基于系统动力学的高校实验室安全管理

阳富强，邱东阳

(福州大学环境与资源学院，福建 福州 350116)

为积极响应国家“双一流”大学建设目标，各高校着力培养高素质人才，而一流实验室作为提升科研水平、提高教学质量的平台和支撑，为推动“双一流”大学建设发挥着显著作用。高校实验室是师生频繁进行实验研究、日常教学的重要场所，一旦发生事故将严重影响教研工作的正常进行以及广大师生的生命和财产安全。近年来，随着高校实验室规模的扩大和探索性实验的增多，实验室安全事故时常发生，安全问题日益突出[1]。例如：2016年9月，东华大学松江校区化学化工与生物工程学院一间实验室发生爆炸，3名学生受伤；2017年3月，复旦大学化学西楼某间实验室发生爆炸，1名学生手臂被炸伤；2018年11月，南京中医药大学翰林学院某实验室发生爆燃，多名师生受伤；2018年12月，北京交通大学某环境工程实验室科研试验期间因爆炸引发火灾，3名学生遇难。当前严峻的实验室安全形势，极大地阻碍了实验教学与科研工作的顺利开展。一方面，高校不断投入大量的资金加大实验室建设；另一方面高校实验室安全事故高发，给“双一流”高校建设带来了巨大挑战。此外，由于高校实验室产出的安全管理价值不易察觉，各高校投入到实验室安全管理的经费严重不足，导致实验室安全事故频发。

目前学者们主要围绕高校实验室安全隐患[2-4]、实验室安全管理体系[5-7]等方面进行了研究，且大多是从宏观、静态的层面对实验室安全管理进行定性或定量的理论评述，而从投入产出角度来动态研究实验室安全管理的研究较少。由于高校实验室安全管理系统内部各子系统之间是相互关联、相互制约，为一个动态、非线性的系统，因此可尝试通过分析影响实验室安全管理系统的重要因子，根据系统动力学原理输入区域或相关参数，来预测实验室安全管理目标水平值，将能如实、动态地反映实验室安全状态，可为实现实验室安全管理目标提供保障。为此，本文构建了实验室安全管理系统，并从投入产出的角度运用系统动力学理论建立了实验室安全管理系统动力学(SD)模型，并通过具体案例对该模型进行模拟仿真与验证。

1 实验室安全管理系统动力学分析步骤

本文运用系统动力学(System Dynamics,SD)从系统内部微角度入手，分析系统内部各因子的因果关系，构建实验室安全管理系统反馈结构模型，并通过模拟仿真来动态反映系统内部各因子之间的关系[8-9]，预测实验室安全管理水平。实验室安全管理SD分析的主要步骤如下：①通过实验室事故分析、现场调研、文献研究等提出实验室安全管理系统的要求，确定SD模型的边界；②结合SD理论分析实验室安全管理系统的因果关系，确定其反馈环，定义SD变量集，绘制SD存量流量图并建立SD方程；③将案例数据经过无量纲及一致性处理后代入SD方程，进行模型模拟仿真；④当模型检验通过，对比分析结果得出结论，否则重新返回建立合适模型。

图1 实验室安全管理SD分析步骤Fig.1 SD analysis steps of laboratory safety management

2 实验室安全管理SD模型的构建

2.1 确定实验室安全管理SD模型的边界及影响因子

以实验室安全管理水平的动态预测研究为目的，将影响实验室安全的所有因子范围作为实验室安全管理SD模型的系统边界，系统内包括影响实验室安全的关键子系统及其因子。通过对实验室安全事故及相关文献的分析研究，将影响实验室安全的原因分为人员、设备、环境和管理等子系统[10]。从系统角度充分考虑人、机、物、法、环等影响实验室安全的因子，如以某高校安全工程专业防火材料制备实验室的实际情况为例，经现场调研并结合专家意见，补充遗漏的因子，剔除相关性较小的因子，最终确定影响实验室安全各子系统(人员子系统、设备子系统、管理子系统和环境子系统)的因子包括：安全意识、操作技能、安全培训、心理素质；安全防护装置、消防设施、个人防护用品；仪器检查维护、危化品管理、危废品管理、应急救援预案、安全管理制度；安全文化氛围、空间布局、警示标志、通风条件等。

