安全生产事故(简称生产事故)是发生于生产经营活动中,对人或物造成伤害或损失的事件,难以完全避免。提升安全生产风险识别、预测、防控能力,已成为阻止生产事故发生、控制生产事故蔓延、降低社会影响的关键手段。生产事故受多因素耦合影响,具有传导性、衍生性特点。因此,研究生产事故的演化过程,构建生产事故的传导路径是生产事故防控与失效的有效手段。作者以生产事故的演化过程为主要研究对象,建立生产事故动态演化模型,从阻断或延缓生产事故演化的角度出发,围绕关键节点在生产事故形成与传导中的作用,提出相应的防控方法,实现安全生产事故失效机理研究。目前,故障模式和影响分析(FMEA)、故障树(FTA)、事件树(ETA)、概率模型等方法常被用来对事故进行定性和定量研究,它们将事故看作以确定的特定顺序发生的独立事故链,在许多应用领域形成了一些研究成果。但这些方法存在一些问题:①生产制造系统被看作是静态不变的;②将专家的主观评估部分作为模型参数的一部分,影响诊断结果客观性;③不能灵活地适应新信息或处理包括事件依赖性在内的不确定数据;④面对大型复杂系统时,推理诊断效率低、诊断结果解释能力差;⑤对输入数据量级有一定要求,分析计算比较复杂。现代生产制造系统由于采用备份部件或备份生产线等方式来应对生产制造过程的突发状况,已由静态系统演变成具有一定自修复功能的动态系统,且生产制造系统内部的耦合关系越来越复杂。依托现有事故模型的防控方法在面对现代连续生产制造系统时,其有效性受到抑制。即,现代大型复杂连续生产制造系统不确定的拓扑结构、大量的生产节点、复杂的节点关系成为安全生产事故防控的难点。因此,建立适应现代动态连续生产系统的事故模型,揭示生产事故形成、演化过程的本质,从而提出相应的防控方法,使生产事故失效,成为生产安全保障的迫切需求。安全生产事故失效是指生产事故终止,或使之作用于较小的范围以降低其影响面积。实现安全生产事故失效的主要手段是加强关键风险因素的监测与切断事故的传导路径二者并举。因此,在研究生产事故系统因素及各部分对事故影响性的基础上,文中提出从生产事故系统的内、外两个部分建立生产事故演化模型,描述生产事故的传导过程,从而提出相应的防控方法,最终达到安全生产事故失效的目的。文中基于复杂网络、形式概念分析、灾害学、神经元学习机制等理论,采用文献分析、定性分析、计算机仿真等方法,从安全生产事故系统划分、环境数据移动采集网络建模、事故内/外系统建模、事故模型动力学特征仿真、事故网络静态特征分析、事故防控方法几个方面重点讨论现代动态连续生产制造系统中安全生产事故的演化防控及失效问题。其主要工作概括为以下几个方面。1、以系统科学为基础,将灾害学理论引入安全生产事故领域,定义了安全生产事故系统结构划分方法,将安全生产事故系统划分为诱因环境系统(外部因素)与生产系统(内部因素)两个部分,规避了现有系统划分法影响因素维度过高,增加了安全生产事故系统建模的复杂性及计算成本的问题。安全生产事故是多因素作用的结果,在过程中产生一系列连锁反应,与自然灾害的形成机制与演化过程具有类似性。因此,灾害学理论可以在安全生产领域实现跨学科应用。灾害学中依据因素是灾害的引发者还是承受者,将自然灾害系统分为孕灾环境、致灾因子与承灾体,孕灾环境与致灾因子可看作一个问题的两个方面。文中参照自然灾害系统,依据风险因素在生产制造过程的参与度,将生产事故系统分为两个子系统:诱因环境(外部影响因素)及生产系统(内部影响因素)。诱因环境指自然环境(生产经营单位周边的地质、水文等非人造环境)与社会环境(生产经营单位周边的人造环境),不属于生产制造系统本体,能够对安全生产造成不利影响,并达到事故程序的罕见或极端的事件。生产系统是生产制造系统本体,由生产事故的源部件、参与部件、直接受影响部件组成。文中采用文献分析与文本挖掘技术,由《基础地理信息要素数据字典GB/T 20258.2-2006》及事故报告中环境描述提取诱因环境系统要素,由北京市安全生产事故报告、安全生产相关法规提取生产系统要素,最终确立诱因环境基本要素表单、生产系统基本要素表单。2、基于数据采集时间序列触发规则,建立诱因环境数据的有限时间一致性移动传感采集协同控制方案(CCS),解决自然环境数据准确采集与有效传输问题。