李建民，齊跡，鄭中義

（大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116024）

不確定條件下海上?；愤\(yùn)輸安全演變機(jī)理

李建民，齊跡，鄭中義

（大連海事大學(xué)航海學(xué)院，遼寧大連116024）

為研究不確定因素對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的影響，基于耗散理論提出海上危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸系統(tǒng)安全演變機(jī)理，從能量觀點(diǎn)建立系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)模型，在研究系統(tǒng)安全過(guò)程中同時(shí)考慮系統(tǒng)的熵和能量。利用熵原理推導(dǎo)出系統(tǒng)安全熵變化曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行安全等級(jí)劃分。數(shù)值算例驗(yàn)證了熵與能量結(jié)合能夠定量描述不確定因素對(duì)運(yùn)輸系統(tǒng)的影響，有利于系統(tǒng)安全路徑的選擇。結(jié)果表明，熵和能量與海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全演變密切相關(guān)。

海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)；耗散機(jī)理；系統(tǒng)安全演變；演變機(jī)理；勢(shì)能函數(shù)；安全路徑選擇；不確定

海上大宗危化品貨物運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)和有力保障。一般研究認(rèn)為，海上貨物運(yùn)輸系統(tǒng)由“人”、“船”、“環(huán)境”3方面因素組成，是一個(gè)典型的復(fù)雜社會(huì)系統(tǒng)［1］。在系統(tǒng)安全研究中，“人”因素主要研究人為失誤對(duì)系統(tǒng)安全造成的影響［2］；“船”因素主要研究船舶本身的安全性能［3］，貨物屬性只是影響船舶安全性能的一個(gè)子因素；“環(huán)境”因素主要研究了水文氣象條件對(duì)航行安全的影響［4］。?；愤\(yùn)輸是海上貨物運(yùn)輸?shù)囊粋€(gè)特例。

但是鑒于海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)具有明顯的耗散結(jié)構(gòu)特征，上述研究方法難以揭示系統(tǒng)本質(zhì)，需要基于自組織與他組織的系統(tǒng)熵流機(jī)理開(kāi)展海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)安全研究。

1 海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)

1.1 海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)特性

與普通貨物相比較，?；肪哂幸兹家妆?、生物毒害積聚等特殊危險(xiǎn)屬性，因此開(kāi)展?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全研究時(shí)必須充分重視“貨”因素。這樣就形成了以“人”、“船”、“環(huán)境”、“貨”4方面因素為研究對(duì)象的海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)。為了深入研究系統(tǒng)安全演變機(jī)理，保障運(yùn)輸安全，以非線性理論為基礎(chǔ)，得出海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)以下幾個(gè)特性。

1）開(kāi)放性。開(kāi)放性體現(xiàn)在與環(huán)境的信息、物質(zhì)和能量交換3個(gè)層面上。與普通運(yùn)輸系統(tǒng)相比，海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)能量交換更為復(fù)雜，既包括危化品船舶與外環(huán)境的能量交換，又包括?；坟浳锱c內(nèi)外環(huán)境的熱交換。

2）動(dòng)態(tài)性。系統(tǒng)的開(kāi)放特性決定了其動(dòng)態(tài)性。與普通運(yùn)輸系統(tǒng)相比，海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性多體現(xiàn)在貨物因素及與其密切相關(guān)諸因素的改變上，包括貨物理化屬性的改變，及由此引起的其它因素的改變。

3）不確定性。①貨物的理化屬性、安全指標(biāo)等易于受到其他3方面因素?cái)_動(dòng)的影響，各擾動(dòng)具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和模糊性；②“貨”與“人”、“船”、“環(huán)境”之間的相互作用具有較強(qiáng)的不確定性。

4）突變性。受到開(kāi)放性、動(dòng)態(tài)性、不確定性的影響，海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)隨時(shí)會(huì)從一種安全狀態(tài)遷躍到另一種安全狀態(tài)，即發(fā)生突變。由于貨物易燃易爆屬性的引入，系統(tǒng)突變性更強(qiáng)。

