工程安全性的认知与保障需要复杂性思维

朱浩

摘要：工程是根据自然界的规律和人类的需求规律创造一个自然界原本并不存在的人工事物，它包含了自然、社会、人、科学、技术等诸多因素，是一个开放的复杂系统。安全性是指不导致人员伤亡，危害健康及环境，不给设备或财产造成破坏或损失的能力。工程安全性贯穿在工程理念、立项决策、规划设计、生产制造、施工操作、评价检验、管理运行等各环节的全过程之中，是衡量工程质量优劣的核心指标，也是一个涉及多种不确定性因素的复杂概念。这需要我们运用不确定性思维、动态思维、协同思维与整体思维等复杂性思维方式来认知与保障工程安全性，以防范与消减工程安全事故的发生。

关键词：工程；安全性；不确定性思维；动态思维；协同思维；整体思维

中图分类号：N949

文献标识码：A DOI：10.3963/j.issn.1671-6477.2018.02.0006

隨着科学技术和经济社会的快速发展，各种工程建设在给人类造福的同时，安全事故（如建筑物倒塌、列车追尾与碰撞、航空航天灾难、核电站核泄漏等）也给人类带来灾祸。怎样认知与保障工程安全性是当今工程界、各国政府与人民最为关注的话题之一，也是我国现代化建设过程中始终需要重视的问题之一。工程是根据自然界的规律和人类的需求规律创造一个自然界原本并不存在的人工事物，它包含了自然、社会、人、科学、技术等诸多因素，是一个开放的复杂系统[1]95。按照国家标准（GJB1045—92）规定，安全性（safety）是指不导致人员伤亡，危害健康及环境，不给设备或财产造成破坏或损失的能力[2]。工程安全性贯穿在工程理念、立项决策、规划设计、生产制造、施工操作、管理运行、评价检验等各环节的全过程之中，是标志工程优劣最重要、最核心的质量指标，也是一个涉及多种不确定性因素的复杂概念。复杂性思维是伴随复杂性科学兴起而与简单性思维相对的思维方式，注重思考复杂系统所具有的不确定性、动态性、协同性与整体性等特质，这对指导人们认知与保障工程安全性具有重要的方法论意义。因此，认知与保障工程安全性需要运用与建构不确定性思维、动态思维、协同思维与整体思维等复杂性思维方式，以防范与消减工程安全事故的发生。

