第4章安全控制工程郭冬云安全工程安全控制工程安全控制工程是應用控制論基本原理和方法，研究安全系統的特性及安全控制規律的學科。學習和研究安全控制工程是為了運用控制論的思想與方法對研究和解決安全工程問題起到一定的指導作用。主要內容控制論理論基礎安全控制工程理論安全控制的實現系統危險控制的基本措施1控制論理論基礎1.1控制論的基本概念控制論的定義與發展過程從20世紀40年代發展起來的控制論科學，專門研究各類系統的調節與控制的一般規律，已經廣泛應用于工程、生物、社會、經濟等各個領域，促進了各科學的快速發展。1948年，美國數學家、生物學家諾伯特·維納專著《控制論（或關于在動物和機器中控制和通訊的科學）》從20世紀80年代開始，安全工程學界也開始了對控制論的研究和應用，取得了一些研究成果，豐富了安全科學的理論體系。1控制論理論基礎德國學者Kalman在1981年出版的德文版“安全科學導論”一書中提出控制論和安全科學這一命題。1982年，我國有學者提出：安全系統屬于人-機控制系統，可以用控制論進行研究；1988年，在北京“人-機工程、職業安全和衛生、環境保護”國際會議上，我國學者首次提出：運用現代控制理論建立以年度為單位的離散型安全控制論的數學模型（以數量化理論為基礎的），并且運用卡爾曼濾波器進行系統狀態的最優估計。1控制論理論基礎控制論的研究對象控制論是以各種系統作為其研究對象的。任何一個系統都是在一定的外部環境下存在和發展的，系統與外部環境之間有著信息、能量和物質的交換，系統要對這些信息、能量和物質進行轉換和加工。1控制論理論基礎調節與控制的概念調節及其方式：對耦合運行的系統從數量上或程度上進行調整，使之適合既定目標的要求。調節的主要方式有：（1）平衡偏差的調節方式：根據系統的實際輸出值與所需的標準水平的偏差進行調節。（2）補償干擾的調節方式：在調節系統受到干擾影響時，通過原設計補償系統的補償作用，減輕或消除有損于系統耦合運行的干擾。（3）排除干擾的調節方式采用一定的裝置來排除外界對調節系統的影響。（4）復合調節方式：上述二種或三種方式的組合，吸取各調節方式的優點。1控制論理論基礎調節與控制的概念控制及其方式：指在各種耦合運行的系統中，通過采取一定的手段，保持系統狀態平衡或不超出標準范圍，實現系統行為的預期目的。控制系統由被控系統和控制器兩大部分組成。控制的目標有兩種：

①恒值調節：在發生振動時使系統狀態恢復到給定值，如恒溫調節；

②隨動控制：使系統狀態跟隨某個變化著的目標，如導彈控制。1控制論理論基礎控制的基本方式（1）開環控制：系統的輸入不受系統輸出的影響，而是按預先確定的規律進行控制。（2）閉環控制：系統的輸入受系統輸出的影響，通過對輸出取樣消除被控制量與給定目標間的偏差。（3）程序控制：在已知系統的狀態變量和控制變量的前提下，預先確定出控制變量的時間序列，保證系統狀態的時間序列沿既定步驟運行。

（4）跟蹤控制：雷達跟蹤飛機（5）最優控制：使系統狀態滿足控制目標，使某些性能指標取得最優。（6）自適應控制：自動適應環境干擾和系統結構變化，主動調整其自身結構和行為參數。1控制論理論基礎控制論的研究方法信息方法：從信息及其變換過程方面來研究控制系統的功能，探尋控制的最佳途徑。“黑箱”辨識方法：通過外部觀測、主動試驗，分析“黑箱”的輸入和輸出關系及其動態轉換過程，據此掌握“黑箱”的運動特征和功能結構。功能模擬方法：對系統原型的功能進行描述的模擬，展現出與系統原型行為相似的行為，揭示系統原型內在特點和屬性。