基于管理熵的輸氣站安全管理分析

易明慧 鄒小軍

（1.中國石化天然氣分公司廣西天然氣管道有限責任公司，廣西 柳州 545001；2.廣西聯通南寧分公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

隨著我國天然氣事業的蓬勃發展，天然氣輸氣站安全日益成為天然氣企業關注的焦點。輸氣站施工類型多種多樣，對技術水平有較高的要求，并且人的不安全行為和物的不安全狀態頻頻出現，使得管理難度大大增加[1]。因此，建立輸氣站安全管理評價指標體系，并利用合理的數學模型對安全管理水平進行評價是筆者研究的關鍵問題。

1 基于管理熵安全管理水平評價的科學性分析

管理熵Brusselator模型指出：系統只有不斷從外界引入負熵來抑制系統內部正熵的增加，才能不斷使自身趨于有序運作，實現適應外部環境變化的目的，即在系統負熵和正熵之間存在一種特定關系，當負熵輸入較低無法抑制正熵增加時，系統趨于無序化；隨著負熵的不斷增大，系統不斷趨于有序；當負熵的輸入超過一定值時，系統會成為耗散結構狀態，實現從低層次向高層次有序地越遷，而這種“耗散結構”系統就能保持與環境的適應性，實現快速持續發展[2]。管理熵能夠對系統中的不確定性進行有效度量，同時安全管理系統是開放、動態、非線性且遠離原始態的，是以耗散結構形式存在的[3]。因此，利用管理熵和Brusselator模型相結合的方式對輸氣站安全管理進行評價具有科學合理性。

2 輸氣站安全管理評價指標體系的構建

以層次分析法中的遞階層次結構思想為基礎，通過對輸氣站安全管理構成要素進行分析，將輸氣站安全管理評價指標體系分為正熵流和負熵流評價指標體系，并對兩個熵流評價指標體系進行詳細的指標分解。

2.1 正熵流評價指標體系

正熵來源于系統內部，是系統無序化的根本原因。系統的內部矛盾致使系統無序化并不斷增強的過程即為系統正熵增加，內部因素歸于有序即為系統正熵減少?，F將輸氣站安全管理內部系統分為制度、人員、設備、勞保用品、操作、安全培訓與溝通7部分，從這7個方面建立輸氣站安全管理的正熵流評價指標體系，如圖1所示。

2.2 負熵流評價指標體系

負熵來自系統的外部環境，是系統歸于有序的根源。外部環境的輸入有利于系統運行即為負熵增加，外部環境的輸入不利于系統運行即為負熵減少。負熵的增加能夠減少正熵給系統運行帶來的消極影響，且負熵的產生并不是自發的，想要生成負熵，外部環境必須對系統輸入有利于系統運行的因素?，F將輸氣站安全管理系統外部環境分為企業環境和行業環境兩部分，從這兩個方面建立輸氣站安全管理的負熵流評價指標體系，如圖2所示。

圖1 輸氣站安全管理正熵流評價體系圖

圖2 輸氣站安全管理負熵流評價體系圖

3 安全管理評價指標體系管理熵流的計算

從物理學角度看，熵作為分子運動的無序度的度量，熵值越大，系統運動越無序。系統的熵值可以從分子排列方式的統計中得出，設系統有兩種物質，A物質有n1個分子，B物質有n2個分子，系統的熵值可由玻爾茲曼公式計算：E＝klnΩ，其中k為比例系數，Ω為系統中兩種物質分子的微觀排列[4]。熵權法、層次分析法及專家打分法等方法都能夠確定各個指標的權重，但是層次分析法和專家打分法的主觀性較強，根據計算出的各指標熵值，通過熵權法能夠更快更準確地得到各個指標的權重。

3.1 正熵流計算

根據輸氣站安全管理正熵流指標體系，各個指標的比重為：

式中，為第i個指標下第j個子項的比重；xAij為第i個指標下第j個子項的分值。

令為各指標的子項數，則正熵流指標體系中各評價指標的熵值eAi為：

其中，0≤eAi≤1，第i項指標的熵權為：

式中，λAi為第i個指標的熵權；m為指標數。

安全管理正熵為：

3.2 負熵流計算

根據輸氣站安全管理負熵流指標體系，各個指標的比重為：

式中，為第i個指標下第j個子項的比重；xBij為第i個指標下第j個子項的分值。

為使A與B的數值在同一數域，令n為各指標的子項數，則負熵系統中各評價指標的熵值eBi為：

其中，-2≤eBi≤0，第i項指標的熵權為：

式中，λBi為第i個指標的熵權；m為指標數。

安全管理負熵為：

4 輸氣站安全管理體系耗散結構判斷

4.1 Brusselator模型簡介

Brusselator模型的化學反應式如下所示：式中，A、B為初始反應物，在化學反應中不斷消耗的同時又不斷從外界得到補充；D、E為化學反應的生成物，生成之后就不再產生變化；X、Y為反應過程的中間物質，在化學反應中不斷生成的同時又不斷被化學反應所消耗；K1、K2、K3、K4為動力學常數。

