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，伽利略（G.Galilei）［54］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，认为这是最早的相似科学的萌芽。1686年，牛顿（（I.Newton）［55］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/（ρV2I2）］，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。
在理论方面，1882年，傅里叶［56］（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数。1848年，J.Bertrand［56］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，白金汉［57］（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。
1930年，基尔皮契夫［58］（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、生物科学，等等［59-63］。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。
张光鉴［64］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。”
1993年，周美立［65］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探讨。另外，邱绪光［66］、王丰［67］、黎阳生［68］、沈自求［69］、徐迪［70］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，通过相似与相异的比较，探寻造成相似现象的原因。A.Trevor［84］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。
Y.V.Puzanov［85］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究。S.Nikfalazar［86］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性。H.Deng［87］提出了基于相似性方法的排序多准则替代并解决离散多准则问题的方法思路。H.Li［88］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化。H.C.Ma［89］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，推导出隧道物理尺寸与防爆能力的理论相似关系；Z.A.Jiang［90］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模型；M.Lee等［91］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
在理论研究层面，吴超［92］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，为安全相似系统学的研究与发展奠定基础。贾楠［93］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，指导了安全相似系统学的研究工作。卢宁［94］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多体现于不同系统的风险分析和风险评估。杨瑞刚［95］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极限值时的变形和位移状况。张振华［96］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题，徐源［97］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 model）。滕希龙［98］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。刘沐宇［99］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，并将其运用于某长距离埋地输水管道供水工程。钮永祥［101］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。黄波林［102］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理进行探索预测。李玉全［103］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力学行为，聂君锋［104］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的安全管理领域。王波［105］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陷事故。刘丽玲［106］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。