近年来,随着我国铁路危险品运输量的增加,铁路危险品运输系统事故也时常发生。研究铁路危险品运输系统的风险形成和演变机理,进而研究其控制机理,具有较大的理论意义和实践意义。本文以铁路危险品运输系统为研究对象,结合系统论、耦合论、脉冲理论、量子力学、突变理论、分叉理论和控制论,探索了铁路危险品运输系统的风险形成、演变和控制机理。本论文的研究工作主要包括以下四个部分内容。(1)采用WBS-RBS对铁路危险品运输全过程中的系统风险因素进行划分,目的在于不重不漏地找出整个过程中所有可能存在的风险因素;然后站在宏观系统角度,基于历史统计数据,采用N-K模型和熵-TOPSIS-耦合协调模型分别分析了铁路危险品运输系统风险因素之间的交互耦合作用。计算结果显示:1)参与耦合的风险因素越多,最后形成的风险耦合值越大,越容易发生安全事故;2)人和管理因素参与的耦合过程造成的风险最大,需要重点管控;3)2010年前的综合协调度波动明显,2001年的系统最不稳定;2010年后系统综合协调值逐渐降低;4)2008年前风险因素间的作用较强,且在发展过程中彼此和谐一致的程度较高,耦合协调度值越大,发生安全事故的概率越大。2008年后各耦合风险系统在发展过程中彼此和谐一致的程度逐渐降低,系统逐渐由有序发展变为无序发展,系统变得更安全;5)TOPSIS值排序值显示,2001年我国铁路危险品运输系统最不安全,2010年前系统每年的安全性波动较大,2010年后我国铁路危险品运输系统逐渐安全。将事故致因或风险因素,以及事故致因或风险因素之间的交互耦合定义为铁路危险品运输系统的风险源,将风险源对系统造成的物质、能量和信息改变定义为铁路危险品运输系统不安全事件。铁路危险品运输系统的风险变化曲线和系统风险能量将会出现不断累积的情况,而非上下波动的情况。(2)风险源携带有风险能量,这部分风险能量将会对铁路危险品运输系统造成扰动或摄动,将这种风险能量造成的扰动或摄动定义为风险脉冲。建立了高斯、余弦-高斯、辛格-高斯三种风险脉冲模型;将脉冲波形函数平方在时间上的积分定义为风险脉冲能量;借助傅里叶变换和欧拉公式,研究了铁路危险品运输系统风险脉冲的幅度谱、相位谱、能量谱等基本物理量;然后对上述模型中的参数进行数值仿真,仿真结果显示:1)风险脉冲的波形振幅、以及风险脉冲能量与方差成负相关关系,与等效损失系数成正相关关系,与初始相位成负相关关系;2)风险脉冲作用的时间宽度由方差决定,与方差成负相关关系;3)风险脉冲的振幅位置最高点仅由在时间轴上出现的位置决定;4)余弦-高斯风险脉冲包络的数量由方差和初始相位决定,其与方差成正相关关系,与初始相位成负相关关系。5)对于高斯风险脉冲和辛格-高斯风险脉冲而言,风险能量在到达振幅位置最高点之前是加速积累的,在到达振幅位置最高点之后是减速积累的;6)对于余弦-高斯风险脉冲而言,由于脉冲包络的存在,风险能量的累积呈现阶梯式递增情况。等效损失系数把铁路危险品运输系统实际运营中出现的事故损失与本文提出的风险脉冲结合起来,因此该系数在风险脉冲概念中具有重要作用。以2001年我国发生的一起铁路危险品运输事故为背景,将等效损失定义为该种风险源对人员造成的年伤亡人数,研究风险脉冲能量与等效损失系数和方差之间的关系;将铁路危险品运输事故分为特别重大事故、重大事故、较大事故和一般事故四个等级,研究各等级事故的等效损失与等效损失系数、方差的关系,并给出了各等级事故的等效损失系数取值范围。基于对风险脉冲的幅度谱、相位谱、能量谱等基本物理量的仿真,提出了风险量子的猜想:风险量子是组成系统风险脉冲的最小微粒。风险量子处于不断振动的状态,其振动曲线在频域上表现为正弦波或余弦波的形式;每个风险量子具有固定的振幅、相位和能量;风险量子的共同作用形成风险脉冲。风险量子满足微观物理的一切变化规律,如薛定谔方程、狄拉克方程、波粒二象性、测不准原理等。