安全科学方法学课件-安全系统控制与安全仿真方法

安全系统控制与安全仿真方法——本质安全的前提

本章小结安全人机系统评价方法

安全仿真方法学

安全管理系统的控制方法

安全控制系统的度量方法学

内容一、安全控制系统的度量方法学1、安全计量安全计量问题国内外已开发的具体计量方案,大致可分两种：（1）以美国国防部标准为代表,严重度以定性方法分为4级,发生概率以半定量（或定性）分为5级。（2）以美国DOW化学公司和英国帝国化学公司ICI、Mond厂为代表,提出危险指数的概念。

安全计量是长期困扰安全工程界的老大难问题，国内外已发表的安全计量的方法以及有关数学模型，因为系统观和方法论不同，均有较大出入，众说纷纭，莫衷一是。安全控制论的出现,加之运用边缘学科的新成就,也给安全计量问题开辟一条新的途径。

H的影响因素1）采用的工艺、装置本质安全化水平；2）工人在危险区作业时间；3）设计、工程质量存在的缺陷；4）作业环境中的不安全条件，如作业空间、照度、噪声等。其中，本质安全化是危险指数的主体，由它所决定的因素称之为固有危险指数h。固有危险指数分危险隔离、故障安全、故障风险3种基本类型。经过与3种作业方式组合衍生成为9种类型。Hs的基本类型H的定义式式中：hs—固有危险指数；E—暴露时间；k1—设计、工程缺陷系数；k2—环境缺陷系数。

2、安全控制论的计量方案安全控制系统中涉及两个参数——危险度和控制能力。

（1）危险源的危险指数H。危险指数赋值表类型作业方式取值危险隔离故障安全故障风险失误安全失误风险失误风险失误风险失误安全失误风险失误风险失误风险单人作业多人平面协同作业立体作业单人作业多人平面协同作业立体作业123456789（2）系统危险指数H0。H0

的定义式为：式中，在企业应视车间为子系统计算H0。

（3）控制能力C内涵的确定。

控制能力应遵循如下的计量原则：企业的综合控制能力应体现企业、车间、班组各层组织合同作用,并具有不同权重系数,车间级是基层控制系统,应有较大系数。各层组织控制能力的组成元素，应狠抓与控制事故关联较大的重要因素。例如,是否成立安全委员会,查看会议记录等可以不作为因素,但掌握重要的安全信息,实际采取的反事故措施,工人的在线安全训练等,则必须注意。因此,应在广泛搜集的基础上进行严格筛选,力求少而精,可操作性强。控制能力C组成元素的赋值,必须在通过系统参数辨识已获得C的数值基础对,运用现代科学技术,努力克服主观倾向性。一二三控制能力C的内容,涉及企业各级干部的安全意识、管理水平、人员素质以及安全信息系统的运作质量等很多方面的因素,而且都是定性变量,缺乏一个公认的量化方法和标准。二、系统安全度1.安全度—系统安全评价的综合指标

对企业进行安全评价时，一般作法多是以千人负伤率的相对变化，衡量安全工作的质量。例如,千人负伤率比上年度降低了百分之五十，就认为安全工作的质量提高了一倍。其实这种判断根据不足。毫无疑问，千人负伤率比上年度降低，说明安全工作质量有所提高，但二者不是呈线性关系。还有一种作法是，根据一定的方法论，采用几个变量，定义一个函数名为“安全度”，以评价安全工作的质量。由于方法论以及计量技术不同，安全度的定义和数值差异很大。此外，有些业务部门提出的安全度定义，往往具有行业的局限性，无法通用。1所用变量必须经过筛选,取用主要因素,并经科学计量者2函数结构必须具有逻辑意义或服从一定科学原理3应打破行业的局限性,具有通用性。安全度函数遵循的原则2.安全控制论的安全度定义