1控制論理論論基礎控制論的主主要研究內內容（1）控制系統統的模型（2）控制系統統的性質（3）控制系統統的設計（4）系統控制制規律的求求解（5）系統狀態態估計（6）系統辨識識1控制論理論論基礎控制論的重重要作用（1）對自然科科學和社會會科學研究究具有普遍遍方法論的的意義（2）在促進人人類社會進進步和經濟濟發展方面面有重要作作用（3）有助于提提高制定政政策的科學學性、準確確性和有效效性（4）提高企業業生產管理理和經營水水平1控制論理論論基礎1.2系統的狀態態空間模型型1、狀態狀狀態是系統在特定定時刻的運運行狀況的的總稱。

在任意意時刻，系系統的狀態態用狀態變變量xi,i=1,2,…,n來刻劃狀態態變量可以以寫成n維列向量，，x=(x1,x2,…xn)T，稱狀態向向量系統在在某一初始始時刻t0的狀態與從從t0時刻后系統統所受作用用一起決定定系統在未未來某一時時刻t1的狀態。2．系統的狀狀態方程3．系統的輸輸出方程4．系統的狀狀態空間表表達式一、安全控控制工程的的基本概念念（一）安全全控制工程程的定義安全控制工工程是應用控制制論的一般般原理和方方法研究安安全控制系系統的調節節與控制規規律的一門門學科。安全控制系系統由各種相互互制約和影影響的安全全要素所組組成的，具具有一定安安全特征和和功能的安安全整體。。安全要素包包括：1）安全物質：工具設備備、能源、、危險物質質、人員、、資金等。。2）安全信息：政策、法法規、指令令、情報等等。安全控制系系統的特點點：具有一般技技術系統的的全部特征征是其他生產產、社會、、經濟系統統的保障系系統包括人這一一最活躍的的因素受到到的的隨隨機機干干擾擾非非常常顯顯著著，，研研究究更更復復雜雜。。2安全全控控制制工工程程理理論論（二二））安安全全控控制制系系統統的的分分類類（1）宏宏觀觀安安全全控控制制系系統統各級級行行政政主主管管部部門門，，以以國國家家法法律律、、法法規規為為依依據據，，應應用用安安全全監監察察、、檢檢查查、、經經濟濟調調控控等等手手段段，，實實現現整整個個社社會會、、部部門門或或企企業業的的安安全全生生產產目目標標的的全全部部活活動動。。采采用用的的手手段段主主要要有有：：法法制制手手段段、、經經濟濟手手段段和和教教育育手手段段等等。。被控控系系統統：：各各種種生生產產、、經經營營系系統統反饋饋手手段段：：各各種種安安全全檢檢查查和和安安全全信信息息統統計計控制制器器：：各各級級安安全全監監察察管管理理部部門門控制制目目標標：：國國家家安安全全生生產產方方針針和和安安全全指指標標2安全全控控制制工工程程理理論論生產安全檢測危險分析安全評價改進方案決策修改設計隱患整改管理改進人員變動教育培訓標準技術經濟分析上級指示宏觀觀安安全全控控制制系系統統模模型型安全狀況安全檢查社會生產系統安全決策安全目標環境影響宏觀觀安安全全控控制制系系統統簡簡化化模模型型（2）微微觀觀安安全全控控制制系系統統微觀觀安安全全控控制制系系統統是是指指應應用用工工程程技技術術和和安安全全技技術術手手段段，，防防止止在在特特定定生生產產和和經經營營活活動動中中發發生生事事故故的的全全部部活活動動。。被控控系系統統：：具具體體的的生生產產和和經經營營活活動動反饋饋手手段段：：安安全全狀狀態態檢檢測測控制制器器：：安安全全技技術術和和安安全全管管理理控制制目目標標：：實實現現安安全全生生產產2安全全控控制制工工程程理理論論（三三））安安全全控控制制工工程程的的一一般般分分析析程程序序1）繪繪制制安安全全系系統統框框圖圖；；2）建建立立安安全全控控制制系系統統模模型型；；3）對對模模型型進進行行計計算算和和決決策策；；4）綜綜合合分分析析與與驗驗證證。。