本文摘要：摘要：本质安全是安全科学的前沿理论，是煤炭、化工、核能、交通等行业在生产中大力推行的管理模式，其理论体系也在不断地创新发展。从解决铁路安全生产面对的实际问题和丰富完善本质安全理论的目标出发，基于熵变理论和二维象限法，阐述了铁路安全系统中熵
摘要：本质安全是安全科学的前沿理论，是煤炭、化工、核能、交通等行业在生产中大力推行的管理模式，其理论体系也在不断地创新发展。从解决铁路安全生产面对的实际问题和丰富完善本质安全理论的目标出发，基于熵变理论和二维象限法，阐述了铁路安全系统中熵流和熵产的应对策略。进一步分析了熵产的形成原因，给出了铁路运输生产中对抑制正熵流和促成负熵流的关键要素，即能量、信息与文化。最后，对照构建的铁路运输本质安全创新体系，提出了具体的实施路径，以此确保本质安全在铁路行业应用的针对性和有效性，为铁路安全生产提供理论支撑。
关键词：熵变理论;本质安全;铁路安全管理;熵产;熵流;二维象限法
本质安全是对于生产系统中的某一种或几种危险因子，从源头上消除其产生的可能性，使系统无限趋近于绝对安全状态的理念[1]。本质安全的最初认识可追溯至西方对飞机系统和火箭系统关于安全临界状态的研究，即可靠性分析[2]15-16。20世纪50年代世界宇航界正式提出本质安全概念，随后，其理念在化工生产、矿业开采、核能发电、交通运输等领域广泛流行，铁路运输也在近些年开展了相关的实践探索[3]，[4]43。
但是，安全本质化的理论研究却存在线性思维、侧重微观、强调拆分等方面的不足。因此，在分析本质安全理论瓶颈，结合我国铁路运输生产实际的基础上，引入熵变理论创新铁路本质安全管理模式，对有效弥补本质安全应用的理论缺陷，推进其在铁路安全管理中的科学性和实效性，实现铁路运输生产安全的高质量发展，具有十分重要的现实意义。
铁路运输论文： 铁路线路巡防人员配置模型研究
1熵理论与安全管理
熵(Entropy)的概念是克劳修斯(RudolfClausius)为解释热力学第一定律(能量守恒定律)中无法说明的问题而提出的。作为热力学奠基人之一，他提出了熵增原理：系统演化的方向是恒定的，即始终是趋向于熵值的增加进行发展。
而后熵理论在不同维度得到了丰富，从学科应用看，物理学中将熵与微观粒子混乱程度建立关联，并由玻尔兹曼(L.E.Boltzmann)用来说明热力学几率的物理意义给出了统计上的量度。而后麦克斯韦(Maxwell)、吉布斯(Gibbs)等人将熵用在辨别化学反应进行的方向及程度上[5]31-33。1944年，量子理论创始人薛定谔(E.Schrdinger)在《生命是什么———活细胞的物理观》中，又将熵的研究成果扩展到了生物学。
现如今，熵变理论已经广泛运用到了管理、人文、经济、心理等各个领域，安全管理作为安全科学和管理科学交叉研究的领域，近年来也在尝试熵变理论的引入应用[6-7]。从研究系统形式的维度来看，克劳修斯的理论的前提是孤立体系，但是在现实观测中却存在与其原理完全相反的现象。对此，齐拉德(LeoSzilard)发表于《物理学期刊》的论文中创造性地给出了“负熵”这个新概念，而薛定谔更是提出了“有机体以负熵为生”。负熵是熵增中的逆向进程，为熵变值增加了负的量，也揭示了体系在发展中存在着外界的参与。
普利高津在此基础上，将研究扩展到了开放系统，并运用公式“dS=deS+diS”表示系统的总熵变，其中deS表示熵流，diS表示熵产，即系统内部各要素无规则作用而产生的熵增。对于安全管理来说，其应用对象都是处于复杂环境下的开放系统，体系安全水平也是由内部因素和外部因素所共同影响决定的，追求的最终目标也往往是实现管理体系不 断地向着有序的方向发展。
2熵变视域下的铁路本质安全
2.1铁路本质安全
本质安全既是一种管理技术，也是一种安全哲学思想。在17世纪前，人类面对自然界的威胁几乎无能为力，安全哲学观念属于听天由命的宿命论。随着蒸汽时代的到来，机器大工业得到发展，生产组织管理形式发生质的变化，人类安全生产的认识论进入到了事后处理的经验论。
20世纪开始至今，人类实现了由传统安全管理向现代安全管理的飞跃，为保障核能工业、宇航工程等重大项目的实施，人类安全理念也由接受综合防控理念，更进一步到提出本质论的安全哲学观，本质安全也是人类安全哲学最新的理论成果。铁路已经开展了本质安全的实践应用，本质安全所强调的源头治理、综合防控，从根本上消除或减小事故发生可能性的思路，对保障铁路运输安全起到了积极作用。
