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基于熵理論的礦山安全系統(tǒng)演化機理分析

文檔作者：馬金山文檔來源：河南理工大學能源科學與工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年04月27日
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201 1年第l5期 s i 。 d T 。m t R 陽h
基于熵理論的礦山安全系統(tǒng)演化機理分析
馬金山
(河南理工大學能源科學與工程學院，河南焦作454000)
摘要：分析礦山安全系統(tǒng)的特征，構建可用于反映礦山安全系統(tǒng)所處狀態(tài)及演化過程的熵理論，然后運用該理
論探討了礦山安全系統(tǒng)演化的機理，進而提出維持礦山安全系統(tǒng)處于安全狀態(tài)的安全精細化管理模式。
關鍵詞：熵理論；礦山安全系統(tǒng)；演化機理；精細化管理模式
中圖分類號：TD7 文獻標識碼：A 文章編號：1000—7695 (2011)15—0208—04
Analysis of the Evolution M echanism of M ine Safety System Based on Entropy Theory
MA Jinshan
(School of Energy Science＆Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 45400，China)
Abstract：First the character of mine safety system is analyzed，and then the entropy theory is used to measure the state
and evolution of the mine safety system．The evolution mechanism of the mine safety system is analyzed based on the entro·
PY theory．In the end，this paper puts forward the refined management model which can maintain the mine safety system in
a safe state．
Key words：entropy theory；mine safety system；evolution mechanism；mode of refined management
我國的礦山企業(yè)事故頻發(fā)的原因是多方面的，
但有一點可以肯定的是礦山安全系統(tǒng)的構成要素復
雜，要素及要素之間的相互作用對礦山安全系統(tǒng)的
影響是比較大的。礦山安全系統(tǒng)中任何一個要素的
不良變動，對礦山安全系統(tǒng)的所處狀態(tài)均會造成負
面的影響，甚至發(fā)生安全事故。因此，深入探討礦
山安全系統(tǒng)的演化機理，并根據(jù)礦山安全系統(tǒng)所處
的不同狀態(tài)采取相應的對策是十分有意義的。筆者
從分析礦山安全系統(tǒng)的特征人手，闡述了熵理論在
礦山安全系統(tǒng)中的適用性，并構建了相應的安全熵
理論，在此基礎上分析了礦山安全系統(tǒng)的演化機理，
然后提出了適合礦山安全狀態(tài)實現(xiàn)的精細化管理
模式，
1 熵與礦山安全系統(tǒng)
1．1 熵及其應用
熵最初由克勞修斯提出，是描述系統(tǒng)狀態(tài)的物
理量，熵值的大小反映了系統(tǒng)的有序程度。自從熵
的概念被提出以后，100多年來，熵的應用從最初
的熱力學、統(tǒng)計物理學的范疇，延伸到天體物理、
生物學、地學、信息論、并進而擴展到整個自然科
學，又深入到社會科學的許多領域。
目前，在安全領域內熵的應用已經初見端倪。
張景林和蔡天富分別在文獻[1]和文獻[2]中提到了
安全系統(tǒng)的特征及熵理論可以在安全系統(tǒng)加以應用
的理論。有理由相信，隨著專家、學者們的努力，