5）不可逆性。海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)的突變現(xiàn)象一般都是不可逆的，包括貨物理化屬性改變的不可逆性和事故后果的不可逆性。貨物理化屬性不可逆性包括貨物的燃燒、爆炸、凝固、吸濕、聚合、氧化等。

1.2 海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)的耗散結(jié)構(gòu)

耗散理論以熵（dS）為工具，描述了系統(tǒng)具有普適意義的能量交換過(guò)程，揭示出系統(tǒng)演變的本質(zhì)特征［5］。海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)遠(yuǎn)離均衡態(tài)的開(kāi)放系統(tǒng)，時(shí)刻與環(huán)境存在著物質(zhì)、能量與信息的交換。在安全演變過(guò)程中，系統(tǒng)不但受自身各安全因素變化的影響，還受到外界各種擾動(dòng)因素的影響，使系統(tǒng)原有的均衡不斷被打破，始終處于向新均衡態(tài)遷躍的行為狀態(tài)，因此海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)具有典型的耗散結(jié)構(gòu)特征。

2 海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)耗散機(jī)理

設(shè)海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)為S，它始終與環(huán)境保持著能量交換。該系統(tǒng)中，由一定時(shí)間里不可人為改變的因素所構(gòu)成的環(huán)境稱為外環(huán)境，其他為內(nèi)環(huán)境。若分別記外環(huán)境流入流出系統(tǒng)的能量為N+和N-，則S與內(nèi)環(huán)境之間的實(shí)際能量“強(qiáng)加”或“供給”為n+或者n-。當(dāng)N+＝n+，N-＝n-時(shí)，系統(tǒng)處于均衡狀態(tài)，并假設(shè)這一時(shí)刻是系統(tǒng)的初始點(diǎn)。外界新能量進(jìn)入系統(tǒng)后一部分轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)能，該能量對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)一般沒(méi)有影響；其余未轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)能的部分可以稱為“自由能”，自由能具有“活躍性”和“非穩(wěn)定性”，并將促使系統(tǒng)“遠(yuǎn)離均衡態(tài)”。

為研究方便，忽略轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能的能量，即外環(huán)境流入的能量N+都保持著“活躍性”和“非穩(wěn)定性”。N+進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)通過(guò)邊界到達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部。當(dāng)外來(lái)強(qiáng)加的能量n+進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，會(huì)有個(gè)n+勢(shì)與系統(tǒng)邊界勢(shì)產(chǎn)生摩擦、碰撞與斗爭(zhēng)，并使系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)能量級(jí)別的、不同能量層次的振動(dòng)，即系統(tǒng)的漲落現(xiàn)象。自由能在系統(tǒng)中引起漲落現(xiàn)象并在漲落過(guò)程中得到耗散，也就是說(shuō)當(dāng)能量輸入系統(tǒng)成為自由能時(shí)，系統(tǒng)就開(kāi)始了耗散機(jī)制。

自由能進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)耗散排出剩余能達(dá)到新的均衡態(tài)，該過(guò)程稱為系統(tǒng)的“自組織”過(guò)程，它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的自主演變［6］，其目標(biāo)是系統(tǒng)的新均衡態(tài)。由于新均衡態(tài)不一定是安全狀態(tài)，因此為了最終達(dá)到“最理想安全狀態(tài)”，需要通過(guò)系統(tǒng)外力對(duì)系統(tǒng)能量進(jìn)行有序組織，即系統(tǒng)的“他組織”行為?；凇白越M織”過(guò)程、“他組織”行為的海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)耗散機(jī)理圖如圖1所示。

圖1 海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)耗散機(jī)理Fig.1 Dissipation mechanism diagram of MDCTS

當(dāng)外部環(huán)境變化影響到系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，包括對(duì)“人”、“船”、“貨”等各安全因素的影響，即視為流入了N+。此時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始遠(yuǎn)離均衡態(tài)并產(chǎn)生一定的響應(yīng)、熵增過(guò)程，這表明?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。在他組織過(guò)程中，通過(guò)分析?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)，做出相應(yīng)調(diào)整，經(jīng)他控制器對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制，即視為引入n+。在系統(tǒng)他組織行為中，有些控制能量對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性形成影響，即視為供給能量n-，有些能量沒(méi)有形成對(duì)穩(wěn)定性的有效控制而流入外環(huán)境，即視為N-。通過(guò)調(diào)整他組織行為中n+供應(yīng)量，促使系統(tǒng)能逐步定位并排放出剩余的自由能，導(dǎo)致系統(tǒng)熵減少，最終將達(dá)到新的均衡狀態(tài)。

