非线性系统思考与高铁事故的破解

    “7·23”甬温高铁重大责任事故，引发了国内外公众与媒体的普遍关注和强烈反响。无独有偶。特别重大的高铁安全事故早已见于1998年的德国艾须德高铁车祸。那年6月3日，在短短100多秒的时间里，就上演了车厢内400名乘客中有101人丧生、105人受重伤的悲剧，从而打破了被人们一向赞誉的高铁乃是“最安全、最舒适交通工具”的神话。那么，应该如何防范与根治2011年甬温“7·23”动车相撞事故和1998年德国6.3艾须德高铁车祸之类的特重大高铁安全事故呢？我们认为，应该引入“非线性系统思考”。

    第一题：安全理论创新与非线性安全生产系统学

　　从马斯洛的需求理论来看，安全是人的最基本的需求。人类的安全概念与安全需求自古有之，特别是人们对于生产安全、交通安全、人身安全、财产安全、社会安全、国家安全的不懈追求，都是随着从古至今人类社会形成与发展进程而相应产生并与时俱进的强烈需求，这种日益强化的人类安全需求正是古往今来安全科学技术起源、形成与发展的强大动力。然而，远古、古代出现的生产技术、交通技术和安全技术尚属技术领域的原始低级形态，大多属于安全生产科学技术诞生前的“前科学”形态。近现代形成与发展的传统安全生产科学技术，大多奠基在安全生产与安全管理经验总结等实践基础之上，其研究视野较为狭窄，且有其致命缺陷——它通常把安全生产看成简单过程，或把安全生产系统视为简单线性系统，各系统组成要素相互独立，呈现出1+1=2等简单线性关系，或把各企业的安全生产系统视为孤立的封闭系统，因而很难全面揭示安全生产演变规律，以及事故致因和事故防治的规律性。即使对于依托众多高新科学技术手段综合集成的高速铁路运行系统而言，现今国内外高铁系统的大多数经营管理者与员工对高铁运行与高铁安全管理的认识仍深受简单线性思维方式的深刻影响，以致自觉或不自觉地将高铁安全系统视为一个简单线性系统，割裂了系统内外诸要素之间的信息传递，未能深刻认识到高铁安全系统的非线性、复杂性和系统内外诸要素相互作用的关联性，故采取“头痛医头、脚痛医脚”、分别排查个别潜在隐患和风险的安全管理方式，因而难以有效防范和根治高铁安全事故的重演。
　　针对人们对安全生产的认识误区，我们将现代系统科学与非线性理论的先进理念引入安全生产研究中，依托四川安全生产监管系统以及在川高等院校科研院专家学者的集体智慧，在2009—2010年度开展了“非线性安全生产系统学”的深入研究，并于2011年3月正式出版了专著《非线性安全生产系统学导论》，全书共87.5万字，由四川出版集团?四川科学技术出版社发行，受到学界和媒体的广泛关注和高度评价。
　　非线性安全生产系统学，涉及生产、安全、科学、技术与自然、人文、经济、社会、管理等众多领域，具有鲜明的创新思想——即把安全生产全过程从整体上看成复杂过程，将安全生产系统（特别是高铁运行安全系统）视为非线性复杂系统，组成该系统的众多要素相互干扰，不能孤立存在，呈现出复杂的非线性关系和非线性相互作用。安全生产系统（特别是高铁运行安全系统）内含多个层次和多个子系统，显示出多种系统结构与系统功能，具有系统整体性、非线性、相干性、关联性等特征。非线性安全生产系统学的理论基础是1+1+1≠3，1+1+1＞3，即系统整体功能大于各子系统或诸要素功能之和，增量△x＞0，其研究对象是变量多、干扰强的非线性复杂系统，通常由相变、临界点与突变点引发包括高铁事故在内的各类生产安全事故，可以近似求解，并可进行短期预测。正是它区别于传统安全生产科学技术的这一系列本质差别，使非线性安全生产系统学具有全面深刻揭示安全生产演变规律、揭示事故致因理论与事故防治规律等独特功能，因而也是我们目前破解温州7·23动车追尾事故等高铁特大事故之谜、寻求确保高铁安全对策的有效钥匙。