2安全全控控制制工工程程理理論論二、、安安全全系系統統的的控控制制方方式式（一一））安安全全系系統統的的控控制制特特性性1.狀態態的的觸觸發發性性和和不不可可逆逆性性：：系統統的的狀狀態態常常表表現現為為由由無無事事故故時時0至事事故故時時1的突突然然躍躍變變。。系系統統從從0變到到1后，，狀狀態態是是不不可可逆逆的的。。2.隨機機性性：：事故故的的發發生生具具有有極極大大的的偶偶然然性性。。3.系統統的的自自組組織織性性：：在系系統統狀狀態態發發生生異異常常情情況況時時，，無無須須外外部部指指令令，，管管理理機機構構和和各各子子系系統統自自行行采采取取措措施施，，以以控控制制危危險險的的能能力力。。2安全全控控制制工工程程理理論論二、、安安全全系系統統的的控控制制方方式式（二二））安全全系系統統的的控控制制原原則則1．首首選選前前饋饋控控制制方方式式前饋饋控控制制指指對對系系統統的的輸輸入入進進行行檢檢測測，，以以消消除除有有害害輸輸入入或或針針對對不不同同情情況況采采取取相相應應的的控控制制措措施施，，以以保保證證系系統統的的安安全全。。現實實應應用用如如：：工工作作人人員員的的選選拔拔、、培培訓訓、、添添置置新新的的安安全全裝裝備備等等。。2安全全控控制制工工程程理理論論輸出判定決策檢測輸入干擾系統控制2．合合理理使使用用各各種種反反饋饋控控制制方方式式（1）局局部部狀狀態態反反饋饋對對各各種種狀狀態態信信息息實實時時檢檢測測。。（2）事故故后后反反饋饋目的的是是為為了了防防止止事事故故的的重重復復發發生生。。（3）負負反反饋饋控控制制合合理理、、適適度度使使用用。。對對缺缺點點錯錯誤誤批批評評、、懲懲罰罰。。（4）正正反反饋饋控控制制對對安安全全上上表表現現好好的的職職工工或或部部門門表表揚揚、、獎獎勵勵。。3．建建立立多多級級遞遞階階控控制制體體系系提高高下下屬屬層層次次的的自自組組織織能能力力，，使使之之具具有有較較高高的的控控制制能能力力。。各各級級管管理理層層的的自自組組織織能能力力表表現現在在：：1）了了解解下下層層危危險險源源的的有有關關事事故故結結構構信信息息2）掌掌握握危危險險源源的的動動態態信信息息3）熟熟悉悉危危險險分分析析技技術術，，善善于于用用之之解解決決問問題題4）經經驗驗豐豐富富，，應應變變能能力力強強4．力力爭爭實實現現閉閉環環控控制制閉環環控控制制系系統統是自自動動控控制制的的核核心心。。安安全全管管理理工工作作部部署署應應當當設設法法形形成成一一種種自自動動反反饋饋機機制制，，以以提提高高工工作作效效率率。。三、、安安全全控控制制系系統統的的模模型型及及其其求求解解宏觀觀安安全全管管理理中中所所使使用用的的一一種種安安全全控控制制系系統統模模型型（一一））安安全全控控制制系系統統狀狀態態方方程程根據據近近年年發發展展起起來來的的大大系系統統理理論論,采用變量量集結法法，輸出出變量為為年度““千人人傷亡率率”Y(k)，系統的的輸入變變量為危危險指數數H（k）和控制制作用C（k）。因此,下列差分分方程成成立:Y(k)=Y(k)––Y(k-1)=-C(k)Y(k-1)+H(k)(1)2安全控制制工程理理論進一步整整理式(1)則有Y(k)=[1-C(k)]Y(k-1)+H(k)(2)這便是安安全控制制論的狀狀態方程程。（二）安安全控制制系統參參數辨識識根據系統統的輸出出反推系系統參數數，這就就是所謂謂系統參參數辨識識問題。。