基于層次分析和集對分析的高校實驗室安全評價

張 才，單 俠，周 洪*

(1.金陵科技學院設備處, 江蘇 南京 211169；2.金陵科技學院電子信息工程學院, 江蘇 南京 211169)

實驗室是高校人才培養和科學研究的重要場所，是衡量一所大學辦學水平的重要硬件指標。近年來，隨著國家對高等教育事業的重視，高校實驗室軟硬件都有了很大的改善[1]。但是，部分高校實驗室仍采取傳統“經驗式”安全管理模式，這種被動的單純依靠規章制度的安全管理遠不能達到規避安全事故發生的目的，實驗室安全事故屢有發生。這不僅嚴重影響了高校正常的教學科研活動，而且給師生的生命安全及校園的和諧穩定帶來極大的威脅，亟須采取更為有效的管理措施來保障實驗室安全[2]。危險源是實驗室安全事故的根源，開展危險源識別并建立科學有效的實驗室安全評價體系，不僅有助于對實驗室安全管理常規工作進行檢查，而且能夠及時發現潛在安全隱患，減少或降低安全事故的發生[3]。因此，本文運用層次分析法構建科學的實驗室安全評價指標體系，并引入多元聯系度的集對分析理論構建實驗室安全評價模型，對實驗室安全進行綜合評價，為高校實驗室安全評價提供一種新的研究思路。

一、高校實驗室安全評價研究現狀

高校實驗室安全評價是一項復雜、系統的工作，危險源的模糊性和不確定性給安全評價工作增加了難度。因此,如何正確辨識危險源并對實驗室安全開展綜合評價成為實驗室安全領域的重點研究內容。實驗室安全評價的前提是建立科學完善的危險源指標體系。高校實驗室危險源種類繁多、數量龐大，實驗室安全管理范圍較廣，因此有針對性地選擇危險源指標是實驗室安全評價的保障。葛及等通過構建人、機、料、法、環指標評價體系，運用定量與半定量相結合的綜合評價方法來確定指標權重及實驗室安全等級，并以此為基礎確認實驗室安全危險因素，提出從人、機兩方面采取措施提高實驗室安全管理水平的建議[4]。張博將BP(back propagation)神經網絡和遺傳算法(genetic algorithm)相結合，對基于GA-BP神經網絡的高校實驗室安全評價展開研究，結果表明，GA-BP神經網絡評價模型綜合性能明顯優于BP神經網絡評價模型，驗證了遺傳算法優化BP神經網絡的合理性和高效性[5]。曹艷曉等利用層次分析法和事故傷亡連鎖理論，構建了實驗室安全評價指標體系，并結合模糊評價法對問卷數據進行評價，最后提出優化建議[6]。劉義等從物質、工藝、設備3個方面構建實驗室風險評價指標體系，根據指標危險性大小對實驗室進行分級管控，實現實驗室安全精準管理[7]。林其彪等從實驗室安全、費用、進度、質量4個維度構建了實驗室安全管理評價指標體系，運用層次分析法確定各指標權重，為評價實驗室安全管理績效提供了基礎[8]。馬庚華等采用模糊層次分析法對實驗室安全管理進行綜合評價，并針對薄弱環節提出改善建議[1]。沈通等利用層次分析法改進現有的LEC(likelihood-exposure-consequence)評價法，采用專家評分法對實驗室危險源進行LEC賦值并計算實驗室危險源風險分值，從而有針對性地進行人防和物防安全管理，保障學校實驗室師生的人身和財產安全[9]。綜上所述，學界對高校實驗室安全評價進行了深入探討，但現有研究在實驗室安全評價指標體系的構建上還存在一些局限性，且實例驗證偏少。因此，本文基于對高校實驗室安全事故危險因素的分析，構建符合當前高校實驗室現狀的安全評價指標體系和評價模型，并進行實例驗證。