从安全控制论角度看,安全度既取决于危险,也取决于控制能力,二者呈异号的互相抵消关系。从安全状态方程看,千人负伤率也是如此。因此,安全度绝不能等同于千人负伤率,而应当是千人负伤率的某种函数。从逻辑关系上看,安全度与负伤率之间，应有如下关系：1）在一定的安全状态下,安全度的提高与负伤率的降低成正比；2）安全度的提高与负伤率的绝对值成反比。安全度s与负伤率y二者应满足微分方程：上式中的解为：s——安全度；y——千人负伤率；G——常数。二、安全管理系统的控制方法从安全控制系统的主要特征出发来考察安全管理系统，可以得出这样的论：安全管理系统是一种典型的控制系统。安全管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示成效与标准之间的差距，并采取纠正措施，使系统稳定在预定的目标状态上的。因此，从理论说，适合于工程的、生物的控制论的理论与方法，也适合于分析和说明安全管理控制问题。从安全控制系统的主要特征出发来考察安全管理系统，可以得出这样的论：安全管理系统是一种典型的控制系统。安全管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示成效与标准之间的差距，并采取纠正措施，使系统稳定在预定的目标状态上的。因此，从理论说，适合于工程的、生物的控制论的理论与方法，也适合于分析和说明安全管理控制问题。从安全控制系统的主要特征出发来考察安全管理系统，可以得出这样的论：安全管理系统是一种典型的控制系统。安全管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示成效与标准之间的差距，并采取纠正措施，使系统稳定在预定的目标状态上的。因此，从理论说，适合于工程的、生物的控制论的理论与方法，也适合于分析和说明安全管理控制问题。从安全控制系统的主要特征出发来考察安全管理系统，可以得出这样的论：安全管理系统是一种典型的控制系统。安全管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示成效与标准之间的差距，并采取纠正措施，使系统稳定在预定的目标状态上的。因此，从理论说，适合于工程的、生物的控制论的理论与方法，也适合于分析和说明安全管理控制问题。

从安全控制系统的主要特征出发来考察安全管理系统，可以得出这样的论：安全管理系统是一种典型的控制系统。安全管理系统中的控制过程在本质上与工程的、生物的系统是一样的，都是通过信息反馈来揭示成效与标准之间的差距，并采取纠正措施，使系统稳定在预定的目标状态上的。因此，从理论说，适合于工程的、生物的控制论的理论与方法，也适合于分析和说明安全管理控制问题。

1.管理控制

管理工作中，作为管理职能之一的控制是指：为了确保组织的目标以及为此而拟定的计划能够得以实现，各级主管人员根据事先确定的标准或因发展的需要而重新拟定的标准，对下级的工作进行衡量、测量和评价，并在出现偏差时进行纠正，以防止偏差继续发展今后再度发生；或者，根据组织内外环境的变化和组织的发展需要，在计划的执行过程中，对原计划进行修订或制订新的计划，并调整整个管理工作程。概念与“控制”的异同管理与控制的相同之处1、二者的基本活动过程是相同的。2、管理控制系统实质上也是一个信息反馈系统，通过信息反馈，揭示管理活动中不足之处，促进系统进行不断的调节和改革，以逐渐趋于稳定、完善，直达到优化的状态。3、管理控制和控制论中的控制系统一样，也是一个有组织的系统。与“控制”的区别区别一控制论中的“控制”，实质是一个简单的信息反馈，它的纠正措施往往是即刻就可付诸实施的。区别二简单反馈中的“信息”，是一个一般意义上的词汇。区别三按照“控制论”的观点，生物或机械等等各种系统的活动均需要控制。控制工作的目的、作用及重要性

在现代的管理活动中，无论采用哪种方法来进行控制工作，要达到的一个基本目的——要“维持现状”。控制工作要达到的第二个目的是要“打破现状”。解决急性问题，多是为了维持现状。而打破现状，须解决慢性问题。在各级组织中，大量存在的是慢性问题，但人们往往只是解决急性问题而忽视解决慢性问题。这是因为慢性问题是在长期的活动逐渐形成的，产生的原因复杂多样。人们对于其存在已经“习以为常”，以至适应了它的存在，不可能发现或者即使是已经发现了也不愿意承认和解决由于慢性问题所带来的对组织素质的影响。而急性问题是经常产生的，对人的工作和利益会产生显而易见的影响，故容易被人们发现、承认和解决。

因此，要使控制工作真正起作用，就要像医生诊治疾病那样，重点解决慢问题，打破现状，求得螺旋形上升。

2.安全管理控制原理控制手段和工具控制要素管理活动的构成四要素控制者控制成果

在安全管理领域，安全控制论要研究组织合理的安全生产的管理人员和领导者；明确事故防范的控制对象；建立合理的管理机制，设置有效的安全专业机构；进行安全评价、审核、检查和成果总结机制等。运用控制原理对安全生产进行科学管理，其过程包括如下三个基本步骤。1建立安全生产的判断准则和标准2衡量安全生产实际管理活动与预定目标的偏差3采取相应安全管理、安全教育以及安全工程技术等纠正不良偏差或隐患的措施安全控制是最终实现企业安全生产的根本。如何实现安全控制？怎样才能实现高效的安全控制？2.安全管理策略的一般控制原理3.事故的能量控制原理4.事故预防与控制的工程技术原理1.安全管理的一般性控制原则安全控制理论1、安全管理的一般性控制原则

