陽富強(qiáng)，邱東陽

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

為積極響應(yīng)國家“雙一流”大學(xué)建設(shè)目標(biāo)，各高校著力培養(yǎng)高素質(zhì)人才，而一流實(shí)驗(yàn)室作為提升科研水平、提高教學(xué)質(zhì)量的平臺(tái)和支撐，為推動(dòng)“雙一流”大學(xué)建設(shè)發(fā)揮著顯著作用。高校實(shí)驗(yàn)室是師生頻繁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究、日常教學(xué)的重要場所，一旦發(fā)生事故將嚴(yán)重影響教研工作的正常進(jìn)行以及廣大師生的生命和財(cái)產(chǎn)安全。近年來，隨著高校實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的擴(kuò)大和探索性實(shí)驗(yàn)的增多，實(shí)驗(yàn)室安全事故時(shí)常發(fā)生，安全問題日益突出[1]。例如：2016年9月，東華大學(xué)松江校區(qū)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院一間實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸，3名學(xué)生受傷；2017年3月，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)西樓某間實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸，1名學(xué)生手臂被炸傷；2018年11月，南京中醫(yī)藥大學(xué)翰林學(xué)院某實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆燃，多名師生受傷；2018年12月，北京交通大學(xué)某環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室科研試驗(yàn)期間因爆炸引發(fā)火災(zāi)，3名學(xué)生遇難。當(dāng)前嚴(yán)峻的實(shí)驗(yàn)室安全形勢，極大地阻礙了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作的順利開展。一方面，高校不斷投入大量的資金加大實(shí)驗(yàn)室建設(shè)；另一方面高校實(shí)驗(yàn)室安全事故高發(fā)，給“雙一流”高校建設(shè)帶來了巨大挑戰(zhàn)。此外，由于高校實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)出的安全管理價(jià)值不易察覺，各高校投入到實(shí)驗(yàn)室安全管理的經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重不足，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室安全事故頻發(fā)。

目前學(xué)者們主要圍繞高校實(shí)驗(yàn)室安全隱患[2-4]、實(shí)驗(yàn)室安全管理體系[5-7]等方面進(jìn)行了研究，且大多是從宏觀、靜態(tài)的層面對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全管理進(jìn)行定性或定量的理論評(píng)述，而從投入產(chǎn)出角度來動(dòng)態(tài)研究實(shí)驗(yàn)室安全管理的研究較少。由于高校實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)之間是相互關(guān)聯(lián)、相互制約，為一個(gè)動(dòng)態(tài)、非線性的系統(tǒng)，因此可嘗試通過分析影響實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的重要因子，根據(jù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理輸入?yún)^(qū)域或相關(guān)參數(shù)，來預(yù)測實(shí)驗(yàn)室安全管理目標(biāo)水平值，將能如實(shí)、動(dòng)態(tài)地反映實(shí)驗(yàn)室安全狀態(tài)，可為實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全管理目標(biāo)提供保障。為此，本文構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，并從投入產(chǎn)出的角度運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論建立了實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)模型，并通過具體案例對(duì)該模型進(jìn)行模擬仿真與驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析步驟

本文運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,SD)從系統(tǒng)內(nèi)部微角度入手，分析系統(tǒng)內(nèi)部各因子的因果關(guān)系，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)反饋結(jié)構(gòu)模型，并通過模擬仿真來動(dòng)態(tài)反映系統(tǒng)內(nèi)部各因子之間的關(guān)系[8-9]，預(yù)測實(shí)驗(yàn)室安全管理水平。實(shí)驗(yàn)室安全管理SD分析的主要步驟如下：①通過實(shí)驗(yàn)室事故分析、現(xiàn)場調(diào)研、文獻(xiàn)研究等提出實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的要求，確定SD模型的邊界；②結(jié)合SD理論分析實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)的因果關(guān)系，確定其反饋環(huán)，定義SD變量集，繪制SD存量流量圖并建立SD方程；③將案例數(shù)據(jù)經(jīng)過無量綱及一致性處理后代入SD方程，進(jìn)行模型模擬仿真；④當(dāng)模型檢驗(yàn)通過，對(duì)比分析結(jié)果得出結(jié)論，否則重新返回建立合適模型。

圖1 實(shí)驗(yàn)室安全管理SD分析步驟Fig.1 SD analysis steps of laboratory safety management

