基于系统动力学的安全防范系统各影响因素研究

刘 宇， 陈文静

(中国人民公安大学警务信息工程与网络安全学院， 北京 100038)

0 引言

安全防范的3个基本手段包括人力防范、实体防范和技术防范(以下分别简称为：人防、物防和技防)，安全防范以人防为基础，以物防的保护和延迟为依托，以技防的探测感知为快速反应的前导，通过联网联动及时响应风险事件，妥善处置和化解风险，避免或减少损失。其中，人防的主要职能是“快速反应和处置”，物防的主要功能是“阻止、迟滞”；技防的主要功能是“探测、报警、联动”。在当前安全形势日益严峻，以及“跨界”、“融合”的安防发展趋势下，安全防范的3种手段变得愈发复杂，其中人防和技防融入了大量的管理制度和机制；安全防范内涵和外延同时也发生了巨大变化，对突发事件的应急响应和处置成为安全管理工作的重要组成部分。因此，安全防范系统需要在安全管理体系的支撑下，构筑起人防、物防和技防三者相辅相成的防护屏障，部署好应急响应和处置流程，形成周界、出入口、防护区、监视区、警戒区、禁区的纵深防护体系，联网联动整体运行，随时获取安全态势信息，并最终对突发事件做出快速和有力的响应和处置[1]。

通过文献查阅，发现我国学者将系统动力学运用在系统内部影响因素的研究有很多,但安防领域的相关研究却很少。杜梦晨[2]通过对能源贫困影响因素的归纳和提炼，建立相关系统动力学模型并仿真运行，得到了能源贫困影响因素系统中各因素的相互作用状况和反馈机制，总结出了能源贫困问题的关键因素。帅珍珍等[3]通过构建施工项目安全管理的系统动力学模型，定量分析了各个因素在安全投入增长相同的情况下对系统安全水平影响的大小，进而指导实践。常春光等[4]就装配式建筑施工安全评价及管理措施等问题进行系统动力学仿真模拟，得出不同因素对装配式建筑施工安全的不同影响。

1 系统动力学及解决问题的一般步骤

美国Forrester教授在20世纪中叶创立了系统动力学(System Dynamics，简写为SD)。系统动力学创立之初借鉴了系统与信息等相关领域的理论，常常被用来研究一些非线性以及多变量的问题[5]。最初系统动力学主要用在工业生产、企业运行等相关领域，经过近七十多年的发展与完善，系统动力学的应用领域得到了拓展，被研究学者运用于研究城市经济预测、经营与管理、能源开发、安全生产等领域[6-7]。

应用系统动力学方法分析问题的一般流程如下图1。在实际操作当中，模型的构建、对各项指标的量化处理以及对模型运行结果的分析都是极为关键的环节[8]。

图1 系统动力学流程图

2 安全防范系统效能的系统动力学分析与建模

2.1 安全防范系统效能影响因素分析

本文提出了影响安全防范系统效能的5大要素：人防、物防、技防、安全管理和应急响应，并且通过改变构建的系统动力学模型中对各影响因素的安全投入，研究五要素对安全防范系统效能水平的影响大小。

人力防范是指具有相应素质的人员有组织的实施防范、处置等安全管理的行为，简称人防[9]。人防的优势在于具有主观能动性，同时也存在易疲劳、需要长期训练等特点[10]。实体防范是指利用建(构)筑物、屏障、设备或其组合，延迟风险事件发生的实体防护手段，简称物防[9]。物防如果安置得当，可以起到直接阻断攻击的作用。古代的护城河、城墙城门、八卦阵、迷宫等都是最好的物防实例[10]。技术防范是指利用传感器、计算机、信息处理及控制等现代电子技术，辅助提高探测、延迟与反应能力的防护手段，简称技防[9]。技防是人的视觉、听觉的能力延伸，具有信息集成的显著特征[10]。安全管理则融合在安防系统建设和使用的全过程。应急响应是指为了应对突发或重大安全事件的发生所做的准备以及在事件发生后所采取的措施。

