基于熵理论的海上危化品运输系统安全研究
李建民等
摘要：
为促进海上危化品的安全运输，提出从系统稳定性方面开展安全研究.以船、人、环境、货物和管理为安全因素构建海上危化品运输系统，研究系统的耗散结构.提出海上危化品运输系统安全熵概念并建立安全熵模型.考虑到各安全因素指标项对系统安全贡献迥异，引入安全加权熵.实船案例验证理论应用的正确性.
关键词：
海上危化品运输系统； 耗散结构； 熵理论； 安全熵
中图分类号： U695.292
文献标志码： A
Study on safety of dangerous chemical marine transportation
system based on entropy theory
LI Jianmin1， SONG Shaozhen1， DIAO Yalin1， GUAN Wei1， YAN Huaran2
（
1.Navigation College， Dalian Maritime Univ.， Dalian 116026， Liaoning， China；
2.Merchant Marine College， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）
Abstract：
To improve the safety of dangerous chemical marine transportation， the stability of system is paid attention to.The dangerous chemical marine transportation system is built where the ship， human， environment， cargo and management are considered as 5 safety factors.The dissipative structure of the system is studied.The concept of the system safety entropy is put forward and the safety entropy model is established.Considering that each safety factor index has different contribution to the system safety， the safety weighted entropy is introduced.The actual ship case verifies the correctness of the theory.
Key words：
dangerous chemical marine transportation system； dissipation structure； entropy theory； safety entropy
收稿日期： 20141113
修回日期： 20150127
基金项目：
国家自然科学基金 （51409033， 21276036）
作者简介：
李建民（1970—），男，吉林长春人，副教授，船长，博士，研究方向为交通信息工程及控制，（Email）ljmmr@163.com
0引言
海上散装危险化学品（简称“危化品”）运输是大宗货物运输的一种，处于化工产业链的上中游，是国民经济发展的基础和有力保障.近年来，国内外学者在海上危化品运输安全及其相关领域开展了广泛研究，并提出各种研究方法，如数理统计方法、基于概率论和蒙特卡洛模拟的方法、层次分析法、模糊综合评价法、基于DS证据理论的方法以及系统动力学方法等.由于受到货物敏感危险属性及海运环境复杂性的共同作用，海上危化品运输系统表现出显著的多元性特点，更适合以系统论为基础、以稳定性为着眼点开展安全研究.
1海上危化品运输系统的构成及复杂性
根据《国际散装运输危险化学品船舶构造和设备规则》（IBC Code， International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Dangerous Chemicals in Bulk）的定义，“散装危险化学品”是“那些在温度为37.8 ℃时，蒸气绝对压力不超过0.28 MPa的液体”.这些液体通常具有腐蚀、毒害、易燃、易爆等性质，在运输、生产、管理等过程中极易造成环境灾难、人身伤亡及载运工具损失.海上危化品运输系统是个典型的复杂系统，具有不确定性、动态性、开放性、突变性和不可逆性等特点.
1.1海上危化品运输系统构成
从“人机环境”系统工程学角度看，海上交通工程学的人、船、环境分别对应系统工程学的人、机、环境.这种系统构建方法没有单独考虑货物因素，而是将其归为船因素的一个子因素，原因在于常见的普通海上运输系统中货物因素相对稳定，将其放入船因素中可大幅降低研究难度.然而，由于海上危化品运输系统中的货物具有明显的危险属性，危化品运输船舶在航行中需要精细的管理行为，包括控制温度、压力，防火，防爆，防止货物及货物蒸气泄漏，防止人员及环境伤害等；同时，由于危化品船舶航期短、周转快，海上备舱过程复杂，会频繁进行蒸舱、洗舱、验舱等危险性操作；另外，相较于普通海上货物运输，危化品运输事故对环境危害更大，持续时间更长，更易造成社会恐慌.可见，在海上危化品运输系统中货物是不可忽略的安全因素.
