作者：贾楠、吴超 著
出版社：化学工业出版社
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安全相似系统学试读：
前言
相似的事故总是重复发生，预防并制止这些相似的事故，是降低事故损失和伤害，提高安全水平的有效途径。相似的事故为何一再重复发生？生产中操作者为何常犯同样的错误？如若探究其原因、过程和环境，人们会发现其根源在于这些事故或错误所赋存的系统具有许多相似之处，其相似不仅在于看得见的物境的相似，而在于人们看不见的心理、生理、压力、氛围等的相似。另一方面，也可以发现，生活和生产中更多的系统，它们能够长时间保持安全状态，而这些系统都能够安全运行的原因何在？其实质是这些系统的安全性存在着相似之处。相似理论，通过对事故或安全现象规律的哲学思辨，帮助研究人员实现对安全系统进行多维度、多属性、多层次的剖析，探究事物之间个性与共性的关系，通过相似特性的研究，把握相似现象背后的本质。
基于此，作者以相似理论为基础，提出一种多属性、多维度又具有整体综合视角的系统研究方法——安全相似系统理论，并在学科发展及方法学视阈下，努力寻求创立一门全新的安全学科分支——安全相似系统学，用以研究安全相似系统学问题。2016年，本书作者在《系统工程理论与实践》杂志发表了“相似安全系统学的创建研究”，首次提出了安全相似系统学的概念和构想，解释了安全相似系统的定义及内涵，并从学科基础、学科层次、学科概念体系、研究内容、应用领域等层面探讨安全相似系统学学科性质；同年，在《中国安全科学学报》杂志发表的“相似安全系统学方法论”一文，从方法论角度对安全相似系统学进行研究，探讨了安全相似系统学研究的一般方法和安全相似系统理论应用的基本要素；而后，在《科技管理研究》杂志发表的文章“相似安全系统学原理及其推论”中，提出安全相似系统原理创建研究的思路步骤和安全相似系统学4条核心基本原理。同时分别对不同行业安全系统中的相似事故案例，以及相似安全评价、相似安全分析、安全相似系统管理等实践开展研究，并发表了系列文章。在此基础上，作者觉得很有必要尽快出版一本关于《安全相似系统学》的著作，以便使安全相似系统学这门全新学科理论得以推广与发展，并充实安全学科迄今理论基础贫乏的局面。
对安全系统多视角、多维度的分析，是预防事故发生，提升系统安全状态的前提。在相似的视阈下，通过深入把握各色各样安全系统在元素、结构、功能、层次上平衡于相同与差异间的辩证统一，并指导其在研究实践中方法思路的选择。运用相似学的度量分析方法，将相似元的分析辨识，相似度计算用于安全科学及安全系统的分析，可以产生多种安全系统分析、相似模拟、相似评价的方法，提高安全系统分析实践效果，为安全人员分析问题，解决问题提供有利工具，并带来新的启示。
从无到有的学科创建和丰富发展并不是一蹴而就的。在开始有了将“相似”用于安全系统的想法以后，但将其构建成一门新的学科却是非常困难的。尽管相似的思想已潜移默化地应用于安全领域，但一旦立意于学科的高度和视野，撰写《安全相似系统学》，我们感觉到可用的素材几乎是空白。
安全相似系统学是安全系统与相似科学的交叉学科，同时，由于安全相似系统理论从属系统理论方法层面，其理论目的是多视角多维度的安全系统的分析、评价、管理等实践。考虑到安全相似系统学的研究和应用发展是一个需要经过长期发展才能趋于完整的缓慢过程，结合作者现有的研究成果，本书侧重于在基础理论系统的架构和分析，并在此基础上，对安全相似系统学几大重要的实践分支分别进行建设性探讨。
系统安全工程自20世纪60年代在美国被创立以来，就已经在全世界得到广泛的应用。但从那之后，国际上有关系统安全工程方面的理论研究进展并不是很多，比较典型的理论研究新进展可能要算美国MIT的Nancy G.Leveson教授所著的Engineering a Safer World： Systems Thinking Applied to Safety，该书于2012年在The MIT Press出版，中文版书名为《基于系统思维构筑安全系统》，由唐涛和牛儒翻译，于2015年在国防工业出版社出版。国内自20世纪70年代末开始引进系统安全工程，之后也得到广泛的推广应用。但由于大多数安全科技工作者习惯应用国外的有关理论和方法，忽略了从理论和方法层面的创新研究，因此这么多年过去了，安全系统工程教科书里仍然是一些几十年国外发明的安全分析和安全评价方法。
安全系统工程理论发展滞后于应用的主要原因是安全系统学没有得到很好的发展和找到新的突破，安全相似系统学的创建无疑为安全系统学的发展找到新的突破口，并使安全系统学的研究工作者眼前一亮和寄予厚望，作者也感到其创建研究意义重大。经过几年的研究，我们终于写出一本可以引以为豪的自己的安全系统学领域的新专著。
本书的撰写可分为基础理论与实践两大部分，理论部分旨在厘清安全相似系统自身含义及构建安全相似系统学科基础理论体系。分别包括安全相似系统学的提出、安全相似系统学基础模型、安全相似系统学基本原理和研究的方法论。应用部分介绍了安全相似系统分析、安全相似系统评价、安全相似系统管理、安全相似系统模拟等实践分支。由于有关安全相似系统实践的内容十分浩瀚，安全系统几乎涉及所有的安全领域，安全相似系统学具有相对独立的知识体系，根据不同的安全系统实践目的可由此催生出不同的安全相似系统实践分支。该部分内容期待更多的研究者在未来丰富更多的实践方法并创建更多的实践分支。
特此感谢杨冕、黄浪、雷海霞、王秉、卢宁、尹敏、韩明等在开展安全相似系统学的研究过程中做的贡献。本书内容的研究和出版得到国家自然科学基金重点项目（51534008）的资助，作者在此也表示衷心感谢。作者还衷心感谢本书所引用的参考资料的所有作者们。
最后，关于本书的题目“安全相似系统学”，作者前期工作中一直将学科命名为“相似安全系统学”，是考虑将安全系统作为研究客体来呈现学科的研究重点，后经反复斟酌与思考，基于“安全系统”及“系统安全”的内在辩证关联，并为了促使该全新学科分支的国际化发展，决定更名为“安全相似系统学”，并翻译为国外比较容易理解的“Similar Systematology Applied to Safety”。