在确定了影响安防系统效能的5个一级影响指标后，通过分析行业标准、相关文献和专家咨询，确立了各子系统下的二级影响因子，见表1。

表1 安全防范系统效能影响因子变量集

续表1

2.2 安全防范系统效能系统动力学模型变量集

结合上文内容，对5大子系统的影响变量加以归纳与整理，建立了如表1所示的影响因子变量集。

2.3 安全防范系统效能系统动力学流图及动力学方程

结合表1的变量集，构建安全防范系统效能系统动力学流图，如图2所示。

安全防范系统效能的系统动力学方程：

L.K=L1.K×QZ1+L2.K×QZ2+L3.K×QZ3+L4.K×QZ4+L5.K×QZ5

(其中QZ1+QZ2+QZ3+QZ4+QZ5=1)

(1)人力防范子系统

L1.K=L1.J+(DT)×[R1(t)×YX11×YX12×YX13]R1(t)=EXP[-(P11×QZ11+P12×QZ12+P13×QZ13)]TR1=TR×BL1P11=TR1×BL11×ZH11P12=TR1×BL12×ZH12P13=P11×YX15+P12×YX14

(2)实体防范子系统

L2.K=L2.J+(DT)×[R2(t)×YX21×YX22×YX23]R2(t)=EXP[-(P21×QZ21+P22×QZ22)]TR2=TR×BL2P21=TR2×BL21×ZH21P22=TR2×BL22×ZH22

图2 安全防范系统效能系统动力学流图

(3)技术防范子系统

L3.K=L3.J+(DT)×[R3(t)×YX31]

R3(t)=EXP[-(P31×QZ31+P32×QZ32+

P33×QZ33+P43×QZ34)]

TR3=TR×BL3

P31=TR3×BL31×ZH31

P32=TR3×BL32×ZH32

P33=TR3×BL33×ZH33

(4)安全管理子系统

L4.K=L4.J+(DT)×[R4(t)×YX41×YX42×YX43]R4(t)=EXP[-(P41×QZ41+P42×QZ42+P43×QZ43)]TR4=TR×BL4P41=TR4×BL41×ZH41P42=TR4×BL42×ZH42P43=TR4×BL43×ZH43

(5)应急响应子系统

L5.K=L5.J+(DT)×[R5(t)×YX51×YX52]R5(t)=EXP[-(P51×QZ51+P52×QZ52)]TR5=TR×BL5P51=TR5×BL51×ZH51P52=TR5×BL52×ZH52

式中L表示安全防范系统效能高低的指标，Li.K(i=1,2,3,4,5)为K时刻该子系统的安全效能水平值，Li.J(i=1,2,3,4,5)为J时刻该子系统的安全效能水平值，DT为仿真模型中的时间步长，设定为一个月。

3 安全防范系统效能的系统动力学仿真及结果分析

3.1 模拟仿真参数确定

本文选取某军工单位为研究案例，该单位占地面积约25万m2，内部有4座主体办公楼，6座仓库及其他厂房，周界全长约1 900 m，高度约2 m左右；共有4道大门和外界直接相连，值岗巡逻安全保卫人员16人；技防系统主要有视频监控、入侵报警、出入口控制和电子巡更系统等。

模型中所涉及到权重的确定方法为层次分析法，初始值和常数的确定，采用专家打分法和问卷调查法[11-14]，因文章篇幅受限，问卷调查样表不做罗列，多次调整修正后，本文所确定的权重、初始值及部分常数的取值，如表2所示。

此处对仿真条件进行说明，设定系统效能仿真的安全水平目标值为90。通过前期对该单位各子系统建设现状效能的评估，得到其安防系统效能初始值为68.51，遂通过安全投入来提升安全效能。根据企业台账设定安全投入为20万/月，即TR=20(无量纲)，仿真时间为48个月。