然后将风险脉冲能量对系统造成的不良状态变化定义为系统风险。系统风险的大小可由风险脉冲携带的能量表征,风险脉冲能量越大,其对系统产生的危害性越大,系统风险越大。铁路危险品运输系统的风险形成机理表述为:当风险量子的概率幅确定后,可在某一时刻形成一个脉冲信号,若该脉冲信号对于铁路危险品运输系统安全运营不利,即可称其为风险脉冲。风险脉冲能量的释放将使系统的结构、能量和信息发生变化,从而产生系统风险,并威胁到铁路危险品运输系统的安全正常运营。(3)将某次发生事故中的风险源、风险受体、风险源产生的风险因素/事故致因以及风险演变中出现的突变类型统一在树状网络结构中,将这一树状网络结构定义为铁路危险品运输系统的风险-事故突变树。以此为基础,推导并建立了铁路危险品运输系统风险演变的折叠、尖点、燕尾、蝴蝶和印第安人茅屋突变模型,分析了五种突变模型具有的风险势、风险演变的平衡曲面和控制变量组成的分叉集等因素,研究了每种突变模型具有的多模态、突跳、不可达、发散和滞后特性;以2001年发生的一起铁路危险品运输事故为背景进行折叠突变和尖点突变的仿真案例研究。折叠突变仿真结果显示:1)只要系统中出现风险源,产生了风险因素/事故致因,完成风险脉冲后折叠突变就将产生。系统的势函数曲线会出现两个极值点,并且系统的控制点将在极值点之间发生突跳现象;2)系统最初可能是安全的,但由于具有不同等效损失控制变量的出现,对系统产生的扰动程度是不同的,因此系统最后的演变情况也是不同的。尖点突变仿真结果显示:1)铁路危险品运输系统的风险尖点突变的上叶黄色平衡曲面表示系统较为安全,颜色越深表示越安全;下页蓝色平衡曲面表示系统处于风险状态,颜色越深表示风险越大;中间页表示不可达,系统状态控制点在此处发生突跳;2)风险脉冲累积的能量使得系统状态控制点朝着不可达区域运行,当脉冲运行曲线到达左半边分叉集时,系统状态控制点将发生突跳。发生突跳后,铁路危险品运输系统的能量、结构和信息都将遭到破坏;3)尖点突变的法向因子影响分叉集的宽度,而分裂因子影响分叉集的高度。分叉集的范围越大,风险脉冲的运行轨迹越容易与分叉集交叉,只要与分叉集发生交叉,系统一定出现尖点突变的突跳现象。铁路危险品运输系统的风险演变机理表述为:风险脉冲发生后,其携带的风险能量将以控制变量的形式、以产生突变的方式对铁路危险品运输系统的状态产生动态影响;突变的实质是,风险脉冲能量的运行轨迹穿过了系统控制变量形成的分叉集;突变的直接效果为导致铁路危险品运输系统的风险值出现跳跃式增加,作用于风险受体并攻击系统的防御体系,可能使风险受体成为新的风险源并产生新的风险脉冲,若突破掉整个系统的风险防御体系,则安全事故就可能发生。(4)分析了分叉集与铁路危险品运输系统风险控制的关系;从系统震荡的角度,建立了铁路危险品运输系统风险控制的杜芬方程并推导方程稳态解的分叉响应方程;然后从加强系统内部阻尼、降低系统外激励影响、加强系统内部阻尼的同时降低外激励影响三个角度,建立了铁路危险品运输系统风险控制的杜芬方程并推导方程稳定解的分叉响应方程;以第三章、第四章中采用的实例为背景进行仿真研究,结果表明:1)三种控制方法均可有效控制铁路危险品运输系统的风险;2)降低外激励对系统风险影响这一方法的效率最低,其次是加强系统内部阻尼并降低外激励这一方法,效率最高的方法是加强系统内部阻尼,即为了达到降低系统风险到同一水平的目的,提高系统内部阻尼对系统风险的影响这一方法需要做的工作最少。建议在铁路危险品运输系统的风险管理实际生产中采用加强系统内部阻尼这一方法。铁路危险品运输系统的风险控制机理表述为:让每一个协调参数σ在变化时,均只对应一个震荡幅值r。因为当一个σ对应多个r时,表示振幅出现跳跃现象,即系统中发生了风险突变,从而进入不安全状态;但通过上述三种风险控制方法,可保证一个σ将不再对应多个r,即振幅将不会出现跳跃现象,可有效抑制系统中出现风险突变,保证系统运行安全。