一、认知与保障工程安全性需要不确定性思维

不确定性是复杂系统的基本特征之一。工程是人创造的复杂系统，有创造就会有风险。风险与安全是此消彼长的两个方面，工程的风险是指在工程建设和运行过程中所产生的人和财产的损失及其这种损失存在的可能性[1]98。不确定性思维要求人们懂得安全与风险通常是并存的，安全性高说明风险性低，一个工程的安全概率是99%，那么它的风险概率就是1%，没有100%绝对安全的工程，特别是建设从未有过的特大工程，由于工程建设与管理过程中的技术、人和环境等客观和主观上的不确定性导致工程存在着一定的风险。认知工程安全性需要运用与构建不确定性思维方式，其关键在于认知与把握以下四种不确定性：一是随机不确定性。这主要表现为工程系统在未来时间内运行状况、承受的载荷、环境的变化、其中设备的性能等方面的不确定性。这是由于条件不充分、系统内外环境的随机变化，使得条件与事件之间不能出现必然的因果关系，导致工程系统的性能、安全性与可靠性均处于不确定的状态之中。如高速铁路动车组工程、地铁列车工程、航空航天工程中的机车与飞行器在运行中承受的载荷、应力、性能、状态，以及内外环境等均是随机变化的。又如，目前科技水平尚无法准确预测地震、海啸以及偶发的恶劣天气等自然灾害对工程安全的影响，加上人为（有意或无意）造成的工程事故等，均呈现随机不确定性。二是模糊不确定性。工程活动中涉及科技、人文、思维等领域中深浅程度不同的模糊不确定性。如人们在评定工程的质量和状态时有时用“好”、“差”、“正常”、“不正常”、“稳定”、“不稳定”、“安全”、“不安全”和“可靠”、“不可靠”等表达，呈现出主观判断的差异、语言表达的模糊不确定性与事物外延的不确定性，即事物与现象从差异的一方到另一方存在着中间连续过渡的过程，呈现出“亦此亦彼”的模糊状态。这就是说，在科学技术与工程评估中有些复杂性事物的界限是不清楚的，难以精确化表示，不能作出“非此即彼”的断言。美国控制论专家L. A. Zadeh 教授于1965 年发表一篇《模糊子集》的著名论文，提出了一条互克性原理：“当系统的复杂性增加时，我们使它精确化的能力将减少，直至达到一个阈值，一旦超过它，复杂性和精确性将互相排斥”。这就是说复杂性越高，有意义的精确化能力便越低，事物的模糊性与复杂性紧密相联，模糊性来源于复杂性[3]。三是混沌不确定性。主要是指确定性系统中的一种内在随机性。混沌理论研究表明，只要确定性系统中有非线性因素作用，系统会在一定参数范围内产生一种内在随机性。在工程系统中表现为对初始条件、参数和环境的微小扰动具有高度的敏感性，某些微不足道的涨落可能导致突变行为，即所谓发生“差之毫厘、失之千里”的“蝴蝶效应”[4]。如2012年2月22日阿根廷列车脱轨造成至少49人死亡，逾600人受伤。据阿根廷官方宣布事故的主要原因是列车运营商忽视列车刹车系统存在安全隐患，不重视这个系统内的小故障（它对列车安全极为敏感）而造成严重的惨剧。四是信息未确知性。一种是指客观条件的限制而造成的信息不完善，致使工程决策者在决策时尚无法确知的信息，如设计计算上的困难、测量上的困难、不能获得工程运行中多种要素变化的精确资料，如工程设备中机械零件的疲劳与磨损、电子元件的“老化”，这是一种由客观信息的不完善性所导致的不确定性。另一种是人们主观知识的不完善性，这是由于工程的决策者、设计者、施工者、管理者所掌握的证据不充分及主观知识的有限性，不足以确定工程的真实状况和数量关系，而带来的主观认识不清晰的不确定性[5]。目前，对上述四种不确定性的处理是将有关专家和人类已有造物的经验与概率论、数理统计、大数据分析、模糊决策、混沌控制以及科技、工程等有关理论知识、方法、手段综合起来加以认知、研究与评估。从方法论的角度看，就是要运用与建构不确定性思维方式与理论来深入认知、分析工程安全性，对上述工程中存在的客观与主观的许多不确定因素带来的风险、隐患与安全性、可靠性的矛盾，工程决策者、设计者、管理者等工程相关人员必须保持清醒与辩证的认识。一方面尽量预知工程系统各个环节可能出现和存在的安全隐患，推测可能出现的各种故障，分析和预测其发生的可能性大小，提出处理安全隐患与降低风险的措施，建设与健全故障监测系统，强化安全防护设施，尽可能把各种不确定因素转化为可控因素，并广泛宣传安全知识，提高工程中各类人员的安全意识，进行精细化管理，努力将工程的安全性控制在“万无一失”和更高的成功概率之内；另一方面使社会和人们对工程安全性有一个客观、理性的认识，正视工程“风险与造福”的两重性，按照科学规律与方法来防范工程风险，增强工程安全意识，提高抗风险的心理承受能力。

二、认知与保障工程安全性需要动态思维

认知与保障工程安全性需要动态思维，这是因为工程系统的性能、安全性、可靠性都不是一个静态的质量概念，而是随着工程运行时间的变化而变化的动态概念。通常工程完工时或其中的设备出厂时所测得的各种质量指标，只是一个相对的“静态质量”的概念。随着工程运行时间的推移（变化），其承受的载荷、内外环境均是随机变化的、各种偶然因素的袭击与干扰是难以预测的，其中各种设备的性能、安全性、可靠性处于变化的或下降的趋势。因此，对工程和其中设备的性能、安全性、可靠性等质量指标的要求，是以设计要求的寿命周期内能够完成工程或其中设备规定功能的能力加以衡量的，这是一个“动态质量”或“时间质量”的概念。质量只有与时间因素相联，保证工程和其中的设备在规定时间内完成规定功能才有实际意义。譬如工程设备中的电子产品的寿命分布，基本上与人的寿命分布相似。图1示出了工程设备中电子产品的失效率曲线（或寿命分布曲线），它反映了产品的失效率与运行时间之间关系的一般规律。因为曲线很像浴盆，所以又叫浴盆（bathtub）曲线[6]。