熵理論在安全領域中的應用會更加廣泛和深入。
1．2 礦山安全熵理論的構建
1．2．1 礦山安全系統(tǒng)的特征。安全系統(tǒng)是以耗散結
構形式存在的這一論斷，張景林在文獻[1]中已
經進行了分析，他分別論證了安全系統(tǒng)是開放的、
動態(tài)系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和遠離原始態(tài)的系統(tǒng)，并分
析論證了其形成機理。而礦山的安全系統(tǒng)屬于安全
系統(tǒng)的一種，其與外界進行著物質、能量和信息的
交換，因此礦山安全系統(tǒng)也是一個開放的耗散結構
系統(tǒng)。
1．2．2 安全熵理論的構建。文獻[2]重點提出了
安全度和安全熵的基本觀點，并從人一機一環(huán)境的
角度探討了安全系統(tǒng)的數(shù)學模型。筆者則在此基礎
上根據(jù)礦山安全系統(tǒng)的特征對安全系統(tǒng)的熵理論加
以適當?shù)难由旌屯卣?，用以分析礦山安全系統(tǒng)的演
化機理。
(1)安全熵
安全熵是某一安全因素自身狀態(tài)混亂度的一種
量度，用安全度來表示，安全熵的表達式為：
S(X )：klogl／P(xi)=一klog P(xi)(i=1，2，?n)
收稿日期：2010—12—08，修回日期：201l一03—16
基金項目：河南煤礦安全監(jiān)察局“煤礦安全生產科技發(fā)展汁劃項目”(H09—50)及河南理工大學青年基金項目(02OlO一32)研究成果
馬金山：基于熵理論的礦山安全系統(tǒng)演化機理分析 209
Xi——第i個安全因素；
s(X；)——某一安全因素的安全熵；
P(X；)——某一安全因素Xi的安全度；
k——待定系數(shù)，即是為了與其它理論方面相結
合而起到的橋梁作用。
則安全系統(tǒng)的安全熵可以表示為：
S=一kΣP(Xi)log P(Xi)(i=1，2，?n)
s——安全系統(tǒng)的安全熵；
其余k、Xi、P(Xi)的意義同前。
(2)安全負熵
某一安全因素的安全負熵是與其安全熵相反的
使安全系統(tǒng)向有序狀態(tài)發(fā)展的負熵流，其表達式為：
S (Xi)=klog P(Xi)(i=1，2，?n)
S (Xi)——某一安全因素的安全負熵；
其余k、xi、P(Xi)的意義同前。
安全系統(tǒng)負熵的表達式：
S =kΣP(xi)log P(X )(i=1，2，?n)
S ——安全系統(tǒng)的安全負熵；
其余k、Xi、P(Xi)的意義同前。
(3)安全總熵
安全系統(tǒng)總熵是安全熵與安全負熵交互影響、相
互作用的結果，其數(shù)學表達式為：
ST=S+ S
s ——安全系統(tǒng)的安全總熵；
其余s、s 的意義同前。
(4)安全系統(tǒng)有序狀態(tài)的表征
只有當安全總熵S <0，即l s l0來反映的。
當S >0時，存在兩種情況，一種情況是S <
0，且I s 『< J s J，礦山安全系統(tǒng)內產生的安
全熵的強度大于安全負熵，則安全熵產生的無序化
效應大于安全負熵產生的有序化效應，此時表明雖
然針對礦山安全系統(tǒng)使其向安全狀態(tài)進行了努力，
但效果不佳，礦山安全系統(tǒng)總體安全狀態(tài)堪憂。
另外一種情況是S >0，這時，礦山安全系統(tǒng)安
全負熵不僅沒有抵消安全系統(tǒng)內部的安全熵，而且
增強了安全熵，導致礦山安全系統(tǒng)的安全總熵不斷
增加。這是一種非常壞的情況，即可能是對礦山安
全工作不重視、不作為或者采取無效的、錯誤的管
理手段，在一定程度上極有可能會導致礦山安全事
故的發(fā)生，需要特別地加以注意。
2．2 礦山安全系統(tǒng)的有序狀態(tài)
礦山安全系統(tǒng)處于有序狀態(tài)的表征是以安全總
熵S <0來反映的。
當ST<0時，即S <0，且『s l> 『s J。
礦山安全系統(tǒng)的安全負熵強度大于礦山安全系統(tǒng)的
安全熵，此時流人礦山安全系統(tǒng)的安全負熵完全抵
消了安全系統(tǒng)內部的安全熵，使得安全總熵呈現(xiàn)負
值，礦山安全系統(tǒng)的有序化趨勢大于無序化趨勢。