“人机环境”系统工程学是一门技术科学，研究目的是如何科学地设计一个系统，并使其安全、高效、经济地运行.而海上交通工程学解决的是，在一个既定的系统中协调人、船、环境三者之间的关系，以达到安全运营的目的.前者强调设计，而后者强调管理.在海上危化品运输系统中，由于引入货物因素，管理的必要性被进一步加强.
因此，构建海上危
化品运输系统，见图1.
图1中：顶点S，H，E和C分别代表运输系统的船、人、环境和货物；M代表管理，位于立方体内部，是各因素连接的节点.
1.2海上危化品运输系统的复杂性
系统是在一定环境中相互之间具有一定关系的
各组成成分的总体.为研究方便，定义海上危化品运输系统为母系统（简称系统），称各安全因素为子系统.海上危化品运输系统包含船、人、环境、货物和管理5个子系统.
传统海上交通工程学主要关注船、人、环境3个因素对系统安全的影响.在危化品运输系统中，货物因素除对系统安全产生直接影响外，还会对其他各因素产生复杂作用，例如对人的心理、生理状态的影响，对船体、管线、货舱的腐蚀，对船员管理行为的影响等.此外，货物还会引起其他安全因素间的相互作用，这种作用较普通海上货运系统复杂得多，例如，危化品船舶对人的管理水平要求更高，船舶对环境更敏感等.
根据系统论，若系统的子系统种类较多且结构具有层次性和复杂的关联性，则称该系统为复杂系统.可见，海上危化品运输系统是个复杂系统.
1.3海上危化品运输系统的耗散结构
从耗散结构理论而言，海上危化品运输系统还具有耗散结构的典型特征：一定的开放性、系统远离平衡态、子系统间非线性、涨落有序等.
1.3.1一定的开放性
复杂系统的开放性是指系统与外界保持不间断联系和交流的性质，包括物质、信息和能量的交换以及与外界的相互作用.定义系统开放度
O=f（ΔM，ΔE，ΔI）
（1）
式中：ΔM，ΔE和ΔI分别为系统与外界环境交换物质、能量、信息量的多少.当O≠0时，系统具有一定的开放性，这也是系统演变的前提.
在海上危化品运输系统中，货物的装卸、压载水的加排、货物蒸气的排放及回收等属于物质交换；货物受环境影响温度产生变化，主机或舵与海水的相互作用等属于能量交换；通信导航系统信息的收发，岸上信息对船员心理的作用等属于信息交换.在上述3种交换中，能量交换和信息交换是系统安全的保障，安全的物质交换是系统的目标和结果.物质交换失败往往预示着事故的发生.
1.3.2系统远离平衡态
在开放的海上危化品运输系统内，多种指标项依据其相互关联性构成系统的各子系统（即安全因素）.从时间上看，运输系统中各子系统及其构成指标项间的发展变化存在不平衡，对整个运输系统的影响存在势差，势差形成动态性的流和力.开放条件下，在系统内外因素的共同作用下，海上危化品系统开放度会进一步加大，物质、信息和能量交换也会进一步加剧，即非平衡作用逐渐加强.通过开放性，运输系统不断从外界获得负熵流，熵流项的绝对值不断增大，能够抵消的熵产生值就越多，系统总熵也就不断减少，最终使得系统处于一种远离平衡的状态.
1.3.3子系统间非线性
作为一个复杂系统，海上危化品运输系统内各子系统、子系统内部安全指标之间的相互作用不是简单的叠加，而是一种复杂的综合现象，具有典型的非线性特征.在系统演变过程中，子系统或各安全指标的变化，有的对演变起促进作用，有的对演变起抑制作用，有的在一定程度下起抑制作用，超过这个程度可能起到促进作用（例如，风在一定程度上有利于毒气的消散，但是过猛烈的风会对安全造成威胁）.可见，系统内子系统及其指标间存在非线性，是系统有序结构得以形成的内在动力.
