工业事故演变混沌特性研究.docx

工业事故演变混沌特性研究1 引言我国是世界上少数多灾害国家之一，在社会、经济获得迅速、持续发展的同时，各种灾害问题也日趋严重。特别是工业企业，安全生产形势非常严峻，事故多，伤亡大、经济损失严重，尤其是重、特大事故频繁发生。从工业事故预防和控制领域来看，其防治理论和技术的研究进程明显滞后于经济、社会对工业发展的要求，在事故特性、预防和控制理论研究方面的存在着很多薄弱环节。因此，研究和探索工业事故的演变特性、发生规律以及有效的控制技术成为我国工业必须重视并尽快解决的重大安全课题。2 混沌理论发展与研究现状混沌理论是非线性理论的重要分支学科，是现代非线性理论的一个重要组成部分，对于自然界和社会现象的认识有着不同于传统科学的思想，比如关于非直接因果关系的思想和关于简单和复杂，确定与随机统一的思想等，除了能够解释与说明传统科学理论所能解释与说明传统科学理论所能解释与说明的现象与问题之外，还能够解释与说明传统科学理论所不能解释与说明的许多复杂现象或问题，现已成为众多学科的研究前沿。混沌理论源于 20 世纪 60 年代美国麻省理工学院气象学家 EdwardLorenzd 的电脑模拟试验，进入 70 年代、特别是 90 年代后，这一理论已经在数学、物理学、化学、地震学、生物学和经济学等领域广泛应用。混沌理论使人们在那些令人望而生畏的复杂现象中，发现了许多惊人的规律性，在混沌的深处埋藏着一种奇异的秩序。“蝴蝶效应”是混沌理论中的一个关键的概念，它指明了系统对初始条件敏感性的一种依赖现象，即输入端微小的差别会被迅速的放大到输出端压到一切的差别。一个小小的误差（可能是万分之几的误差） ，会在整个变化过程中成倍放大，最后引起灾难性的、难以预测的后果。混沌理论的产生与发展、打破了建立在牛顿范式基础上的拉普拉斯决定论的幻想，它的研究表明： （1）简单确定的非线性系统可以产生简单确定的行为，也可以产生不稳定但有界的貌似随机的不确定行为； （2）当一个系统产生混沌行为时，其未来行为具有对系统初始条件的依赖性； （3）混沌并非混乱，混沌作为一个科学概念并不等同于概率意义上的随机，看似混乱无规则的现象里存在着秩序，而公认有序的确定性系统里又存在着混沌； （4）混沌系统的行为在状态空间上虽然循环往复，但绝不自身重复；（5）混沌状态下系统的某种性质的行为可能突然地产生，也可能出乎预料地消失； （6）事物的整体不从它的部分中加以理解，系统整体具有不同于系统单元的行为； （7）相似的情景或过程可以发生在不同尺度水平的空间上。混沌理论的研究还表明，一切系统的行为都是动态演化的，既不会总是稳定有序，也不会总是混沌或无序；在某一层次或某一部分可能是稳定有序的，而在系统的其他层次或其他部分又可能是混沌或无序的。复杂系统在演化过程中可能会呈现为有序态、无序态、混沌态、反混沌态和自组织临界态五种类型的状态。不同状态下系统具有不同的控制特性。3 工业事故演变混沌特性分析工业事故的演变过程具有典型的非线性特征，其动力学方程中含有诸多非线性项，因此工业事故子系统是非线系统，是在临界条件下呈现混沌现象或混沌行为的系统。由于系统内部多因素交叉耦合作用，导致了该复杂系统呈现混沌行为，其演变过程复杂且无法用确定的数学方程描述。工业生产系统是人机环境结构复杂的系统，许多问题都是非线性，变量之间的关系十分复杂，难以用确切的数学方程来描述。根据事故致因理论，导致事故的最基本因素是人的不安全行为、机的不安全状态和环境的不安全条件。在作业空间，这三个要素在时间和空间上始终处于复杂的变化过程之中，而且无法用一个确切的数学方程来描述，属于典型的非线性动力学系统。工业生产系统中各子系统之间按照一种未知的、非设计的顺序而发生相互作用，它既不明显又不能马上被理解和识别。例如，1995年密西比河一油船的油箱发生了重油泄漏，重油流入毗邻泵房，由于泵房温度相对较高，油的粘度变低，使得重油流动速度加快，导致泵房大量积油。不幸的是刚好泵房有一个轴杆流向引擎房，使得重油又慢慢沿此轴杆通向引擎房，由于引擎房的温度较高，部分重油开始气化并形成了燃烧爆炸性气体，导致了一场火灾。此例中，设计者和操作者预先就根本不知道两个毫无关系的子系统（油箱和引擎）竟然会发生不可预测的相互作用，事故子系统之间的复杂式相互作用的特征导致了这场事故的发生。因此，必须应用现代科学技术及其交叉学科的发展成果，对工业事故演变混沌特性进行理论上的研究，注重解决事故频繁发生的深层次理论和技术问题，以达到控制工业事故的目的。本文提出通过时间序列相空间重构及 Lyapunov 指数运算来进行我国工业事故混沌特性判定研究。