2 實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型的構(gòu)建

2.1 確定實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型的邊界及影響因子

以實(shí)驗(yàn)室安全管理水平的動(dòng)態(tài)預(yù)測研究為目的，將影響實(shí)驗(yàn)室安全的所有因子范圍作為實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型的系統(tǒng)邊界，系統(tǒng)內(nèi)包括影響實(shí)驗(yàn)室安全的關(guān)鍵子系統(tǒng)及其因子。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全事故及相關(guān)文獻(xiàn)的分析研究，將影響實(shí)驗(yàn)室安全的原因分為人員、設(shè)備、環(huán)境和管理等子系統(tǒng)[10]。從系統(tǒng)角度充分考慮人、機(jī)、物、法、環(huán)等影響實(shí)驗(yàn)室安全的因子，如以某高校安全工程專業(yè)防火材料制備實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況為例，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研并結(jié)合專家意見，補(bǔ)充遺漏的因子，剔除相關(guān)性較小的因子，最終確定影響實(shí)驗(yàn)室安全各子系統(tǒng)(人員子系統(tǒng)、設(shè)備子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)和環(huán)境子系統(tǒng))的因子包括：安全意識(shí)、操作技能、安全培訓(xùn)、心理素質(zhì)；安全防護(hù)裝置、消防設(shè)施、個(gè)人防護(hù)用品；儀器檢查維護(hù)、?；饭芾怼⑽U品管理、應(yīng)急救援預(yù)案、安全管理制度；安全文化氛圍、空間布局、警示標(biāo)志、通風(fēng)條件等。

2.2 建立實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)因果回路圖

因果回路圖由一個(gè)或多個(gè)反饋回路組合，一方面反映了系統(tǒng)內(nèi)部各子系統(tǒng)及其各因子之間輸入與輸出的關(guān)系；另一方面反映了系統(tǒng)外部環(huán)境與系統(tǒng)的輸入與輸出的關(guān)系。在因果回路圖中，加號(hào)表示正反饋，減號(hào)表示負(fù)反饋。本文從安全投入產(chǎn)出的角度，分析了系統(tǒng)各因子之間內(nèi)在的因果關(guān)系，構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)因果回路圖，見圖2。

隨著各因子安全費(fèi)用的投入，各子系統(tǒng)安全管理水平得以提高，實(shí)驗(yàn)室安全管理的整體水平也逐步提高，當(dāng)達(dá)到安全目標(biāo)水平后，將通過系統(tǒng)反饋減少對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全系統(tǒng)的投入費(fèi)用。其中，良好的心理素質(zhì)和濃厚的安全文化氛圍對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員安全意識(shí)的提升具有促進(jìn)作用；建立健全的安全管理制度有利于實(shí)驗(yàn)室安全管理水平的提升。

圖2 實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)因果回路圖Fig.2 Causality circuit diagram of laboratory safety management system

2.3 定義實(shí)驗(yàn)室安全管理SD變量集

SD中變量的性質(zhì)包括狀態(tài)變量、速率變量、輔助變量和常量等，根據(jù)SD理論和構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)因果回路圖，定義了實(shí)驗(yàn)室安全管理SD變量集，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)室安全管理SD變量集

2.4 繪制實(shí)驗(yàn)室安全管理SD存量流量圖并建立SD方程

本文利用Vensim軟件，結(jié)合上述因果關(guān)系和各變量性質(zhì)，繪制了實(shí)驗(yàn)室安全管理SD存量流量圖，見圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)室安全管理SD存量流量圖Fig.3 SD model inventory flow diagram of laboratory safety management

根據(jù)變量之間的關(guān)系，建立了如下SD方程：

ZSP.K=QZL1×L1(t).K+QZL2×L2(t).K+QZL3×L3(t).K+QZL4×L4(t).K//輔助方程

(1)

Li(t).K=Li(t).J+Ri(t).JK×SJLi.JK×DT//流位方程(i=1,2,3,4)

(2)

L3(t).K=(L3(t).J+R3(t).JK×SJL3.JK×DT)×M3//流位方程

(3)

Ri(t).JK=Ai1×QZLi1+Ai2×QZLi2+Ai3×QZLi3//速率方程(i=1,2)

(4)

Ri(t).JK=Ai1×QZLi1+Ai2×QZLi2+Ai3×QZLi3+Ai4×QZLi4//速率方程(i=3,4)

(5)

A11=TR1(t)×QZ11×TR1toA11×M1×M2//輔助方程

(6)

A1j=TR1(t)×QZ1j×TR1toA1j(j=2,3)//輔助方程

(7)