二、高校實驗室安全評價指標體系和模型的構建

(一)指標體系構建原則及框架

高校實驗室安全評價指標體系的構建應遵循“科學性、系統性、啟發性”[10]原則。本文將可能引發實驗室安全事故的危險因素分為人、物、環境、管理4大類，并據此建立實驗室安全評價指標體系。其中，實驗室安全評估為目標層，用以衡量準則層中人、物、環境、管理4個因素。人的因素指從實驗人員角度評估實驗室安全，具體包括實驗人員心理素質、操作水平、安全意識、安全教育4個指標；物的因素指從實驗儀器設施、實驗藥品等方面評估實驗室安全，具體包括儀器設備安全可靠性、危險化學品安全可靠性、設備定期維護更新3個指標；環境因素指從實驗場所的作業環境角度評估實驗室安全，具體包括實驗場所空間布局合理性、安全警示標識、軟硬件防護設施3個指標；管理因素指從實驗室安全管理角度評估實驗室安全，具體包括責任體系及規章制度落實、安全經費投入、安全檢查及隱患整改、安全風險評估、安全救援應急能力5個指標(表1)。

表1 高校實驗室安全評價指標體系

(二)安全等級劃分

安全等級劃分是高校實驗室安全評價的基礎。本文采用問卷調查法對實驗室安全評價指標進行打分，將評價指標得分區間[0，100]均分為5個評價等級，用Li表示區間值的臨界值,其中：L1=100，L2=80，L3=60，L4=40，L5=20，L6=0。安全等級劃分標準如表2所示。

表2 安全等級劃分標準

(三)層次分析法及步驟

層次分析法是一種定性與定量相結合的數據分析方法，該方法將復雜的決策問題分解成多個目標或準則，進而分解為多指標的若干層次，實現研究對象的分層分解，構建自上而下的從屬關系，保持下層指標的相對獨立并涵蓋上層指標含義。層次分析法通過對每一層指標數值的比較分析，確定該層次指標影響上層指標的相對重要程度，并根據主觀判斷、量化得到各層級指標權重，最后通過計算得出評價體系的指標權重。

1.構造判斷矩陣。層次分析的第一步是要對目標層和準則層進行兩兩比較，構造判斷矩陣。本文采用1—9標度法將最左側列指標Ci(i=1,2,3,4)分別與頂行指標Cj(j=1,2,3,4)進行兩兩比較，標度1—9表示指標間關系重要程度逐步遞增，其倒數為指標間關系重要程度的相反表達。通過指標兩兩比較構造判斷矩陣A(表3)。

表3 判斷矩陣A

2.權重計算和一致性檢驗。根據判斷矩陣A求出特征向量的權重AW

AW=λmaxW

(1)

式(1)中，W為特征向量，W的分量ω1，ω2，ω3，ω4就是對應的相對重要程度，即權重系數，具體運算步驟如下：

將判斷矩陣每一列進行歸一化處理

(2)

(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)

將歸一化后的判斷矩陣按行相加

(3)

(4)

(i=1,2,3,4;j=1,2,3,4)

得到的W=[ω1，ω2，ω3，ω4]T即為判斷矩陣A的特征向量。

確定最大特征根λmax，公式為

(5)

式(5)中，(AW)i表示向量AW的第i個分量。

判斷矩陣一致性檢驗，計算一致性指標CI，公式為

(6)

由于判斷矩陣的指標數量越多，越難以控制一致性指標，因此引入平均隨機一致性指標CR，公式為

(7)

當CR<0.10時，表示該判斷矩陣滿足一致性要求，主觀判斷打分數據可信，反之則需要對判斷矩陣數據進行調整直至滿足條件。式(7)中RI取值如表4所示。

表4 RI取值

(四)集對分析理論

集對分析是一種用聯系度處理不確定性問題的系統分析方法，目前已經在水資源承載力評價、煤礦生態環境可持續評價、混凝土泵送施工堵管風險評價等領域廣泛應用[11-13]。集對分析的核心思想是對兩個具有一定關聯度的集合A和B建立集對H=(A，B)，從同一特性、差異特性、對立特性三個方面對集對H進行分析，具體表達函數公式為

(8)

式(8)中，μ為集對H的聯系度；N為集對H的特性總數；S為集對H的同一特性數；F為集對H的差異特性數；Q為集對H的對立特性數；i為集對H的差異不確定系數，i∈[-1，1]；j為集對H的對立系數，j=-1。

μ=μA～B=a+bi+cj

(9)

