第一章-安全科学基础

第一章安全科学基础第一讲安全问题与安全科学发展历程［教学目的］通过本讲的学习，使同学们了解安全问题、国内外安全科学的发展历程，掌握安全科学发展的三个阶段，安全科学的哲学基础。［教学重点］安全科学发展的三个阶段安全科学的哲学基础［教学难点］安全科学的哲学基础第一节安全问题与安全科学发展历程一、安全问题在远古的石器时代，人类的安全问题主要来自自然灾害，人们一切活动受周围环境控制，处于被动适应地位。跨入农业社会后，人类的安全问题来自自然灾害和人为灾害。在工业时代，人类的安全问题包括以下几个方面：（一） 大气污染问题大气污染主要包括有毒气体污染和粉尘污染。（二） 核灾害此类灾害主要是由于核反应堆失控而造成的人员伤亡和动植物灭绝，还有核能所带来的环境灾害不能低估。（三） 化学污染问题它污染了空气和水源、侵蚀了土壤、扰乱了大气循环、化学循环和生物循环，使地球患上了“综合不适症”。（四） 航天航空工业灾害随着通讯和交通工具的现代化，地球变得越来越小，人们可以在24小时内环球旅行一次，但空难、海难和车祸也使人们心有余悸。（五） 交通运输事故目前，8名分别来自澳大利亚、美国和英国的科学家就一项《2000年公路安全蓝图》的计划进行研究，估计在未来15年中，全世界将有600万人死于公路交通事故，35000万人因车祸受伤。这远远超过有史以来任何一年战争伤亡人数，或瘟疫死亡人数。这就使安全问题随着人类科学技术和文明程度的提高由战争、传染病转到交通、污染方面了。（六）工业、矿山灾害现代工业是一把“双刃剑”，不仅创造了巨大的财富，而且为人类带来了前所未有的各种灾害。它在很大程度上改变了灾害的原有属性，使许多自然灾害成为人为灾害，使许多危害程度轻的灾害上升为人类无法控制、造成巨大损失的灾难。煤矿开采不但给环境带来了巨大灾害，也给采矿工作者造成了沉重伤害。技术在人类的生产和生活中越来越变的普及化、复杂化和大规模化，使得技术带来的益处与恶果之间的矛盾越来越激烈和尖锐，迫切需要发展一门新的交叉科学一一安全科学。二、安全科学的发展历程（一） 我国安全科学的发展历程。我国安全科学的发展大体可分为两个阶段：第一阶段从建国初期到70年代末。劳动保护的行政管理和业务监督都得到了较好的发展，设立了专门机构并配备了相当数量的专职人员。第二阶段从70年代末到现在。劳动保护的行政管理和宣传教育工作得到加强。30余所设置安全工程本科专业的学校和20余所设置安全工程专科教育的学校。已形成包括学历教育、继续工程教育、职工安全教育和官员安全教育的完整教学体系。（二） 国外安全科学的发展历程。起初，资本所有者把损害工人的生命和健康，压低工人的生存条件本身看作不变资本使用上的节约；后来不得不拿出一定资金改善工人的劳动条件；再来发展到系列的安全科学有关的组织和科研机构。到70年代末，安全教育已经在美国发展起来。日本在研究安全方面虽起步较晚，但发展却较快。综上所述，安全科学的发展分为三个阶段：经验型阶段（事后反馈决策型）：长期以来，人们认为安全仅仅以技术形式依附于生产，从属于生产，仅仅在事故发生后进行调查研究、统计分析和采取整改措施，以经验作为科学，安全处于被动局面，人们对安全的理解与追求是自发的模糊的。事后预测型（预期控制型）：人们对安全有了新的认识，运用事件链分析、系统过程化、动态分析与控制等方法，达到防治事故的目的。总之传统的安全技术建立在事故统计基础上，这基本属于一种纯反应式的。安全科学缺乏理性，人们仅仅在各种产业的局部领域发展和应用不同的安全技术，以至对安全规律的认识停留在相互隔离、重复、分散和彼此缺乏内在联系的状态。综合系统论（综合对策型）：认为事故是人、技术与环境的综合功能残缺所致，安全问题的研究应放在开放系统中，安全具有科学性、系统性、动态性的特点。从事故的本质中去精品文档防治事故，揭示各种安全机理并将其系统化、理论化，变成指导解决各种具体安全问题的科学依据，在这一阶段中安全科学不仅涉及人体科学和思维科学，而且涉及行为科学、自然科学、社会科学等所有大的科学门类。第二节安全科学的哲学基础一、 安全与危险的统一性与矛盾性（重点）（一） 安全的相对性绝对安全状态不存在安全标准是相对的对安全的认识是不断深化的（二） 危险的绝对性危险存在于一切系统的任何时间和空间中。（三） 安全与危险的矛盾性对立性：安全度越高危险势就越小；安全度越小危险势就越大。统一性：互相依存，共处统一体中；存在着向对方转化的趋势。