区间Ⅰ，相当于儿童期，称为早期失效期，一般为产品试车跑合阶段。这一阶段失效率高的原因主要是由于材料缺陷、制造工艺缺陷、装配或检验差错等引起。因此，为了提高产品安全性、可靠性，产品在出厂前应进行严格的调试、检验，查找失效原因，并采取各种措施发现隐患，纠正缺陷，使失效率下降，成为合格产品，并进入稳定状态。 区间Ⅱ，相当于人的成年期。这个时期称为产品正常运行期。在此期间内如果发生失效，一般都是由于偶然的原因引起的，例如个别产品由于使用过程中工作条件发生不可预测的突然变化而引起失效。对此应通过提高产品设计与制造质量，提高设备使用管理水平，加强监视诊断和维护保养等措施，可使产品的失效率降低到最低水平，而且保持稳定（近似为常数），使产品寿命得以延长，这个时期是产品最佳状态时期。区间Ⅲ，相当于人的老年期，在这期间稳定了的失效率逐渐上升。在产品长期使用后，由于疲劳、磨损、老化等原因使失效率随时间推移而上升。这个期间叫做耗损失效期。改进耗损的办法是提高产品质量，对整机制定一套预防维修和更新产品的措施，即达到耗损期前就及时维修或更换某些老化的易损件，使上升的失效率降下来，以延长产品整机使用寿命。在工程设备中电子产品的全寿命周期内，产品的失效率越大，安全性越低；失效率越小，安全性越高。因此，要特别重视对产品进行失效、故障分析，定期检测，采取降低失效率，保证安全性的各种预防措施。要特别警惕偶然事件所引发的产品随机失效，要居安思危，未雨绸缪，制定各种防止突发事件，保障工程安全运行的应对预案。又如土建工程结构的设计与施工规范，既要考虑各种荷载作用下的结构强度要求，又要考虑各种环境因素作用（如干湿、冻融等大气侵蚀以及工程周围水、土中有害化学介质侵蚀）下的寿命与耐久性要求，以防止坍塌之类事故的发生。总之，在工程建设与管理运行的全过程中，需要以动态思维将工程的安全性与运行时间联系起来考虑。既要从规划设计、材料选择、生产制造、运输、保管、施工工艺等环节上保证和提高工程与产品的质量，而且要通过有计划、有针对性的适时检测、维护、维修与保养以及正确的操作与使用等措施，减低失效率、提高耐久性，控制与保证工程及其设备在全寿命周期内的质量、安全性与可靠性。

三、认知与保障工程安全性需要协同思维

德国物理学家赫尔曼·哈肯（H. Haken）从整体性角度研究系统，强调协同是多个子系统之间相互协调、相互合作的或同步的联合作用，达到“整体大于部分之和”的相干协同效应，使系统自发地从无序（或低级有序）走向有序（或高级有序）的宏观结构[7]。这启发人们要在协同思维的指导下，协调好工程系统中多个要素（或子系统）之间的关系（如图2所示），以达到“1+1>2”的非线性协同效应，从整体上保障与提升工程系统的有序性与安全性。

（一）物与物之间的协调

工程是创造和建构新的社会存在物的人类实践活动，也是工程建设者将工程中各种物件集成的活动过程。工程系统中物件与物件之间的有机组合、匹配与协调是实现工程的功能和安全运行的基础。因此，参与工程建设全过程的每一个人应明确自己对工程的质量、安全性与可靠性的责任，运用现代科学知识与方法，在科学论证的前提下，对工程内各种设备（硬件与软件），以及设备内的各种构件、机械零件、电气元件等精心设计、制造、装配、施工、操作与管理，使其彼此协调、有机组合，一环扣一环，确保每一个环节的质量标准，使工程安全可靠地运行，实现预期的功能。如通信、信号系统是实现高速动车自动控制和应急处理故障、事故的关键，这就要求设计制造与装配人员运用先进的技术手段和方法，使通信与信号系统各个单元之间彼此相互关联、互动反馈、协调工作，以保证高速动车安全、可靠、快速、正常运行。

（二）人与物之间的协调

主要指工程系统内人与机之间，以及工程与其所服务的人群之间的匹配与协调。以道路交通工程系统为例，它是一个人、车、路、环境四大要素相互联系、相互制约、相互依赖的开放复杂系统。路是静态的，而人、车、环境是动态的，在交通高峰时，控制参数的微小变化就可能导致交通堵塞等突变现象；天气环境的突然恶化，也会对道路交通系统的运行和安全产生影响。如何面对和处置各种随机变化的情况，这就要从道路交通工程系统的特点出发，从立项、规划设计、施工到管理运行全面考虑道路承载能力、人流、车流与路况的协调，以适应人、车与环境的动态变化，确保各种状态下的安全。从工程系统内人机互动、互控（或协调）层面上看，一方面，需要通过科学的设计，研制人机友好的界面和有效的、宜人的信息交换、反馈系统，使人对物的驾驭与控制符合人的体力、感觉、心理等方面的承受，以降低人为故障与误操作。另一方面，开发应用新的技术装备，使設备对人的行为加以约束，如采用道岔微机连锁装置，防止人为错误处理列车进路，避免列车冲撞；采用机车运行监控装置保证在司机精神不振的情况下，列车不闯红灯、不超速。