3 ?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全演變機(jī)理

通過(guò)研究海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)耗散機(jī)理可知，系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于自組織過(guò)程中自由能的耗散以及在他組織行為中對(duì)自由能的調(diào)控。若將系統(tǒng)中導(dǎo)致熵流變化的效用路徑稱為“系統(tǒng)路徑”，那么系統(tǒng)演變可理解為系統(tǒng)路徑中所有漲落現(xiàn)象促使系統(tǒng)能持續(xù)產(chǎn)生的過(guò)程，這就是海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)演變機(jī)理，其中的演變因子為系統(tǒng)的自由能，系統(tǒng)的演變模式伴隨著能量變化并取決于自由能的耗散程度。

由Logistic方程可知，在初始條件一定時(shí)，海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)能量有界的增長(zhǎng)演變系統(tǒng)，能量增長(zhǎng)率在系統(tǒng)發(fā)展中期附近最為凸顯，之后能量增長(zhǎng)率會(huì)逐步減速以致趨于零，其能量也達(dá)到內(nèi)在的最大值［7］。可見(jiàn)，海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)具有較大的不確定能量，為了定量描述安全演變機(jī)理，從系統(tǒng)能量角度出發(fā)進(jìn)行研究十分必要。

海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)總能量由勢(shì)能和動(dòng)能兩部分組成，而勢(shì)能根據(jù)其作用可以分為正勢(shì)能和反勢(shì)能：正勢(shì)能是指系統(tǒng)維持穩(wěn)定提高安全性的趨勢(shì)；反勢(shì)能是指系統(tǒng)克服正能量對(duì)“人”、“船”、“貨”、“環(huán)境”產(chǎn)生消極影響的趨勢(shì)；動(dòng)能是勢(shì)能釋放的結(jié)果。系統(tǒng)的能量變化既有勢(shì)能間的量變，也有勢(shì)能和動(dòng)能間的質(zhì)變?？梢?jiàn)，能量決定了系統(tǒng)安全狀態(tài)，因此能量在系統(tǒng)路徑上的作用點(diǎn)可定義為“系統(tǒng)熵流節(jié)點(diǎn)”，即多條系統(tǒng)路徑的交叉點(diǎn)，它是聯(lián)系熵與能量的紐帶。

若將系統(tǒng)輸入能量n+和N+之間的權(quán)重比α：β視為一種“勢(shì)能”的作用［7］，當(dāng)α在［0，1］變動(dòng)時(shí)（假設(shè)α由1／n表示，n為自然數(shù)），系統(tǒng)的安全狀態(tài)不斷改變，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也不斷變化。

1）當(dāng)α＝0或1時(shí)（即n＝∝或n＝1），進(jìn)入系統(tǒng)的自由能只有一種存在形式（n+或N+），系統(tǒng)非常不均衡，即系統(tǒng)很不穩(wěn)定；

2）當(dāng)α＝1／2時(shí)（即n＝1／2，此時(shí)n+＝N+），此時(shí)系統(tǒng)非穩(wěn)定勢(shì)能達(dá)到局部最大值，系統(tǒng)均衡狀態(tài)不能保持，漲落現(xiàn)象明顯增大，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

由此，在（0，1／2）及（1／2，1）區(qū)間內(nèi)一定存在至少2個(gè)對(duì)應(yīng)的α值，使得系統(tǒng)均衡穩(wěn)定。根據(jù)上述分析得到系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)變化率曲線F′（x）（視α和β為自變量“x”），把F′（α）＝0的α點(diǎn)稱為系統(tǒng)的均衡點(diǎn)。曲線圖如圖2所示。

