则其“影响力”很大，所以熵很大。用因素的熵及因素关于结果的条件熵对对象集合进行分类，若能完全分类，未使用的因素即为多余的因素。信息论的核心概念—信息熵：衡量信息量大小的指标2.3.1信息论信息是“知识”的载体——如何获取“知识”？方法1：粗糙集粗糙集理论——是一种刻画不完整性和不确定性的数学工具，能有效地分析不精确，不一致、不完整等各种不完备的信息，还可以对数据进行分析和推理，从中发现隐含的知识，揭示潜在的规律。什么是有意义的知识？事实上，最有价值的知识是定理。一个定理是用“如果X是A，则Y是B”的推理形式表示的。例：如果今天下雨，则明天柳树发芽。2.3.1信息论信息是“知识”的载体——如何获取“知识”？方法1：粗糙集应用示例。2.3.1信息论信息是“知识”的载体——如何获取“知识”？方法1：粗糙集2.3.1信息论信息是“知识”的载体——如何获取“知识”？方法1：粗糙集诸如想要获取此类“知识”（关系），即可采用粗糙集理论得到。2.3.1信息论信息是“知识”的载体——如何获取“知识”？方法2：关联规则挖掘从数据库中发现频繁出现的多个相关联数据项的过程。方法3：基于条件概率的贝叶斯定理（如医学大数据，挖掘知识）2.3.1信息论安全科学发展进入4.0时代—以计算为支撑的智能化安全阶段一：安全1.0时代，主要关注Safety风险，依赖经验安全科学；阶段二：安全2.0时代，主要关注Safety或Security风险，侧重于保障物理空间的安全，核心是技术安全科学；阶段三：安全3.0时代，逐渐同时关注Safety（无意的）&Security（蓄意的）风险，侧重于保障物理空间和社会空间的安全，开始关注行为安全问题，核心是系统安全科学。阶段四：安全4.0时代，随着步入当今工业4.0、智能化、大数据和高风险时代，强调同时关注Safety&Security风险，同时保障物理空间、社会空间和信息空间的安全，核心是基于安全信息学等为主要支撑的计算安全科学，发展智能安全科学。2.3.2安全信息人机环管信息信息信息信息信息信息信息在安全管理中的作用2.3.2安全信息事故致因理论中经典的轨迹交叉理论指出，事故是由物的不安全状态与人的不安全行为两条事件链的轨迹交叉所致。信息在安全科学中的作用重点关注二元空间（物理空间与社会空间）交互的安全问题。随着信息技术发展，一个庞大虚拟的信息世界（即信息空间）已被建立。物理与社会空间的安全数据通过网络传输到信息空间，信息空间经过计算与决策对物理和社会空间的安全状态和管理进行反馈。2.3.2安全信息信息在安全管理中的作用在“物理-社会-信息”融合系统中，安全事件是物理、社会与信息3个空间的不安全因素（三者间相互影响）的交互所致。与二元空间交互的安全问题相比，三元空间交互的安全问题最显著差异是：通过安全监测技术、传感与物联网技术等，从物理和社会空间获取的安全信息流将推动系统安全的认知和控制能力提升。例：警方使用多源感知数据对历史性逮捕模式、发薪日、体育项目、降雨天气和节假日等变量进行分析，结合大规模历史犯罪记录对犯罪行为进行预测，实现警力的优化配置，并极大降低了犯罪率。已有诸多研究指出，安全信息缺失是安全事件发生的共性原因之一。2.3.2安全信息安全管理信息系统随着计算机技术的发展和人们对安全信息的利用程度越来越高，安全管理信息系统逐渐被创建并很好的利用。安全管理信息系统一个以人为主导、利用计算机和其他设备，进行信息的处理，以企业战略竞优、提高效益和效率为目的，支持企业高层决策、中层控制、基层运作的集成化的人机系统。

数据库系统安全管理信息系统数据库技术2.3.3安全管理信息系统安全管理信息系统保障“物理-社会-信息”融合系统安全需在空间上“同时”，即同时保证物理、社会与信息空间均安全。为什么要保障信息空间的安全？例：在当前高度信息化的时代，核电站安全管理主要依赖于安全管理信息系统，若安全管理信息系统本身的安全无法得到保障，一旦安全管理信息系统瘫痪，就可能引发核电站系统性的安全风险，从而造成严重的安全事件。2.3.3安全管理信息系统2.4突变论与安全工程在自然界和人类社会活动中，除了渐变的和连续光滑的变化现象外，还存在着大量的突然变化和跃迁现象，如水的沸腾、岩石的破裂、桥梁的崩塌、地震、细胞的分裂、生物的变异、人的休克、情绪的波动、战争、市场变化、经济危机等等。突变论方法正是试图用数学方程描述这种过程。2.4.1突变论定义突变论是研究自然界和人类社会中连续渐变如何引起突变，并力求以统一的数学模型来描述，预测并控制这些突变的一门学科。