魏林慧 張 蘇副教授

(福州大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，福建 福州 350116)

0 引言

高校實驗室是人才培養(yǎng)和科學(xué)研究的重要場所，實驗室安全是確保高校教學(xué)及科研工作順利開展的重要基礎(chǔ)。近年來，隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，高校規(guī)模不斷擴(kuò)大，其教學(xué)和科研任務(wù)也日益繁重，尤其是在高校實驗室開展的新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝和新材料方面的科研活動增多，而在“四新”的研究和使用中安全事故相對多發(fā)。因此，化學(xué)類實驗室安全問題日漸凸顯[1-3]。

高校化學(xué)實驗室安全隱患多樣，存在各類有毒有害、易燃易爆、具有腐蝕性的危險化學(xué)品,理化特性復(fù)雜的化學(xué)試劑以及反應(yīng)釜、烘箱、玻璃器皿等具有一定危險性的儀器設(shè)備，會對實驗人員的生命健康和財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。2018年12月北京交通大學(xué)實驗室在進(jìn)行垃圾滲濾液污水處理科研實驗期間發(fā)生爆炸事故，造成3名學(xué)生身亡。該實驗是為了制作垃圾滲濾液硝化載體，其制作流程主要分為2步：首先，通過攪拌鎂粉和磷酸反應(yīng)，生成鎂與磷酸鎂的混合物；其次，在鎂與磷酸鎂的混合物中加入鎳粉生成膠狀物。事故的直接原因是使用攪拌機(jī)對鎂粉和磷酸進(jìn)行攪拌，反應(yīng)過程中料斗內(nèi)產(chǎn)生的氫氣被攪拌機(jī)轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的火花點燃，引發(fā)鎂粉爆炸，導(dǎo)致現(xiàn)場3名學(xué)生身亡。間接原因主要有3點：科研項目負(fù)責(zé)人違規(guī)開展實驗，冒險進(jìn)行作業(yè)；實驗室違規(guī)購買、違法儲存危險化學(xué)品；對實驗室和科研項目安全管理不到位，未落實校內(nèi)實驗室相關(guān)管理制度，未有效履行實驗室安全巡視職責(zé)，未有效制止事發(fā)項目負(fù)責(zé)人違規(guī)使用實驗室，未發(fā)現(xiàn)違法儲存的危險化學(xué)品。高?；瘜W(xué)實驗室安全管理工作一直是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為做好管理工作，必須要識別實驗室中的危險有害因素并進(jìn)行有效管控，有效方式之一是實驗室安全風(fēng)險評估。

在實驗室安全風(fēng)險評估過程中，各指標(biāo)的權(quán)重是影響評價結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素之一，SAATY[4]提出一種定性與定量分析相結(jié)合解決多目標(biāo)決策的層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，廣泛應(yīng)用于風(fēng)險指標(biāo)的賦權(quán)。此方法很快由陳晶晶等[5]引入高?；瘜W(xué)實驗室化學(xué)品安全管理的評估中。除此之外還有很多學(xué)者運(yùn)用不同的方法探索高校實驗室的安全評估，例如謝虎等[6]運(yùn)用Delphi法、吳立榮等[7]運(yùn)用模糊綜合評價法、韓紅桂等[8]運(yùn)用離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Discrete Hopfield Neural Network，DHNN)、曹以等[9]運(yùn)用優(yōu)劣解距離法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)進(jìn)行評估，為高校實驗室安全管理工作提供很多依據(jù)。但是，上述評價方法都是基于AHP確定評價指標(biāo)的權(quán)重，通過專家兩兩比較打分的方式，憑借專家知識和經(jīng)驗進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重賦值?？紤]到高?；瘜W(xué)實驗室的復(fù)雜性，當(dāng)評價指標(biāo)數(shù)量較大時，進(jìn)行比較的次數(shù)增多，評價的主觀性增強(qiáng)，將面臨評價結(jié)果失真的問題。為解決這一難題，REZAEI[10]提出最優(yōu)最劣方法(Best-Worst Method，BWM)，有效減少了比較次數(shù)，經(jīng)驗判斷的隨意性得以控制，使得評價結(jié)果更加精準(zhǔn)，BWM自提出以來在供應(yīng)商選擇[11]、綜合評估[12]、決策研究[13-14]等各個研究領(lǐng)域迅速發(fā)展。

在高?；瘜W(xué)實驗室安全風(fēng)險評估中，當(dāng)專家人數(shù)不足時，樣本數(shù)量較少(樣本缺乏)；各專家的研究領(lǐng)域不同，專業(yè)認(rèn)知水平上存在差異，易造成指標(biāo)賦權(quán)具有模糊不確定性(信息模糊)，以上2個特點符合灰色系統(tǒng)研究“少數(shù)據(jù)、貧信息”的特征。