由于铁路运用本质安全尚处于尝试探索初期，而且本质安全理论仍在不断发展完善，因此铁路在安全的本质化管理中遇到了诸多问题。一是本质安全主要是针对人、物、环境、管理(4M)四项基本要素进行的分析与整治，相比而言观测的系统过于微观，并且对于各系统间的关联度考虑也稍显不足。二是过于侧重源头性防控，由此带来的是顾此失彼，对于整个事故产生机理的逻辑链条以及各环节节点上因素的控制性未能深入探究。
2.2熵变理论的引入针对铁路本质安全当前面对的宏观梳理和应用性分析不够的情况，运用熵理论对本质安全进行改进，以此描述铁路安全体系这一复杂系统的混乱、无序程度，通过(总熵)做出准确的度量判断。
2.3二维象限法分析二维象限法(Two-dimensionalquadrantmethod)可以通过事件或事物的两个重要层面作出直观的说明，得到有依据的分类分析[8]。对铁路安全体系中正负熵流和熵产的类型划分可以依托二维象限法实现，根据分析工具的运用方式及熵变公式中各要素的双重属性。
4类分别是：对铁路安全体系产生积极影响且可控的A类;产生消极影响且可控的B类;产生消极影响且不可控的C类;产生积极影响且不可控的D类。负熵流(denS)处在A类区域，正熵流(depS)处在B类区域，可对这两方面采取管控的策略;熵产(diS)处在C类区域，应当对其进行深入分析，以对今后可能出现的变化进行预测研究，D类区域暂不必采取行动。
3熵产分析：铁路系统自然积累的风险隐患
3.1铁路复杂巨系统带来熵产多元化
对于一个系统而言，其构成的元素、子系统数量极为庞大，可以称为“巨系统”;而其各组成元素、子系统的种类多样，层次关系多变，即为“复杂系统”，铁路系统就是典型的复杂巨系统。铁路运输系统覆盖全国范围、涵盖众多业务，涉及车、机、工、电、辆等存在较大差异化的工种。如今(截止2019年底)，中国铁路运营里程达到13.9万公里，高铁营业里程3.5万公里，位居世界第一，日均开行的8000多列旅客列车则由18个铁路局集团公司以及200多万名铁路职工为其提供安全保障。由此可见，这样的巨系统一旦运转起来，将有来自于各个场所、各个业务、各个专业的熵源源不断地产生，如此多元化的熵产汇聚成了系统巨大的熵增。
3.2安全保障机制基本处于平衡态
铁路企业在运输生产安全中保持了长期稳定的良好态势，近些年中国铁路交通事故10亿吨公里死亡率低于德国、法国、英国等发达国家[9]。铁路安全生产成绩的取得，源自于安全保障体系的日趋成熟，由此带来的是对于安全管理自信的提升，以及对于当前管理机制的信赖。根据耗散结构理论，要打破并远离既往较为熟悉舒适的平衡状态，是改变系统熵值不可避免地向着增加方向发展的重要途径。因此，如何在当前稳定的安全管理机制中，通过引入先进技术、创新安全管理模式打破系统走向“熵死”的趋势，是铁路企业面对的迫切挑战。
3.3趋近于独立封闭的行业系统
中国铁路从诞生起就是采用军事化和半军事化的管理方式，由于铁路系统在行车组织、运营管理、信号通信、线路施工、机车牵引等方面具有高度专业性，使得铁路系统长期处于相对独立的状态，在不进行较大规模与外界系统交互的情况下，即可满足内部对于运输生产各方面需求的响应。根据熵增原理，这样系统将会对于外界变化产生不敏感的反应，逐渐在系统内出现行为异常、管理滞后和结果波动，也直接地表现为出现各种形式无序的内部熵增参量。
4熵流管控：调节铁路运输生产中形成的安全或危险态势
本质安全管理从源头上根本上消除风险隐患的思想说明，合理管控危险能量是保障安全的初级要求，也是从正熵流上实现安全管理的基本目标形态(Ⅰ型本质安全)。同时，为满足耗散结构理论的开放性特征，需要系统加强与外界的交互，吸收外部优秀要素，推动内部负熵流的增强。由此，提出运用“硬”和“软”的两种方式，通过前沿信息技术的引入，实现数据在系统内部高效流转，以科技硬实力促进负熵流的自然形成，提升本质安全级别(Ⅱ型本质安全)[11]。更高级别的状态(Ⅲ型本质安全)是构建安全文化体系，让内部各组织子系统能够自发地涌现更多的有序参量。
4.1抑制正熵流：阻隔危险能量的积聚转移
美国的安全专家哈登(Haddon)在1966年提出的事故能量转移理论对事故发生的本质给出了定义，即事故是能量的不正常转移。因此，分析正熵流产生的对象，应聚焦在机械能(动能、势能)、电能、化学能、热能、声能、辐射能等能量作用类型上，对能量的合理有效控制是预防事故，实现安全本质化的基础。具体来说，对于能量的控制根据两类危险源理论分为两种，即防治危险能量的积聚和阻止危险能量的转移。