由圖中曲線可以得出：

1）當(dāng)α＝1／n（n＞4）時(shí)，α?β，系統(tǒng)嚴(yán)重不均衡，系統(tǒng)非常不穩(wěn)定；

2）當(dāng)n＝4時(shí)，α＜β，系統(tǒng)不均衡程度明顯，系統(tǒng)不能穩(wěn)定；

3）當(dāng)2＜n≤3時(shí)，α≈β，此時(shí)可近似看作系統(tǒng)穩(wěn)定均衡點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)變化率曲線Fig.2 Rate of change system potential energy function

當(dāng)海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)能量權(quán)重映射到［0，1］后，將以1／3∶2／3或2／3∶1／3的最佳比例促使系統(tǒng)均衡穩(wěn)定，這樣的規(guī)律被稱為“2／3原理”［8］。系統(tǒng)中能量存在形式的不同將導(dǎo)致系統(tǒng)演變模式的不同，系統(tǒng)的安全演變模式取決于系統(tǒng)勢(shì)能的耗散。

4 危化品運(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)模型

通過(guò)對(duì)?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)能量權(quán)重的分析，可以基于系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)變化率曲線，以能量權(quán)重為自變量在［0，1］上建立海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)，其函數(shù)曲線見(jiàn)圖3。

圖3表明α和β系數(shù)間的權(quán)重比在“互脹活動(dòng)”中總是趨向1／3或2／3點(diǎn)。從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，0、1／2、1點(diǎn)都是系統(tǒng)均衡點(diǎn)，但它們是不穩(wěn)定的，權(quán)重比的變化趨勢(shì)是遠(yuǎn)離0、1／2、1點(diǎn)而指向1／3或2／3點(diǎn)，這2點(diǎn)是系統(tǒng)穩(wěn)定均衡點(diǎn)。

假設(shè)在x，y坐標(biāo)系下，該勢(shì)能函數(shù)可表示為y＝F（x）型。F（x）在x為1／3、2／3處最低，其變化率在1／3、1／2、2／3這3處為0（即F′（x）＝0），同時(shí)F（x）在x取0或1時(shí)最大且變化率也最大，0、1及1／2時(shí)曲線皆趨向1／3、1／2且急劇下降。設(shè)F（x）在x取0或1時(shí)變化率為無(wú)窮大，在1／3、1／2、2／3處變化率為0，則勢(shì)能函數(shù)變化率曲線為

因此，

最終得到海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)模型：

式中：C為勢(shì)能常數(shù)，取決影響?；反鞍踩姆€(wěn)定因素；A為?；废到y(tǒng)勢(shì)能影響因子，取決于?；坟浳飻?shù)量、理化屬性等不穩(wěn)定因素。

對(duì)于勢(shì)能函數(shù)，當(dāng)自變量x從0→1／3→1／2→2／3→1變化時(shí)，海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)穩(wěn)定性表現(xiàn)為不穩(wěn)定→穩(wěn)定→不穩(wěn)定→穩(wěn)定→不穩(wěn)定；α＝1／3或α＝2／3時(shí)分別表示海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)的2種均衡狀態(tài)，其他時(shí)刻系統(tǒng)漲落現(xiàn)象明顯增大，系統(tǒng)處于不斷的耗散過(guò)程中。熵流節(jié)點(diǎn)處能量的變化可理解為正負(fù)熵流間的互脹關(guān)系的作用。他組織控制策略是通過(guò)調(diào)節(jié)x（即內(nèi)環(huán)境對(duì)系統(tǒng)控的制能力）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)他組織控制可以促使海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)保持安全穩(wěn)定狀態(tài)，也可以認(rèn)為系統(tǒng)引入了負(fù)熵流。勢(shì)能函數(shù)的建立完善了海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)安全演變的數(shù)學(xué)描述過(guò)程。

圖3 基于權(quán)重α的［0，1］區(qū)間上系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)曲線Fig.3 Potential energy function curve based on α on［0，1］