突变论认为事物结构的稳定性是突变论的基础，事物的不同质态从根本上说就是一些具有稳定性的状态，这就是为什么有的事物不变，有的渐变，有的则突变的内在原因。基本认识2.4.1突变论研究内容突变论的研究内容简单地说，是研究从一种稳定组态跃迁到另一种稳定组态的现象和规律。突变论认为，系统所处的状态，可用一组参数描述。当系统处于稳定态时，标志该系统状态的某个函数就取唯一的值。当参数在某个范围内变化，该函数值有不止一个极值时，系统必然处于不稳定状态。突变论给出了系统状态的参数变化区域。2.4.1突变论突变论一般并不给出产生突变机制的假设，而是提供一个合理的数学模型来描述现实世界中产生的突变现象，对它进行分类，使之系统化。研究内容若有1个影响系统变化的指标，则选用折叠型若有2个影响系统变化的指标，则选用尖点型若有3个影响系统变化的指标，则选用燕尾或脐点型若有4个影响系统变化的指标，则选用蝴蝶或抛物型2.4.1突变论应用思想突变论特别适用于研究内部作用尚属未知、但已观察到有不连续现象的系统。如果符合现象，可以用这种理论解释机制，提出调控方法。2.4.1突变论为研究煤矿水害的安全状况，提出了熵值法－突变理论并对陕西某煤矿的矿井透水安全状态进行评价。基于安全管理四因素理论，从人的因素、物的因素、环境因素和管理因素4个方面，建立了17个评价指标的煤矿透水安全评价指标体系。首先通过熵值法计算各个指标的权重并排序，其次使用突变理论计算中间层指标的突变隶属值，最后计算得出系统总突变隶属值。由于传统突变评价的评价值过高，因此运用数据拟合方法对突变理论评价方法作出改进。田水承,申章进.基于熵值法-突变理论的煤矿透水安全评价[J].西安科技大学学报,2022,42(06):1064-1070.突变理论应用于评价因素权重修正2.4.3突变论在安全工程中的应用案例突变理论应用于确定指标权重之后，根据各层面指标个数选择相应的突变模型计算总突变级数值，最后通过拟合修正对系统安全状况进行判断。常用的几种突变级数模型：薛峰,李希建,徐恩宇,蔡俊杰.变权-突变级数在矿井火灾危险性评估中的应用[J].消防科学与技术,2022,41(09):1242-1246.突变理论应用于评价因素权重修正2.4.3突变论在安全工程中的应用案例基于突变理论，将建筑施工系统中人的因素、物的因素、环境因素和管理因素作为系统的控制变量，建筑施工系统的安全状态作为状态变量，建立坍塌事故随时间变化的动态尖点突变模型。利用2013～2019年中国发生的237例坍塌事故报告，对系统的控制变量、固有特征量、关键参数和系统的突变风险值进行量化。利用Python对坍塌事故的尖点突变数据进行仿真，对事故发生机理进行定性和定量的分析。研究结果表明：当系统的2个控制变量发生突跳且与分叉集相交时，系统才有可能发生突变，进而发生坍塌事故，事故严重程度与控制变量的突跳值相关。李珏,韩梅.建筑坍塌事故发生机理的尖点突变模型及应用[J].铁道科学与工程学报,2022,19(09):2766-2775.尖点突变模型在事故发生机理阐释中的应用2.4.3突变论在安全工程中的应用案例李珏,韩梅.建筑坍塌事故发生机理的尖点突变模型及应用[J].铁道科学与工程学报,2022,19(09):2766-2775.尖点突变模型在事故发生机理阐释中的应用2.4.3突变论在安全工程中的应用案例李珏,韩梅.建筑坍塌事故发生机理的尖点突变模型及应用[J].铁道科学与工程学报,2022,19(09):2766-2775.尖点突变模型在事故发生机理阐释中的应用尖点突变的仿真结果2.4.3突变论在安全工程中的应用案例赵奎,王万银,曾鹏,龚囱,梁楠,李文辉.胶结充填体顶板承载层厚度的尖点突变模型及其应用[J].金属矿山,2022(08):57-62.尖点突变模型在充填体承载层厚度安全性计算的应用下向水平分层胶结充填采矿中，通常采用高灰砂比的胶结充填体作为承载层,承载层厚度对保障采矿作业安全具有重要意义。目前承载层一般采用简化的梁、板模型计算其厚度,计算结果与工程实际存在较大差异。论文通过数值模拟得到不同承载层厚度的顶板中点位移值,由此构建了顶板位移尖点突变模型。结果表明：承载层厚度小于1.2m时，进路顶板两侧拐角处形成连续塑性区；承载层厚度为1.0~1.2m时，位移突变特征值由正值向负值发生跃变。考虑矿山工程实际的安全性,最终推荐承载层厚度为1.5m。2.4.3突变论在安全工程中的应用案例赵奎,王万银,曾鹏,龚囱,梁楠,李文辉.