1.3.4涨落有序
涨落实质上是一种空间上的干扰行为，它是物质交换、信息交换和能量交换的必然结果.当系统远离平衡态且内部具有正反馈机制时，偏离平均值的微小涨落被正反馈机制不断放大，变成巨涨落，从而导致体系发生非平衡相变，促使系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态.在海上危化品运输系统中，外界因素的改变（如气温、海况、管理体制等的变化）都会对系统涨落构成影响.由于不仅系统处于非平衡态，而且各子系统间还具有非线性的相互作用，即系统各部分间相互作用、相互耦合、相互制约，最终使得微小的涨落被放大，从而形成时空有序的耗散结构.
参考文献：
[1]
SULAIMAN O， ABD KADER A S， SAHARUDDIN A H， et al.Safety and environmental risk and reliability modeling process for sustainable inland water transportation system[J].J Mar Environ Eng， 2010， 9（2）： 145173.
[2]SORMUNEN OV E， EHLERS S， KUJALA P.Collision consequence estimation model for chemical tankers[J].Proc Institution of Institution Mech Engineers Part M： J Eng Maritime Environ， 2013， 227（2）： 98106.
[3]WANG Zhenqiang， LUO Hongwei.Application study of investment risk analysis of coastal transportation business of liquid chemical products[C]//2010 Int Conf Manage & Serv Sci， Wuhan， China， 2010： 14.DOI： 10.1109/ICMSS.2010.5576768.
[4]缪克银.危险品货物海上安全运输风险模糊评判[J].中国航海， 2012， 35（4）： 7679.
[5]SHI Lei， SHUAI Jian， XU Kui.Fuzzy fault tree assessment based on improved AHP for fire and explosion accidents for steel oil storage tanks[J].J Hazardous Mat， 2014， 278（8）： 529538.
[6]CUI Yuanhui， TANG Zhenan， YU Jun.State recognition based on fuzzy integration function for transporting hazardous chemicals[C]//Proc 3rd Int Workshop Adv Comput Intell， IWACI 2010， 2010： 223226.DOI： 10.1109/IWACI.2010.5585108.
[7]张欣欣.基于证据推理的沿海水域交通安全评估[J].上海海事大学学报， 2011， 32（2）： 3741.
[8]CHEN Guopeng， CHEN Qian.Risk assessment of navigation in Yangtze River based on system dynamics[C]//ICTIS 2013： Improving Multimodal Transportation Systems Information， Safety， and Integration， 2013： 14821491.
[9]李建民， 齐迹， 郑中义， 等.基于熵与耗散理论的海上危险化学品运输系统[J].大连海事大学学报， 2013： 39（1）： 8588.
[10]吴兆麟.科学的水上交通安全观之探讨[J].珠江水运， 2012（6）： 2427.
[11]龙升照.人机环境系统工程学研究进展（第七卷）[M].北京： 海洋出版社， 2005： 115.
[12][美]冯·贝塔朗菲.一般系统论基础发展和应用[M].北京： 清华大学出版社， 1987： 251.
[13]钱学森， 于景元， 戴汝为.一个科学新领域——开放的复杂巨系统及其方法论[J].自然杂志， 1990， 13（1）： 310.
[14]李建民， 齐迹， 郑中义.不确定条件下海上危化品运输安全演变机理[J].哈尔滨工程大学学报， 2014， 35（5）： 701712.
[15]FENG Lin. Research on complex process network system reliability based on entropy theory[J].Int J Advancements in Computing Technol， 2012， 4（11）： 267274.
（编辑贾裙平）
摘要：
为促进海上危化品的安全运输，提出从系统稳定性方面开展安全研究.以船、人、环境、货物和管理为安全因素构建海上危化品运输系统，研究系统的耗散结构.提出海上危化品运输系统安全熵概念并建立安全熵模型.考虑到各安全因素指标项对系统安全贡献迥异，引入安全加权熵.实船案例验证理论应用的正确性.
