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系統(tǒng)安全理論與模型發(fā)展研究綜述

文檔作者：緱變彩覃亞偉王帆文檔來源： 1．武漢科技大學城市學院 2．華中科技大學土木工程與力學學院 3．長江水利委員會長江科學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年08月02日
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第31卷第4期
2014年12月
土木工程與管理學報
Journal of Civil Engineering and Management
Vol_3l No．4
Dec．2014
系統(tǒng)安全理論與模型發(fā)展研究綜述
緱變彩 ， 覃亞偉 ， 王 帆
(1．武漢科技大學城市學院，湖北武漢430083；2．華中科技大學土木工程與力學學院，湖北武漢430074；
3．長江水利委員會長江科學院，湖北武漢430015)
摘要：復雜社會技術系統(tǒng)的安全績效取決于技術層面因素與組織管理層面因素的相互作用關系，而非個體要
素。事故被認為是復雜系統(tǒng)中各個要素之間相互作用所產(chǎn)生的一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，需要用系統(tǒng)安全思想進行研究，
建立相應的系統(tǒng)安全模型。本文簡要回顧了事故致因與系統(tǒng)安全理論的發(fā)展趨勢，將事故致因與系統(tǒng)安全理
論依據(jù)研究范式劃分為三代，即規(guī)范性理論與模型、基于系統(tǒng)狀態(tài)偏離標準程度的描述性理論與模型、以及基
于系統(tǒng)實際行：勾的描述性理論與模型，在此基礎上，總結(jié)了建立系統(tǒng)安全模型的現(xiàn)狀、必要性和挑戰(zhàn)，強調(diào)建立
系統(tǒng)安全模型需要從近端因素到遠端因素、從靜態(tài)分析到動態(tài)建模、從還原論到整體論進行轉(zhuǎn)變，將安全分析
重點從找尋事故原因轉(zhuǎn)移到事故發(fā)生機理上來。
關鍵詞：系統(tǒng)安全； 復雜社會技術系統(tǒng)； 安全風險建模
中圖分類號：x91 文獻標識碼：A 文章編號：2095-0985(2014)04-0083-05
Review of the Development and Research on System Safety Theories and M odels
GOU Bian—cai ，QIN Ya—wei ，WANG Fan。
(1．Wuhan University of Science and Technology"City College，Wuhan 430083，China；
2．School of Civil Engineering and Mechanics，Huazhong University of Science and Technology，
Wuhan 430074，China；3．Chan~iang River Scientific Research Institute，Wuhan 430015，China)
Abstract：Tim safety performance of a complex socio-technical system is determined by the interaction
between organizational and managerial factors and technical factors，rather than the single element
within the system．The accident can be viewed as an emergent phenomenon arises from the interaction
of different agents，which requires a system safety perspective and the related system safety mode1．
The development of accident causation and system safety was reviewed．The theories and models were
classified into three generations according to the research paradigms，namely prescriptive theories and
