脆弱性基本原理与控制方法

宋守信教授 许 葭,2 陈明利助理研究员 翟怀远副研究员

(1.北京交通大学 风险管理研究所，北京 100044；2.上海工程技术大学 城市轨道交通学院，上海 201620)

0 从福祸相依谈起

我国古代学者老子在道德经五十八章中有一句名言“祸兮福之所倚，福兮祸之所伏”。这句话富含深刻的哲理，提醒人们当面临灾祸时，如果迎难而上，努力使系统功能不仅不衰减，反而更加优化，就能够将祸转化为福；当身在福中时，如果能够居安思危，敏锐地洞察隐藏的问题，就能避免福转化为祸。

德国社会学家乌尔里奇·贝克立足当代，阐述了如今社会福祸之间转化的关系，他在名著《风险社会》中指出当今社会福祸之间转化的关系，即“发达工业社会已进入自反性现代化阶段，进步可能会转化为自我危害乃至自我毁灭。社会越是发展，随之产生的关于其基础、结构、动力和矛盾的知识就越多，同时也提高了行动情境的复杂性和不确定性”[1]。这里提到的“自反性危机”就是指系统在追求效益目标的过程中，同时也在酝酿危险反作用于自身，使自身所追求的目标被消解，并演化成危及自身的风险[2-3]。

在这种本欲造福，反而致祸的自反性危机形成过程中，系统作为效益的追求者演变成了风险的制造者，如果疏于警觉，没有及时消除，就会导致危险能量的异常释放，效益的追求者又演变成了风险的承载者，系统就会在风险的攻击下遭受损害[4]。因此，从追求效益之初就加强对新建系统可能产生的风险进行研究，提前采取措施进行有效控制十分必要。在风险管理的研究中，需要关注3个构成要素，即危险源构成的威胁、风险承载体在威胁中表现出的脆弱性以及威胁给风险承载体造成的经济损失和人身伤害。在以往的研究中受到关注最多的是对承载体构成的威胁大小和受到威胁侵犯以后产生的损失多少，而对处于事故链中间环节的承载体应对风险脆弱性的高低关注相对不足[5]。事实上，承载体遭受威胁后的影响规模如何，承受强度如何，抵御能力如何，即承载体脆弱性如何，是决定风险后果的关键因素[2]。脆弱性反映的是承载体应对风险的水平，从脆弱性角度讨论安全，可以找到威胁对系统可能产生的危害的范围、可抵抗程度及系统对威胁的适应程度，能够更好的帮助安全管理者了解系统运营过程中脆弱的环节或者脆弱点的存在。

1 脆弱性内涵

1.1 脆弱性的概念

对脆弱性的研究最早集中于自然科学领域，如水资源、自然灾害、生态系统等领域[6-7]。20世纪90年代以来，脆弱性的概念被应用到公共安全、职业健康等领域[8-9]。对生产设施、设备等抵御风险的脆弱性和采取的安全措施进行分析，是为了判明现有的条件在抵御风险方面的薄弱环节，从而有针对性地采取必要措施。联合国救灾组织从自然灾害角度提出脆弱性是一种损失度，即某一或一系列要素在某一强度自然现象发生时遭受损失的程度。我们从安全科学与工程扩展的角度提出：脆弱性是系统在某一扰动下发生的变化程度，以及从扰动的不利影响中恢复正常运行的能力[10]。

1.2 脆弱性的特征要素

脆弱性是因扰动介入而显现的，在不同类别扰动作用之下表现出不同类别的脆弱性，所以，研究脆弱性必须首先确定外来的扰动类别，然后再研究承载体在不同扰动作用下表现出来的脆弱性。例如，研究地铁脆弱性需要分别研究火灾扰动下的脆弱性，大客流扰动下的脆弱性，水灾扰动下的脆弱性等。

为确切描述脆弱性，需要将脆弱性考核指标进一步细化为，承载体暴露于危险中的程度——暴露度，对于危险反应的敏感程度——敏感度，系统适应扰动影响的程度——适应度。这3种指标称为脆弱性的3个特征要素，如图1。其中，关于脆弱性的3个特征要素，暴露度的概念相对简单，是指系统暴露于扰动的程度，这种程度反应在暴露于扰动的时间、频率和位置。通过图2也得到了比较明确的区分。但是，对于敏感度和适应度如何来区分比较模糊，所以，我们使用系统运行的状态曲线来表述这样一个受到扰动后系统变化的过程，如图1。