(a∈[0，1]，b∈[0，1]，c∈[0，1]，a+b+c=1)

考慮到實際問題的復雜性，當某個評價指標對應m個評價等級時，可以將式(9)擴展，得到多元聯系度

μm=μA～B=a+b1i1+b2i2+…+bm-2im-2+cj

(10)

(a+b1+b2+…+bm-2+c=1)

(五)安全評價模型

1.計算指標多元聯系度。根據安全評價的五級標準，將差異度b擴展為輕度差異b1、中度差異b2和重度差異b3，根據式(10)得到五元聯系度表達式

μm=μA～B=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(11)

(a+b1+b2+b3+c=1)

本文采用線性的隸屬函數法計算指標聯系度。根據實驗室安全等級劃分，并結合調查問卷打分情況，推導求指標層五元聯系度μmk，公式為

μmk=

(m=1,2,…,p;k=1,2,…,q)

(12)

式(12)中，m為準則層中第m個評價指標，k是第m個指標對應的第k個指標層，xd為實際打分值。為更好地計算目標層和準則層的五元聯系度，將式(12)改寫為

μmk=rmk1+rmk2i1+rmk3i2+rmk4i3+rmk5j

(13)

式(13)中，rmk1、rmk2、rmk3、rmk4、rmk5可稱作聯系度分量，取值范圍均為[0，1]，且和為1。由此可推導出準則層各指標的五元聯系度表達式為

μm=rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5j

(14)

(rm1+rm2+rm3+rm4+rm5=1)

(15)

同理,目標層的五元聯系度表達式為

th=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j

(16)

(r1+r2+r3+r4+r5=1)

(17)

2.確定安全評價等級。本文采用置信度準則確定安全評價等級K，判別公式為

th=r1+r2+…+ri

(18)

(i=1,2,3,4,5)

th>λ

式(18)中,h為評估等級；th為屬性測度；λ為置信度，取值范圍為[0.5，0.7]。如果同時滿足th-1≤λ，th>λ，則判斷安全評價等級K為第h級。

三、高校實驗室安全評價實例驗證

為了進一步檢驗高校實驗室安全評價指標體系的合理性及安全評價模型的可操作性，本文對高校實驗室安全進行實例驗證。

(一)研究對象和數據來源

本文將某應用型本科高校D學院作為研究對象，目前該學院共有實驗室安全管理人員5人， 實驗室53間，其中，涉及危險化學品實驗室29間，化學品倉庫2間，危險廢棄物中轉站1間。實驗室危險源主要包括危險化學品、高低溫設備、特種設備等。近年來，隨著國家對實驗室安全越來越重視，D學院每年要接受省教育廳、市教育局、區教育局及相關職能部門的檢查20余次，實驗室安全已成為該學院實驗室工作的重中之重。

為確保樣本數據的準確性和客觀性，筆者聘請4名實驗室安全領域專家對實驗室安全評價體系的準則層、指標層指標進行兩兩比對，從而確定判斷矩陣xij值，并據此計算得出各層級指標權重，最終取平均值作為指標權重；同時邀請校級和院級經驗豐富的實驗室安全管理人員50人，根據表2對安全評價體系的指標層進行安全評價打分，并將分值進行加權平均,以此作為實際評分并確定安全等級。

(二)指標權重計算

利用層次分析法計算各指標權重，根據式(1)—式(7)計算準則層、指標層指標權重并進行一致性檢驗，同時計算出安全評價打分加權平均值，具體計算結果見表5、表6。

表5 準則層指標權重

表6 指標層指標權重和安全等級

(三)多元聯系度計算

根據式(1)—式(17)，分別計算指標層、準則層、目標層的指標權重和五元聯系度，具體計算結果見表7—表9。

表7 指標層指標權重和五元聯系度計算結果

表8 準則層指標權重和五元聯系度計算結果

表9 目標層指標權重和五元聯系度計算結果

(四)安全評價結果

為更好地驗證實驗室安全評價方法的可行性和合理性，本文對D學院的實驗室安全情況同時采用基于層次分析法的模糊評價和基于集對分析的多元聯系度評價兩種方法進行評價。模糊評價是根據指標層調查問卷平均分數，結合指標層權重，計算得出最終的安全評價分數，并以此確定安全等級。多元聯系度評價取置信度λ=0.65。根據式(18)，可計算得出目標層安全評價等級(表10)。