models，descriptive theories and models in terms of deviations from norms，and descriptive theories
and models in terms of actual behaviors． Based on the review，current trends．motivation and
challenges of establishing a system safety model were summarized． The importance of shift from
proximal factors to distal factors，from static analysis to dynamic modeling，and from reductionism to
holism has been emphasized that the focus should be transferred from causes to mechanisms．
Key words：system safety；complex socio-technical system；safety risk modeling
社會技術系統(tǒng)于20世紀6O年代初由英國
Tavistock研究所提出_1 ，泛指技術密集和資金密
集、積聚能量巨大的工業(yè)組織，認為生產(chǎn)系統(tǒng)都具
有技術和社會表征，而且是緊密聯(lián)系和相互作用
的，系統(tǒng)績效取決于這種相互作用而不是個體要
素，并由此萌發(fā)了“系統(tǒng)安全”的基本思想，指在
一個項目的全生命周期內(nèi)運用一定的技術和管理
手段，系統(tǒng)地、有遠見地識別和控制危險[2 3。然
而現(xiàn)有的事故模型對組織等社會層面的分析與生
產(chǎn)等技術層面的分析卻往往是分開進行，缺少對
收稿日期：2014--05-03 修回日期：2014-07．17
作者簡介：緱變彩(1986-)，女，河南安陽人，助教，碩士，研究方向為施工安全(Email：1621109445@qq．corn)
基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2013QN028)
· 84’ 土木工程與管理學報 2014正
兩者相互作用關系的研究。
本文將在回顧事故致因與系統(tǒng)安全理論與模
型的基礎上，分析構(gòu)建系統(tǒng)安全風險分析模型所
面臨的挑戰(zhàn)，以期作為今后構(gòu)建地鐵施工系統(tǒng)安
全風險分析模型的基礎。
1 事故致因與系統(tǒng)安全理論及模型
的發(fā)展
Rasmussen 根據(jù)安全風險研究的思維范式
將安全風險分析思路分為三個階段，據(jù)此可將研
究安全風險的理論和模型按時間劃分為三代(圖
1) 。
圖1 事故致因與系統(tǒng)安全理論及模型的發(fā)展
1．1 規(guī)范性理論與模型(第一代)
規(guī)范性理論與模型主要體現(xiàn)的是一種“深層
防御”的思想，通過提高系統(tǒng)的冗余性，建立多層
防御，以及將工作流程標準化來改善系統(tǒng)的安全
性。“深度防御”思想最大的貢獻在于它迫使人
們在對系統(tǒng)進行設計和運行時必須考慮事故可能
發(fā)生的路徑，從而為系統(tǒng)的設計和運行提供參考
依據(jù)。然而系統(tǒng)的冗余性也使得系統(tǒng)的復雜性增
加，更重要的是，這些“防御措施”可能會隱藏系
統(tǒng)發(fā)展到危險狀態(tài)的過程，降低人們的安全意
識 。
1．2 基于系統(tǒng)狀態(tài)偏離標準程度的描述性理論
與模型(第二代)
基于系統(tǒng)狀態(tài)偏離標準程度的描述性理論與
模型認為事故的發(fā)生是系統(tǒng)狀態(tài)偏離標準程度過
大所導致，具體又可以分為以下兩類 。 。
1．2．1 事件序列理論與模型
事件序列理論將事故描述為一系列事件依次
發(fā)生所導致的結(jié)果。這些模型假設事件發(fā)生所產(chǎn)
生的影響可以通過預先定義好的因果關系進行傳
播并最終導致事故的發(fā)生，其代表有Heinrich的
多米諾理論 ，Johnson的能量理論 J，前者認為
事故是一系列自我平衡事件的轉(zhuǎn)換結(jié)果，即事故
是不期望事件發(fā)生后的一種補償，后者則認為事
故是由于防護不足導致能量意外釋放所致。