本书是国际上第一部安全相似系统学著作，作者虽然做了最大的努力，但由于水平有限，书中肯定有疏漏和不妥之处，恳请读者批评指正。贾楠，吴超2017年5月于长沙第1章 绪论1.1 安全相似系统学创建的必要性1.1.1 安全系统分析方法的需求
安全，是人类永恒的需求。它伴随人们的生活和生产劳作的全部过程，是人们对自身免受伤害的生存基础诉求。伴随科技现代化的发展，从远古的耕地劳种到现代化的自动化生产，人类生产技术的每一次革新，都带来了新的安全问题。在事故的数量与其波及范围剧增的状态下，人们对安全问题的愈加重视，科学技术的发展，使得安全科学应运而生。安全科学的主旨是通过预判、控制并消除潜在的危险源，避免事故的发生，保护人类的身心安全、健康。当今社会下，安全科学已经是不可或缺的重要角色。
安全系统学是安全科学的重要分支，由于安全事故的发生，并不仅仅是由某一单独因素失效的线性原因，而是信息、人员、能量等多种因素的交叉作用致使事故的发生。对于频发的非线性的事故分析，为了从本质上发掘事故表象之下的致因机制，将事故以系统思想、系统科学以及系统工程的视角来分析，通过系列的系统方法及手段来保障和提高人类生产、生活及生存的安全状态，并实现系统安全。基于安全科学与安全系统学的这一密切关联，不少学者甚至认为，某种程度上，安全科学就是安全系统学。在此，我们且不去追究该论断的确切性，仅以此论证安全系统学对于安全科学的发展至关重要性。
近年来，在政府部门及众多安全学者的协同努力下，事故发生次数在有效下降，安全工作取得可喜成果。图1-1显示了2004～2015年［1，2］全国安全生产事故的事故起数和死亡人数调查对比。图1-1 全国安全生产事故的事故起数和死亡人数
从图1-1不难看出，自2004年以来，至2015年，我国的安全生产事故数量和人员死亡数量整体均呈下降趋势。2004～2008年下降明显，2008年后，事故起数下降有所减缓。
但与此同时，随着系统科学与现代化技术的发展，系统规模越来越大，系统内部结构与构成变得复杂。对于安全系统，复杂的人机界面，大量信息冗余交互，系统组织部门人员错综，以及所处环境的背景的文化、地区等差异，使得安全系统涉及范围的越来越大。在安全系统大规模化的前提下，事故一旦发生，必将涉及的大范围人、物、资源的伤害和损失。因此，在大安全的环境背景下，安全系统规模的不断增大，事故一旦发生所牵扯的人员数量，涉及的部门均有增大的趋势。根据图1-1调查数据，进行平均事故伤亡率（平均事故伤亡率=［3］死亡人数/事故起数）分析，参见图1-2。图1-2 平均事故伤亡率
由图1-2可以发现，虽然在事故数量与伤亡人数均下降的情势下，平均事故伤亡率却是呈现明显的上升趋势，这从中验证了我们有关大系统事故的论断：尽管事故的发生数量被有效控制，但随着安全系统的大规模化，一旦事故发生，伤亡人数与涉及范围是增加的。这也将是安全系统与事故的发展趋势，伴随着安全系统的大规模复杂化，对于系统事故的分析也变得复杂。由此，我们需要一个全新的研究视角，对安全系统进行系统分析。
相似是对事物在相同和相异之间的状态描述。相似现象在安全科学领域中是无处不在的。最常见的是诸多相似的安全事故。在我们生产生活中，相似的事故频繁发生，这些不断重复发生的相似事故带来了惨痛的人员伤亡和经济损失。煤矿事故的预防一直是我国安全生产监督管理的重要任务之一，根据我国安全生产监督管理总局煤矿事故的统计资料显示，2001～2010年间，共发生安全事故7884起，造成20975人死亡，这其中，以相似的事故致因类型划分事故，可将煤矿事故概括为七类相似事故，分别是相似的矿井瓦斯事故、相似的顶板灾害事故、相似的透水事故、相似的矿井火灾事故、相似的放炮事故、相似的矿井运输事故、相似的机电事故，我国2001～2010年间煤矿［4］相似致因事故统计参见表1-1。表1-1 2001～2010年间煤矿相似致因事故统计
相似的事故发生在各行各业，根据不完全统计，2009～2013年，我国发生相似的粉尘爆炸事故37起，造成82人死亡，266人重伤，其中，29.7%的事故是由于相似的生产场所环境不良导致，21.6%的事故是由于相似的违反操作规程或劳动纪律引发的，18.9%的事故是［5］由相似的设备设施等的缺陷造成。2012～2014年两年间，发生［6］相似的塔式起重机事故162起，造成了99人死亡，159人受伤，其中，107起是由于相似的起重机倒塌造成事故，16起是由相似的塔臂折断造成事故，10起事故源于相似的吊物坠落，8起事故源于构件脱落。2001～2013年，我国高校、科研所发生的100例实验室安全事故中，由相似的违反操作规程造成的事故有27起，导致242人受伤或中毒，由操作不当引起的事故造成271人受伤，由设备故障老化造成［7］的伤亡人数23人，等等。在2004～2011年发生的886起罐车危险品道路交通运输事故中，相似的单方翻车事故209起，相似的避让翻车事故55起，相似的冲出路外事故127起，相似的辆车追尾事故106［8］起，等等。2003～2011年的89起地铁隧道施工事故中，相似的坍塌事故19起，相似的物体打击事故23起，相似的高处坠落事故15起，等等。仅2012年石油化工行业共发生一般以上事故级别的事故125起，死亡533人，其中，相似的石油化工爆炸事故造成近400人死亡，相似的石油化工火灾事故造成110人死亡，在运输环节的事故死亡人数近300人，石油提炼及生产环节的事故造成死亡人数近200人［9］