关键词：
海上危化品运输系统； 耗散结构； 熵理论； 安全熵
中图分类号： U695.292
文献标志码： A
Study on safety of dangerous chemical marine transportation
system based on entropy theory
LI Jianmin1， SONG Shaozhen1， DIAO Yalin1， GUAN Wei1， YAN Huaran2
（
1.Navigation College， Dalian Maritime Univ.， Dalian 116026， Liaoning， China；
2.Merchant Marine College， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）
Abstract：
To improve the safety of dangerous chemical marine transportation， the stability of system is paid attention to.The dangerous chemical marine transportation system is built where the ship， human， environment， cargo and management are considered as 5 safety factors.The dissipative structure of the system is studied.The concept of the system safety entropy is put forward and the safety entropy model is established.Considering that each safety factor index has different contribution to the system safety， the safety weighted entropy is introduced.The actual ship case verifies the correctness of the theory.
Key words：
dangerous chemical marine transportation system； dissipation structure； entropy theory； safety entropy
收稿日期： 20141113
修回日期： 20150127
基金项目：
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作者简介：
李建民（1970—），男，吉林长春人，副教授，船长，博士，研究方向为交通信息工程及控制，（Email）ljmmr@163.com
0引言
海上散装危险化学品（简称“危化品”）运输是大宗货物运输的一种，处于化工产业链的上中游，是国民经济发展的基础和有力保障.近年来，国内外学者在海上危化品运输安全及其相关领域开展了广泛研究，并提出各种研究方法，如数理统计方法、基于概率论和蒙特卡洛模拟的方法、层次分析法、模糊综合评价法、基于DS证据理论的方法以及系统动力学方法等.由于受到货物敏感危险属性及海运环境复杂性的共同作用，海上危化品运输系统表现出显著的多元性特点，更适合以系统论为基础、以稳定性为着眼点开展安全研究.
1海上危化品运输系统的构成及复杂性
根据《国际散装运输危险化学品船舶构造和设备规则》（IBC Code， International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Dangerous Chemicals in Bulk）的定义，“散装危险化学品”是“那些在温度为37.8 ℃时，蒸气绝对压力不超过0.28 MPa的液体”.这些液体通常具有腐蚀、毒害、易燃、易爆等性质，在运输、生产、管理等过程中极易造成环境灾难、人身伤亡及载运工具损失.海上危化品运输系统是个典型的复杂系统，具有不确定性、动态性、开放性、突变性和不可逆性等特点.
1.1海上危化品运输系统构成
从“人机环境”系统工程学角度看，海上交通工程学的人、船、环境分别对应系统工程学的人、机、环境.这种系统构建方法没有单独考虑货物因素，而是将其归为船因素的一个子因素，原因在于常见的普通海上运输系统中货物因素相对稳定，将其放入船因素中可大幅降低研究难度.然而，由于海上危化品运输系统中的货物具有明显的危险属性，危化品运输船舶在航行中需要精细的管理行为，包括控制温度、压力，防火，防爆，防止货物及货物蒸气泄漏，防止人员及环境伤害等；同时，由于危化品船舶航期短、周转快，海上备舱过程复杂，会频繁进行蒸舱、洗舱、验舱等危险性操作；另外，相较于普通海上货物运输，危化品运输事故对环境危害更大，持续时间更长，更易造成社会恐慌.可见，在海上危化品运输系统中货物是不可忽略的安全因素.
“人机环境”系统工程学是一门技术科学，研究目的是如何科学地设计一个系统，并使其安全、高效、经济地运行.而海上交通工程学解决的是，在一个既定的系统中协调人、船、环境三者之间的关系，以达到安全运营的目的.前者强调设计，而后者强调管理.在海上危化品运输系统中，由于引入货物因素，管理的必要性被进一步加强.
因此，构建海上危
化品运输系统，见图1.
图1中：顶点S，H，E和C分别代表运输系统的船、人、环境和货物；M代表管理，位于立方体内部，是各因素连接的节点.
1.2海上危化品运输系统的复杂性
系统是在一定环境中相互之间具有一定关系的
各组成成分的总体.为研究方便，定义海上危化品运输系统为母系统（简称系统），称各安全因素为子系统.海上危化品运输系统包含船、人、环境、货物和管理5个子系统.