A2j=TR2(t)×QZ2j×TR2toA2j(j=1,2,3)//輔助方程

(8)

Aij=TRi(t)×QZij×TRitoAij(i=3,4;j=1,2,3,4)//輔助方程

(9)

TRi=ZTR×BLi×TRitoAi(i=1,2,3,4)//輔助方程

(10)

式中:.K、.J、.JK分別表示當(dāng)前時(shí)刻、過去時(shí)刻、當(dāng)前與過去時(shí)刻的間隔;DT表示仿真時(shí)間步長;各子系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的各因子的權(quán)重值之和為1;投入比例之和為1。

3 案例仿真模擬與驗(yàn)證

3.1 案例參數(shù)的確定

某高校安全工程專業(yè)防火材料制備實(shí)驗(yàn)室內(nèi)放置有旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀、鼓風(fēng)干燥箱、真空干燥箱、小型硫化機(jī)、密煉機(jī)、壓板機(jī)、溫磁力攪拌器、超聲清潔器等設(shè)備，存放有乙二胺、二甲基甲酰胺、濃硫酸、濃鹽酸等化學(xué)品試劑，實(shí)驗(yàn)過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、毒性等廢液。本文以該實(shí)驗(yàn)室為仿真對(duì)象，對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)建立的實(shí)驗(yàn)室安全管理水平評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)[11]加以修正，每個(gè)評(píng)價(jià)因子按百分制評(píng)分，評(píng)價(jià)等級(jí)分為優(yōu)、良、中、及格、不及格，各等級(jí)分值間隔為10分，得到實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值標(biāo)準(zhǔn)為：優(yōu)(≥90)、良(89～80)、中(79～70)、及格(69～60)、不及格(<60)，并運(yùn)用層次分析法[12-13]計(jì)算出各子系統(tǒng)及其各因子的權(quán)重值：(QZL1，QZL2，QZL3，QZL4)=(0.382 9，0.264 5，0.213 1，0.139 5)、(QZL11，QZL12，QZL13)=(0.422 2，0.223 3，0.354 5)、(QZL21，QZL22，QZL23)=(0.460 0，0.221 1，0.318 9)、(QZL31，QZL32，QZL33，QZL34)=(0.245 1，0.245 1，0.304 9、0.204 9)、(QZL41，QZL42，QZL43，QZL44)=(0.265 1，0.203 7，0.179 3，0.351 9)。根據(jù)該高校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況和建立的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，首先邀請(qǐng)5位專家對(duì)各子系統(tǒng)因子打分，對(duì)專家打分的各因子平均值進(jìn)行加權(quán)，得到各子系統(tǒng)安全水平初始值分別為：70、65、61、64，并對(duì)各子系統(tǒng)安全水平初始值進(jìn)行加權(quán)，最終確定實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平初始值為65.90；然后分別設(shè)計(jì)安全文化氛圍、心理素質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)室人員安全意識(shí)影響程度的調(diào)查問卷，隨機(jī)選取20位實(shí)驗(yàn)室人員進(jìn)行調(diào)查，得到的數(shù)據(jù)經(jīng)回歸計(jì)算及調(diào)整[14]，最終確定安全文化氛圍、心理素質(zhì)對(duì)安全意識(shí)的影響系數(shù)分別為1.35和1.18；最后依據(jù)投入轉(zhuǎn)化率方法[15]，將實(shí)驗(yàn)室以往每周評(píng)價(jià)得到的各子系統(tǒng)安全水平值的增加量或減少量除以相應(yīng)各子系統(tǒng)當(dāng)周的投入費(fèi)用，得到每周各子系統(tǒng)的投入轉(zhuǎn)化率或衰減率，并運(yùn)用Vensim軟件將其擬合形成表函數(shù)。

3.2 模型模擬仿真與結(jié)果分析

將上述參數(shù)代入建立的實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型，仿真時(shí)間為20周，時(shí)間步長取1周，安全目標(biāo)水平值設(shè)置為90，人員、設(shè)備、管理、環(huán)境各子系統(tǒng)的投入比例分別為0.25、0.25、0.25、0.25，通過運(yùn)行Vensim軟件可輸出仿真模擬結(jié)果，即得到實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值與總投入費(fèi)用的關(guān)系，見圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值與總投入費(fèi)用的 關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the general level of laboratory safety management and the total input