两类危险源是事故致因原理中的划分方式，第一类危险源主要是由能量构成，如：行驶中高铁列车的动能、易燃易爆危险运输品的化学能、处在高处铁路集装箱的势能等，它们一旦失控可能产 生巨大的安全威胁。第二类危险源是人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全条件及管理的缺陷等能够导致对能量限制约束失效的因素，危险能量可以抓住这些漏洞缺失，突破安全屏障的阻挡，最终酿成事故[12]。
要抑制系统内正熵流的产生，必须同时针对于两类危险源制定措施，因为对于安全生产事故来说，第一类危险源决定了后果的严重程度，第二类危险源决定了事故发生的可能性，而两类危险源共同作用决定了风险等级的高低，即可理解为正熵流的大小。一方面，针对第一类危险源，要通过对系统能量的消除减弱、限定阈值、及时疏导等方法防止危险能量的不可控聚集;另一方面，针对第二类危险源，可通过合理转移、距离控制、时间控制、局部强化等技术阻止危险能量不正常的转移。虽然危险源是不以人的意志转移的客观存在，但是对其发生可能性和造成后果严重程度的控制能够降低正熵流，达到本质安全的基本态(Ⅰ型)。
5铁路运输本质安全管理创新体系的实现路径
以铁路运输本质安全管理新体系为遵循，以体系中管控危险能量、推进信息和文化和谐交互的三层次本质安全形态为对应目标，提出提升铁路本质安全水平的现实路径。
5.1源头治理本质化
铁路源头治理的本质化需要实施本质设计和本质标准策略。对于铁路能量的管控必须从顶层设计开始，设计是“源头的源头”，本质设计要基于最小化、替代性、缓和性、简化性等基本原则，最大程度规避可能出现的危险能量聚集。同时，要对铁路设施的最大承载、关键部件设备的寿命、修程修制的模式给出科学的设计规范，防止危险能量的溢出。在管的基础上，还要控，有了上层设计更要有底层落地，不折不扣地实现目标要求需要职工作业、监督检查的标准化，定期组织开展铁路岗位作业标准化的动态分析评价，确保将能量控制在触发事故的阈值之下。
5.2风险管控本质化
铁路风险管控的本质化需要实施本质数字和本质防控策略。实现本质数字的治理，要借助大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与铁路行业深度融合，推进数据资源赋能铁路安全管理，提升对铁路运输中人、物、环境产生各项数据的采集感知，高速传输存储并深度分析，为安全决策提供重要的辅助支撑。以数据集成平台为基础，将铁路安全保障信息合理输出为管理防控手段。本质防控的方法与技术包括：采取双重预防机制、应用HAZOP分析、建立NOSA五星管理体系、实施PDCA循环等。
5.3组织协同本质化
铁路组织协同的本质化需要实施本质价值和本质责任策略。实现文化的深度和谐交互，必须要有统一且能够触发足够共鸣的安全价值观念，通过制度规范作业者的行动，以行动养成习惯，以习惯生成性格，以性格涵养本质价值。同时，要建立安全生产责任制体系，覆盖领导干部和全部员工，排查从设备设施“一点”，到业务流程“一线”，到人员岗位“一面”，再到作业系统“一体”的责任需求，构建责任链条，拧紧责任螺丝。
以本质价值、本质责任作为引领，形成以自适应、自组织为形式，潜移默化影响职工从要我安全，到我要安全，再到我要他人也安全的协同安全过程。结语安全生产是铁路永恒的话题，本质安全作为人类安全哲学的最新理论，也必将是铁路在今后较长一段时期坚持实践和深化完善的重要理念。在当前铁路发展迅猛、技术装备快速革新、外部环境严峻复杂、安全运输标准要求更高的背景下，应积极运用熵变理论协助剖析铁路这一复杂巨系统，坚持对本质安全管理的理论创新，不断在实践中丰富发展，梳理系统逐步从混沌走向规律，确保铁路运输安全的持续稳定。
参考文献：
[1]许正权，宋学锋，李敏莉.本质安全化管理思想及实证研究框架[J].中国安全科学学报，2006，16(12)：7985.
[2]罗云.企业本质安全[M].北京：化学工业出版社，2018.
[3]张帆，徐伟，石宁.化工过程本质安全化技术研究进展[J].安全、健康和环境，2015，15(1)：23.
[4]赵朝义.人-机-环境系统的本质安全化研究：矿井本质型安全建[D].上海：同济大学，2002.
[5]戴洁.耗散结构理论视角下企业薪酬管理系统的进化研究[D].长沙：中南大学，2008.
[6]田锐.心理系统的熵变探讨[J].系统科学学报，2019，27(2)：107108.
作者：杨子楠
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