24Model認(rèn)為任何事故都至少發(fā)生在社會組織之內(nèi)，其原因分為組織內(nèi)部原因和外部原因，其內(nèi)部原因分布在組織與個人2個層面上。其鏈條圖可以清晰地展示各管理層級要素對安全的影響，是分析思考、理清思路、找出問題點的有效工具。因此，本文借鑒事故致因24Model理論從“組織”和“個人”2個層面出發(fā)，建立風(fēng)險評估指標(biāo)體系，通過將BWM引入到灰色聚類中建立一個基于BWM改進(jìn)的灰色聚類評價模型，并將該模型運(yùn)用到高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估中，得到實驗室風(fēng)險評估結(jié)果，并提出降低實驗室安全風(fēng)險的建議。

1 風(fēng)險評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 理論基礎(chǔ)

事故致因24Model自2005年提出以來，在多個領(lǐng)域的事故分析中得到應(yīng)用，通過不斷地發(fā)展和完善，現(xiàn)已形成第6版24Model，同時具有靜態(tài)因果性和動態(tài)系統(tǒng)性，更準(zhǔn)確地體現(xiàn)了思維模型的通用性[15-16]。

靜態(tài)24Model以因果關(guān)系建立邏輯結(jié)構(gòu)，將事故的原因劃分為“組織”和“個人”2個層面，“組織”層面劃分為組織文化和管理體系2個部分，“個人”層面分為個體能力和個體動作2個部分，以上2個層面4個部分的事故原因按照因果邏輯關(guān)系構(gòu)成了靜態(tài)24Model，如圖1。

圖1 第6版24Model靜態(tài)結(jié)構(gòu)

動態(tài)24Model以行為演化關(guān)系建立邏輯結(jié)構(gòu)，組織文化、管理體系、個體能力、個體動作4個因素構(gòu)成一個系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)中各因素之間的相互依存關(guān)系，以及致因因素對整個系統(tǒng)的反饋作用，建立動態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖2。由于系統(tǒng)中4個因素的復(fù)雜性以及相互間的非線性關(guān)系，動態(tài)24Model是一個行為演化過程，體現(xiàn)了模型的系統(tǒng)性及動態(tài)性。

圖2 事故致因24Model動態(tài)結(jié)構(gòu)

1.2 評價指標(biāo)體系

高?；瘜W(xué)實驗室涉及群體數(shù)量大，實驗儀器設(shè)備種類多，實驗室開放時間長，人員流動性強(qiáng)，影響范圍廣，采用24Model為理論依據(jù)，從實驗室“組織”和“個人”2個層面入手，將高校化學(xué)實驗室安全事故歸因于組織文化、管理體系、個體能力、個體動作相互作用的結(jié)果，以此建立高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

由于高?；瘜W(xué)實驗室個體能力指標(biāo)的知識、意識、習(xí)慣、生理和心理在評估時難以進(jìn)行具象把控，而個體能力涉及安全管理工作中的安全培訓(xùn)，則將個體能力指標(biāo)轉(zhuǎn)換為安全培訓(xùn)指標(biāo)。在24Model中個體動作又分為人的不安全動作和物的不安全狀態(tài)，因此高校化學(xué)實驗室個體動作指標(biāo)通過師生違章情況及實驗場所隱患排查情況2方面進(jìn)行評估。建立的高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)體系，如圖3；體系中各指標(biāo)含義，見表1。

圖3 高校化學(xué)實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)體系

表1 高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)含義

2 評估方法

在風(fēng)險評估過程中，為解決高?；瘜W(xué)實驗室中“組織”管理和“個體”動態(tài)變化，以及各專家對指標(biāo)賦權(quán)易造成指標(biāo)賦權(quán)的模糊不確定性。因此，利用BWM確定評價指標(biāo)的權(quán)重，并結(jié)合灰色聚類方法評估高?；瘜W(xué)實驗室安全水平，具體評價流程，如圖4。

圖4 高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估流程

2.1 最優(yōu)最劣法

BWM是荷蘭學(xué)者REZAEI[10]在2015年提出的一種解決多準(zhǔn)則決策問題的數(shù)學(xué)模型。BWM方法把決策思維形象化，由專家確定評價指標(biāo)的最優(yōu)項及最劣項，并將最優(yōu)項、最劣項作為標(biāo)準(zhǔn)與其他項進(jìn)行參照比較，從而獲得基于最優(yōu)項、最劣項的重要性評價結(jié)果，如圖5。