若在一段段時間內內C、H保持不變變,對式(2)進行Z變換,得通解為為:Y(k)=H/C+[Y(0)-H/C](1-C)k(3)令1-C=e-b經變換得得:Y(k)=Y(0)e-bk+(H/C)(1-e-bk)(4)從式(4)可以看到到:一、促進安全全管理現現代化（一）建建立符合合安全控控制工程程原則的的管理體體系1）安全管管理機構構的設置置應采用多多層次的的遞階控控制結構構,各層次之之間及同同層次部部門之間間步調一一致協同同工作。。2）實行全全過程安安全控制制將安全控控制貫穿穿于系統統生命周周期的各各個階段段。3安全控制的的實現（二）建立立完善的安安全信息系系統信息是控制制的基礎，，計算機信信息管理系系統（MIS(ManagementInformationSystem)）正被推廣廣應用。建立安全信信息網絡；；安全信息的的形式分為為兩類：一一類是通過過安全檢測測設備、儀儀器檢測出出來的各種種信息；另另一類是報報告、報表表的形式。。建立危險源源結構信息息庫和動態態信息庫；；重視人為失失誤和管理理失誤方面面信息積累累。其實,安全控制論論的主要貢貢獻于:“用現代控制制理論的方方法論、數數學模型和和控制機制制,使安全管理理網絡以及及安全系統統工程各種種范疇的實實施,實現閉環控控制。”可以使使安全管理理向現代化化邁進一大大步,實現一次質質的飛躍,大大提高系系統的控制制能力,減少傷亡事事故。二、安全計計量（一）安全全計量的概概念指用定量的方法評價價危險發生生的概率和和危險嚴重重度。安全全計量是安安全工作中中非常重要要但又十分分困難的問問題。1）以美國國國防部標準準882為代表，嚴嚴重度定性性分為4級，發生概概率定量分分為5級。2）以美國DOW化學法和英英國帝國化化學公司（（ICI）的蒙特（（Mond）廠為代表表，提出危危險指數的的概念和計計算方法。。3安全控制的的實現（二）安全全控制理論論的計量方方法1）危險源的的危險指數數（H）危險指數H可看作是一一種概率的的表達形式式，它受下下列因素的的影響：采用的工藝藝、裝置的的本質安全全化水平；；工人在危險險區域的工工作時間；；設計、工程程質量存在在的缺陷；；作業環境中中的不安全全條件等。。因此，有有H=hsE（1+k1）（1+k2）（（5）2）控制能能力系數數(C)三、安全全評價在對企業業進行定定量安全全評價時時，一般般以某種種安全指指標作為為評價依依據，從從安全控控制角度度看，安安全度取取決于危危險，也也取決于于控制能能力，二二者成互為抵消消關系。從邏輯上上看，安安全度的的提高會會降低負負傷率。。因此，安安全度S與負傷率率Y之間滿足足如下微微分方程程：dS=dY/Y其解為：：S=Gln（1/Y）3安全控制制的實現現四、安全全控制的的基本策策略從控制理理論角度度分析安安全問題題可以得得出的幾幾點結論論：（1）系統不安安全狀態態是系統統內在結結構、系系統輸入入、環境境干擾擾等因素素綜合作作用結果果；（2）系統的可可控性是是系統的的固有特特性；（3）在系統安安全可控控的前提提下，采采取適當當的控制制措施，，可使系系統控制制在安全全狀態；；（4）安全控制制系統中中人是最重要要的因素素。3安全控制制的實現現（一）建建立本質質安全型型系統指系統的的內在結結構上具具有不易易發生事事故，且且能承受受人為操操作失誤誤，部件件失效的的影響，，在事故故發生后后具有自自我保護護能力的的系統。。以此相相關的措措施有：：防止危險險產生的的條件；；降低危險險的危害害程度；；防止已存存在危險險的釋放放；改變危險險源中危危險釋放放的速率率或空間間分布；；改變危險險的相關關基本特特性；增加被保保護對性性對危險險的耐受受能力。。