（三）人与人之间的协调

按照协同学的观点，子系统或要素之间的协同效应，源于对系统整体性和目的性的追求。这就启示人们：第一，协调好工程活动中所有利益相关者（工程师、工人、投资者、决策者、管理者以及工程环境中的居民等）之间的关系。这要求工程活动中所有利益相关者务必充分认识到他们的利益被工程项目制约在一起，工程的正常安全运行是他们的整体利益，也是最大的利益。只有大家各尽所能、各司其职、协调配合，实现了工程安全运行的整体利益目标，他们各自的局部利益才能得到保障。第二，加强职业和工程伦理教育培训，学习工程系统安全性知识（包括国家安全性标准及安全规范）与工程师的道德规范，使全体参与工程建设和管理的人员能够自觉地认识到质量、安全性与可靠性是工程的生命线，为确保工程的安全性和实现共同的建设目标，彼此应协同一致，并充分发挥各自的主观能动性与创造性。第三，应认识到人与人之间的协同需要一定的条件，自律（自觉）与他律需要配合。参与工程建设与管理的人的思想观念、精神状态、生活方式、工作技能、文化素质、心理素质等各不相同，必须在工程安全文化的导引下，通过人与人之间对话交流、沟通协商、相互帮助、互惠互利等方式，以及共同制定的“公约”、“条例”、“法规”、“道德规范”等制度规则加以约束与协调，以达到维护工程整体利益与保障安全性的目的。

（四）工程系统与环境的协调

这里环境是指工程系统外部的自然与社会环境，从工程系统与环境的关系看，工程的决策者、设计者、建造者、操作者、运营者与管理者都要贯彻这样一种安全理念：任何工程的建设和运行决不能以危害与牺牲环境为代价，对社会发展与生态环境造成破坏与污染。工程活动必须建立在符合客观规律（包括自然规律和社会规律）的基础上，遵循资源节约、环境友好及社会和谐的要求，遵守社会道德与环境伦理，严格执行政府制定的环保法规和条例，坚持科学发展观，促进人与自然、社会的和谐发展。

四、認知与保障工程安全性需要整体思维

一般系统论创立者贝塔朗菲认为：“我们被迫在一切知识领域中运用整体或系统概念来处理复杂性问题。这意味着科学思维基本方向的转变。”[8]工程既是一个多子系统（或要素）组成的复杂系统，又是一个多环节的复杂系统。工程安全性是一个系统整体安全性的概念，在工程的理念、规划、决策、设计、制造、施工、操作、监理、维护、保养、运行、管理等一系列环节与过程中都要考虑安全性问题。一些工程事故往往是由多种因素综合造成的，有天气、灾害等客观原因，也有人为的原因，有时各种客观原因只是一个诱发因素，主要原因还是人为造成的，如决策失误、设计缺陷、野蛮施工、违规操作、管理失职、贪污腐败、身心不健康、恐怖活动等。各种原因有时相互关联，发生连锁效应。对此，工程的决策者、设计者、建设者、管理者、操作者等都应引以为戒，严格遵守各项安全标准与质量管理规范，以及国家有关的法律、法规，并定期对特大型工程（如航空航天工程、高速列车工程、核电工程等）人员进行身体与心理的检查与考核，保持对人民的生命、财产高度负责的精神，切实加强工作责任心，认真贯彻全面质量观与整体安全观，建构严密、完整、健全的质量管理系统、安全监控系统、偶然突发事件的预警与应急处置系统等，确保工程的安全性与可靠性。这主要体现在以下三个层面。