胶结充填体顶板承载层厚度的尖点突变模型及其应用[J].金属矿山,2022(08):57-62.尖点突变模型在充填体承载层厚度安全性计算的应用2.4.3突变论在安全工程中的应用案例陈权川,王安礼,邬忠虎,朱爱军,李兰,涂芳瑞.基于尖点突变理论的含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡稳定性研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2022,41(06):188-195.尖点突变模型在边坡稳定性评估中的应用为了探讨软弱夹层对缓倾顺层岩质边坡稳定性的影响，克服采用安全系数评价边坡稳定性的局限性，提出一种基于尖点突变理论的突变级数法。选取软弱夹层的黏聚力c、内摩擦角φ、倾角β、厚度d、岩体重度γ和空隙水压比γu6个因素进行五水平正交试验，并建立相关的边坡模型，然后采用强度折减法求出边坡的安全系数，基于突变级数法求取试验边坡模型的突变级数。结果确定了影响含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡稳定性的主控因素的敏感程度大小顺序。2.4.3突变论在安全工程中的应用案例陈权川,王安礼,邬忠虎,朱爱军,李兰,涂芳瑞.基于尖点突变理论的含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡稳定性研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2022,41(06):188-195.尖点突变模型在边坡稳定性评估中的应用2.4.3突变论在安全工程中的应用案例2.5混沌论与安全工程定义混沌理论（Chaostheory）是一种兼具质性思考与量化分析的方法，用来探讨动态系统中必须用整体、连续的而不是单一的数据关系才能加以解释和预测的行为。蹄铁谣：钉子缺，蹄铁卸；蹄铁卸，战马蹶（jué）；战马蹶，骑士绝；骑士绝，战事折；战事折，国家灭。一只南美洲的蝴蝶扇动翅膀，结果可能引发美国德克萨斯州的一场龙卷风2.5.1混沌论基本认识混沌特性(1)随机性：体系处于混沌状态是由体系内部动力学随机性产生的不规则性行为，常称之为内随机性（区别于一般随机性）．(2)敏感性：系统的混沌运动，无论是离散的或连续的，低维的或高维的，保守的或耗散的。时间演化的还是空间分布的，均具有一个基本特征，即系统的运动轨道对初值的极度敏感性。2.5.1混沌论基本认识混沌控制混沌控制把小参量扰动控制量加进混沌系统，使系统状态控制在某一不动点上OGY方法延迟反馈控制根据时间历程的周期性来确定延时反馈时间。把一个混沌的系统控制到一条期望的周期轨道上去模糊控制2.5.2混沌控制主要机制方法2.6分形理论与安全工程1967年，曼德博在《Science》上发表了题为《英国的海岸线有多长？统计自相似和分数维度》的著名论文。海岸线的特征是极不规则、极不光滑的，呈现蜿蜒复杂的变化。我们不能从形状和结构上区分这部分海岸与那部分海岸有什么本质不同，这种几乎同样程度的不规则性和复杂性，说明海岸线在形貌上是自相似的，也就是局部形态和整体的相似。在空中拍摄的100公里长的海岸线与放大了的10公里长海岸线的两张照片，看上去会十分相似。2.6.1分形理论的提出事实上，具有自相似性的形态广泛存在于自然界中，如：连绵的山川、岩石的断裂口、树冠、花菜……曼德博把这些部分与整体以某种方式相似的形体称为分形2.6.1分形理论的提出分形维数是描述分形最主要的参量，简称分维。分形维数的概念通常欧几里德几何中，直线或曲线是1维的，平面是2维的，具有长、宽、高的形体是3维的；然而对于分形如海岸线、科赫曲线、谢尔宾斯基海绵等的复杂性无法用维数等于1、2、3这样的数值来描述。2.6.2分形维数科赫曲线科赫曲线第一次变换将1英尺的每边换成4个长1/3英寸的线段，总长度变为3×4×1/3=4英寸；每一次变换使总长度变为乘以4/3，如此无限延续下去，曲线本身将是无限长的。这是一条连续的回线，永远不会自我相交，回线所围的面积是有限的，它小于一个外接圆的面积。因此科赫曲线以它无限长度挤在有限的面积之内，确实是占有空间的，它比1维要多，但不及2维图形，也就是说它的维数在1和2之间，维数是分数。2.6.2分形维数谢尔宾斯基海绵谢尔宾斯基海绵内部全是大大小小的空洞，表面积是无限大，而