將危險源源和需要要保護的的對象從從時間和和空間上上隔開。。在危險源源于被保保護對象象之間設設置物質質屏障。。穩定、修修護和復復原被破破壞的物物體。（二）消消除人的的不安全全因素切實做到到“時時講安安全、處處處想安安全、事事事先安安全、人人人能安安全”。（1）對特殊殊崗位工工作人員員職業適適應性測測評；（2）加強安安全教育育與訓練練；（3）充分發發揮安全全信息的的作用。。信息是控控制的基基礎，沒沒有信息息就談不不上控制制。安全信息息分為兩兩類：通過安全全檢測設設備、儀儀器檢測測出來的的各種新新，多用用于微觀觀控制中中；報告、報報表的形形式，多多用于宏宏觀控制制中。一、降低低事故發發生概率率的措施施二、降低低事故嚴嚴重度的的措施三、加強強安全管管理的措措施4系統危險險控制的的基本措措施一、降低低事故發發生概率率的措施施（一）提提高設備備的可靠靠性提高元件件的可靠靠性選用結構構性能好好、可靠靠性高的的元器件件；嚴格檢修修、合理理使用、、定期更更換元器器件。增加備用用系統例：設備備A發生故障障的概率率為0.05,則用兩套套A設備分別別作為主主用和備備用,那么兩套套設備同同時發生生故障的的概率為為:0.0025，大大提提高了可可靠性。。對于惡劣劣環境下下運行的的設備采采取安全全保護措措施例：對于于處于腐腐蝕環境境下的化化工設備備，可在在上面覆覆蓋各種種保護層層，把被被保護設設備與腐腐蝕性介介質隔開開。對于于井下的的設備，，應控制制溫度、、濕度和和風速。。4）加強預預防性維維修4系統危險險控制的的基本措措施（二二））選選用用可可靠靠的的工工藝藝技技術術，，降降低低危危險險因因素素感感度度感度度：是是危危險險因因素素轉轉化化成成為為事事故故的的難難易易程程度度。。通通過過可可靠靠的的工工藝藝技技術術可可以以控控制制感感度度。。例：：放炮炮時時使使用用水水炮炮泥泥，，煤煤礦礦用用火火藥藥中中加加入入消消焰焰劑劑、、井井巷巷工工程程中中打打眼眼時時采采用用濕濕式式打打眼眼等等。。（三三））提提高高系系統統抗抗災災能能力力抗災災能能力力：：當當系系統統受受到到自自然然災災害害和和外外界界事事物物的的干干擾擾時時，，自自動動抵抵抗抗而而不不發發生生事事故故的的能能力力或或指指系系統統中中出出現現某某危危險險事事件件時時，，系系統統自自動動將將事事態態控控制制在在一一定定范范圍圍內內能能力力。。例：：提提高高煤煤礦礦生生產產系系統統的的抗抗災災能能力力，，應應該該建建立立隔隔爆爆巖巖水水棚棚和和風風電電閉閉鎖鎖裝裝置置、、采采區區獨獨立立通通風風；；礦礦井井主主要要設設備備實實行行雙雙回回路路供供電電，，選選擇擇備備用用設設備備等等。。（四））減少少人為為失誤誤加強安安全知知識,安全技技能,安全態態度等等方面面的教教育和和訓練練以人人為中中心,改善工工作環環境。。提高高機械械化程程度，，以機機器代代替人人，減減少現現場的的工作作人員員。改改善人人機接接口的的安全全狀態態。（五））加強強監督督及檢檢查建立健健全各各種機機制、、制度度，加加強安安全檢檢查工工作。。二、降降低事事故嚴嚴重度度的措措施事故嚴嚴重度度:事故造造成的的財產產損失失和人人員傷傷亡的的嚴重重程度度，其其大小小取決決于系系統中中危險險因素素轉化化為事事故時時釋放放的能量和系統統本身身的抗災能能力。降低低事故故嚴重重度可可采取取如下下措施施：1）限制制能量量或分分散風風險限制能能量：限流流、限限壓、、限速速等.分散風風險：把大大的事事故損損失劃劃分為為小的的事故故損失失，例：把把串聯聯通風風方式式改造造成工工作面面或采采