事件序列模型通常采用演繹法或歸納法分析
事故發(fā)生的原因或事件導致的后果，如事件樹
(ETA)及故障樹(NFA)等。Norman Rasmussen研
究并提交的WASH一1400 報告 建立了概率風險
評估技術框架，基于上述方法在核電領域進行安
全評估，極大地推動了此類模型的研究和應用。
FTA／ETA由于能夠描述風險的三個要素，且計算
簡便，因此也被應用于隧道、橋梁等土木工程領
域，如Sturk等人 用FTA分析了公路隧道施工
對周圍環(huán)境的破壞風險；Hong等人 ¨采用ETA
識別了隧道開挖過程中可能遇到的不利事件并用
于幫助盾構(gòu)機選型設計；Choi等人n 基于ETA
構(gòu)建了一個橋梁施工失事場景的自動識別方法。
1．2．2 流行病學理論與模型
流行病學理論將事故的發(fā)生比喻成疾病傳
播，認為事故的發(fā)生是多個因素(如行為偏差、防
御措施失效等)共同作用的結(jié)果。與事件序列理
論類似，流行病學理論也是基于因果關系描述事
件所產(chǎn)生的影響是如何傳播的，但與事件序列理
論不同的是，流行病學理論能描述導致事故的因
素間更為復雜的作用關系，某個事件既可能是幾
個事件共同作用的結(jié)果，也可能是導致另外幾個
事件發(fā)生的原因之一。
流行病學模型最著名的代表為Reason的“瑞
士奶酪”模型 J，Reason將系統(tǒng)的不同層面表示
為瑞士奶酪的切片，切片上的“洞”表示系統(tǒng)各個
層面的缺陷。事故從最遠端的組織決策(即規(guī)
劃、設計、管理、溝通等)失誤開始，這些缺陷為事
故的發(fā)生創(chuàng)造了最初的潛在條件；組織決策上的
失誤可能導致現(xiàn)場管理者的管理難度加大(如需
要完成的任務繁雜)，并造成工作條件惡化(如工
作量過大，進度吃緊)，從而導致人的失誤或違規(guī)
操作，并導致事故發(fā)生(圖2)。該理論可以作為
風險評估模型的建?？蚣?，如Ren等人 基于
“瑞士奶酪”理論構(gòu)建了一個具有五層層次結(jié)構(gòu)
的風險評估模型，用層次結(jié)構(gòu)來描述從根本原因
到事故后果的因果作用關系及風險的傳播過程。
鲴織決策
危險
潛在缺陷
事故
防護措施
圖2 瑞士奶酪模型
然而，無論是事件序列理論還是流行病學理
第4期 緱變彩等：系統(tǒng)安全理論與模型發(fā)展研究綜述 ·85·
論，都是基于事件因果關系來描述事故的發(fā)生，這
種思路有一定的局限性。正如Rasmussen所說：
“基于事件解釋事故的發(fā)生對于改善系統(tǒng)安全沒
有多少幫助? ?：限明顯，我們需要一種新的方法
來描述系統(tǒng)行為，將重點放在實際的、動態(tài)的工作
情景中導致人的失誤或違規(guī)操作的機理，而不是
人的失誤或違規(guī)操作本身”_3 J。而Leveson認為，
解決這一問題需要采用系統(tǒng)工程思想 。
1．3 基于系統(tǒng)實際行為的描述性理論與模型
(第三代)
基于系統(tǒng)實際行為的描述性理論，如Barry
Turner的人為災難理論(MMD)¨ ，Charles Perrow
的常態(tài)事故理論(NAT) 16j，Karlene Roberts
提出的高可靠性：組織理論(HRO) 等，對現(xiàn)在
事故致因和系統(tǒng)安全的研究思路有著很深的影
響，如MMD理論認為：(1)事故有著共同的產(chǎn)生
模式，可以用來分析并提高系統(tǒng)的安全性；(2)事
故發(fā)生有一個較長的孵化期，事故發(fā)生原因可以
深究到過去一系列不利因素的累積；(3)事故不
能僅僅歸咎于技術問題，組織與管理才是事故發(fā)
生的關鍵。NAT理論認為系統(tǒng)交互的復雜程度
和耦合程度是決定系統(tǒng)安全與否的兩個重要特
點。而HRO理論認為要從本質(zhì)上限制事故的發(fā)
生并實現(xiàn)盡可能高的系統(tǒng)績效，一個組織(稱為
高可靠性組織)通常需要具備四個特點：(1)安全
與生產(chǎn)應同等重要，且組織內(nèi)部對該目標一致認
同；(2)權力分散與權力集中的管理模式需同時
存在；(3)較強的組織學習能力；(4)廣泛使用系
統(tǒng)冗余。
Rasmussen 是開創(chuàng)基于控制論、系統(tǒng)論分析
系統(tǒng)安全的先驅(qū)之一，他認為類似博帕爾、切爾諾
貝利這樣的事故并不是各個備件失效和人為失誤
疊加所造成的巧合，而是在競爭激烈的環(huán)境中受
到經(jīng)濟效益的壓力導致組織行為系統(tǒng)性的向事故