二、 安全科学的联系观和系统观客观世界普遍联系的观点是唯物辩证法总的特征之一。安全科学欲反映对安全与危险造成影响的因素的内在规律性，必须全面地分析各要素，利用各个学科已取得的成果，对开放的大系统进行分析和综合，找出安全的客观规律和实现途径。在安全领域中，各种安全和危险要素很多，叠加在一起整体影响力会大大增加，所以为了实现系统总体功能向有利的方向发展，我们必须对各要素统筹兼顾，增加安全因子的整体功能，削弱危险因子的整体功能。决不能头痛医头、彼此隔离，那样会大大降低系统的安全功能。三、 安全中的质变与量变哲学中的量变与质变，在安全科学中表现为流变与突变。统一性表现在三个方面：流变与突变的相对性。离开了流变，就无所谓突变；离开了突变，流变也无从谈起。流变与突变的层次性在不同物质层次上，流变和突变有具体表现形式。低层次的突变，高层次可能属于流变。流变与突变的相互转化四、 安全问题的简单性和复杂性，精确性和模糊性（一） 简单性和复杂性复杂性：安全系统中包含无穷多层次的矛盾，形成极为复杂的结构和机制，与外部世界又有多种多样的联系，存在多种相互作用。简单性：（1）复杂系统可分解成简单要素、单元；（2）复杂系统内外部的联系遵循简单的规律。（二） 精确性和模糊性（难点）安全科学的认识，总是从模糊走向精确，模糊和精确是辨证统一的。模糊性可以说明精确性，适当的模糊反而精确。但是，模糊定性描述的边界太广，将会降低安全程度。在具体情况下，有必要处理好精确性和模糊性的关系。五、 安全事件的必然性和偶然性必然性就是客观事物的联系和发展中不可避免，一定如此的趋势。偶然性是在事物发展过程中由于非本质的原因而产生的事件，它在事物的发展过程中可能出现，也可能不出现，可以这样出现，也可以那样出现。比如，具有自燃倾向的煤在富氧和蓄热的条件下必然自燃，但条件的具备带有很大的偶然性，且这种偶然性完全服从于火灾系统内部隐藏的必然性。二者相互联系，相互依赖，在一定条件下相互转化。安全科学在分析认识问题上要做到：一切从实际出发在普遍联系中把握事物的本质在动态中把握安全规律矛盾分析法［小结］本次课主要讲述了安全问题，安全科学的发展历程及其哲学基础。重点是安全科学的哲学基础。［课堂讨论题］教材第一页有一句话，“现代高科技的发展更是喜忧掺半”试讨论之。［思考题］安全科学的精确性和模糊性。［作业题］安全科学的发展从理论上分为哪几个阶段？

试论述安全科学的哲学基础？第二讲安全科学的定义、性质、对象及分类［教学目的］通过本讲的学习，使同学们理解安全科学的定义、安全科学的研究对象，掌握安全科学的学科体系、可靠性的基本概念。［教学重点］1.安全科学的研究对象2.安全科学的学科体系1.安全科学的研究对象2.安全科学的学科体系3.可靠性的基本概念［教学难点］可靠性的基本概念第三节安全科学的定义、性质、对象及分类一、 安全科学的定义正如管理学虽然有100多年的理论和实践史，但其概念、定义仍不统一一样，安全科学从它诞生的那天起，安全工作者对安全科学的定义各有论述，也不统一。目前，本质特征内容如下：体现本质安全从本质上达到事物或系统的安全最适化。体现理论性、科学性安全科学不是简单的经验总结或推测，要具有科学的理性，不但要研究实现安全目标的技术方法和手段，而且要研究安全的理论和策略。体现交叉性把相关学科的理论和方法综合起来，形成系统的理论。体现研究对象的全面性安全科学的研究对象包括人类生存和发展过程中面临的一切负效应。体现人、经济、环境和技术功能最优化<VMET/'MT\ZTE二、 安全科学的研究对象(1)(2)(<VMET/'MT\ZTE二、 安全科学的研究对象(1)(2)(3)(4)安全科学的哲学基础安全科学的基本理论安全工程与技术安全科学的经济规律图1-1安全系境元素枸成