。2007～2011年，我国烟花爆竹事故共发生503起，其中，91.65%的事故是发生在烟花爆竹的生产环节，并且，由相似的违反操作规程引发的烟花爆竹事故造成443人死亡，由于相似的生产场所环境因素导致的事故造成96人死亡，由于缺乏个人防护用具及设附件等相似的缺陷造成74人死亡，由于相似的操作规程及安全管理不［10］健全导致的事故造成的死亡人数是74人，等等。事故是相似的。对事故进行分析后发现绝大多数的事故都可以找到与之相似的事故案例，并且，根据不同的分类标准可将事故划分为不同的相似事故类型。在我们的周围，相似的事故总是在发生，却又“屡禁不止”。可见对于相似事故系统的研究是预防此类事故再次发生的有效途径。
列宁曾经指出：“历史有惊人的相似。”莱布尼茨也说过：“自然界都是相似的。”我们在认识、研究事物的时候，如果仅仅将目光聚焦于事物属性的某一点，会不可避免的产生局限性。而当从相似与相异的视角观察和研究事物，可以帮助人们从多角度、多层面、多属性的不断切入，获取关于事物的更为客观整体的信息。因此，相似，不仅可用于描述事物属性，并且可作为观察、研究事物的一种思维方法。从相似的角度出发，通过对相似的事故系统进行分析，探寻引发相似事故的本质原因，可以为有效杜绝相似事故的再次发生提供思路和方法。
相似的思想，可以为人们在生产、生活及工程中带来规律性的经验和启示。对于跨学科、跨领域、跨时空的安全问题，安全人员早已将相似的思想运用于安全系统的分析、评价、设计等方面。例如，在安全评价中，有些专家会不自觉地将待评价对象与已知的相似的对象进行并列对比；在安全管理中，有些企业纷纷效仿其他企业或行业中先进的管理经验与管理模式，这也是相似的一种思维方式；在审视问题时，专家也会不自觉地利用相似的思想来处理相关的问题。
相似性的研究，不仅为安全研究提供了全新视角，并且通过与具有高兼容性的安全系统科学有效耦合，促进安全科学的进步与发展。只是目前还没有学者从学科建设的角度将相似学与安全科学联系在一起，本书将尝试就相似理论运用于安全系统分析这一核心问题开展研究，并试图创建一门新的安全学科分支——安全相似系统学。1.1.2 安全科学学科框架完善的需求
科技进步与人口剧增，生产日趋机械化，数字化信息激增冗余，大规模系统化的产业结构，带来的是人们对多发事故的反思和安全感的重度需求。同时，随着人们安全文化素质的不断提高，对于安全不再仅仅局限于“免于事故带来的人身伤害”的要求，于是人们开始重新思考，什么是“安全”？安全工作的范围是什么？安全科学应包含哪些研究内容？仅仅以事故为研究对象，侧重于生产及技术方面的安全研究是否能满足人们对于生理及心理安全状态的诉求？
安全科学的专业教育是向社会输送具有安全专业技能人才的主要方式，对于安全工程专业的学科建设，在要求专业技能的教育大背景下，各大高校的安全专业多以其各自的专业领域为对象，进行相应的安全研究与教育工作，形成了以专业需求为依托的安全学科体系。随着人们对安全科学的不断深思，许多学者对现存的专业需求背景下的安全科学学科体系进行反思，并试图从“安全”本身进行安全科学知识体系的构建，将安全科学从“他知识”学科体系到“自知识”的根本转变，构建安全科学的知识本体体系。2011年3月8日发布的《学位授予和人才培养学科目录》，将“安全科学与工程”列为研究生教育的一级学科，从中说明了对安全科学自身理论体系发展研究的必要性。
安全科学本身是一个抽象的客观存在，这种客观存在的安全科学以丰富的安全学科的形式体现出来，安全学科的发展就是安全科学的［11］发展。2012年，吴超等从安全科学学的高度和大安全的视角出发，构建了安全科学原理的“人形”结构体系，将安全科学原理划分为：安全自然科学原理、安全生命科学原理、安全技术科学原理、安全社会科学原理和安全系统科学原理五项一级科学原理，并分别细化至25条二级科学原理。科学原理是支撑一门或一类学科的基本概念体系，是指导学科建设，应用实践的基础理论。因此，以发展安全科学自身知识体系为宗旨，依据安全生命科学、安全生命科学、安全技术科学、安全社会科学及安全系统科学之间的原理关联，以文献［11］中的安全科学原理模型为基础，并参考学科间的相互关系以及现阶段安全科学的发展成果与研究重心，搭建安全科学学科的整体框架的轮形结构，参见图1-3。图1-3 安全科学学科体系框架
其中，安全科学是以人为中心的科学体系，研究人的生命安全，因此，安全生命科学作为安全科学的最重要的一支是毋庸置疑的；安全自然科学涵盖了有形及无形的物质与安全之间的关联与规律；与自然对应的是社会，安全社会科学的研究主体是人，人是社会属性的高级物种，是安全问题的参与主体，安全科学的研究理所当然离不开安全社会科学的研究；安全技术科学是关于“改造世界”的规律的探讨，以专业背景为依托的安全学科设计应隶属于安全技术科学这一分支；关于系统，安全系统，系统安全，安全科学与安全系统的包含关系和各自的边界目前尚无唯一确切的答案，但在安全科学领域系统思想的重要性是不容忽视的。
多年以来，以中南大学资源与安全工程学院吴超教授所带领的安全科学理论研究团队一直致力于从基础理论层面，不断补充丰富安全科学学科体系。在安全学科建设，安全理论创新方面，均取得重要进步。在此，笔者将课题组提出、构建（以文章形式正式提出并发表）的在安全学科体系构建方面的成果（主要集中于学科构建、基础原理理论及方法论层面）进行整理，见表1-2。表1-2 安全学科体系构建成果列举
结合图1-3与表1-2可知，我们正在一步一步地不断发展和完善所构建的安全科学学科体系。其中，表1-2并没有对安全技术科学进行研究成果的列举，这是因为在我国绝大多数的安全学者所从事的安全工作都属于安全技术科学范畴，因此，吴超课题组近年来的工作重点是从理论层面，构建安全技术之外的安全自学科、自知识体系。例如比较安全学，安全统计学，安全混沌学等均是吴超课题组在国内外首先提出并架构的。
安全相似系统学，作为一门新的安全学科，隶属于“安全系统科学”中的“安全系统方法学”。通过相似的视角和相似理论的运用，为安全系统的研究提供全新的思路和方法，并以此，进一步完善安全科学学科体系。同时，由表1-1可知，在学科构建及基础理论研究方面，吴超课题组已从多个学科角度成功提出并丰富发展了多个全新的学科，在安全科学基础理论方面取得初步性的进展，这也为安全相似系统的提出、构建、发展提供平台和经验。1.2 安全相似系统学起源及其发展现状1.2.1 安全系统学、相似理论及安全相似系统学1.2.1.1 安全系统学起源及发展