自然环境数据是诱因环境系统的数据基础之一。由此,自然环境数据获取成为本文研究内容之一。CCS由无线通信模块、方向决策模块、运动控制模块构成,解决了环境数据采集定向移动网络稳定传输、环境模型自动更新、传感器节点方向快速变换问题。无线通信模块将数据采集序列作为采集网络数据传输触发器,即移动传感网络仅在某一环境数据信息变化时传感器节点间的通信才被启动,大大降低了移动无线传感网络能量损耗。方向决策模块采用径向基函数建立环境模型,并将无线通信模块传输的环境属性数据实时映射到环境模型上。运动控制模块基于连续时间双积分动力学,设计了有限时间一致性控制器,利用环境模型的梯度值引导传感器节点的移动方向,使传感器节点始终跟随现场信息富集区,解决无效数据采集问题。该方法相较其它数据采集方法,在定向或非定向通信网络中都是有效的。3、基于图像边缘检测技术、集合论及FCA理论,提出一种增量式概念格构造方法(SSIMAddExtent)解决诱因环境系统动态演化的数学表达问题。SSIMAddExtent算法的优势在于减少了构造或更新网络时的迭代次数,几乎能在所有的测试点上获得明显的优势。生产经营单位周边的自然环境与社会环境的状态是变化的,即诱因环境系统具有动态特性。因此,诱因环境系统的演化过程建模是文中研究内容之一。基于形式概念分析理论,诱因环境系统被刻画成一张由上及下的层次结构图(Hasse图)。图上每个节点代表具有相同属性的要素的类,每一条边线表示节点间的父子关系。文中将要素类中心点对类边缘点的凝聚力转换为类映射图的轮廓变化程度。基于此思想,图像边缘检测技术与集合论被引入FCA理论,将诱因环境系统动态变化问题转化为图像结构相似性问题,建立了 SSIMAddExtent算法。算法基于狄利克雷函数将诱因环境层次结构图上的节点表示的类映射为二维图像,类的内容变化问题就转化为图像的结构相似度问题。当类的内容变化前后的映射图结构相似度大于设定阀值时,类的对应节点被更新,否则不变。此后,仅需遍历更新节点的子节点,采用集合论的方法确立新对象的最终定位,实现诱因系统网络的拓扑结构更新或节点内容的更新。4、合理融合动态灾害蔓延模型与神经元学习机制(STDP),基于因果推理理论提出了一种具有边权演化特征的事故蔓延动态模型(MDAE-STDP),它解决了现有事故网络模型的权重不变缺陷,在描述事故动态蔓延过程的同时,也使生产系统结构在数据驱动下具备了自主学习能力,更客观的反映现实世界事故系统中要素间相互关系的强弱。生产系统作为事故系统结构的另一个组成部分,是事故形成、演化、传导的主要媒介物。因此,生产系统中的事故演化是文中研究内容之一。文中以生产系统基本要素为节点,要素间因果关系为连线,因果关系强度为边的权重,刻画生产系统的拓扑结构。以因果推理作为理论基础,将基于时间动力学的灾害蔓延模型与神经元学习机制(STDP)合理融合,建立了一种具有边权演化特征的事故蔓延动态模型(MDAE-STDP),它将事故蔓延过程中节点对的因果关系作为边权修正的依据。当节点对存在因果关系时,连接权重按指数规律增强。否则,按指数规律降低。5、基于复杂网络理论和生产系统的动态演化特征,提出安全生产事故的防控方法。事故防控在了解事故形成与演化机制的基础上,通过削弱或阻断事故形成、传导的路径达到防控目的。由于诱因环境不直接对生产制造系统本体产生影响,因此事故防控方法针对生产系统中事故的演化特性提出。文中以我国地铁施工事故数据和国外铁路事故数据为对象,基于复杂网络静态特征及MDAE-STDP重要参数,详细分析了事故网络的区域中心节点、整体中心节点、子连通区域等,并在分析基础上从九个方面提出相应的事故防控方法。如:区分不同类型的中心节点,界定其在事故中的影响范围;削弱生产系统中的漏斗效应,降低关键节点的重要程度;削弱生产系统子系统内部因素耦合,降低网络因素的耦合性;孤立生产子系统的耦合作用,阻断生产网络的连通性;孤立生产制造系统的内、外影响因素子系统,阻断内外因素的连通路径;提高生产系统的自修复能力,降低风险向事故转变的机率;降低生产系统的内部噪声,减少生产系统内部干扰的作用;增加生产系统的时间延迟因子,延缓事故的传导速度;削弱生产系统中节点的因果关系,破坏事故的传导路径。