    第二题：从非线性安全系统观剖析高铁事故原因

　　我国从2004年开始大力开展高速铁路系统建设，在短短几年内就取得了举世瞩目的成就，到2009年就在试运行中将高铁最高时速提升至400多公里，到2011年实现了高铁实际运行时速达300公里的辉煌业绩，人们普遍将其视为中华民族的骄傲。然而，从2007年至今，我国高速列车夺命事故却年年发生：2007年2月，一列火车在新疆因飓风袭击而脱轨，造成3死34伤；2008年4月，一列火车在山东严重超速并脱轨，被另一火车撞上，造成72死416伤；2009年6月，两列快速火车在湖南郴州火车站内相撞，导致3死63伤；2010年5月，一列快速火车在江西因山体滑坡掩埋线路导致脱轨，造成19死71伤；2011年7月，更爆发了7·23温州动车追尾特大事故上演的40死210伤悲剧。这一系列高速列车事故的陆续发生，不能不使人深思其事故爆发的直接原因及其背后隐藏的深层次原因。
　　7·23高铁事故爆发后，胡锦涛总书记、温家宝总理等党和国家领导人高度重视高铁事故的善后处理和事故原因调查工作。病后刚愈的温家宝总理于7月28日亲自前往事故现场考察，明确提出对7·23动车追尾事故的调查处理要“一追到底”，将“依照国家的法律法规，严肃追究直接责任者和领导责任”，若背后隐藏腐败问题，将依法处理，“毫不手软”。他特别强调，中国的高铁建设一定要“把安全放在第一位”；中国未来将更加重视铁路安全，让中国高铁在世界“站得住，有信誉”。那么，我们应该如何遵循温总理指示，将7·23动车追尾事故的调查处理“一追到底”呢？
　　非线性安全生产系统学认为，高速铁路运行系统是一个由多个子系统和众多要素构成的，具有系统化、集成化特征的典型非线性复杂系统，其安全需求无所不在；高速列车运行的时速既是牵引指标，又是由多种要素构成的综合指标，确保高铁安全更是一个综合概念；只有灵活运用非线性安全系统观才能深入揭示高铁事故爆发的直接原因及其背后隐藏的深层次原因。
　　首先必须将高速铁路运行系统如实地作为一个要素众多、层次分明、相互关联的非线性复杂系统进行深入考察，其中更要重点考察列车时速与高铁安全之间存在的四大非线性关系是否出现了失稳、失控、失衡等异常情况。
　　一是轮轨关系。所谓轮轨关系，是指高速列车车轮和钢轨之间的关系。必须重点考察钢轨轨道的平顺度是否满足高速列车的时速要求；同时，要考察列车转向架（相当于汽车的底盘）的静动力学指标是否保持在合理范围内。轨道是高铁列车运行的基础，一条全封闭的轨道线是高速列车运行最重要的环节之一。当列车高速运行时，轨面上微小的不平顺都可能引起列车强烈震动，任何外来的故障或者碰撞都可能导致高铁发生出轨的恶性事故。因而，高速铁路轨道的高平顺性和高稳定性对于高速列车的安全运行至关重要。
　　二是弓网关系。所谓弓网关系，是指列车上方伸出的受电弓与铁路上方架设的接触网的接触匹配关系。高速列车依靠弓网关系获得列车运行所需的高压电流和持续动力，因而确保弓网接触的平顺度和接触的持续保持对列车受流运行至关重要。如果弓网偶然脱离接触或接触不良，势必导致高速列车突然减速或停车事故的发生。根据有关部门的初步调查，认为温州7·23动车追尾事故的爆发起因于列车弓网系统遭受雷击而断电，酿成追尾的D301次列车与前行的D3115次列车相撞，从而导致了四节车厢脱轨的悲剧。我们认为，这一解释显然是源于事故原因线性分析法的过于简单化的解释，未能真正揭示这次特大事故乃是根源于“天灾”与“人祸”相互叠加造成的恶果。据了解，根据列车时刻表，追尾的D301次列车本应行驶在前，该车司机可能为追赶时间而被迫进行了违规异常操作。同时，列车自动控制装置未能充分发挥作用，当发现与前方列车的间隔出现异常时不仅未能使运行车辆减速直至停驶，D301次列车反而在未减速情况下直接与前车追尾相撞。这次特大事故很可能与列车自动控制装置出现故障、高铁调度中心的总体控制失误及追尾列车司机技术操作失误等复杂因素密切相关。
　　三是流固关系。所谓流固关系指的是高速列车与周围气流之间的相互作用的耦合关系。如果出现异常天气导致气温、气压等周围气流环境的突然变化，特别是高空放电引发的雷击事件，这些突发外因若与列车自动控制系统装置出现故障而失灵失控等内因相结合，势必导致重特大高铁事故的发生。
　　四是人机关系。所谓人机关系是指列车管理者、列车司机与列车系统之间的指挥调控关系。高铁是人建设的，列车是人驾驶的，因此人是决定性因素。从司机角度看，人的视觉反映、思维反映到动作反映，有时间滞后关系，高铁速度设计必须充分考虑。从领导管理层看，高铁系统的整个内部管理是否科学严格，部门之间信息是否对称畅通，操作人员之间行动是否协调一致等等，这些都与高铁安全密切相关，因为这些子系统、元素之间的相互作用是非线性的，必须考虑干扰放大的“蝴蝶效应”。
　　总之，这四大非线性耦合关系中的任一要素或环节出现故障或人为失误，都会导致高铁运行系统失稳、失控与失效，从而引发各类高铁事故的发生。各类高铁事故真相与直接原因的准确揭示，以及事故肇事者、主要责任人的最终查明需要依托耐心、严谨的科学态度，并提供足够的深入调查和系统分析时间，绝不能草率为之。因此，国务院决定到今年9月底才能公布7·23温州高铁事故调查委员会的调查结论，从高铁技术复杂性和事故致因复杂性来看，是完全必要并可以理解的。至于深入揭示高铁事故背后隐藏的深层次原因，则更要从宏观与微观、纵向与横向、内因与外因、体制与机制、高铁建设方式与经济社会高速增长方式等多视角追根溯源，进行全方位、多层次的系统考察与综合分析，才能得出明确结论。7·23温州高铁追尾事故和其他高速列车事故产生的深层次原因，是否与高铁建设、高铁运营、安全管理中的体制机制弊病和总体管理失误，或一味追求“世界第一”、“发扬国威”、盲目求快、忽视安全的指导思想相关，是否与某些主管官员的违法违纪与贪赃腐败，或高铁建设材料的以次充好，某些高铁路段建设、基础设施安装和高速列车制造的质量低劣等一系列影响高铁安全的宏观因素密切相关，这都需要进行深入细致的系统考察，才能得出实事求是的正确结论，进而采取标本兼治的确保高铁安全的一系列相应对策。