5 ?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全路徑選擇

5.1 最小風(fēng)險(xiǎn)路徑原理

由系統(tǒng)演變機(jī)理可知，熵流節(jié)點(diǎn)處的能量改變促使系統(tǒng)安全狀態(tài)不斷變化，因此有必要研究系統(tǒng)安全路徑。對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)歸一化處理后，計(jì)算系統(tǒng)的安全熵，得到系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。將dS＝0定義為系統(tǒng)的熵能平衡線，如圖4所示。

一般情況下，能量曲線中間峰值波動(dòng)較小，平衡線只能將勢(shì)能曲線劃分為3個(gè)區(qū)域。為了表述完整，圖4將中間波動(dòng)峰值做了放大處理，曲線被dS＝0分割為［0，α1），［α1，α2），［α2，α3），［α3，α4），［α4，1］5個(gè)區(qū)間。系統(tǒng)的最小風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間分別是［α1，α2）和［α3，α4），此區(qū)間內(nèi)系統(tǒng)非穩(wěn)定勢(shì)能局部最小，利于系統(tǒng)能量的耗散，這就是海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)最小風(fēng)險(xiǎn)路徑原理。當(dāng)α＝1／3或2／3時(shí)，系統(tǒng)勢(shì)能最小且最穩(wěn)定。最小風(fēng)險(xiǎn)路徑原理為海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全等級(jí)的制定提供了依據(jù)。

圖4 基于熵與能量的安全狀態(tài)分級(jí)Fig.4 Classification of safety levels based on entropy and energy

5.2 安全等級(jí)

由于一般情況下dS為曲線，且有dS＞0，這體現(xiàn)了海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)的不可逆性。熵曲線Sj＝-ωiyilnyi

［9］在（0，1）上先增再減。它與勢(shì)能函數(shù)曲線最多可以有4個(gè)交點(diǎn)，如圖5所示，因此得到勢(shì)能區(qū)間分別為（0，α1），［α1，α2），［α2，α3），［α3，α4），［α4，1）。

圖5 最小風(fēng)險(xiǎn)路徑原理圖Fig.5 Schematic diagram of minimum risk path

參照交通運(yùn)輸部“水上交通事故分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表”，根據(jù)專家打分標(biāo)準(zhǔn)制定系統(tǒng)穩(wěn)定性等級(jí)表和系統(tǒng)能量等級(jí)表，各指標(biāo)等級(jí)均采用相對(duì)值。其中，穩(wěn)定性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：I級(jí)（0，40）；II級(jí)［40，60）；III級(jí)［60，75）；IV級(jí)［75，90）；V級(jí)［90，100）；通過(guò)計(jì)算各區(qū)間安全熵得到系統(tǒng)穩(wěn)定區(qū)間，見(jiàn)表1。

表1 安全熵與穩(wěn)定性等級(jí)關(guān)系表Table 1 Relationship between entropy and stability

制定能量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：（60，+∞）、（40，60］、（25，40］、（10，25］、（-∞，10］?？紤]到曲線兩側(cè)較陡，能量上升明顯，表示事故已經(jīng)發(fā)生，沒(méi)有實(shí)際研究意義，所以定義能量最大和最小極限值分別為100和0，因此有能量值區(qū)間（60，100）、（40，60］、（25，40］、（10，25］、（0，10］。能級(jí)在一個(gè)側(cè)面上反應(yīng)了系統(tǒng)的危險(xiǎn)程度，見(jiàn)表2。

表2 ?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)能量與內(nèi)環(huán)境控制力關(guān)系表Table 2 Relationship between energy and inner control force in MDCTS

在式（3）中，y值是系統(tǒng)勢(shì)能，取值范圍為（0，100）。如果對(duì)于一個(gè)特定的?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)，按照表2研究臨界狀態(tài)，有y（1／3）＝10和y（1／2）＝40（即映射系統(tǒng)的最安全狀態(tài)和中間臨界狀態(tài)），建立關(guān)系方程：

得出A＝37 500，C＝-10 423.625，進(jìn)一步得到該海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)為

利用式（6），通過(guò)輸入（0，1）開(kāi)區(qū)間x值，得到勢(shì)能函數(shù)相應(yīng)的能量曲線，如圖6所示。當(dāng)y≥100時(shí)，取極限值100。