假設動力學常數為1，則該化學反應的動力學方程可以轉化為：

令可求得該方程的唯一均勻定態解：

在穩態點附近對系統作線性穩定性分析，成為耗散結構動力學臨界值的條件為：

4.2 輸氣站安全管理體系耗散結構的判斷

根據Brusselator模型，對其化學反應過程與輸氣站安全管理系統熵變過程進行對應。設初始反應物A為系統正熵，B為系統負熵；反應生成物D為非耗散結構，E為耗散結構；反應過程的中間物質X、Y分別為正熵指標的可量化因子和負熵指標的可量化因子。如式（9）所示，在K1階段，輸氣站安全管理系統在內部正熵A的作用下演化為正熵指標可量化因子X；在K2階段，系統在外部負熵B的作用下，不斷消耗內部正熵A給系統帶來的不良影響，并演化為負熵指標可量化因子Y和非耗散結構D；在K3、K4階段，正負熵可量化因子相互作用，演變為穩定、有序的耗散結構E。正熵A和負熵B隨著可量化因子X、Y的非線性作用而發生變化，只有滿足式（12）時，系統才產生自組織行為。結合式（8）可以得出輸氣站安全管理系統成為耗散結構的判據，如下所示：

5 實例分析

5.1 調查數據

筆者以X輸氣站為對象進行分析，根據正負熵流指標體系，通過問卷調查方法對指標進行評價。在輸氣站負責人的幫助下，發放問卷100份，其中有效問卷92份，用A、B、C、D、E分別代表很高、較高、一般、較低、很低的指標程度。

5.2 X輸氣站管理熵的計算

由輸氣站安全管理正熵流評價指標體系可知：m＝21，n＝5。根據式（1）、式（2）、式（3）、式（4）以及調查的基礎數據進行正熵的計算，結果如表1所示。由輸氣站安全管理負熵流評價指標體系可知：m＝10，n＝5。根據式（5）、式（6）、式（7）、式（8）以及調查的基礎數據進行負熵的計算，結果如表2所示。

表1 X輸氣站安全管理正熵計算結果表

5.3 X輸氣站安全管理體系耗散結構分析

由表1、表2可知：X輸氣站安全管理正熵值A＝0.766377，負熵值B＝-1.450704。因此，1＋A2＝1.587334＞|B|。根據系統為耗散結構的判據式（13）可推斷出X輸氣站安全管理系統處于非耗散結構狀態。究其原因，是由于其安全管理系統正熵偏高和負熵偏低兩方面因素造成的，一方面致使正熵偏高的主要原因為：員工安全心理素質不夠高，熵值為0.902753；安全監督檢查頻率及全面性不足，熵值為0.940134；安全培訓覆蓋不夠全面，熵值為0.897618；安全溝通全面性不足，熵值為0.855313。另一方面致使負熵偏低的主要原因有：輸氣站對創新支持力度不夠，熵值為-1.69276；輸氣站安全投入水平不足，熵值為-1.61343；行業結構合理性不夠，熵值為-1.59945。

表2 X輸氣站安全管理負熵計算結果表

X輸氣站處于非耗散結構狀態，若不根據上述計算結果中正熵偏高和負熵偏低的指標對安全管理工作進行調整，其安全管理系統無序性將不斷增強并逐漸衰落。輸氣站要進行有針對性的整改，才能更好地適應環境，從而實現輸氣站安全管理系統由非耗散結構向耗散結構的戰略性轉變[5]。

6 結束語

筆者從管理熵和耗散結構的角度對輸氣站安全管理進行嘗試，有助于從新視角認識輸氣站安全管理。用計算輸氣站安全管理系統正熵和負熵的方式，定量地了解輸氣站安全管理存在的問題和不足，從而有針對性地對輸氣站安全管理出現的問題和不足采取相應措施，促使安全管理工作更有成效。

[1]鄒小軍，賀軍.提高采油廠承包商安全管理水平[J].現代職業安全，2016（7）：38.

[2]鄒小軍.采油廠安全管理評價研究[D].成都：西南石油大學，2015.

[3]張鐵男，程寶元，張亞娟.基于耗散結構的企業管理熵Brusselator模型研究[J].管理工程學報，2010（3）：103-108.

[4]張景林，蔡天富.對安全系統運行機制的探討—安全系統本征與結構[J].中國安全科學學報，2006（5）：16-21.

[5]伊·普利高津.從混沌到有序[M].上海：上海世紀出版集團，2005：174-197.