由于安全事故的频发，促使人们开始思考隐匿于事故表象之下的致因机制，运用系统思想、系统科学以及系统工程的视角来实现系统安全。安全系统学以系统思想为中心，通过系列的系统方法及手段来保障并提高人类生产、生活及生存的安全状态。成为近年来得到发展和重视的一门新兴学科，是安全学科领域的重要组成部分。安全科学的研究核心就是认识安全系统、发掘安全系统中所蕴藏的安全科学原理，再用所发现的原理指导安全系统的管理，优化安全系统的状态，保障人的安全健康。（1）安全系统思想的发展历程。安全系统思想的发展与人类的整个安全劳作史是分不开的。伴随人类生产力及科技的发展，人们对于安全系统在认识的性质上不断发生变化和提高。将安全系统思想的发展可以概括为从自发的安全认识到自觉的安全认识的四个发展阶段，以图形示之，参见图1-4。图1-4 安全系统思想的发展历程
一般情况下，科学发展的过程都是从局部认识上升到整体认识，再从整体的研究中寻找一般规律。目前，对于安全系统的研究已进入了安全系统的认识阶段，为了实现对安全系统内涵的认识，需要以现在生产、生活科技进步为基础，寻找全新的研究视角、思路及方法。（2）安全系统实践发展。由安全系统思想的发展历程可以发现，人们对于安全系统的思考从具体的工程实践上升到了学科理论高度。对安全系统学的研究源于安全系统工程或系统安全工程的实践。
安全系统工程最早起源于安全风险评价，20世纪30年代，随着美国、英国等发达国家保险行业的发展，为了衡量风险与收取费用的关系，有了风险评价；20世纪60年代，美国军工行业迅速发展，这一阶段，美国导弹系统研发过程中连续发生重大伤亡事故，促进了用系统工程原理和方法研究导弹系统的安全可靠性，1962年4月公布的系统安全说明书“空军弹道导弹系统安全工程”开启了系统安全工程方法在其他行业的推广和应用；1967年7月，美国国防部批准颁布的当时最具有代表性的系统安全军事标准《系统安全大纲要点》对完成系统在安全方面的目标、计划和手段，包括设计、措施和评价，做了具体要求和程序，后来该标准经过两次修订，成为现在的MIL-STD-882B“系统安全程序要求”，这就是由事故引发的军事系统的安全系统工程。
多个经典的风险评估评价方法相继出现：1961年，贝尔电话研究所创造了事故树分析法；1974年，美国原子能委员会发表了“商用核电站风险评价报告”（WASH-1400），成功地开发应用了系统安全分析和系统安全评价技术，该报告的科学性和对事故预测在“三里岛事件”中得到证实，称为核工业的安全系统工程。
1964年，美国道（DOW）化学公司提出了火灾、爆炸危险指数评价法，用于化工装置的安全评价；1974年，英国帝国化学公司（ICI）蒙德（Mond）部在道化学公司评价方法的基础上提出了“蒙德火灾、爆炸、毒性指标评价法”；1976年，日本劳动省颁布了“化工厂安全评价六阶段法”，使化工厂的安全性在规划、设计阶段就能得到充分的保证，称为化学工业的安全系统工程。
20世纪60年代，许多民用产品投放到市场，为了保障安全性，迫使在电子、航空、铁路、汽车、冶金等行业开发了许多系统安全分析方法和评价方法，称为民用品工业的安全系统工程。
20世纪60年代末，我国的安全系统工程研究开始起步，1982年，在北京市劳动保护研究所召开了安全系统工程座谈会，对我国安全系统的研究和发展做了探讨；1985年，成立中国“劳动保护管理科学专业委员会”，并建立了“系统安全学组”，推动安全系统工程学科的发展，该阶段安全系统工程的发展主要以国外先进方法的学习和引进为主；到了20世纪80年代，研究人员将目光聚焦于系统安全评价的理论及方法的开发。
安全系统工程是人们在面对事故的事实下被动产生的，如图1-4所示，对安全系统问题认识到一定层次时，人们的认识角度和视角发生飞跃，从被动安全到主动安全。在面对安全事故问题时，通过系统的思维，逐渐将视野从工程技术层面上升到理论科学角度，这就是我们所讲的安全系统学。
安全系统学的提出，标志着人们对“安全系统”的认识提高至了新的水平，其属于研究安全系统本质，解释安全系统运动规律的科学，是交叉兼容的安全科学的又一学科领域。是以安全系统工程为研究对象，研究指导人们开展及研究安全系统工程的学问。安全系统学是安全系统工程的理论发展和上游，安全系统工程是安全系统学的实践基础，两者是包涵的关系。安全系统学的研究领域十分广泛，因此，其涉及的理论与知识也非常宽广，这也为安全相似系统学的提出与发展提供兼容性的安全系统平台及丰富的安全系统理论基础。1.2.1.2 相似理论的起源及发展
相似理论是研究自然界和工程中各种物理过程相似规律和相似现象的学说。通过研究技术系统中的相似特性，分析及试验过程，处理与系统相似有关的工程技术问题。
相似理论起源于17世纪到19世纪，在工程应用方面，1638年，［54］伽利略（G.Galilei）在“论两门新的科学”中讲到，威尼斯人在比照小船建造大船的时候，已经深入研究到相似理论的实质内容，说明了简单的类比方法来放大或缩小功能系统，并不能使新系统继承原系统的功能性质。该描述已深入到相似理论的实质内容，认为这是［55］最早的相似科学的萌芽。1686年，牛顿（（I.Newton）以两个物体作相似运动来表述和论证相似三定理，提出了相似数［F/22（ρVI）］，并且，在《自然哲学的数学原理》一书中，运用相似理论，将相似模型应用于工程技术。1829年，柯西（A.L.Cauchy）对振动的梁和板，1869年，弗劳德（W.Froude）对船，1883年，雷诺兹（O.Reynolds）对管中液体的层流与紊流试验以及1903年莱特（W.Wright）兄弟首次对飞机机翼所做的风洞实验，是较早的运用相似方法解决工程问题的实例。［56］