从控制论理论中，我们可以得到如下安全管理的一般控制原则：1）闭环控制原则：要求安全管理要讲求目的性和效果性，要有评价；2）分层控制原则：安全的管理和技术的实现的设计要讲阶梯性和协调性；3）分级控制原则：管理和控制要有主次，要讲求单项解决的原则；4）动态控制性原则：无论技术上或管理上要有自组织、自适应的功能；5）等同原则：无论是从人的角度还是物的角度必须是控制因素的功能大于和高于被控制因素的功能；6）反馈原则：对于计划或系统的输入要有自检、评价、修正的功能。系统整体性原理计划性原理效果性原理单项解决的原理等同原理全面管理的原理责任制原理精神与物质奖励相结合的原理批评教育和乘法原理优化干部素质原理

2、安全管理策略的一般控制原理其理论的立论依据是对事故的本质定义，即事故的本质是能量的不正常转移。这样，研究事故的控制的理论则从事故的能量作用类型出发，研究机械能（动能、势能）、电能、化学能、热能、声能、辐射能的转移规律；研究能量转移作用的规律，即从能级的控制技术，研究能转移的时间和空间规律；预防事故的本质是能量控制，可通过对系统能量的消除、限值、疏导、屏蔽、隔离、转移、距离控制、时间控制、局部弱化、局部强化、系统闭锁等技术措施来控制能量的不正常转移。3.预防事故的能量控制原理1、消除潜在危险的原理2、降低潜在危险因素数值的原理3、冗余性原理4、闭锁原理5、能量屏障原理6、距离防护原理4.事故预防与控制的工程技术原理

7、时间防护原理8、薄弱环节原理9、坚固性原理10、个体防护原理11、代替作业人员的原理12、警告和禁止信息原理安全性从协调理论出发，安全管理要遵循的三个基本协调学原理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

3.安全协调原理三、安全仿真方法学系统仿真学科的模型研究方法，是人类研究自然界最古老最主要的科学工程方法之一，它为人类提供认识世界和改造世界的方法与手段。当人与自然界打交道的过程中，人类对事物的认识，往往通过对事物相关信息的抽取、综合，并映射到相应的信息空间建立相似的描述，即建立模型来替代事物的原型。。当今的信息时代，计算机技术及现代信息技术发展迅速，且计算机技术与信息技术日益被广泛应用于各个领域。其中，计算机仿真技术的在安全领域的应用日益发挥越来越重要的作用。众多安全问题涉及的是系统工程问题，随着人们对开放复杂巨系统的研究日益深入，推动着安全领域系统仿真方法学新的发展。系统仿真是以人为中心，通过对客观世界的认识，抽取事物相关属性的信息，并映射于适当的信息空间，建立相似于事物原型属性的描述，即模型来替代事物原型进行实验研究的技术。它要解决人类在信息空间中描述事物，与人类对信息空间描述事物的模型进行实验这二个范畴的研究方法学，即建模与仿真方法学。1.安全建模方法

安全建模解决的课题是：针对研究系统安全或风险控制需要，抽取相关的某些特征信息，并使之映射于特定信息空间的某种抽象集合（形式化）的描述。这种适应人类研究事物安全的需要，以及事物安全原型所映射的某种形式化描述，通常称为安全模型。安全领域中，人类的认识存在严重的灰度与软度．不能提供数学建模必要的信息环境。数学建模方法学采用单一的数学映射模式去描述自然界广泛领域具有丰富内涵的特征属性，使方法学与现实信息空间严重不匹配，越来越反映出它的局限性，远远不能适应问题域的描述要求。

当今，系统仿真领域建模方法学发展的主要方向是：解决多种模式映射的建模环境的建立，及解决模型与复杂信息环境的接口问题。使之能接纳现实世界提供的信息，对复杂事物进行高逼真度的仿真研究。目前进行的广泛探索可归结为一个主题：采用对人类更为自然的多种信息描述模式，实现系统特征信息的某种映射或综台映射，利用现代信息处理技术及融合技术，在多维信息空间人类乐于接受的自然方式化描述事物的属性模型。实现多种模式映射的建模环境。近代计算机技术提供了强有力的技术支撑，在方法、工具、手段等方面，并将现代信息技术引入建模方法学，如高性能海量并行处理技术、分布处理技术、可视化技术、多媒体技术、虚拟现实技术、面向对象方法、智能技术等等。因此，近代系统建模方法的研究，是在计算机辅助建模平台上实现多种模式建模信息的综合映射。2.安全仿真方法使研究者利用事物的某种形式描述模型，创建相应的实验环境，及在此环境中间接研究事物的操作方式。使研究者在“人-机”模型交互过程中，去感受、了解、或者控制事物变化的机理与规律。仿真方法学的研究课题以往，计算机数字仿真方法学侧重关注信息的单一映射模式建立的模型(数学模型)，而且作为研究主体的人在实验环境中，仅仅从模型外部一边界的约束去观察、感受映射的行为信息进行分析研究。当今，安全仿真方法学直接去感受不同媒体映射的模型运行信息；并利用人本身的智能进行信息融合，产生综合映射。从而深刻地把握事物的内在实质；同时，这个虚拟现实的实验模型对模型施加各种必要的操作，控制实验研究的运行。2、安全系统仿真方法学发展趋向