圖5 對照比較

BWM選取最優(yōu)指標(biāo)AB和最劣指標(biāo)AW作為對照標(biāo)準(zhǔn)，通過對照比較的方式，獲得基于最優(yōu)最劣指標(biāo)的重要性比較結(jié)果集UB=(aB1，aB2，…，aBn)和UW=(aW1，aW2，…，aWn)，aBj表示最好的指標(biāo)與第j個指標(biāo)的比值，ajW表示第j個指標(biāo)與最差的指標(biāo)的比值。進(jìn)而確定評價指標(biāo)的權(quán)重，與AHP相比削減了比較次數(shù)，降低評價過程的主觀影響，使評價結(jié)果更趨于科學(xué)化，適用于安全條件復(fù)雜、特殊的高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估。

2.2 灰色聚類法

灰色聚類分析是由我國學(xué)者鄧聚龍教授[17]提出的，研究“少數(shù)據(jù)、貧信息”不確定性問題的系統(tǒng)分析方法?；疑垲惙ㄓ糜诮鉀Q指標(biāo)的模糊性及不確定性對決策目標(biāo)的影響，根據(jù)部分已知信息的完整性，通過白化權(quán)函數(shù)測算各個評價指標(biāo)對評價對象的作用，從而評定評價對象的綜合等級[18]。

(1)劃分評價等級，確定評價矩陣。根據(jù)評價指標(biāo)體系，按其符合相應(yīng)評價標(biāo)準(zhǔn)的程度劃分為5個等級，邀請專家對評價指標(biāo)的安全等級賦予不同的數(shù)值，評價等級的賦值范圍為(0，5]，分為危險、存在風(fēng)險、一般、相對安全、安全5個等級，見表2。

表2 評價等級標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)評分等級劃分的標(biāo)準(zhǔn)，邀請P位專家學(xué)者對實驗室風(fēng)險評估二級指標(biāo)amn進(jìn)行打分，設(shè)專家的序號為k(k=1，2，3…P)，則第k位專家學(xué)者打分的結(jié)果為amnk，則可得到評價指標(biāo)矩陣E。

(1)

(2)設(shè)置評價灰類及白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)上文劃分的危險、存在風(fēng)險、一般、相對安全、安全5個評價等級，確定5個相應(yīng)的評價灰類e，e={1，2，3，4，5}，設(shè)置各灰類的白化權(quán)函數(shù)，見表3。

表3 高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估灰色白化權(quán)函數(shù)

(3)構(gòu)建灰色聚類權(quán)矩陣。根據(jù)表3計算出評價樣本amnk關(guān)于灰類e的白化值fe(amnk)，設(shè)gmne為評價指標(biāo)amn屬于e灰類的聚類系數(shù)，Gmn為總聚類系數(shù)，則gmne、Gmn可由公式(2)、(3)得到。

(2)

(3)

設(shè)評價指標(biāo)的灰色評估權(quán)向量rmn=(rmn1，rmn2，rmn3，rmn4，rmn5)，二級指標(biāo)灰色聚類矩陣Rm，可由公式(4)、(5)確定灰色聚類矩陣。

rmne=gmne/Gmn

(4)

(5)

設(shè)一級指標(biāo)層灰色聚類評價向量矩陣為S，S由公式(6)確定。其中，ωm為運(yùn)用BWM確定的二級指標(biāo)權(quán)重矩陣列。

S=ωmRm

(6)

(4)確定風(fēng)險評估等級。對目標(biāo)層進(jìn)行灰色聚類分析得到高?；瘜W(xué)實驗室安全等級評價向量X，如公式(7)。其中，W為運(yùn)用BWM確定的一級指標(biāo)權(quán)重矩陣列。

X=WS

(7)

高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估等級向量X是對評價結(jié)果的灰類程度描述，C為各級評價灰類等級值化中心點向量，C={0.5，1.5，2.5，3.5，4.5}，將兩者相結(jié)合測算得到高?；瘜W(xué)實驗室安全綜合評價值Z：

Z=XCT

(8)

3 實例應(yīng)用

高校實驗室是反映學(xué)校教學(xué)、科研、學(xué)科建設(shè)和管理水平的重要標(biāo)志之一。某高?；瘜W(xué)實驗室存放具有腐蝕性、揮發(fā)性、有毒有害性的危險化學(xué)品，易造成危險化學(xué)品泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故；部分儀器復(fù)雜、成本較高且操作難度大，由于長時間運(yùn)轉(zhuǎn)容易引發(fā)設(shè)備故障；同時，該實驗室開放時間長，人流量較大，在眾多不確定因素相互交叉下，容易導(dǎo)致傷害事故的發(fā)生。運(yùn)用前文分析建立基于BWM改進(jìn)的灰色聚類評價模型進(jìn)行分析研究。