表10 目標層安全評價結果

基于集對分析的多元聯系度可以計算得出準則層和指標層的安全評價等級(表11、表12)。

表11 準則層安全評價等級

表12 指標層安全評價等級

(五)結果分析

根據層次分析法的模糊評價和集對分析的多元聯系度評價，目前D學院實驗室總體處于基本安全狀態。實驗室安全評價指標體系準則層中，人的因素和環境因素處于基本安全狀態。近年來D學院所屬的應用型本科院校根據教育部要求，積極落實新生實驗室安全準入教育制度，組織專家編寫了實驗室安全教材，開設了實驗室安全課程，對學生的安全教育比較重視：實驗前對學生進行實驗安全操作步驟的講解及演示，實驗過程中對學生進行嚴格監督并糾正錯誤，實驗結束后要求學生及時總結實驗過程中遇到的問題。此外，學校非常重視D學院實驗室安全工作，積極籌措經費對實驗樓進行基礎條件改造，加強安全專業設施建設，對實驗室進行重新布局，并建設化學品倉庫、危險廢棄物中轉站等硬件設施。因此，準則層中人的因素和環境因素處于基本安全狀態。

根據表11和表12的部分指標安全等級可知，D學院在實驗室安全管理方面還存在薄弱環節，實驗室安全管理中物的因素和管理因素處于較危險狀態。物的因素方面，該學院涉及危險化學品的實驗室占比達54.7%。通過數次檢查發現，該學院危險化學品的使用有時存在管控化學品隨意擺放、化學品過期未處理且無標簽等問題，部分老師私自購買危險化學品的現象時有發生，危險化學品管理工作亟須加強。從表12的結果也可以發現，儀器設備定期維護更新指標安全等級為較危險，說明D學院對儀器設備維修保養重視不夠，尤其是特種設備需要定期進行檢驗維護，且需取得特種設備使用許可證和人員上崗操作證。管理因素方面，雖然近年來D學院實驗室安全管理工作較之前已經有了很大改善，但是表12數據顯示，該學院在實驗室安全經費投入、安全風險評估和安全救援應急能力方面還存在不足。究其原因，一方面是因為D學院所屬的是一所地方型應用本科院校，財政來源比較單一，導致實驗室安全經費投入偏少；另一方面，D學院實驗室危險源較多，但實驗室安全管理人員相對較少，實驗室安全管理仍比較粗放，很難做到差異化精準管理，也未能將有限的人力、物力、財力投入重點部位，缺少實驗室安全風險評估機制。此外，D學院對學生的實驗室安全救援應急能力培訓不夠，有的學生甚至不清楚實驗室防護用品擺放的位置；個別教師只注重理論安全知識的講解，而忽視了安全實踐環節的培訓。

四、結論與建議

(一)結論

本文根據高校實驗室危險源特點，從人、物、環境、管理4個方面構建了實驗室安全評價指標體系，運用層次分析法求出各層級指標權重，并引入集對分析理論構建實驗室安全評價模型，構建了一套較完整的高校實驗室安全評價體系并進行了實例驗證。結果顯示：該實驗室安全評價指標體系較為完善合理，實驗室安全評價模型具有較強的可操作性，能滿足當前高校實驗室安全管理評價實際需求；經實例驗證，D學院實驗室總體處于基本安全狀態，但實驗室安全管理中物的因素和管理因素處于較危險狀態。

(二)建議

實驗室安全是實驗室各項工作正常進行的基本保證。高校應不斷創新管理方式，構建適合本校實際的實驗室安全評價體系，進一步細化實驗室安全管理工作，積極改變傳統的“經驗式”管理模式。同時，為適應當下高標準、嚴要求的實驗室安全管理要求，應采取更為有效的實驗室安全管理措施，不斷提升實驗室安全管理水平。