由勢(shì)能能量值，通過(guò)相應(yīng)的映射關(guān)系得出表3中的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)路徑。

圖6 基于事故分級(jí)表的?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)勢(shì)能曲線Fig.6 Energy curve based on accident scales ofMDCTS

表3 ?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)路徑Table 3 Risk path of MDCTS

5.3 驗(yàn)證

根據(jù)船舶航次計(jì)劃，制作專家評(píng)價(jià)表，對(duì)影響?；反鞍踩姆€(wěn)定因素，包括船舶總噸、船齡、船舶設(shè)施、船舶配員情況以及其他影響運(yùn)輸系統(tǒng)安全的因素賦值，得到式（3）的C值；對(duì)影響?；反鞍踩牟环€(wěn)定因素，包括貨物數(shù)量、危險(xiǎn)屬性、?；反安僮鳝h(huán)境、氣象條件等賦值，得到式（3）的A值。

某化學(xué)品船舶計(jì)劃于伊朗阿薩魯耶港裝載苯和甲醇駛往荷蘭鹿特丹，專家賦值情況如下：

代入式（3），得到實(shí)際系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)為

從式（7）得到實(shí)際內(nèi)環(huán)境控制力輸出與勢(shì)能變化曲線如圖7所示。該圖體現(xiàn)出?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)的開(kāi)放性與動(dòng)態(tài)性。

圖7 某化學(xué)品船舶能量y與內(nèi)環(huán)境控制力x關(guān)系曲線Fig.7 Curve relationship between energy and inner control force of a chemical tanker

依照“人”、“船”、“環(huán)境”、“貨”4個(gè)因素，處理評(píng)價(jià)表中各項(xiàng)指標(biāo)，得到要素權(quán)重表4。

表4 某化學(xué)品船舶“人”、“船”、“貨”、“環(huán)境”要素權(quán)重表Table 4 Weights of human，ship，cargo and environment factors of a chemical tanker

對(duì)表4危險(xiǎn)值進(jìn)行歸一化并代入安全熵公式，有dS＝（0.33×0.55×ln0.55+…+0.15× 0.70×ln0.70）＝0.252 5。對(duì)照表1得出系統(tǒng)穩(wěn)定性為III級(jí)，即臨界穩(wěn)定，此時(shí)熵與控制力曲線關(guān)系如圖8所示。經(jīng)計(jì)算，此時(shí)系統(tǒng)熵流節(jié)點(diǎn)為0.12和0.69，這體現(xiàn)出運(yùn)輸系統(tǒng)的不確定性。如果控制力在［0.6，0.71），系統(tǒng)是較安全穩(wěn)定的；如果控制力下降到（0，0.29），系統(tǒng)將面臨失控風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)安全等級(jí)有大幅度遷躍可能，事故發(fā)生的概率明顯增加。

針對(duì)實(shí)際的?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)，首先得到勢(shì)能函數(shù)，再利用專家評(píng)價(jià)表計(jì)算出危化品運(yùn)輸系統(tǒng)安全熵，得到系統(tǒng)安全熵與控制力關(guān)系曲線如圖8所示，利用該圖可求出相應(yīng)的系統(tǒng)熵流節(jié)點(diǎn)?？梢?jiàn)，控制力的強(qiáng)弱將導(dǎo)致安全熵值的改變，即熵流節(jié)點(diǎn)沿著不同的風(fēng)險(xiǎn)路徑影響著系統(tǒng)的安全狀態(tài)，這也為海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)的安全評(píng)價(jià)提供了新的思路。

圖8 某化學(xué)品船舶熵與控制力曲線Fig.8 Curve relationship between entropy and inner control force of a chemical tanker

6 結(jié)束語(yǔ)

海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)典型復(fù)雜系統(tǒng)，貨物危險(xiǎn)性大大增強(qiáng)了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的不確定性。以熵與能量結(jié)合為視角研究海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)是一個(gè)全新的研究方向，系統(tǒng)熵流變化機(jī)理與勢(shì)能函數(shù)的建立為研究海上?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全演變提供了的理?論依據(jù)。該方法通過(guò)研究系統(tǒng)安全熵與能量的變化尋求最小風(fēng)險(xiǎn)路徑，針對(duì)某一個(gè)特定時(shí)間段的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，采取措施最終提升系統(tǒng)安全等級(jí)。此項(xiàng)研究不僅可用于評(píng)價(jià)?；愤\(yùn)輸系統(tǒng)安全性，還可用于有效控制運(yùn)輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