2.2 建立实验室安全管理系统因果回路图

因果回路图由一个或多个反馈回路组合，一方面反映了系统内部各子系统及其各因子之间输入与输出的关系；另一方面反映了系统外部环境与系统的输入与输出的关系。在因果回路图中，加号表示正反馈，减号表示负反馈。本文从安全投入产出的角度，分析了系统各因子之间内在的因果关系，构建了实验室安全管理系统因果回路图，见图2。

随着各因子安全费用的投入，各子系统安全管理水平得以提高，实验室安全管理的整体水平也逐步提高，当达到安全目标水平后，将通过系统反馈减少对实验室安全系统的投入费用。其中，良好的心理素质和浓厚的安全文化氛围对实验室人员安全意识的提升具有促进作用；建立健全的安全管理制度有利于实验室安全管理水平的提升。

图2 实验室安全管理系统因果回路图Fig.2 Causality circuit diagram of laboratory safety management system

2.3 定义实验室安全管理SD变量集

SD中变量的性质包括状态变量、速率变量、辅助变量和常量等，根据SD理论和构建的实验室安全管理系统因果回路图，定义了实验室安全管理SD变量集，见表1。

表1 实验室安全管理SD变量集

2.4 绘制实验室安全管理SD存量流量图并建立SD方程

本文利用Vensim软件，结合上述因果关系和各变量性质，绘制了实验室安全管理SD存量流量图，见图3。

图3 实验室安全管理SD存量流量图Fig.3 SD model inventory flow diagram of laboratory safety management

根据变量之间的关系，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//辅助方程

(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//辅助方程

(6)

A1j=TR1(t)×QZ1j×TR1toA1j(j=2,3)//辅助方程

(7)

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

(8)

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

(9)

TRi=ZTR×BLi×TRitoAi(i=1,2,3,4)//辅助方程

(10)

式中:.K、.J、.JK分别表示当前时刻、过去时刻、当前与过去时刻的间隔;DT表示仿真时间步长;各子系统及对应的各因子的权重值之和为1;投入比例之和为1。

3 案例仿真模拟与验证

3.1 案例参数的确定

某高校安全工程专业防火材料制备实验室内放置有旋转蒸发仪、鼓风干燥箱、真空干燥箱、小型硫化机、密炼机、压板机、温磁力搅拌器、超声清洁器等设备，存放有乙二胺、二甲基甲酰胺、浓硫酸、浓盐酸等化学品试剂，实验过程中会产生强酸、强碱、毒性等废液。本文以该实验室为仿真对象，对相关文献建立的实验室安全管理水平评价指标的评价等级[11]加以修正，每个评价因子按百分制评分，评价等级分为优、良、中、及格、不及格，各等级分值间隔为10分，得到实验室安全管理总水平值标准为：优(≥90)、良(89～80)、中(79～70)、及格(69～60)、不及格(<60)，并运用层次分析法[12-13]计算出各子系统及其各因子的权重值：(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)。根据该高校实验室的实际情况和建立的评分标准，首先邀请5位专家对各子系统因子打分，对专家打分的各因子平均值进行加权，得到各子系统安全水平初始值分别为：70、65、61、64，并对各子系统安全水平初始值进行加权，最终确定实验室安全管理总水平初始值为65.90；然后分别设计安全文化氛围、心理素质对实验室人员安全意识影响程度的调查问卷，随机选取20位实验室人员进行调查，得到的数据经回归计算及调整[14]，最终确定安全文化氛围、心理素质对安全意识的影响系数分别为1.35和1.18；最后依据投入转化率方法[15]，将实验室以往每周评价得到的各子系统安全水平值的增加量或减少量除以相应各子系统当周的投入费用，得到每周各子系统的投入转化率或衰减率，并运用Vensim软件将其拟合形成表函数。