（一）理念层面：将工程安全理念贯穿于工程活动的全过程

工程安全理念是工程共同体关于怎样保证工程安全可靠运行与使用的一种理性认识，是保证工程安全运行与使用的思想观念。工程人必须树立“以人为本”，“人的生命高于一切，责任重于泰山”、“人与自然、社会和谐”的工程安全理念。一切工程都是为人而兴建的，越是重大的工程，越要通盘考虑，看看是否能够保证造福于人民；是否能够保证人民的生命财产安全；是否能够保证造福于子孙后代；是否能够保证自然与生态环境不被破坏；是否能够保证促进经济社会协调发展与国家长治久安。工程安全理念是保证工程安全运行与使用的灵魂，渗透在工程活动的各个阶段、各个环节，贯穿于工程活动的全过程。可以说，工程安全理念从根本上决定着工程的优劣和成败。在工程实施过程中，工程安全理念要以建设标准、管理制度、施工程序、操作手则、劳动纪律、生产条例、安全措施等作为存在方式的载体，并通过工程共同体内部不同群体的行为表现出来。为此，工程的投资者、决策者、领导者和全体参与工程建设的人员都必须树立科学的、先进的工程安全理念，要有强烈的责任意识和对人民群众高度负责的精神，坚决杜绝各类“豆腐渣工程”、“扰民工程”、“环境不友好工程”等，按科学规律办事，把各项安全责任制落到实处。

（二）技术层面：应用全方位的安全性设计技术

为确保工程的安全性，特别是确保特大型工程的安全性，首先应对工程系统进行安全性设计技术分析，如故障树分析（Fault Tree Analysis）、故障模式影响及危害度分析（Failure Model Effect and Criticality Analysis）、人员可靠性分析（Human Reliability Analysis）等[9]，对工程系统可能存在的各种故障、风险及其对工程安全可靠与功能的影响和危害度进行全方位的定性定量分析。针对各种具体工程需要，应采取相应的防故障与风险，以及保障安全的各种现代设计技术，如安全性设计、可靠性设计、动态分析与设计、防断裂设计、减摩耐磨设计、防腐蚀设计、耐环境设计、健壮设计、维修保障设计等[10]，并将这些现代设计技术分别应用到有关工程活动的各环节之中，以保证工程的安全运行。

（三）管理层面：认真贯彻落实全面质量管理

第一，认真贯彻落实全方位的质量管理。不仅要对工程质量进行管理，也要对工程人员的工作质量进行管理；不仅要对工程系统硬件进行质量检验与评价，也要对软件进行质量检验与评价；不仅要对工程的性能进行管理，也要对其安全性、可靠性、适应性、经济性、时间性、维护性进行管理；不仅要对物进行管理，也要对人进行管理等。

第二，认真贯彻落实全过程的质量管理。就是要对工程的方案制定过程、设计过程、设备制造过程、装配过程、运输过程、施工过程、验收过程、维护过程、保养过程、使用过程等进行全过程质量管理。将工程管理活动有机地整合起来，环环相扣，对每一环节的质量问题进行检验、诊断、处理、控制，严格执行各项技术标准与质量标准（规范、规程、条例等），不能有丝毫疏漏，以确保工程的安全性与可靠性。

第三，认真贯彻落实全员的质量管理。工程的质量、安全性、可靠性都与人的技能、责任心、道德与法律意识、身体、精神、心理状态等密切相关。因此，要注重工程系统中全体人员的工程伦理与工程法规教育、安全教育与技能培训，依法依规从事工程活动，严格遵守安全生产、质量管理的各项规范与程序，并根据工种对人员素质要求的不同，定期对相关人员进行体格检查和心理健康检测与辅导，把全体人员的积极性、主动性、创造性与责任感引导到保证工程质量与安全性的目标上来，把工程质量与安全目标落实到每一个岗位、每一道工序、每一环節，做到人人都有质量安全责任和要求。以确保一个科学、严谨、完整的质量标准体系与安全规范得以落实。

认知与保障工程的安全性是参与工程活动的决策者、投资者、设计者、建设者、管理者与操作者等全体人员的重要职责，是遵循科学发展观，确保经济社会发展提质增效、稳中求进，主动适应经济发展新常态的必然要求，也是全面建成小康社会和广大人民群众追求平安、幸福生活的呼唤。当前，随着科学技术的迅速发展，工程活动无论在规模上，还是在复杂程度上，都不断地达到新的高度，因此，需要运用与构建复杂性思维方式来认知与保障工程安全性，对工程安全性从整体上进行系统的、动态的分析与把握，为防范和消减工程安全事故提供一种有益的思路与启示。

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[8]魏宏森，曾国屏.系统论：系统科学哲学[M].北京：世界图书出版社，2009：214.

[9]黄祥瑞.可靠性工程[M].北京：清华大学出版社，1990：82，201-203.

[10]孙大涌.先进制造技术[M].北京：机械工业出版社，1999：155-223.

（责任编辑 王婷婷）