    第三题：强化高铁安全的对策建议与重大举措

　　为确保我国高铁建设和高铁运营安全，并推进其持续健康地向前发展，我们提出以下建议：
　　一要大力开展理论与实践研究。重点要弄清列车时速与高铁安全之间的复杂非线性关系。我国定于今年6月30日开通运营的京沪高铁的持续运营时速设定为350公里（目前先按时速300公里运行），日本东海旅客铁道株式会社长葛西敬之认为这个速度接近安全极限而不可取。对此，北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室首席教授贾利民认为，不能不加分析地看待日本专家的说法，日本高铁运营时速为200多公里，但他们设计的列车极限速度有可能是350公里。应该说，不同的高速铁路和高速列车的极限时速是不同的。贾利民教授正确指出，列车时速有3个层面，即最高试验速度、最高运营速度和可持续运营速度；列车的最高试验时速一般相较于最高运营时速拥有不低于10%左右的余量，以目前京沪高铁使用的CRH380列车车型为例，最高运营时速不低于380公里，持续运营时速不低于350公里，其试验时速不低于420公里（在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段试验中的试验最高时速已达486.1公里）。因此，京沪高铁的安全极限时速绝对不止350公里。如何来界定高铁的安全极限时速呢？贾利民教授认为，列车在既定条件下的高速运行过程中，一旦超过某一个临界速度后可能会发生倾覆、脱轨或者列车间隔无法保持，这个速度即安全极限速度。而造成倾覆、脱轨、列车间隔无法保持的原因可以分解为轮轨关系、弓网关系、流固关系、人机关系等失衡；这四大相互作用关系如果保持既定的合理状态，就可保障列车运行安全；如果某一个关系失衡，则列车安全就可能受到威胁。显然，加速准确查明列车时速与高铁安全的复杂非线性关系对确保高铁运营安全是极端重要的。高铁安全是高铁运行系统的生命线。要确保高铁持续以300公里以上时速安全行驶，必须由以下几个主要条件来加以保证：一是拥有能高速行驶的列车；二是将钢轨直接浇铸在混凝土上，铺设高度平顺的无砟轨道；三是全封闭的运行线路；四是智能化的交通信号系统。其中，我国业已拥有研制高速行驶列车、铺设无砟轨道、装配智能化交通信号系统的成熟技术，只有建构性能完善的全封闭轨道线路这一关键环节，据以有效防范任何外来故障或碰撞引发高铁列车出轨等恶性事故，才是国内外多年来限制列车时速的主要原因。为此，必须大力完善落物防护监测报警系统、防灾安全监控系统、综合维修调度系统、列车安全制动控制系统等系统设施，强化其系统功能；同时，将高铁安全技术作为先导性技术进行系统化研究，在通信信号、调度指挥、高速动车组、土木工程等领域提升支持列车加速的安全系数，全面构建从系统设计、高铁基建到高铁运营全过程、全方位的高铁安全保障体系。日前，国务院决定全国高铁全面降速，是完全正确的。
　　二要加强高铁系统职工教育培训。主要是提高主动安全意识和抗高铁风险能力。近几年我国高速列车发生的数次重大夺命事故，大多是由偶发“天灾”与设备故障、技术操作失误和运营管理失控等人为灾祸相互叠加的非线性相互作用产出的恶果，而非单一因素的线性作用引发。因此，通过强化高铁安全教育培训，牢固树立非线性安全系统观至关重要。我们撰写的《非线性安全生产系统学导论》，是从非线性系统观念出发，以安全生产系统为研究对象，把安全生产全过程视为一个非线性复杂系统，应用非线性理论研究安全生产系统的性质、演化特征及其演变规律的重要成果。