系统在A点时扰动介入，介入的时间和程度表现在时间轴和状态轴的坐标。然后，由于敏感度作用，系统的运行状态开始下降，直至达到最低点B。曲线AB的斜率、A点到B点的时间T1以及B点距离系统可运行状态阈值的限度L1，这3个重要参数分别反映了系统对于扰动的反应速度、反应时间以及反应限度。在B点之后，系统的适应度开始起作用，系统运行状态逐渐回升，直至在C点再次达到一个较为稳定的状态。曲线BC的斜率、B点到C点的时间T2以及C点距离系统可运行状态阈值的幅值L2，分别对应系统在扰动后的恢复速度、恢复时间以及恢复程度。

对于脆弱性我们可以构建树图评价体系，如图2。

(1)暴露度。暴露度指风险承载体暴露于风险中的程度，也就是承载体暴露在危险源的扰动中的程度，例如高空作业者暴露度的大小取决于作业者在高空停留时间的长短、空中作业频次的高低以及在高空作业所处的位置。显然，暴露度的量值越高，承载体脆弱性的程度越高。承载体不暴露或少暴露于危险之中就不存在或少存在伤害的可能，降低暴露度就是避免承载体系统暴露于威胁之中，使系统与危险源之间的关联最小化。假如通过采取措施可以使空中作业者能够在不登高、少登高或低登高的情况下完成工作，高空作业危险则消除或降低，安全管理成本也会降低。因此，在脆弱性的管理中暴露度管理应该首先予以关注。

图2 脆弱性特征要素Fig.2 Elements of vulnerability characteristics

(2)敏感度。敏感度指风险承载体对于危险源作用反应的敏感程度，也就是说如果承载体暴露于危险源的扰动之中，危险源导致承载体出现异常的反应时间、反应速度和反应限度，它描述的是系统抵御风险侵袭能力的强弱。例如渣土受纳场的拦土大坝，如果坝体受雨水的渗浸，则坝体对于压力增大的承受能力是否会马上改变，多长时间会出现漏洞、裂缝或松动等，就反映大坝系统运行过程中，设备设施的敏感度。敏感度是承载体系统对风险扰动的敏感程度，或者说是系统受扰动影响的程度。敏感度越低说明系统脆弱性越低，抗风险能力越强。降低敏感度就是使系统从材质上加强对风险的抵御能力，达到系统的本质安全化。

(3)适应度。适应度指风险承载体由于危险源的扰动影响了系统功能的正常运行时，能够采取相应的措施应对，描述的是系统抵消危险影响能力的高低。这种应对异常反应得越迅速，功能恢复得越充分，造成的损失就越小。例如，列车在行进过程中突然前方山体出现滑坡占道，威胁到列车的运行安全，线路上的指示灯便会及时从绿变红，把列车运行前方设定为“闭塞区”，可以避免列车误入导致脱轨事故的发生。适应度反应的是系统适应扰动有效应对的程度。提高适应度，就是要提高系统适应扰动带来的变化，实现故障安全化，达到损失最小化。

2 脆弱性特征要素递次演化规律

系统脆弱性的三要素之间有一个递次呈现的演化规律，如图3。系统是否会受到危险源扰动的影响，首先取决于系统是否会暴露于危险之中，例如一台设备，如果远离火源，或者虽然距离火源较近，但是防火墙挡住了火源，设备当然不会受到危害，所以系统暴露度在脆弱性因素里首当其冲。如果系统由于工作需要不得不暴露于危险之中，就考验设备对危险反应敏感度，即材质抵御危险的能力了。例如火烧到了设备，但是设备由阻燃材料制成，即使处于高温仍然不会变形，保持功能正常。如果系统敏感度不足以保证正常运行，就要看系统的适应度是否具备足够的调节能力，例如火情发生，警报立刻响起，自动灭火系统立刻启动，就可以避免或减少损失。如果适应度不能满足安全要求，事故就会发生，需要进入应急反应。