這時表明，礦山安全系統(tǒng)采取了可靠的安全技術及
工程，安全管理的手段和對策是合適的，能夠促進
安全系統(tǒng)的良性發(fā)展。
2．3 礦山安全系統(tǒng)的臨界狀態(tài)
礦山安全系統(tǒng)處于臨界狀態(tài)的表征是以安全總
熵ST=0來反映的。
當ST=0時，即S <0，且I s I= l S f。
此時，礦山安全系統(tǒng)外部引入的安全負熵與安全系
統(tǒng)內部的安全熵相等，也就是礦山安全系統(tǒng)的有序
化趨勢與無序化趨勢處于均衡狀態(tài)，系統(tǒng)的有序性
和無序性相互交融、相互抵消，其安全總熵等于零。
這時礦山安全系統(tǒng)表現(xiàn)出來的狀態(tài)為礦山安全系統(tǒng)
處于安全與非安全的臨界狀態(tài)，但這個狀態(tài)不會持
續(xù)太久，隨著二者的相互作用，以及礦山安全系統(tǒng)
本身組成諸要素的改變和外界環(huán)境的變化，這種臨
界狀態(tài)終究會發(fā)生改變，或者向有序狀態(tài)改變，或
者向無序狀態(tài)改變。
3 礦山安全系統(tǒng)管理調控的時機選擇
3．1 礦山安全系統(tǒng)安全效率的判別量
前文已敘及根據(jù)熵理論拓展構建的礦山安全系
統(tǒng)狀態(tài)的安全總熵、安全熵和安全負熵之間的相對
變化可以判斷礦山安全系統(tǒng)是否處于有序、安全的
狀態(tài)。但是何時是最佳的對礦山安全系統(tǒng)施加管理
調控的時機，單單依據(jù)礦山安全總熵是無法獲得的。
為了正確判別礦山安全系統(tǒng)的調控時機，這里引入
邊際安全熵和邊際安全負熵的概念。
』C
邊際安全熵( )指的是當時間發(fā)生微小變化
U 1
時所引起的安全熵值的變化，反映了安全系統(tǒng)內熵
．
增的速度。邊際安全負熵( )指的是當時間發(fā)生
( 』
微小變化時所引入的安全負熵值的變化，反映了安
全系統(tǒng)從外部引入負熵流的速度?？梢酝ㄟ^對比邊
際安全熵和邊際安全負熵的大小來判斷安全熵增的
速度及安全負熵增加的速度，從而可以判斷何時對
安全系統(tǒng)進行調控為最佳時機。
2l0 馬金山：基于熵理論的礦山安全系統(tǒng)演化機理分析
3．2 安全系統(tǒng)調控時機的分析
可以根據(jù)邊際安全熵和邊際安全負熵的速度變
化的對比來判斷安全系統(tǒng)效率所處的狀態(tài)。
3．2．1 需采取緊急安全調控措施的時機。根據(jù)安全
』c ，I!
邊際理論當 > 時，礦山安全系統(tǒng)的運行效率明
“ 』 “ 』
顯地處于遞減的趨勢，此時，礦山的安全系統(tǒng)狀況
不容樂觀，在宏觀表現(xiàn)上為現(xiàn)有的安全技術措施、
安全管理手段或管理模式已經不夠湊效，安全事故
處于即將發(fā)生或已經發(fā)生了相關事故的狀態(tài)。這一
．
時期，根據(jù) 和 對比的強度的不同，可以判別系
U 』 Ⅱ 』
統(tǒng)處于危險狀況的等級，前者變化的速率越大則說
明礦山安全系統(tǒng)處于危險境地的狀況越糟糕。因此，
在這種狀態(tài)下必須立即采取強有力的安全措施，否
則后果不堪設想。對于此時的安全狀態(tài)，在礦山的
安全管理中是一定要避免的。如果此時已經發(fā)生了
事故，則損失是巨大的；反之，如果還未發(fā)生事故，
但要使得礦山安全系統(tǒng)的狀態(tài)重新回到有序的安全
狀態(tài)也是要付出較大的代價的。
Jc
3．2．2 維持當前安全狀態(tài)的時機。當 < 時，
Ⅱ 』 Ⅱ 』
表示礦山安全系統(tǒng)的效率沒有達到最大，安全負熵
起主導作用，礦山安全系統(tǒng)在宏觀上的表現(xiàn)是礦山
的安全系統(tǒng)運用了新的安全技術措施、采取了新的
管理模式或管理手段，構成礦山安全系統(tǒng)的各個要
素(如人、機、環(huán)境)等的相互協(xié)調和配合均處于
較佳的運行狀態(tài)，此時礦山的安全系統(tǒng)處于安全生
產的穩(wěn)定狀態(tài)，基本上沒有或不會發(fā)生安全事故。
此時的工作就是維持當前有效的安全技術措施和安
全管理模式。