3.2 模拟仿真的输出及结果分析

综合以上各条件，利用VensimPLE进行模拟仿真，得到如图3仿真趋势图。

从图3可以看出，随着时间的变化安全防范系统效能水平逐渐提升，并且提升的速度逐渐放缓。根据图4的输出数据，安全防范系统效能值在第40个月的时候才达到目标水平，表明持续的安全投入是安全防范系统效能提高的前提条件。

表2 模型参数取值

图3 安防系统效能仿真趋势图

通过Vensim PLE仿真,还可以得到各个子系统效能变化趋势图，如图5所示。由图5可知，人力防范效能、实体防范效能、技术防范效能增加较快，而安全管理效能及应急响应效能增加较慢，说明安防系统的安全投入对人防、物防、技防3种防范手段效能的提升较为明显，而对安全管理与应急响应等非硬性因素提升较为缓慢。为此，后文设置了对比实验。

图4 安防系统效能数据输出界面图

3.3 对比实验及结果分析

通过以上仿真模拟可以直观地看到，相对于传统的人防、物防、技防等硬性安防技术手段，安全管理与应急响应的效能值提升较为缓慢，但这不代表可以减少甚至取消这两方面的相关投入，为此专门设置了对比实验。在以下几组方案中安全投入保持不变，只是通过改变不同子系统投入的比例并比较仿真结果，需要说明的是对比方案中的投入比例值只反映投入的力度与趋势变化，不具有具体指导意义。

表3 安全投入不同比例方案

按照表3中方案进行相关参数修改，并在仿真软件中复合模拟得到各方案下安防系统效能水平变化图，如图6所示。不同方案下得到的曲线变化趋势大致相同，随着时间推移，各方案下安防系统效能的变化量逐渐在曲线上显现出来，结果表明：不同安全投入比例对子系统效能的增长存在影响，并最终导致了安防系统效能值不同的变化趋势。

图6 不同方案下系统效能水平变化趋势图

由图7所示的对比仿真输出数据，可以看出：原方案、方案1、方案2、方案3以及方案4分别在第40、48、36、33、47个月到达目标值(90)。对比原方案，在同样是达到目标水平的情况下，方案1是同等比例投入，结果要比原方案延迟至少8个月。方案2是将安全管理与应急响应的投入比例增加至0.38和0.22，结果比原方案提早4个月。方案3是对安全管理与应急响应的投入比例分别加强了至0.40和0.25，结果比原方案进一步提前了7个月。而方案4则将安全管理与应急响应的安全投入比例降至了0.24和0.11,此时人、物、技3部分的投入比例相应提升，结果发现比原方案延迟了7个月。

图7 对比仿真下系统效能数据输出界面图

由方案1与原方案对比可得：安全投入一定时，均等投入的做法不可取，会使有限的安全投入资源造成浪费。

方案2、3、4一起与原方案对比可得：安全投入一定时，适当加强对安全管理与应急响应的投入有利于提高安防系统整体的效能。

综上所述，目前该单位安防系统提升安全效能的工作重点应放在进一步提升安全管理和突发事件的应急响应与处置能力方面。

4 结论

根据上文对该单位安防系统效能的模拟仿真以及仿真对比实验的结果，本文所得基本结论如下：

(1)根据所得各因素权重大小可知，在5大子系统中对安防系统效能影响的大小排序依次为人力防范子系统、技术防范子系统、实体防范子系统、安全管理子系统、应急响应子系统。

(2)企业在安防系统建设时，安全效能的提升离不开长期安全资金的投入。

(3)安防系统建设的安全投入一定时，均等投入效果最差，决策管理者必须结合实际情况差异化的给与投入排序，才能在较短的时间内使安防系统的效能提升到目标水平。

(4)安防系统建设的安全投入一定时，应适当加强对安全管理与应急响应的投入。改善安全管理体制与应急响应水平后，可以更加顺畅高效地联动人、物、技3种手段进行防范，有利于快速提高安防系统整体的效能。