此书着力于研究现代安全生产系统结构与功能、经营与管理、决策与对策、战略选择与发展模式、安全事故致因理论、安全生产演变规律、事故防治规律、国内外安全生产范例案例分析等诸多安全生产及其系统管理的理论与实践问题，构建了非线性安全生产系统学的框架，可作为高铁系统和其他高危行业进行安全生产培训的参考教材。在高铁安全教育培训过程中，必须摒弃简单化的“政治说教”，应着力于引导广大员工牢固树立积极的主动安全意识和以防范故障导向的安全理念，克服分别存在于某些员工群体对安全生产与高铁安全的诸种异常心理和不良行为方式（如侥幸心理、麻痹心理、应付心理、厌烦心理、逆反心理和形式主义、经验主义、粗枝大叶等），持续倡导和推行严、细、实的工作作风，不断提升员工安全技术工艺水平和抗高铁风险能力，力求把高铁运营中的潜在隐患和事故风险消灭在萌芽状态。
　　三要尽快完善高铁安全法规。强化高铁安全监管监察和整改力度，严格贯彻高铁安全责任制。在我国2011年5月1日开始施行的国家《道路交通安全法》最新修正案中，尚缺少确保高铁安全的相关法律条目，拟应继续制定并完善维护高铁安全的法律与法规。同时，应进一步完善高铁安全监管体制与机制，大力强化全国高铁安全监督监察和整改力度，明确规定并严格实施相关主管部门（特别是第一责任人）的安全事故责任追究制度，建立健全高铁安全的激励奖惩机制与硬性约束机制；在高铁运营安全管理中更要将“制度管人”、 “人管人”的硬性管理与倡导“生命至上、安全第一”等“人本化”文化建设的软性管理密切结合起来。在高铁系统主管部门中大力加强科学发展观与安全发展观的学习和实践活动，牢固树立“高速发展、确保安全”的政绩观；在高铁系统政绩评定和提职晋级中实行重大责任事故“一票否决”制
　　四要深刻吸取7·23事故的沉痛教训。实事求是地适度调整和继续推进我国高铁发展的长远规划。正如中国科学院院士、中国工程院院士、著名机车车辆专家沈志云教授所说，“中国最高时速350公里的高铁已经跑了2亿多公里，已经运送了4亿人”，“由政府统筹，我们用5-7年时间走过了人家（指发达国家）40年的高铁发展道路”……这些都是近些年来我国高速铁路发展创造的实实在在的业绩，决不能无端否定。我们绝不可因为重大高铁事故的发生而“因噎废食”、灰心丧气、自暴自弃，更不要理睬某些西方人士和西方媒体对我国高铁事故的“幸灾乐祸”，而是要认真总结和吸取重大高铁事故的沉痛教训，将此作为前车之鉴，力求避免类似悲剧再次重演。同时，有关主管部门应重新审视和适度调整我国高铁建设的长远发展规划，剔除其盲目追求过高时速而忽视“安全第一”的某些指标，进而重新增强信心，发扬实干精神，为完成2020年全国计划修建1.6万公里的高铁网络系统而竭尽全力。                                  
                                                                                                                              〔李后强  刘　波〕

    〖作者简介〗

    李后强  男，中共四川省委政策研究室副主任，四川大学教授、博士，《非线性安全系统学导论》主编。
    刘  波  男，成都理工大学教授、四川新华系统科学研究院院长，《非线性安全系统学导论》执行主编。