3.2 模型模拟仿真与结果分析

将上述参数代入建立的实验室安全管理SD模型，仿真时间为20周，时间步长取1周，安全目标水平值设置为90，人员、设备、管理、环境各子系统的投入比例分别为0.25、0.25、0.25、0.25，通过运行Vensim软件可输出仿真模拟结果，即得到实验室安全管理总水平值与总投入费用的关系，见图4。

图4 实验室安全管理总水平值与总投入费用的 关系曲线Fig.4 Relationship between the general level of laboratory safety management and the total input

由图4可见，实验室安全管理总水平值在第17周达到安全管理目标水平值后终止各种资源的投入，由于各种资源的投入与实验室安全管理总水平之间存在时间上的延迟，因此当达到安全管理总水平值的一段时间里，增长不为零；各种资源的投入决策处于实验室安全管理总水平值与各种资源总费用投入构成的负反馈系统结构之中，当实验室安全管理总水平值达不到安全管理目标水平值时，实验室安全管理总水平值与安全管理目标水平值之间便会存在偏差，系统便依据偏差值判断并决策进行各种资源的投入；随着实验室安全管理总水平值的提升，相应的各种资源的投入费用也将逐渐减少。

3.3 模型检验

实验室安全管理总投入费用不变，通过制定各子系统增加相同投入比例的方案(见表2)，用来观察调整各子系统投入力度是否能改变实验室安全管理总水平值的变化速度，进而检验模型是否有效[16-17]。

表2 实验室安全管理各子系统不同投入比例方案

各子系统不同投入比例方案下实验室安全管理总水平值的模拟仿真结果，见图5。

由图5可见，实验室安全管理总水平初始值均为65.90的情况下，方案Current0(原始方案)在第17周达到安全目标水平值，方案Current1和Crrent3均在第16周达到安全目标水平值，方案Current2和Crrent4均在第18周达到安全目标水平值，表明所建立的实验室安全管理SD模型是有效的。

图5 各子系统不同投入比例方案下实验室安全管理 总水平值的模拟仿真结果Table 5 Simulation results of general level value of laboratory safety management under different input proportion of subsystems in laboratory safety management

3.4 各子系统实际作用率

实际作用率是指调控某个子系统各因子增加量增加至一定值，其他子系统增加量保持不变的情况下，对比分析调控某个子系统各因子增加量变动的前后实验室安全管理总水平值的变化情况。本文分别将各子系统单位时间的增加量增加0.05，仿真得到增加各子系统相同增加量时实验室安全管理总水平值的变化情况，见表3。以原始方案Current0为计算基准，求得方案Current0实验室安全管理总水平每周平均值为81.444，计算得到方案Current0-1实验室安全管理总水平每周平均值为81.747 5，用该值减去81.444，再除以方案Current0实验室安全管理总水平每周平均值，即得到各子系统的实际作用率。由此分别计算得到该实验室安全管理人员、设备、管理、环境各子系统的实际作用率为0.003 7、0.001 7、0.004 2、0.001 1。

表3 增加各子系统相同增加量时实验室安全管理总水平值的变化情况

4 结 论

不断提升实验室安全管理水平是当前各高校建设“平安校园”的重要内容之一。本文通过构建实验室安全管理系统，运用系统动力学(SD)理论从投入产出的角度，建立了实验室安全管理SD模型，探究了高校实验室安全管理水平的动态变化过程，并以某高校安全工程专业防火材料制备实验室为例，对该模型进行了模拟仿真与验证。结果表明：初步判断该实验室未达到安全目标水平值；通过建立的实验室安全管理SD模型可定量、直观地预测该实验室安全管理总水平的发展趋势；通过调整实验室安全管理各子系统的投入比例可确定最佳投入方案，使实验室安全管理总水平值更快达到安全目标水平值；各子系统对该实验室安全管理总水平的实际影响程度依次为管理(0.004 2)、人员(0.003 7)、设备(0.001 7)、环境(0.001 1)。因此，实施实验室安全标准化管理、强化实验室师生安全培训、提高实验室人员安全意识等是该实验室未来安全管理工作的重点。