传统海上交通工程学主要关注船、人、环境3个因素对系统安全的影响.在危化品运输系统中，货物因素除对系统安全产生直接影响外，还会对其他各因素产生复杂作用，例如对人的心理、生理状态的影响，对船体、管线、货舱的腐蚀，对船员管理行为的影响等.此外，货物还会引起其他安全因素间的相互作用，这种作用较普通海上货运系统复杂得多，例如，危化品船舶对人的管理水平要求更高，船舶对环境更敏感等.
根据系统论，若系统的子系统种类较多且结构具有层次性和复杂的关联性，则称该系统为复杂系统.可见，海上危化品运输系统是个复杂系统.
1.3海上危化品运输系统的耗散结构
从耗散结构理论而言，海上危化品运输系统还具有耗散结构的典型特征：一定的开放性、系统远离平衡态、子系统间非线性、涨落有序等.
1.3.1一定的开放性
复杂系统的开放性是指系统与外界保持不间断联系和交流的性质，包括物质、信息和能量的交换以及与外界的相互作用.定义系统开放度
O=f（ΔM，ΔE，ΔI）
（1）
式中：ΔM，ΔE和ΔI分别为系统与外界环境交换物质、能量、信息量的多少.当O≠0时，系统具有一定的开放性，这也是系统演变的前提.
在海上危化品运输系统中，货物的装卸、压载水的加排、货物蒸气的排放及回收等属于物质交换；货物受环境影响温度产生变化，主机或舵与海水的相互作用等属于能量交换；通信导航系统信息的收发，岸上信息对船员心理的作用等属于信息交换.在上述3种交换中，能量交换和信息交换是系统安全的保障，安全的物质交换是系统的目标和结果.物质交换失败往往预示着事故的发生.
1.3.2系统远离平衡态
在开放的海上危化品运输系统内，多种指标项依据其相互关联性构成系统的各子系统（即安全因素）.从时间上看，运输系统中各子系统及其构成指标项间的发展变化存在不平衡，对整个运输系统的影响存在势差，势差形成动态性的流和力.开放条件下，在系统内外因素的共同作用下，海上危化品系统开放度会进一步加大，物质、信息和能量交换也会进一步加剧，即非平衡作用逐渐加强.通过开放性，运输系统不断从外界获得负熵流，熵流项的绝对值不断增大，能够抵消的熵产生值就越多，系统总熵也就不断减少，最终使得系统处于一种远离平衡的状态.
1.3.3子系统间非线性
作为一个复杂系统，海上危化品运输系统内各子系统、子系统内部安全指标之间的相互作用不是简单的叠加，而是一种复杂的综合现象，具有典型的非线性特征.在系统演变过程中，子系统或各安全指标的变化，有的对演变起促进作用，有的对演变起抑制作用，有的在一定程度下起抑制作用，超过这个程度可能起到促进作用（例如，风在一定程度上有利于毒气的消散，但是过猛烈的风会对安全造成威胁）.可见，系统内子系统及其指标间存在非线性，是系统有序结构得以形成的内在动力.
1.3.4涨落有序
涨落实质上是一种空间上的干扰行为，它是物质交换、信息交换和能量交换的必然结果.当系统远离平衡态且内部具有正反馈机制时，偏离平均值的微小涨落被正反馈机制不断放大，变成巨涨落，从而导致体系发生非平衡相变，促使系统从不稳定状态跃迁到一个新的有序状态.在海上危化品运输系统中，外界因素的改变（如气温、海况、管理体制等的变化）都会对系统涨落构成影响.由于不仅系统处于非平衡态，而且各子系统间还具有非线性的相互作用，即系统各部分间相互作用、相互耦合、相互制约，最终使得微小的涨落被放大，从而形成时空有序的耗散结构.
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[9]李建民， 齐迹， 郑中义， 等.基于熵与耗散理论的海上危险化学品运输系统[J].大连海事大学学报， 2013： 39（1）： 8588.
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[15]FENG Lin. Research on complex process network system reliability based on entropy theory[J].Int J Advancements in Computing Technol， 2012， 4（11）： 267274.
（编辑贾裙平）