基于模型建立及模型实验的系统仿真方法学，其发展一直受所研究系统复杂程度的增长，以及仿真支持技术发展的影响。传统的仿真技术起源于工程领域，研究对象往往具有自洽性质，建模过程通常在结构级进行，信息源主要来自人类的先验知识，数据仅用于结果的验证，演绎法成为主要的建模方法。这样，建模的过程往往不被重视或被忽略，随着人类视野的扩大，关心的问题正在变化，仿真技术广泛应用于复杂的大系统研究，这类系统具有明显的黑箱性质，使广义的仿真技术更多地关注建模过程。将建模与仿真相结合发展系统仿真方法学。当今，人类置身于开放的复杂现实世界中，面临的众多安全问题的发生也是基于复杂系统，因此安全系统仿真技术面临的问题域从过去的单一的工程与非工程、生命力与非生命的一些系统范围，扩展为具有丰富内涵的综合大系统。

安全系统仿真任务也相应扩展为综合性和过程的仿真设计和仿真工程。

信息化与社会信息化的结果，使人们对于系统的认识和研究有了很大的发展，系统的规模与复杂性都有了很大的增长。复杂、开放、分布巨系统的研究正受到人们的重视。安全系统仿真法的发展趋向四、安全人机系统评价方法1、安全人机工程评价的需求

随着科技的进步和经济的发展以及人们对安全、健康、舒适等方面的高层次追求，人们衡量生产、生活的条件和环境越来越朝着安全、健康、高效、舒适、审美等多方面要求了。因此，安全评价在未来必将不断考虑人机工程评价并最终发展成为人机工程评价。2、人机工程评价的方法

随着计算机软硬件技术的日新月异，计算机图形学、计算机辅助设计、虚拟现实、人工智能等技术的进一步发展，人机工程学的理论与方法已发生了质的飞跃。计算机技术的引入不仅为人机工程学的研究提供了新的方法，更重要的是为其在实际生产生活中的应用提供了强有力的支持，同时也为人机工程评价技术的发展打下了坚实的基础。人机系统分析检查表法操作顺序图分析法错误分析法工作环境指数评价法

人为差错和可靠性逻辑推演法我国在人机评价方面常用的人机系统的安全性评价方法

功能

人机软件能否建立人的模型产品模型的建立方式能否建立人-机-环境系统的仿真所使用的人机分析、评价方法适用范围JACK能自身可以完成对工作场所的建模，也可以通过软件接口导入其他CAD软件对产品的模型能视域分析、可及度分析、静态施力分析、低背受力分析、作业姿势分析、能量代谢分析、疲劳恢复分析、舒适度分析、NIOSH提升分析、RULA姿态分析、OWAS分析等汽车、公交车、卡车、飞机、办公系统、座椅、家用电器等SAMMIE能自身可以完成对工作场所及某些产品的建模能视域分析、可及度分析、姿势分析汽车、公交车、卡车、飞机、办公系统、控制室等ERGO能自身可以完成对工作场所的建模能人体测量学分析、可及度分析、RULA姿态分析、新陈代谢分析、NIOSH提升分析、运动时间分析擅长老工作业任务的分析以及工作场所的设计ERGONOM不能可建立二维工作场所的布局模型不能工作姿势分析擅长作业空间设计ErgoTech不能不能建立不能针对人、器械、工作场所、环境、任务等进行人机咨询分析是一个以Checklist方法为主的人机咨询系统人机系统分析检查表法——人机工程软件功能对比系统（装置）标准、规范、流程事故情报等资料设想危险、推论的事故发生频率、处理方法子系统（分装置）部件、组件构成要素，功能附加现象检查表人、机、环境管理检查表编制流程图人为差错和可靠性逻辑推演法

近年来，国内外安全评价的发展也日趋成熟。为了达到安全评价的目的，不仅有越来越多的先进的安全评价技术；为了赶上社会发展的步