J
3．2．3 安全系統(tǒng)管理調控的最佳調控時機。當 ：
Ⅱ 』
．
時，表示礦山安全系統(tǒng)的效率達到最大，即礦山
(‘ 』
安全系統(tǒng)內部安全熵增的速度與礦山安全系統(tǒng)引入
的安全負熵的速度相等。此時，礦山安全系統(tǒng)在宏
觀上的表現(xiàn)是隨著原有安全技術措施、管理模式或
手段的逐漸深人，礦山安全系統(tǒng)進一步改進的效率
逐漸在降低，原有管理方法、規(guī)章制度、機械設備
和環(huán)境的適應性等的運行效率逐漸降低，礦山安全
系統(tǒng)的運行效率達到最大臨界點，此后礦山安全系
統(tǒng)的運行效率開始衰退。所以，此時是對礦山安全
系統(tǒng)進行調控的最佳時期。因為過早地對安全系統(tǒng)
進行調控，則原有投入的人、財、物等尚未發(fā)揮出
最大的效率就予以更換，不僅不能使安全系統(tǒng)達到
安全穩(wěn)定狀態(tài)(新的擾動使得礦山安全系統(tǒng)處于不
穩(wěn)定狀態(tài))，而且會是一種巨大的浪費；相反，調控
進行的較晚，則礦山的安全系統(tǒng)已經處于惡化的狀
態(tài)，并且如不及時地采取措施，可能會導致重大安
全事故的發(fā)生，此時要使安全系統(tǒng)重新回到有序安
全狀態(tài)，是要付出巨大的代價的。
4 礦山安全系統(tǒng)安全狀態(tài)實現(xiàn)的管理模式
4．1 礦山安全系統(tǒng)的影響因素
礦山安全系統(tǒng)在熵理論的視角下是以是否處于
有序的穩(wěn)定狀態(tài)來判斷的，而在宏觀的表現(xiàn)上是以
整個礦山安全系統(tǒng)的安全度來表征的。礦山安全系
統(tǒng)概括來說是一個人一機一環(huán)境系統(tǒng)，對礦山安全
性的研究就是確定包含有人在內的整個系統(tǒng)的安全
度。“人一機一環(huán)境” 系統(tǒng)的安全度是受人、機、
環(huán)境3個因素的影響，也即系統(tǒng)的安全度是人、機、
環(huán)境3個子系統(tǒng)的函數(shù)，可以看作是功能串聯(lián)系統(tǒng)。
通用表達式為 J：
P =F(IF'h，P ，P )=Ph·P ·P
式中P ——整個系統(tǒng)的安全度；
P ——人的安全度；
P ——機的安全度；
P ——環(huán)境的安全度。
進一步分析，每一個人、機、環(huán)境子系統(tǒng)都是有諸
多的因素影響的。如人的因素中人的受教育程度、對
待安全工作的態(tài)度、思想意識等方面的內容；機的因
素方面有機器設備的固有安全屬性、機器的維護狀況
等方面的內容；環(huán)境的因素方面如礦山的原本地質條
件、工作環(huán)境的照明、溫度、噪聲、粉塵等方面的內容。
因此可以針對人的安全度P 、機的安全度P 和環(huán)境
的安全度P 分別構建相應的子函數(shù)。
Ph=Fh(Ph1，Ph2，Ph3?Phi?lPhR)(i=1，2? ?R)
Pm=Fm(Pm1，P ，P ?Phi?P}IJ) (j=1，2??J)
P =F (P。l，Pe2，Pe3?P。k?P。w) (k=l，2?．W)
式中P i——影響人的安全度共R個因素中第i
個因素的安全度；
P ——影響人的安全度共J個因素中第j個因
素的安全度；
P ——影響人的安全度共w個因素中第k個因
素的安全度。
因此，我們可以看出礦山安全系統(tǒng)的影響因素
是多而復雜的，諸多的影響因素中任何一個因素的
不良變化可能對安全系統(tǒng)有負面的影響，可能導致
礦山安全系統(tǒng)的熵增，從而導致安全系統(tǒng)的無序。
所以對構成礦山安全系統(tǒng)的諸素均要進行精心化的
管理，促使其良好協(xié)調運行，維護礦山安全系統(tǒng)的
有序、穩(wěn)定。
4．2 適合礦山安全狀態(tài)實現(xiàn)的精細化管理模式
由于礦山安全系統(tǒng)涉及的因素多、系統(tǒng)復雜，
所以要實現(xiàn)礦山安全系統(tǒng)的穩(wěn)定、有序就必須考慮
各方面的因素。在礦山安全的諸種管理模式中當前
最有效的是精細化的管理模式。因為精細化管理的
馬金山：基于熵理論的礦山安全系統(tǒng)演化機理分析 211