［1］鄭中義，黃忠國(guó)，吳兆麟.港口交通事故與環(huán)境要素關(guān)系［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2006，6（1）：118-126.ZHENG Zhongyi，HUANG Zhongguo，WU Zhaolin.Relationship analysis of port traffic accidents and port environment factors［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2006，6（1）：118-126.

［2］薛一東.人為失誤與船舶引航事故的預(yù)防［J］.中國(guó)航海，2005，3：28-32.XUE Yidong.Human errors and prevention of accidents in ship-pilotage［J］.Navigation of China，2003，3：28-32.

［3］SUN Li，WANG Deyu，A new rational-based optimal design strategy of ship structure based on multi-level analysis and super-element modeling method［J］.Journal of Marine Science and Application，2011，10：272-280.

［4］胡開(kāi)業(yè)，丁勇，王宏偉，等.船舶在隨機(jī)橫浪中的全局穩(wěn)定性［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（6）：719-723.HU Kaiye，DING Yong，WANG Hongwei，et al.Global stability of ship motion in stochastic beam seas［J］.Journal of Harbin Engineering University，2011，32（6）：719-723.

［5］李士勇.非線性科學(xué)與復(fù)雜性科學(xué)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006：27-40.LI Shiyong.Nonlinear science and complexity science［M］.Harbin：Harbin Institute of Technology Press，2006：27-40.

［6］尼科利斯G，普利高津L.非平衡系統(tǒng)的自組織［M］.北京：科學(xué)出版社，1986：5-6.

［7］高隆昌.系統(tǒng)學(xué)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2010：56-78.GAO Longchang.System theory［M］.Beijing：Science Press，2010：56-78.

［8］李偉，高隆昌.二象對(duì)偶論及其對(duì)偶分析圖［J］.數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2009，39（19）：174-179.LI Wei，GAO Longchang.The theory of Er-xiang Dual and chart for Dual analyses［J］.Mathematics in Practice and Theory，2009，39（19）：174-179.

［9］李建民，齊跡，鄭中義，等.基于熵與耗散理論的海上危化品運(yùn)輸系統(tǒng)研究［J］.大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，39（1）：85-88.LI Jianmin，QI Ji，ZHENG Zhongyi，et al.Study on the safety of transportation system of dangerous chemicals at sea based on entropy and dissipative structure theory［J］.Journal of Dalian Maritime University，2013，39（1）：85-88.

Safety evolution mechanism for the maritime dangerous chemical transportation system under uncertainty conditions

LI Jianmin，QI Ji，ZHENG Zhongyi
（College of Navigation，Dalian Maritime University，Dalian 116024，China）

To study the impacts of uncertainties on the transportation system，a safety evolution mechanism for the maritime dangerous chemical transportation system（MDCTS）was proposed based on the dissipative theory，and the system potential energy function model was established from the viewpoint of energy.Both the entropy and energy of the system were taken into account during the process of the research.Through the application of the entropy principle，the entropy curve showing the system safety variations was derived and the safety levels of the system were defined as well.The example verifies that the combination of entropy and energy can quantitatively describe the impacts of the uncertainties on the transportation system，which is conducive to the selection of the safety path of the system.The results show that entropy and energy bear close relationships with the safety evolution of MDCTS.Keywords：maritime dangerous chemical transportation system（MDCTS）；dissipative theory；system safety evolution；evolution mechanism；potential energy function；safety path selection；uncertainty

10.3969／j.issn.1006-7043.201305023

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201305023.html

U+

A

1006-7043（2014）06-0707-06

2013-05-09.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-05-14 15：49：59.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51179020）；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目資助項(xiàng)目（L2012172）.

李建民（1970-），男，副教授，博士研究生.

李建民，E-mail：ljmmr＠163.com.