1.開展實驗室及實驗項目風險評估。實驗室危險源是安全事故發生的根源，只有掌握危險源的基本情況，從源頭加強管控，才能牢牢抓住實驗室安全管理的主動權，因此，首先需要對實驗室及實驗項目開展風險評估。通過風險評估可以及時掌握實驗室或實驗項目危險源現狀，從而采取有效措施減少安全事故的發生。在實驗室新建、改建、擴建和調整時，應由二級學院組織專家對項目編制建設方案進行風險評估，審核通過后，將評估結果報分管職能部門備案后方可進行。在每學年制定教學大綱時，應對二級學院常規教學實驗項目進行風險評估；涉及實驗項目的創新訓練項目、創新創業項目在項目申報時，開放實驗在進入實驗室前，畢業設計(論文)涉及的實驗項目在開題時，都需要進行安全風險評估；教師科研項目中涉及的實驗項目在合同簽訂前也需進行安全風險評估。

2.加強實驗室安全分類分級管理。傳統的“經驗式”安全管理模式已無法適應當前高標準、嚴要求的實驗室安全管理要求。由于實驗室危險源種類多、數量大，每個實驗室危險程度差別較大，因此，要求實驗室安全管理者對實驗室進行專業化、差異化管理。高校應摸排實驗室危險源情況，對實驗室進行分類分級管理?？筛鶕嶒炇野踩唧w情況將實驗室分為四個等級：一級安全風險實驗室涉及使用或存放易燃易爆、劇毒、易制毒化學品,放射性物品,大型特種設備,單臺功率超過10 kW加熱設備或單間實驗室總功率超過15 kW、壓力等級大于20 MPa的高壓容器等；二級安全風險實驗室涉及使用或存放其他危險化學品，使用壓力容器、激光設備、強磁設備等；三級安全風險實驗室涉及使用高速設備、回轉機械、冷熱設備(超低溫冰箱、防爆冰箱、烘箱、馬弗爐等)、大功率充放電裝置、高電壓設備等；四級安全風險實驗室為未列入以上三個級別的其他實驗室。通過對重大危險源、安全等級較高的實驗室進行重點管控，將實驗室安全管理重心前移，最終實現實驗室安全隱患可防可控的目標。

3.搭建實驗室綜合信息化管理平臺。當前各高校實驗室數量和規模逐年增加，實驗設備種類數量、實驗項目及實驗人員數量和流動性急劇上升，安全管理人員數量不足，這些都給實驗室安全管理工作帶來很大的挑戰，單純依靠人力的傳統實驗室安全管理模式已無法滿足現實需求?！盎ヂ摼W+”背景下,各高校應積極搭建實驗室綜合信息化管理平臺，以實現學生安全教育考試與培訓管理、實驗室危險源分類分級管理、實驗室危險化學品全生命周期動態監管、實驗室安全檢查信息化管理、實驗室安全文化宣傳等功能。搭建實驗室綜合信息化管理平臺，可以提高師生的安全主體責任意識，加強安全準入制度建設，完善危險化學品全生命周期動態監管，進一步規范危險廢棄物處置流程；可以強化實驗室危險源分類分級管理，實現危險管控精準施策；有助于落實安全隱患整改措施，提升實驗室安全管理水平；有助于培養安全意識強烈、實驗安全基礎知識扎實、實驗操作規范的應用型人才。

4.積極開展實驗室安全事故應急演練。一是借助虛擬平臺模擬安全事故場景?？梢越柚F有的實驗平臺進行虛擬仿真操作練習，也可以借助VR或AR科技手段模擬真實實驗場景。例如，通過虛擬仿真模擬化學試劑泄漏而導致的皮膚灼傷，或者因操作不當導致的爆炸、火災等場景，幫助學生在虛擬環境中快速應對各類問題，找到適合的處置方法。虛擬仿真為真實演練提供了預演機會，把因過于危險而難以開展的安全演練內容通過虛擬仿真的形式再現，有助于加強學生對安全理論知識的正確理解和認知，是實驗室安全應急演練的新舉措。二是積極開展真實的實驗室安全事故應急演練活動。學校應定期組織學生參加各類實驗室安全演練活動，如消防演練、火災逃生演練、機械傷害應急演練、危險化學品泄漏演練等，提升師生的自護自救能力。