茂美系图三、 安全科学的学科体系(重点)安全系统是人(men) 技术(Technology) 环境(Environment)构成的复合系统MET(图1-1)。7个基本子系统提出的安全命题M（人子系统）：安全心理、安全生理、安全教育E（环境子系统）：物化环境（劳动卫生环境、防尘、防毒等），理化环境（社会环境、社会伦理）T（技术子系统）：可靠性理论、防火、防爆、机电安全等MT（人机子系统）：人机关系、人机设计ME（人环境子系统）：人环境关系，职业病理，环境标准ET（机环境子系统）：环境监测，自动监控MET（人机环子系统）：安全系统工程，安全管理工程，安全法学，安全经济学。安全科学技术的体系结构：（1） 哲学层次是安全哲学（2） 科学层次是安全科学（3） 基础科学层次是安全学（4） 安全技术科学层次安全学结合不同工程学分支形成的具体技术原理与方法。（5） 工程技术层次是安全工程五个层次的知识内容：综向相互交叉，互为基础；横向相互联系，协同作用。第四节可靠性及基本事件发生概率计算可靠性的基本概念可靠性研究对象在规定条件下、规定时间内，完成规定功能的能力。可靠度与不可度可靠度：研究对象在规定条件下，规定的时间内、完成规定功能的概率。记为R。不可靠度：研究对象在规定的条件下和规定时间内丧失规定功能的概率。记为F。可靠度和不可靠度是一完备事件组。有R+F=1或R=1-F假设：N0个研究对象在规定条件下工作到某规定时间有Nfm个研究对象失效。每个单位时间小内失效的研究对象数为△、,则有N=YANii=1在tm时间内发生失效的概率为Fm：F=Nfm=*AN/N

mN fi00 i=1当At-0时，WN⑺,"F(t)失效时r图1-9失敕时跳的猴数直方—L-T~临-死敢对令f(t)=N(t)F(t)= —失效时r图1-9失敕时跳的猴数直方—L-T~临-死敢对令f(t)=N(t)F(t)= —=VdN(t)N0fdN(t)出

dt1dN(t)N'dt0 ，则F(t)=』/(t)dtf(t)是以t为随机变量的概率密度函数，即失效密度函数。F(t)是概率分布函数，即累积失效分布函数，或不可靠度函数。F(t)=Mf(t)dt=10设在t时间内残存的未失效研究对象数为Ns(t)，则图1-11 和的关系图R(t)=袂N0N(t)+N(t)=N'N(t)°R(t)=1——NoR(t)+F(t)=1R(t)=1-F(t)=1-\tf(t)dt="f(t)dt0 t对上式两端求导可得f(t)=-紫d(t)R(t)、F(t)和f(t)三者的关系如图1-11所示。［小结］本次课主要讲述了安全科学的定义、研究对象、学科体系以及安全科学的数理基础之一——可靠与可靠度的概念等内容。［思考题］教材中图1-2,关于安全科学学科体系层次是否完整，各个层次之间的关系是什么？系统的可靠性与系统的可靠度有无区别？［作业题］安全科学的研究对象是什么？安全系统基本元素结构关系是什么？第三讲基本事件发生概率计算［教学目的］通过本讲的学习，使同学们掌握故障率与维修度、系统的寿命过程。理解可维修系统的有效度、设备故障率、人的失误率。［教学重点］故障率与维修度系统的寿命过程设备故障率［教学难点］故障率与维修度故障率与维修度(1)故障率研究对象在某时刻t的单位时间内发生故障的概率用下式定义：入(t)=dNf(t)N(t)dtR(t)=1-Nf(t)N0、，、 NdR(t).3(t)=-一。N(t)dt又•R(t)=Ns(t)N03(t)「上.些R(t)dtt=lnR(t)0=t=lnR(t)0=InR(t)-J顷(t)d(t)盘1.dR(t)o 0R(t) dt・•・R(t)=e-J0W)dt当人(t)=人(常数)时,R(t)=e-如此时，研究对象的可靠度是按指数分布的。1dR(t) R(t)dtf(t)而(2)维修度可维修系统在规定条件下和规定时间内，完成维修的概率。在时间t内完成维修的概率M(t)，是停工时间tD的分布函数M(t)=P(T<t)limM(t)=0tT0limM(t)=1ts维修度的密度函数用下式表示:dM(t)m(t)=—-—dt在t-1+At时间内修复的概率为Mt)d(t)，则维修率:m(t)1-M(t)1 dM(t)_dln[1-M(t)]m(t)1-M(t) =— 1-M(t) dt d(t)积分变换得:M(t)=1—e』四(t)dt当四(t)=日(常数)时,M(t)=1—e—w系统的寿命过程平均无故障时间：正常状态的非修复系统过渡到故障状态的工作时间期望值。MTTF(MeanTimeToFailure)平均故障间隔时间：正常状态的可修复系统过渡到故障状态的工作时间期望值。MTBF(MeanTimeBetweenFailure)设产品寿命x的分布函数和分布密度分别为F(t)=P(xWt),f(t)=dF(t)/dt (tN0)在时刻t的可靠度R(t)=P(x>t)=1-F(t)R，(t)=-f(t)，dF(t)=dR(t)称随机变量x的数学期望为产品的平均寿命，记为。