在理论方面，1882年，傅里叶（J.B.J.Fourier）提出了物理方程必须是齐次的论点，柯西提出了适用于弹性体和声学现象的相似［56］数。1848年，J.Bertrand通过对力学现象的相似研究，概括了相似现象的相似性质，总结了现象相似的必然结果，提出相似第一定理，将其表述为：“对相似的现象，其相似指标等于1”或“对相似的现象，其相似准则的数值相同”。
20世纪前半叶的相似理论主要是结合模型试验而发展起来的，而模型相似的理论基础和方法手段之一是量纲分析，1911年，白金［57］汉（J.Buckingham）把量纲分析理论推广于一般工程，并提出相似第二定律。第一定理与第二定理是在假定现象相似是已知的基础上导出的。两个定理确定了相似现象的性质，但并没有指出决定任何两个相互对应现象是否相似的方法。［58］
1930年，基尔皮契夫（М.В.Кирпиче）和A.A.古赫曼提出了相似第三定理，表述为：“对于同一类物理现象，如果单值量相似，而且由单值量所组成的相似准则在数值上相等，则现象相似。”相似第三定理的提出证明了现象相似的充分和必要条件，使得相似理论逐步趋于完善和成熟。
我国对于相似的研究，最早在战国时期出现，以《黄帝内经》为代表的子午流注理论、五轮八廓学说等，把人作为天地间的一个子系统，发展了丰富的自相似理论。自相似与相似理论的研究对中国学术的发展有着深远而重大的意义；公元前11世纪，西周的《周易》，其中，关于相似和自相似的概括，包涵了系统原理、整体思想、周期性有序的初始概念。
20世纪，随着学科的丰富和发展，“相似”这一概念引申而出专门的学科，其理论和应用都在日益发展，相似理论的研究广泛运用于其他多个研究，学科领域、航空航天、计算机、建筑科学、电力电信、［59-63］生物科学，等等。到20世纪50年代开始，国内学者开始纷纷研究相似理论，并且随着我国各学科理论的飞速发展，以及相似实践的不断深入，由相似理论这一核心理论不断催生出新的相似的学科分支和分理论。［64］
张光鉴是我国“相似论”的创立者，1992年发表《相似论》，一经发表便获得国内外专家的高度评价和认可，并在我国掀起了学习相似理论的新浪潮。钱学森老先生曾给予极高的评价：“相似和不相似是辩证统一的。相似的观点，或相似论，对说明形象思维在科学技术、工程技术中的重要性，很有价值。”［65］
1993年，周美立从系统学的角度对复杂系统相似的概念、方式和方法等进行了较为深入的探讨和研究，建立了相似学这一门新学科，进而在其著作《相似系统论》中，将相似理论与系统思想相结合，对相似系统理论的多个基本概念做了详尽阐述，论述了自然界中诸多相似现象和本质，及相似性的形成与演变规律，提出了相似熵的概念，为相似理论在其他领域的发展和应用提供条件。而后，1998年，融合了科学性、思想性和实用性的思想，发表了《相似工程学》，对相似学原理的应用、相似系统理论与实践、相似分析、相似模拟、相似系统设计、相似制造工程、相似虚拟技术、相似管理工程、仿生智能工程、生态相似工程、社会系统相似工程等方面实践应用进行了［66］［67］［68］［69］探讨。另外，邱绪光、王丰、黎阳生、沈自求、
［70］徐迪等诸多学者均在各自的领域对相似性理论的推广及应用做了研究与探讨。
同时，由于计算机科技的应用及推广，使“相似”成为仿真技术的基础理念，不管是同类物理体系模型试验、异类物理体系的模拟试验或数字模拟仿真试验，都是相似理论在整个20世纪应用扩大和发展的过程。1.2.1.3 安全相似系统学的起源及发展
安全相似系统学是安全系统学及相似科学形成的交叉学科，以相似的视角，探寻安全相似系统（包括相似的事故系统、相似的安全事件、相似的安全现象等）间的相似特性，跨越具体事物之间的界限，从中总结出一般的普遍的规律，进而挖掘其相似现象下的本质，为安全系统的分析、分解提供全新的剖析思路及手段。目前，不管是国外还是国内，都未出现系统的安全相似系统理论，但相似理论已广泛应用于多个研究学科领域，同时，在安全领域，已有学者开始尝试运用相似理论开展相似研究，参见下文1.2.3部分。1.2.2 安全系统学研究现状1.2.2.1 国内外研究成果对比及研究热点分析
随着系统科学的不断发展，将系统科学中的思想、理论、方法等改造运用到安全科学中的优势越发明显，越来越多的学者意识到安全系统思想对安全科学研究的重要性与必要性。关于安全系统及安全系统思想的研究也越来越多。参考文献［71］用文献统计的方法将2000～2009年我国安全系统工程的研究做了总结，发现我国安全系统工程学发展迅速并逐年上升，期间其研究领域广泛分布于其他各领域学科中，该阶段安全系统工程学的研究内容主要集中以系统安全分析和系统安全评价为主。
同样以文献统计的方式，在中国学术期刊网络出版总库中以“安全系统”为检索条件，对国内关于安全系统的研究成果进行统计（包括期刊文献与学位论文文献）。同时，利用Engineering Village全文期刊数据库以“safety system”为检索词汇，统计国外安全系统的研究成果。检索出自2000～2016年的相关文研究成果，绘制研究成果统计对比图，参见图1-5。图1-5 国内研究成果统计分析
图1-5所示为在时间序列下国内外安全系统相关的文献统计数量。通过图1-5可以发现，在国内和国外，学者和专家对于安全系统的研究自2000年开始呈现相似的上升趋势，并在2014年达到文献检索量的高峰，说明对安全系统的研究，随着安全科学的发展得到越来越多的重视与发展，关于安全科学与安全系统的研究还会继续深入。同时可以发现，以2004年为临界点，我国国内有关安全系统的文献数量超过了国外安全系统的文献数量，这也侧面体现了我国对安全工作的重视和安全学科正在高速发展。