由圖4可見，實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值在第17周達(dá)到安全管理目標(biāo)水平值后終止各種資源的投入，由于各種資源的投入與實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平之間存在時(shí)間上的延遲，因此當(dāng)達(dá)到安全管理總水平值的一段時(shí)間里，增長不為零；各種資源的投入決策處于實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值與各種資源總費(fèi)用投入構(gòu)成的負(fù)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值達(dá)不到安全管理目標(biāo)水平值時(shí)，實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值與安全管理目標(biāo)水平值之間便會(huì)存在偏差，系統(tǒng)便依據(jù)偏差值判斷并決策進(jìn)行各種資源的投入；隨著實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值的提升，相應(yīng)的各種資源的投入費(fèi)用也將逐漸減少。

3.3 模型檢驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室安全管理總投入費(fèi)用不變，通過制定各子系統(tǒng)增加相同投入比例的方案(見表2)，用來觀察調(diào)整各子系統(tǒng)投入力度是否能改變實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值的變化速度，進(jìn)而檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠裼行16-17]。

表2 實(shí)驗(yàn)室安全管理各子系統(tǒng)不同投入比例方案

各子系統(tǒng)不同投入比例方案下實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值的模擬仿真結(jié)果，見圖5。

由圖5可見，實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平初始值均為65.90的情況下，方案Current0(原始方案)在第17周達(dá)到安全目標(biāo)水平值，方案Current1和Crrent3均在第16周達(dá)到安全目標(biāo)水平值，方案Current2和Crrent4均在第18周達(dá)到安全目標(biāo)水平值，表明所建立的實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型是有效的。

圖5 各子系統(tǒng)不同投入比例方案下實(shí)驗(yàn)室安全管理 總水平值的模擬仿真結(jié)果Table 5 Simulation results of general level value of laboratory safety management under different input proportion of subsystems in laboratory safety management

3.4 各子系統(tǒng)實(shí)際作用率

實(shí)際作用率是指調(diào)控某個(gè)子系統(tǒng)各因子增加量增加至一定值，其他子系統(tǒng)增加量保持不變的情況下，對(duì)比分析調(diào)控某個(gè)子系統(tǒng)各因子增加量變動(dòng)的前后實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值的變化情況。本文分別將各子系統(tǒng)單位時(shí)間的增加量增加0.05，仿真得到增加各子系統(tǒng)相同增加量時(shí)實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值的變化情況，見表3。以原始方案Current0為計(jì)算基準(zhǔn)，求得方案Current0實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平每周平均值為81.444，計(jì)算得到方案Current0-1實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平每周平均值為81.747 5，用該值減去81.444，再除以方案Current0實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平每周平均值，即得到各子系統(tǒng)的實(shí)際作用率。由此分別計(jì)算得到該實(shí)驗(yàn)室安全管理人員、設(shè)備、管理、環(huán)境各子系統(tǒng)的實(shí)際作用率為0.003 7、0.001 7、0.004 2、0.001 1。

表3 增加各子系統(tǒng)相同增加量時(shí)實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值的變化情況

4 結(jié) 論

不斷提升實(shí)驗(yàn)室安全管理水平是當(dāng)前各高校建設(shè)“平安校園”的重要內(nèi)容之一。本文通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(SD)理論從投入產(chǎn)出的角度，建立了實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型，探究了高校實(shí)驗(yàn)室安全管理水平的動(dòng)態(tài)變化過程，并以某高校安全工程專業(yè)防火材料制備實(shí)驗(yàn)室為例，對(duì)該模型進(jìn)行了模擬仿真與驗(yàn)證。結(jié)果表明：初步判斷該實(shí)驗(yàn)室未達(dá)到安全目標(biāo)水平值；通過建立的實(shí)驗(yàn)室安全管理SD模型可定量、直觀地預(yù)測該實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平的發(fā)展趨勢；通過調(diào)整實(shí)驗(yàn)室安全管理各子系統(tǒng)的投入比例可確定最佳投入方案，使實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平值更快達(dá)到安全目標(biāo)水平值；各子系統(tǒng)對(duì)該實(shí)驗(yàn)室安全管理總水平的實(shí)際影響程度依次為管理(0.004 2)、人員(0.003 7)、設(shè)備(0.001 7)、環(huán)境(0.001 1)。因此，實(shí)施實(shí)驗(yàn)室安全標(biāo)準(zhǔn)化管理、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)室?guī)熒踩嘤?xùn)、提高實(shí)驗(yàn)室人員安全意識(shí)等是該實(shí)驗(yàn)室未來安全管理工作的重點(diǎn)。