發(fā)生的邊界遷移(圖3)。
安全梯度
失控
圖3 系統(tǒng)向事故邊界自然遷移
Rasmussen認為任何工作都會受到管理、功
能和安全上的約束，工作目標與約束形成了個體
行為，個體要么適應約束要么改變約束來達成既
定目標，而在這個過程中，管理提供了一個“效益
梯度”，而個體提供了一個“效率梯度”，例如管理
者通常為了經(jīng)濟效益，期望在最短時間內(nèi)完成既
定任務，但這樣會大大增加工人的工作量，而工人
為了按期完工便會采取一些捷徑。因此，在這兩
個梯度的共同作用下，系統(tǒng)會逐漸向安全邊界遷
移直到觀察或感覺到危險的存在，如果未察覺到
危險或察覺到危險但未采取措施，系統(tǒng)繼續(xù)遷移
越過安全邊界從而導致事故發(fā)生。與之前通過標
準流程控制系統(tǒng)行為的偏離程度不同，Rasmussen
認為應通過提高邊界的可見性并學習如何在邊界
應對危險來控制系統(tǒng)行為，即構(gòu)建一個“安全梯
度”來遏制系統(tǒng)滑向事故邊界的趨勢，為此，Ras—
mussen將風險管理描述為一個控制過程，并指出
風險管理必須建立在依據(jù)控制需求得出的危險源
分類之上 。
Levesonl14]基于系統(tǒng)論建立了系統(tǒng)理論事故
模型STAMP，認為事故是復雜系統(tǒng)中各個要素相
互作用(如人、技術、環(huán)境之間的影響)所產(chǎn)生的
一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，缺少對這些相互作用施加約束的
控制行為將導致事故的發(fā)生。因此，安全實際上
是一個控制問題，事故分析應嘗試從控制論的角
度對整個社會技術系統(tǒng)進行建模分析，而這個控
制結(jié)構(gòu)的基本組成是約束、反饋回路和控制層級。
按照Leveson的觀點，系統(tǒng)不是靜態(tài)的，而是一個
不斷適應周圍變化來實現(xiàn)目標的動態(tài)過程，由于
系統(tǒng)處于不斷變化之中，系統(tǒng)安全的控制實際是
一個不斷施加約束來維持或確保這個適應過程安
全進行的過程。據(jù)此，Leveson從控制論的角度將
事故原因分為三類：(1)安全約束不足；(2)控制
行為的執(zhí)行不足；(3)反饋不足或缺失。
相比之下，第三代系統(tǒng)安全定量分析模型仍
處于發(fā)展之中，除了Leveson基于系統(tǒng)動力學構(gòu)
建的STAMP(Systems-Theoretic Accident Model
and Processes)模型 墻 之外，Mohaghegh等人 ，2o_
基于事件序列圖、故障樹、貝葉斯網(wǎng)絡和系統(tǒng)動力
學建立了系統(tǒng)安全風險分析混合模型SoTeRiA
(Social-Technical Risk Analysis)，Stroeve 等
人 lI 則提出了TOPAZ(T affic Organization and
Perturbation AnalyZer)模型，采用基于Agent的動
態(tài)風險建模技術和Monte Carlo仿真技術分析飛
機地面滑行存在的碰撞風險。表1總結(jié)了三種模
型的不同之處。
· 86· 土木工程與管理學報
表1 三種模型的對比
名稱 STAMP SoTeRiA TOPAZ
作者№ cy Leveson Zahra
整干}『 麻省理工航天航馬里蘭大學風險荷蘭國家航空實
空學院 與可靠性中心 驗室
年份 2O04 2O07 2O09
應用領域多領域
主要方法系統(tǒng)動力學
臟飛機維修 空中山通管
混合方法
(系統(tǒng)動力學，貝基于Agent的動
葉斯網(wǎng)絡，故障態(tài)風險建模技術
樹，事件序列圖)
毳簍 譬定量分析了影響模擬仿真真實環(huán)
按 制簍的不馨足 妻 0坦 瑟馭 lV 叫 囂、 爪 J／：J
2 從第二代到第三代之動機與挑戰(zhàn)
目前，第三代事故致因與系統(tǒng)安全理論仍處
于發(fā)展階段，相應的分析模型則更少，主要仍以第
二代分析模型為主。那么究竟是否需要第三代安
全風險模型呢?這與建模分析的目的有關，如果
分析目的只是“問責”，那么基于解析法的第二代
事故致因與系統(tǒng)安全模型就足夠了，因為此類模
型可以有效地追溯事件的經(jīng)過直至發(fā)現(xiàn)對事故負
有責任的人或物。然而實際中往往發(fā)現(xiàn)，對于某
幾個人的問責并不能阻止類似事故的重演，新的
管理者同樣面臨著前任管理者所面臨的問題，這