，则有0=E(x)=卜tf(t)dt=卜tdF(t)=—ktdR(t)=—tR(t)"+「r(t)dt0 0 0 0 0我们规定limtR(t)=0,tT3又有limR(t)=0tT3所以有0=』8R(t)dt0例1：设有一产品的寿命x服从指数分布，求平均寿命。解：X服从指数分布，故有R(t)=e-x"0其平均寿命0=卜e-xtdt=!MTTR="t-■^)dt="即(t)0dt 0若四(t)=日时，则有：MTTR=—P可维修系统的有效度系统在规定条件下，在任意时刻正常的概率，记为A(t)。4MTBF日A= =—：—MTBF+MTTR^+X二、基本事件发生概率计算基本事件的发生概率主要由设备的故障率和人的失误概率决定。设备故障率：单位时间内故障发生的概率。对于可修复系统MTTR 入q= = —MTTR+MTBF日+人MTBF>>MTTR，人<<日・•・q^-=XtP式中t=—,为平均修复时间。设备的故障率*=k%0,*0为实验条件下得到的故障率，k为严重系数，取值为1~10o例2：某风门200d需修理一次，每次修理时间8h，则有：MTBF=200(d)=200X24=4800(h)MTTR=8(h)风门故障率为q=8/4808=0.0017对于不可修复系统，设备的单元故障概率为q=1-e-几2入t式中 t——设备运行时间例3：上例中，若假设风门是一次性报废，风门在正常运转400h后，其故障概率即为:qe入T=1/4800X400=0.08人的失误率通常，人的失误率在0.01〜0.001之间，可乘一修正系数k(k=1〜10)。［小结］本次课主要讲述了故障率、维修度、平均寿命、有效度等概率。以及基本事件发生概率计算等内容。［思考题］试比较下列各对概念有无区别？并说明其意义1） 系统的不可靠度与系统的失效率2） 系统的平均失效率与失效率3） 平均寿命与平均故障间隔4） 在同时刻的失效率与可靠度下面说法是否正确？并说明理由1） 若零件A比零件B的平均寿命大，那么，零件A的可靠度就比零件B的可靠度高；2） 若在同一时刻t0,零件A的失效率比零件B的失效率大，那么，在t0时刻零件A的可靠度就比零件B的可靠度小。［作业题］设有某零件的失效时间服从正态分布，且有u=20000循环次和5=2000循环次，求零件在19000循环次的可靠度和失效率。第四讲安全科学的流变一突变规律［教学目的］通过本讲的学习，使同学们理解流变一突变理论的物质观、时空观、运动观，安全流变一突变的定义体系。掌握安全流变一突变的基本特征、安全流变一突变论、安全与危险的定义［教学重点］安全流变一突变的基本特征安全流变一突变论安全与危险的定义［教学难点］安全与危险的定义第五节安全科学的流变一突变规律一、 流变一突变理论的背景知识“流变”一词来源于古希腊，意即万物皆流，万物皆变。突变最初是1968年Thom在《结构稳定性和形态发生学》著作中提出的。（一）流变一突变理论的物质观质中不仅包含定性的质，而且包含定量的质

物质世界在不断流变中突变。（二） 流变一突变理论的时空观一切流变一突变现象离不开空间内物质的相互作用。（三） 流变一突变理论的运动观事物的属性是在流变一突变中显示出来流变一突变是一事物向另一事物转变的流程。二、 安全流变一突变的基本特征“安全流变与突变”就是事物在发展过程中安全与危险的矛盾运动过程。（一） 矿山灾害1.自燃火灾OA段：煤与氧气开始接触氧化AB段：氧化速度减慢，氧化程度加深BD段：氧化速度加快D点：发生自燃火灾C点：人为设置的报警点冒顶OA段：刚掘出新巷道变形速度递减段所丈•上滴•蜜突变圈 AB段：稳定段BD段：围岩压力等条件变化，变形速度加快，发生冒顶煤与瓦斯突出OA段：损伤减速增加阶段AB段：损伤稳定发展阶段BC段：损伤加速段CD段：灾害发展阶段（二） 机械事故OA段：初期零部件跑合磨损段AB段：恒速磨损老化段BC段：与元器件寿命相关的加速磨损老化段（三） 社会变革纵轴表示矛盾的激化程度OA段：新秩序建立过程中矛盾逐渐缓和阶段AB段：新秩序建立后矛盾的稳定发展阶段BC段：旧的管理体制阻碍生产力发展后的矛盾加剧阶段（四） 人的衰亡过程1.人的生命过程纵轴代表人体的衰老度OA段：少年时期人体发育速度逐渐减缓AB段：中青年其人体稳定衰老阶段BC段：老年期加速衰老阶段人的伤亡过程纵轴表示人体伤亡事故发生的概率OA段：初进入工作环境AB段：对工作环境和对象熟悉后BC段：工作时间增长人的精力开始分散（五）安全