核心思想是“精、準、細、嚴”，即精益求精、準
確準時、管理做細、嚴格控制偏差和嚴格執(zhí)行標準
制度。具體來說就是要礦山安全生產管理制度、礦
山安全作業(yè)標準、礦山安全質量標準以及礦山安全
信息都要采取精細化的管理模式 J。
4．3 礦山安全精細化管理的關鍵內容
礦山實施精細化的管理模式涉及的因素復雜、
內容較多，但是從總體來看，要確保礦山的安全系
統(tǒng)處于有序、穩(wěn)定的安全狀態(tài)，需要研究其對管理
效率影響最大的因素。通過分析，可以很容易地發(fā)
現(xiàn)，礦山實現(xiàn)安全精細化管理模式必須注重如下方
面的內容：
(1)礦山安全質量標準化標準的建立。礦山實
現(xiàn)安全精細化管理的首要工作是安全質量標準化。
礦山安全質量標準化就是將“安全質量標準”作為
高度統(tǒng)一體，以安全生產為目標，從基礎管理工作
人手，對礦山安全生產管理的過程和結果，制定具
體的操作規(guī)程、工藝流程、運行程序、機構職責等
安全質量標準和量化指標；對影響安全生產的設備
設施、作業(yè)環(huán)境和職業(yè)危害等因素，規(guī)范其安全質
量技術狀態(tài)，控制不安全狀態(tài)和不安全行為；將企
業(yè)中的各個部門、各個環(huán)節(jié)的安全生產工作有機結
合，形成一個既有明確的目標和任務，又能互相協(xié)
調、互相促進的有機整體 J。因此礦山安全精細化
管理的前提和基礎是必須確保有符合礦山企業(yè)實際
的能夠適用于礦山安全系統(tǒng)的安全質量標準。
(2)礦山安全信息化的建設。由于精細化管理
涉及的工作內容繁瑣、復雜，給精細化管理工作帶
來了不少的阻力，如信息量過大，造成統(tǒng)計困難；
來自基層的信息被層層過濾后發(fā)生失真現(xiàn)象；考核
工作中的人為因素降低了考核的公正度；由于精細
化管理增加了工作量和工作程序，部分職工產生了
抵觸心理 。所以推進礦山安全信息化的建設是礦
山安全精細化管理模式的重要保障。
(3)安全文化的建設。安全文化的目的是提高
人的安全素質，建設本質安全的環(huán)境和氛圍，為預
防事故構筑基礎。礦山企業(yè)通過安全文化的導向功
能、約束功能、凝聚功能、激勵功能和輻射功能，
將礦山安全系統(tǒng)中占主導地位的人的因素充分調動
起來，可以有效地促進礦山安全系統(tǒng)向有序的穩(wěn)定
狀態(tài)發(fā)展，從而實現(xiàn)礦山的安全生產。因此，礦山
企業(yè)必須注重礦山安全文化的建設。
(4)礦山安全的預警系統(tǒng)的建立。礦山安全精
細化管理的目的是為了實現(xiàn)礦山安全系統(tǒng)的安全狀
態(tài)，因此必須根據(jù)礦山當前的狀況來確定實際的管
理模式。預警系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)，它必須對礦山
的各類危險源進行不間斷地連續(xù)監(jiān)測。根據(jù)企業(yè)制
定的、行業(yè)主管部門批準的預臨界值或預臨界環(huán)境
參數(shù)值對危險源進行動態(tài)監(jiān)測，只要有一種危險源
達到預臨界值或預臨界環(huán)境參數(shù)值時，企業(yè)就進人
預警管理期 。此時必須采取有效的措施，使得礦
山安全系統(tǒng)重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。
5 結論
該文在他人研究的基礎上探討了礦山安全系統(tǒng)
是一個耗散結構系統(tǒng)，并構建了安全系統(tǒng)的熵理論，
然后分析了礦山安全系統(tǒng)的運作機理、調控時機的
選擇并探討了維持礦山安全系統(tǒng)有序穩(wěn)定運行的安
全精細化管理模式。
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作者簡介：馬金山(1977一)，河南登封人，碩士，講師，從事工業(yè)
工程及煤礦安全管理方面的教學與科研工作。

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