是因為此類分析并不能充分揭示事故發(fā)生的原因
從而從根本上改善系統(tǒng)安全；相反，如果分析的目
的是如何構(gòu)建更安全的系統(tǒng)，那么就需要第三代
系統(tǒng)安全分析模型，將重點從找尋事故起因上轉(zhuǎn)
移到研究系統(tǒng)的行為模式上來 。
可見，為了預防事故的發(fā)生或重演，有必要構(gòu)
建第三代系統(tǒng)安全風險分析模型。然而從第二代
模型轉(zhuǎn)變?yōu)榈谌Ｐ椭饕媾R三個挑戰(zhàn)。
2．1 從近端因素到遠端因素
事故的發(fā)生背后都有其組織管理原因，組織
因素幾乎在所有事故中都伴有重要角色并成為理
解與預防事故發(fā)生的關鍵 ，如杭州地鐵一號線
蕭山湘湖段“11．15”事故，其主要原因既包括基
坑超挖，鋼支撐體系存在薄弱環(huán)節(jié)等技術問題，也
包括監(jiān)測、監(jiān)理工作嚴重失職等管理原因，然而管
理因素究竟如何影響實際施工過程卻難以進行定
量分析 』。而第二代系統(tǒng)安全模型主要是還原
事故發(fā)生場景，分析造成事故發(fā)生的技術或人為
的近端因素，因此如何將遠端的組織管理因素納
入到模型中是系統(tǒng)安全風險建模面臨的挑戰(zhàn)之
— —
0
2．2 從靜態(tài)分析到動態(tài)建模
復雜社會技術系統(tǒng)是一個為實現(xiàn)系統(tǒng)目標不
斷適應自身及周邊環(huán)境變化的動態(tài)過程，事故是
由于系統(tǒng)的模塊如人、組織結(jié)構(gòu)、工程任務、技術
設備在這一過程中相互作用所導致的一種涌現(xiàn)現(xiàn)
象 。因此，第三代系統(tǒng)安全風險分析模型必需
考慮系統(tǒng)隨時間發(fā)展的自適應過程，尤其是在系
統(tǒng)受到生產(chǎn)力(如成本、進度)的壓力時；此外，系
統(tǒng)變量之間還會存在一定程度的延遲，一些不利
因素的結(jié)果并不會立即顯現(xiàn)，而這種延遲有時會
掩蓋事故發(fā)生的征兆，增加事故分析的難度 。
例如Goh等人 在分析Tasmania巖石崩落事故
后發(fā)現(xiàn)，在事故發(fā)生之前已經(jīng)有不少的征兆，事故
的起因可以追溯到較早的時間。因此他們得出結(jié)
論，事故的發(fā)生也不是一蹴而就，而是各種不利因
素隨時間發(fā)展不斷累積疊加最終導致的。然而，
基于事件因果關系的第二代模型無法反映系統(tǒng)的
時間特性，因此，如何建立系統(tǒng)的動態(tài)模型是系統(tǒng)
安全風險建模面臨的又一個挑戰(zhàn)。
2．3 從還原論到整體論
傳統(tǒng)的建模思路通常是將復雜社會技術系統(tǒng)
進行分解后再分別建模分析，然而，許多學者質(zhì)疑
這種基于解析的、還原論思想方法的合理性，他們
認為這種思路與事故的系統(tǒng)理論思想并不一
致 引。相比之下，整體論認為復雜系統(tǒng)整體大于
系統(tǒng)個體之和。安全分析的系統(tǒng)思想是把安全看
作一種涌現(xiàn)現(xiàn)象，是系統(tǒng)整體的一個屬性，由系統(tǒng)
中的元素相互作用產(chǎn)生，而非其元素自身屬性。
例如，對盾構(gòu)機本身的安全性和可靠性分析并不
能得出使用該盾構(gòu)機進行地鐵施工是否安全的結(jié)
論，而必需將其置于復雜的“人一機一環(huán)境”交互
過程之中才有意義。因此，一個系統(tǒng)模型不能依
靠子模型的簡單疊加，而應是一個系統(tǒng)思想為導
向的整體模型，將失效事件看作系統(tǒng)工作的一種
產(chǎn)物，將事故損失看作系統(tǒng)工作的一種結(jié)果 。
因此，如何基于整體論的思想進行建模是系統(tǒng)安
全風險建模面臨的第三個挑戰(zhàn)。
3 結(jié) 語
在過去的幾十年間，人類建造的系統(tǒng)和建造
這些系統(tǒng)所處的環(huán)境一直在不斷發(fā)生改變，這些
改變給人類安全建造和運行這些系統(tǒng)帶來了諸多
第4期 緱變彩等：系統(tǒng)安全理論與模型發(fā)展研究綜述 ·87·
挑戰(zhàn)，需要采取系統(tǒng)安全思想來指導相應的安全
工作，基于系統(tǒng)論、控制論構(gòu)建第三代的系統(tǒng)安全
風險分析模型，對事故發(fā)生的規(guī)律進行總結(jié)，從而
更好地預防事故的發(fā)生。
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