确定脆弱性的分析框架，特别是确定脆弱性三要素的相互关系，为今后的安全管理提供了重要依据，而且对于制定分层次的控制和减缓风险措施具有重要意义。

图3 脆弱性递次演化分析框架Fig.3 The analysis framework of vulnerability evolution

3 脆弱性评价

由于风险承载体系统脆弱性随着时间以及空间的变化而发生变动，准确评价研究目标的脆弱性，对地铁等项目的设计规划、施工建设乃至既有系统应急管理等各个方面都有深远的现实意义。对系统脆弱性的考察与评价，既有利于优化系统日常运营管理，弥补城市应急管理能力缺陷，减少对风险的暴露程度，从根本上避免或减少灾害的发生，对保证系统运行的安全、快捷、高效具有重要意义。更有利于指导管理部门认清未来系统的脆弱环节，提前采取有针对性地相应的对策，增加投资计划的价值，降低脆弱性。

脆弱性指标细化是否准确，关系到脆弱性评价结果能否真实反应承载体实际安全水平。指标细化中二级指标有2类，一类是脆弱性特征要素，包括暴露度脆弱性评价主要包括指标细化和评价计算2项工作，与常规的风险评价既有相似之处，又有不同之处。脆弱性指标细化是否准确，关系到脆弱性评价结果能否真实反应承载、敏感度和适应度，只有对这3个特征要素做出准确的指标细化，才能准确判别承载体系统的脆弱性高低，否则就会偏离实际；另一类是构成承载体的组元因素，包括人员、设备和环境，只有对所有组元因素准确识别，才能把脆弱性管控真正落到实处。这2类因素虽然分属不同系列，但是两者之间有着十分密切的联系。特征三要素都是依附于组元要素而存在的，组元要素的选取直接影响特征要素的辨识，进而影响脆弱性的高低判别。2类因素要结合起来进行指标细分，既反应出脆弱性递次演化的规律，有利于递次控制的实施，又明确脆弱性特征要素的指向，便于实际工作中的操作。实际研究中，我们将组元因素和特征因素结合起来搭建起双维交叉矩阵，并利用德尔菲法经过三轮量化筛选后，最终确定脆弱性影响因子。例如，以地铁电气系统为例，可以构建出脆弱性影响因子辨识矩阵示意图[11]，如图4。

图4 脆弱性影响因子辨识矩阵示意图Fig.4 Identifying matrix of vulnerability factors

脆弱性影响因子的9组细化指标确定之后，需要到现场逐项辨识，获取原始数据，然后使用相应的统计学等数学工具，按照特征维和组元维计算出脆弱性的单项数据，并进而运用突变理论计算出综合脆弱性数据，一并作为改进安全风险管理工作的依据。人员、设备、环境组元维度的地铁系统站点的脆弱性指标数据,如图5。

图5 地铁某线路站点组元脆弱性指标数据Fig.5 Vulnerability index data of a subway station

4 立足反脆弱，实施脆弱性递次分阶段管理

著名学者《黑天鹅》的作者塔勒布，在2012年出版的著作《反脆弱》中指出，当暴露在波动性，随机性混乱、压力风险和不确定性下时，反而能茁壮成长和壮大，称反脆弱[12]。这给我们提出了积极面对风险，分层次、分阶段主动管控脆弱性的新思路。

反脆弱理论把事物分为脆弱类，强韧类和反脆弱类三种不同的存在形态。通常人们只注意脆弱和强韧两种形态，而且经常绝对化地看问题，一谈到脆弱就认为一无是处，看不到危中有机，认识不到通过努力可以从脆弱中开发出强韧；一说到强韧就觉得无懈可击，高枕无忧，不知道不存在完美的强韧性，意识不到在顺境下更要洞察、挖掘和管控成绩掩盖下的脆弱。

反脆弱需要如周易所称，终日乾乾，夕惕若厉，客观预期多种更坏的结果，投入超额的能力和工作量，仿照自然生态系统面对风险多重预防的显著特征，层层设防，努力减少不利因素，而不是一味增加有利因素，实现生产建设和风险管控两端均衡，让反脆弱性顺其自然发挥作用，达到把不确定转化为优势，在不确定性中获益。

要做到对脆弱性层层设防，就要根据脆弱性暴露度、敏感度和适应度3个特征要素递次呈现的规律，针对各个阶段所产生的不确定性进行分阶段管理，如图6。为了保障承载体的安全，首先要做到努力规避，减免暴露，使承载体与危险源的扰动关联最小化，达到规避危害的目的，实现安全。如果这样的期望达不到，承载体的工作将不得不暴露于扰动之中，就要提高承载体的材质，降低对扰动危害的敏感性，以期通过系统坚强化来抵御危害，实现安全。如果因为条件所限，靠系统本身达不到要求，就要增强系统的柔性，对于扰动及时反应，通过保障性的安全技术措施化解危害，实现故障安全化。