文章的关键词是赋涵了全文主题内容、方法及创新点的信息，通过检索到文章的关键词可以帮助我们对文章的整体加以认识。对国外安全系统相关文献包含的主要关键词进行统计，包括：AHP（analytic hierarchy process，层次分析法）、assessment model（评估模型）、evaluation index system、evaluation index（评估指数\系统）、assessment result（评估结果）、assessment index system（评估指数系统）、optimization model（优化模型）、fuzzy comprehensive evaluation method（模糊综合评价法）、risk assessment method（风险评估模型）、prediction（预测）、prediction model（预测模型）、neural network（神经网络）、prediction accuracy（预测精度）、precision（精度）、SVM（支持向量机）、BP neural network（BP神经网络）、prediction method（预测方法）、prediction result（预测结果）、monitoring data（监测数据）、relative error（相对误差）、regression model（回归模型）、time series（时间序列）、gas emission（气体排放）、neural network model（神经网络模型）以及forecasting（预测）。由此可见，国外关于安全系统研究的主要关注点集中在评价、优化、预测、监测等方面。同理，国内安全系统研究文章的关注点多集中在信息、信息系统、安全管理、安全监测、安全对策等方面。1.2.2.2 安全系统科学理论研究发展现状
安全系统学将安全对象以系统的观点进行分析，将研究对象及其所处环境作为整体，讲究的是避免局限性的综合视角。安全系统一直是学者们研究的热点，但多数研究成果多集中于安全系统工程实践层面，如具体到某系统、某工程的安全系统管理、预测、监测、决策等方面，这一点从研究成果主要关键词统计中也得到印证。而对于工程实践有指导和鸟瞰意义的理论研究，却少之又少。安全理论研究是安全科学发展的根基，具有原创性和理论性，指导安全系统工程实践。表1-3整理并列举了其中主要的安全系统科学理论科研成果。表1-3 安全系统科学理论研究成果列举1.2.3 安全相似系统学研究现状1.2.3.1 国外安全相似系统学研究现状
相似原理基于相似的视野分析生产生活中的相似问题、相似现象，揭示自然界、人类社会、思维发展规律的基本原理和方法。作为认识事物、分析事物的思维方法，国外各个研究领域都开展了系统相似性研究的工作。对相似理论的运用，主要集中在相似分析、模拟实验、相似评价、相似设计、相似管理等方面，而涉及安全领域，目前主要体现在安全分析和安全模拟方面。
相似性分析可帮助研究者寻找事物之间的差异和共同点，通过相［84］似与相异的比较，探寻造成相似现象的原因。A.Trevor通过列举印度博帕尔毒气泄漏事故，英国Flixborough镇己内酰胺装置爆炸事故，北海派珀阿尔法海上石油平台火灾爆炸事故，运用相似分析的思路，提出在事故分析时，可以根据以下四个相似的问题进行事故的深入分析：①为什么存在危险源被忽视的情况，要怎样预防；②为什么失效设备没有被即使关闭，要怎样预防；③为什么存在的危险没有被预见到；④谁要为事故的发生负责。并且，通过多个事故持续的原因分析（包括排污管内液体泄漏引发的火灾事故，压力容器爆炸事故，原油罐火灾事故）并列举与之类似的相似事故案例，寻找事故产生原因的相似特性。文章中指出，通过持续分析事故及事件的原因，并找出其相似性，是分析事件的根本原因。［85］
Y.V.Puzanov将工业风险评估的对象作为复杂的安全系统来进行分析，并且对工业事故评估系统中的自相似风险特征进行了研［86］究。S.Nikfalazar等基于多层次的相似分析方法，探寻了广义梯度模糊数和期望模糊数之间的相似性，并提出了一种基于相似理论的可用于风险分析、风险等级划分和排序方法，并验证了该方法的可行［87］性。H.Deng提出了基于相似性方法的排序多准则替代并解决离［88］散多准则问题的方法思路。H.Li等为了提高交通事故识别的效率和准确性，基于相似特性分析，提出了通过车载录像机收集大量数据，对相似数据进行分类，然后重组事故视频的一种新的交通事故识别方法。
物理实验及数值模拟是基于相似的基本理念，通过构造与真实研究对象相近的实体或数值模型，研究不同条件下研究对象的状态变［89］化。H.C.Ma为了探索地下隧道爆破后的安全性，通过维度分析，分析了不同规模隧道的防爆能力，并在控制其他条件不变的情况下，［90］推导出隧道物理尺寸与防爆能力的理论相似关系；Z.A.Jiang等为了对矿山给水网络的安全可靠性进行研究，导出相似条件下的流量和压力的相似度，并根据重力相似性准则建立了矿山给水网络的物理［91］模型；M.Lee等用有限元分析方法，通过硬化土模型比较了三个模型的最终单位轴承压力，研究了无黏性土的带状基础的相似定律。
相似安全管理的应用实践先于理论研究，如企业在进行安全管理时，一般的会选择类似的某个或几个具备成熟安全管理理念的企业（如杜邦公司、摩托罗拉公司和GE公司等）作为开展安全管理活动的参照物。这种相似理论的运用，广泛存在于系统管理，却没有以文章的形式正式提出和研究。1.2.3.2 国内安全相似系统学研究现状［92］
在理论研究层面，吴超等在《安全相似系统学的创建研究》一文中，首次提出安全相似系统这一概念，阐述了安全相似系统的定义、内涵，并在学科高度论述了以安全相似系统学作为安全科学学科分支的学科属性，分析了安全相似系统理论可能涉及的应用领域，为［93］安全相似系统学的研究与发展奠定基础。贾楠等从方法论的角度，对安全相似系统学的研究方法进行了综述和研究，并提出了作为一门全新学科，如何发展和丰富其理论方法体系的思路，指导了安全［94］相似系统学的研究工作。卢宁等以相似系统为基础理论，提出了相似安全管理学的理念，通过分析其研究对象和研究内容，明确相似性动态分析的必要性，基于时间等七维度建立相似性分析的锥形体系结构并构建方法论体系和“四阶段”研究程序。除此之外，其余多数文献均是相似理论在安全领域的应用实践研究。具体文献综述如下：（1）相似安全分析与评价的实践。分析是评价的基础，同时也可以认为评价是分析的一部分。相似理论在安全实践领域的分析实践［95］多体现于不同系统的风险分析和风险评估。杨瑞刚等将相似理论用于型桥式起重机结构安全评价的实验方法，以相似的思想为基础，提出通过构建位移、变形和载荷的相关关系来确定相似控制量，并以测试起重机起升载荷较小的变形和位移来推断起重机起升载荷为［96］极限值时的变形和位移状况。张振华等运用相似理论，分析了中部下方近距爆炸作用下船体梁中垂和中拱变形的相似参数及各相似参数的物理意义和影响规律。