3.1 確定權(quán)重

邀請專家學(xué)者通過BWM對事故致因24Model確定的高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)體系進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重賦值，確定高校實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)權(quán)重，見表4。

表4 高校化學(xué)實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)權(quán)重

3.2 灰色聚類評價

邀請該高校實驗室建設(shè)與設(shè)備管理中心教師及科研團(tuán)隊安全責(zé)任人共5位專家組成實驗室技術(shù)安全專家組，對該高?；瘜W(xué)實驗室的安全性二級指標(biāo)進(jìn)行打分，得到灰色聚類評價矩陣如下：

將專家打分的灰色聚類矩陣對照相應(yīng)的評價灰類及白化權(quán)函數(shù)，根據(jù)公式(2) 、(3)計算二級指標(biāo)的灰色評價系數(shù)，見表5。

表5 高校化學(xué)實驗室安全指標(biāo)層灰色評價系數(shù)

根據(jù)公式(4) 、(5)，計算得出灰色聚類權(quán)矩陣Rm：

利用公式(6)，計算得出一級指標(biāo)層灰色聚類評價向量矩陣S：

S=ωmRm=

由公式(7)，計算實驗室安全等級評價向量X：

由公式(8)，計算該實驗室安全綜合評價值Z：

Z=XCT=3.377 7

同時，計算高校化學(xué)實驗室一級指標(biāo)安全等級綜合評價值，一級指標(biāo)對應(yīng)的等級，見表6。

表6 高?；瘜W(xué)實驗室安全一級指標(biāo)綜合評價結(jié)果

ZA1=SA1CT=3.505 9

ZA2=SA2CT=3.499 6

ZA3=SA3CT=3.231 7

ZA4=SA4CT=2.742 3

3.3 結(jié)果分析

通過對比分析BWM—灰色聚類法和AHP—灰色聚類法計算的高校實驗室一級指標(biāo)評價值，如圖6。從圖6可知，2種評價結(jié)果的趨勢大致相同，且各一級指標(biāo)的評價等級一致，進(jìn)而驗證了評價模型的正確性。雖然上述2種方法評價的等級都相同，但當(dāng)決策問題有n個評價指標(biāo)時，AHP 需要進(jìn)行n(n-1)/ 2次比較，而BWM只需要進(jìn)行2n-3次比較，有效地降低比較次數(shù)，且比較時不容易出現(xiàn)混淆，邏輯錯亂的情況，更容易滿足一致性的要求，因此BWM—灰色聚類法計算過程簡便，更容易實施，準(zhǔn)確性更高。

圖6 高?；瘜W(xué)類實驗室一級指標(biāo)比較

由BWM確定的高校實驗室風(fēng)險評估一級指標(biāo)權(quán)重排序為：A1(0.465 5)>A2(0.258 6)>A3(0.172 4)>A4(0.103 4)。根據(jù)BWM—灰色聚類法評價結(jié)果可知，該高校實驗室安全綜合評價值Z為3.377 7，對照表2該高?；瘜W(xué)實驗室安全性評價等級為“相對安全”，從高?；瘜W(xué)實驗室風(fēng)險評估結(jié)果分析可以看出：實驗室存在較小的隱患，需要及時進(jìn)行完善、改進(jìn)，確保為全校師生提供良好的實驗環(huán)境。根據(jù)表6所計算的實驗室一級指標(biāo)安全等級綜合評價值可知，一級指標(biāo)違章及隱患的得分最低，其對應(yīng)的評價等級為“一般”，因此，高校實驗室應(yīng)加強(qiáng)人員違章控制及實驗場所隱患排查。高校應(yīng)不斷增強(qiáng)實驗人員的專業(yè)知識儲備、規(guī)范實驗操作、養(yǎng)成良好的安全習(xí)慣、提高安全意識、不斷提升科研素養(yǎng)，并按照實驗室管理的相關(guān)制度，定期開展實驗室隱患排查工作、落實隱患整改措施、及時消除隱患、確保其正常運(yùn)行、切實增強(qiáng)高校實驗室安全水平。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合高校實驗室的現(xiàn)狀及特點，提出BWM—灰色聚類的評價方法，基于事故致因24Model從組織文化、管理制度、培訓(xùn)質(zhì)量、違章及隱患4個方面選擇16個評價指標(biāo)構(gòu)建高校實驗室風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

(2)將BWM—灰色聚類評價模型應(yīng)用于某高校實驗室，進(jìn)行實證分析，評價結(jié)果與AHP—灰色聚類法對比，結(jié)果與實際情況相符合，從而驗證該評價方法的可行性。