图6 脆弱性要素递次分阶段管理模型Fig.6 A staged management model for the recurrence of vulnerability factors

以下以地铁站区为例，谈谈如何通过有针对性的措施降低在火灾扰动下的脆弱性，避免或减少火灾导致的损失和伤害。

4.1 暴露度管理—关联最小化，规避危害

要控制脆弱性，首要就要控制暴露度。如果承载体少暴露或不暴露于危险之中，承载体受到危险源威胁的几率就低甚至无。降低暴露度的核心是努力规避、隔离或减少系统与危险源的关联。例如，为了避免地铁火灾对乘客的伤害，首要的就是控制火情发生，避免乘客和设备设施暴露于火势当中。需要在进站安检区域严控火源进入站区，把移动火源隔绝在车站外；需要在地铁站区内全面排查，确定可能因供电、照明等其他能量的泄露而转化形成的火源区，在相应区域设立防火隔断；需要把原有为了避免乘客坠落站台而设置的安全隔栏升级改造，成为防坠防火双功能的隔板；需要新建地铁应考虑在行车隧道旁设置安全通道或逃生舱，为人员的安全疏散提供有利条件等。

4.2 敏感度管理—系统坚强化，抵御危害

如果难以避免承载体暴露于风险扰动，则需要从降低风险承载体的敏感度进一步采取措施，减弱受到干扰的程度，降低承载体受到扰动产生不利影响的程度。那么，降低敏感度的原理为，在设计建设阶段尽量提升系统的设计裕量，增加系统的运行宽度。例如，韩国大邱地铁事故中由于车内使用的装饰材料和座椅不防火，塑料材质遇火燃烧后散发出有毒烟雾是大量乘客死亡的重要原因。因此在地铁设计阶段，应最大限度采用阻燃材料或新型防火材料，以期从根本上杜绝火灾脆弱点的出现，如降低座椅、展牌、灯箱等常规可燃物的敏感度，即提高承载体自身固有的耐火材质，降低站区对于应对火灾的脆弱性，可以减少火灾损失。

4.3 适应度管理—故障安全化，化解危害

如果暴露度管理无法避免或减少承载体与危险源的危害，敏感度管理无法使承载体有效抵御不利影响时，则需通过提升适应度，做到能够及时增设援助措施，调节应对能力，使承载体面对危险能够保持原有功能。提升适应度的原理为，提升系统的适应机制，使系统尽快完成自我调整。

为应对地铁火情，首先需要建立一支能够及时适应突发变故的人员导引队伍，现场引导客流，指导客流安全疏散行动。同时，要配备先进的信息收集与处理设备，在地铁全线全面设置火灾自动报警系统，实时采集系统运行数据，及时获取异常信息；为降低事故在地铁网络中传播的速度，应启动站点之间联通隧道隔离装置，避免事态进一步扩大；设计独立的备用线路，保障故障后的系统运行；同时，考虑到乘客对站区内的情况不可能十分熟悉，站台和通道应设置足够的声光电相结合的综合导引系统，提供实时信息，引导乘客做出正确行动决策以及采取必要的安全措施，减少灾害损失和二次灾害等。

5 结论

综上所述，为了有效管理风险，需要着力于承载体遭受威胁以后脆弱性的变化，把控风险的本质，从根本上控制风险。通过解析脆弱性的三大要素，确定有针对性的综合控制方案；并根据特征要素暴露度、敏感度和适应度三要素递次演化的规律，明确各阶段管理重点；结合系统实际情况，采用3个特征要素与人、机、环子系统双维度矩阵式辨识方法，提高辨识的全面性和控制措施针对性。最终形成应对多种风险扰动的动态过程管理，有针对性地做好风险防控中承载体位置设计，材质选取和故障控制优先级，从而可以最大程度地降低风险、灾害所带来的严重后果。

随着社会生活中风险不断增加，城市运行网络化进程的加快，突发的事故不只对单一对象造成影响，对区域网络甚至整个网络均会造成影响。如果预先对于风险承载体脆弱性管控措施不得力，就会产生连锁反应，最终全面爆发。因此，为了避免灾害递次演化的多米诺效应，就要求我们尽早发现问题，找出潜在脆弱点，努力保证系统正常运转，这对减少事故带来的资源、经济损失，控制成本，减少不利影响具有重要的意义。