在风险评估中，针对面向入侵风险分析模型受技术和规模影响较大，不易规范化以及文档管理工作较多，不便于中小企业的执行的问［97］题，徐源等从评估实体安全属性的相似性出发，提出了安全相似域的概念，并且在此基础上，建立了基于安全相似域的网络风险评估模型SSD-REM（security-similar-domain based risk evaluation ［98］model）。滕希龙等将区间值直觉模糊集引入相似评价，提出一种区间值直觉模糊集相似性算法，并将其运用于信息安全风险评估。［99］刘沐宇等运用模糊相似优先的概念，构造了基于模糊相似优先的边坡范例检索模型。经过影响因素之间的两两比较，获得不同的影响因素下边坡的目标范例与源范例之间的相似性序列，计算得到边坡的目标范例与源范例之间的综合相似性序列，从而最终找出与边坡的目标范例最相似的边坡的源范例，实现了边坡稳定性评价。李丹［100］等通过模糊相似理论，提出了模糊相似评价方法，并将其运用［101］于某长距离埋地输水管道供水工程。钮永祥等构建了基于Vague相似度量理论的综合评价模型，对建筑施工安全事故进行分析与评价。（2）相似模拟与实验的安全实践。模拟与实验是以相似为理念，构造与真实系统类似的实体或数值模型，研究不同条件下研究对象的状态变化。宏观的，试验和模拟其本身就是相似理论的运用实例。［102］黄波林等为了降低崩滑体涌浪事件带来的伤害，采用的物理相似试验方法，以三峡库区龚家方崩滑体涌浪事件为原型，构建相似比为1∶200的大型物理相似试验模型，对类似岩质岸坡失稳产生涌浪机［103］理进行探索预测。李玉全等针对压水堆失水事故，通过计算降压模拟的相似准则，分析了计算不同事故条件下系统需优先保证的相似准数，对各个相似失真度进行了定量化，为缩比低压试验台架的设计和试验结果的相似性评价提供参考。壳体容器的跌落事故是冲击动［104］力学行为，聂君锋等以相似理论为基础，通过数值模拟方法，对不同比例的相似模型试验进行数值计算，并对这种相似模型试验的设计进行评价，计算发现，在一定的假设和试验设计条件下，各相似常数的误差较小，能很好地反映模型参量的相似性，从而可通过相似模型试验来研究壳体容器的跌落事故。（3）相似管理的安全实践。相似理论在管理方面的运用为药品［105］的安全管理领域。王波为了加强病区相似药品的管理，设立药品安全管理质控员，加强护理人员防范意识，降低了相似药品管理缺［106］陷事故。刘丽玲等以相似理论为基础，通过对相似药品的使用进行规范化流程管理，使得相似药品安全使用，杜绝了相似不良事件的发生。
由上述文献综述可知，相似理论已初步涉足国外及国内的安全领域，并在其各自研究范围内获得初步成果。由安全科学的极具综合特性可知，相似理论可广泛应用于安全科学实践。同时可以发现，相似理论在安全科学中的实践处于最初的起步尝试阶段，尚未形成规范的理论体系和普遍的应用模式，也没有形成相应的学科体系，因此，要想将相似理论系统地推广至安全科学及安全系统科学领域，构建安全相似系统学学科体系是十分必要的。1.3 研究内容与意义1.3.1 主要研究内容
相似的事故总是屡禁不止。预防并制止相似事故的发生，是大幅度降低事故损伤，提高安全水平的有效途径。那么，如何有效地预防类似事故的重复发生？面对重复发生的事故系统，随着系统规模与非线性程度的增加，复杂的人机界面，大量信息冗余交互等，面向个别事故系统的针对性分析并不具有整体成效。
相似，不仅用于描述事物属性，并且可以作为研究事物的一种思维方法。相似理论，通过对事故或安全现象规律的哲学思辨，帮助研究人员实现对安全系统进行多维度、多属性、多层次的剖析，探究事物之间个性与共性的关系，通过相似特性的研究，把握相似现象背后的本质。目前，已有不少学者尝试将相似理论运用于安全科学各个领域，但在实践中也出现了桎梏相似理论运用于安全科学的实际问题，即安全相似系统学学科尚未明确提出、系统的理论框架尚未搭建和实践运用尚未规范的三大问题。具体可以理解为：如何将相似理论系统的运用于安全系统科学，其学科构建是怎样的，其相似系统的机理是什么？其研究方法有哪些？基本原理是什么？具体的实践过程是怎样的？等等。安全相似系统学将相似理论运用于安全科学，为安全系统的研究与分析提供了全新的思路，为安全科学学科分支又增添一名新成员。本文主要包含以下几个方面的研究内容。1.3.1.1 安全相似系统学的提出
提出安全相似系统学，给出安全相似系统学的具体定义和详细内涵，依据安全学科属性和安全系统学特征阐述创建安全相似系统学具有的可行性；从安全相似系统学学科基础、学科层次、学科概念体系、研究内容、应用领域等层面阐述安全相似系统学学科性质。在此基础上，分别从系统功能及行业领域视角构建其分支学科体系，以促进安全相似系统学学科发展。1.3.1.2 安全相似系统学的基础模型研究
以安全相似系统学的元问题为思路，提出并构建安全相似系统学基础模型，包括安全相似系统数学描述模型，安全相似系统产生的机理模型及相似原理在安全系统中的运用思路模型。其中，安全相似系统数学描述模型通过构建安全系统和安全相似系统的数学公式，解读其基本结构及性质，回答了“是什么”的元问题；安全相似系统机理模型深入探究要素、自相似、他相似、系统整体显现之间的非线性关联，回答了“为什么”的元问题；安全相似系统实践模型分别从自相似与他相似两方面构建相似思想在安全系统的实践思维路径，回答了“怎样做”的元问题。基础模型的构建为相似原理在安全系统中的进一步研究与运用奠定基础。1.3.1.3 安全相似系统学基础原理研究
确定安全相似系统学原理定义，给出安全相似系统学原理的描述、解释、预测指导、借鉴启示的功能，确定安全相似系统学原理的PCP结构。学科发展的视阈下，创建安全相似系统学学科原理体系框架。确定安全相似系统学原理创建研究的主要来源于：相似安全现象和相似安全问题和相似学、安全系统学的启示。在此基础上，并构建安全相似系统学原理研究的一般步骤。归纳安全相似系统学基本原理，包括安全系统局部和谐原理、安全系统信息原理、安全系统共适性原理及安全系统支配原理，并分别论述原理内容及其延展推论。1.3.1.4 安全相似系统学研究方法论
为更好地指导学科研究工作的开展，从方法论的角度对安全相似系统学进行探究。论述安全相似系统学方法论定义与内涵，分析安全系统学方法论的特点，层次及原则。对安全相似系统分析的两大要素进行阐述，即相似元的辨析与构建，相似度的分析与计算，并以道路交通事故系统作为案例进行相似道路交通事故系统的相似元分析及相似度计算。
在此基础上，对现在应用较多的系统方法进行统计分析，并提出涵盖两条研究路线的系统方法研究的动态模型，为安全相似系统学分析提供基本手段。探讨了安全相似系统学相似性与相异性思维路径，进一步指明不同思维路径下安全系统的研究发展趋向。构建安全相似系统学研究的一般程式，安全相似系统学研究范式，为安全相似系统学的研究与发展指明方向。1.3.1.5 安全相似系统学应用探讨
在安全相似系统学基础理论部分研究的基础上，对其中的安全相似系统分析，安全相似系统进行评价，安全相似系统管理和安全相似系统模拟做初步建设性探讨。实践分支领域探讨的重点主要集中于内涵分析，一般步骤及相关案例的列举分析。1.3.2 研究意义
安全相似系统学将相似学、相似系统学先进的理念、思想及方法运用于安全系统中。因此，作为安全科学中全新的学科分支，安全相似系统学的提出与创建具有以下几点研究意义。（1）通过安全相似系统学的开展，最直接的意义是为安全系统研究探索提供全新角度和分析问题的思路。运用相似学理论，把复杂的安全事故（负安全相似系统）、安全现象（正安全相似系统）的表象进行深化，探索现象背后的本质特征，让关于安全系统的分析研究不仅局限于其错综复杂的表象，以相似的思想抓住安全系统精髓。（2）运用相似学的度量分析方法，将相似元的分析辨识、相似度计算用于安全科学及安全系统的分析，可以产生多种安全系统分析、相似模拟、相似评价的方法，提高安全系统分析实践效果，为安全人员分析问题，解决问题提供有利的工具，并带来新的启示。（3）通过安全相似系统学的创建及理论体系与实践方法的逐步完善，丰富安全科学的学科体系。在理论方面，新增加了安全相似系统理论，以及由相似理论延展而来的新的研究思路与方法。在实践方面，重塑人们在实践中对于安全系统的认识、明晰了安全系统解决问题的思路。不同的分析角度会得到全然不同的结果。虽然众多安全系统看似复杂多样，但通过相似的思想探查其相似特征、相似元，进一步分析其系统层面，循序渐进，使得一切疑难问题都有迹可循。（4）安全相似系统学对于安全科学的研究有重要的哲学层次的指导意义。通过相似的思想与理念，有利于帮助研究人员深入把握各色各样安全系统在元素、结构、功能、层次上平衡方面相同与差异间的辩证统一，并指导其在研究实践中方法思路的选择。（5）安全相似系统学既可以作为安全科学中安全系统科学的下属学科分支，同时由于相似理论跨属性跨边界的应用特征，又可以作为安全科学及安全系统学的工具性方法学科，为安全系统及安全科学的研究提供了全新的视角、思路和启发。相似的思想自古流传至今，普遍应用于生活与科学领域，将相似理论引入安全科学，极大地促进了安全科学基础理论及应用研究。并且其独特的多维度、多属性的综合性视角，可有效地推动安全科学及安全系统学研究的发展与思辨。第2章 安全相似系统学的提出与创建
安全相似系统学是以相似的视角剖析安全系统中的安全现象、安全事故、安全问题。安全相似系统学的提出与构建，为分析和探索安全系统提供了全新的视角，促进了安全系统学及安全科学的发展。由于安全系统学覆盖内容宽泛，研究对象涉及安全生产生活中的每个层面，以及安全系统学自身的综合交叉属性，使得安全相似系统学的研究对象，内容及学科属性也是多层次复杂的。为了规范安全相似系统学的研究工作，我们对相关的基本概念、学科定义、内涵、属性进行界定，并构建其学科分支体系。2.1 基础核心概念2.1.1 相似
相似现象普遍存在于自然界与人类社会中，例如海岸线的相似，树叶脉络的相似，日月每天运行轨迹的相似，原子结构与太阳系结构之间的相似性，动物迁徙习性的相似，不同人类个体间结构、功能、器官的相似，等等，相似现象无处不在。古希腊哲学家赫拉克利特说过，人不能两次踏进同一条河流。这句话形象地表达了关于“变”的思想：河流中的水是流动的，当人第二次进入这条河时已是新的水流。从哲学层面辩证了静止与运动的关系，同时，也涉及三个名词：相同、不同、相似。世界上没有绝对一样的两样事物，也不存在绝对孤立的两样事物，有的是相似的事物。同理，对于安全，没有绝对的安全和绝对的危险，多的是处于安全与风险间的相似的灰色状态。
相似是不以人的意志和主观感性认识所转移的客观存在状态，是客观事物在相同与相异之间达到或妥协到平衡的一种状态。
若将两事物间的相似程度以Q表示，那么，相似的范围可记为式（2-1）：Q∈{Q|0 相同与相异的是相似的两端极致，即当limf（Q）=1时，代表相同；当limf（Q）=0时，表示相异。 就思维科学和辩证法的角度而言，相似性是人们在反映外部世界时，对两个及以上事物的表现进行比较的过程中，产生感性认识，即相似性是主观对客观事物的反映。根据不同的划分依据可对相似类型［107］进行划分，表2-1详细地列举了相似类型的划分依据及其包含的相似种类。表2-1 相似类型划分
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