基于层次分析和集对分析的高校实验室安全评价

张 才，单 侠，周 洪*

(1.金陵科技学院设备处, 江苏 南京 211169；2.金陵科技学院电子信息工程学院, 江苏 南京 211169)

实验室是高校人才培养和科学研究的重要场所，是衡量一所大学办学水平的重要硬件指标。近年来，随着国家对高等教育事业的重视，高校实验室软硬件都有了很大的改善[1]。但是，部分高校实验室仍采取传统“经验式”安全管理模式，这种被动的单纯依靠规章制度的安全管理远不能达到规避安全事故发生的目的，实验室安全事故屡有发生。这不仅严重影响了高校正常的教学科研活动，而且给师生的生命安全及校园的和谐稳定带来极大的威胁，亟须采取更为有效的管理措施来保障实验室安全[2]。危险源是实验室安全事故的根源，开展危险源识别并建立科学有效的实验室安全评价体系，不仅有助于对实验室安全管理常规工作进行检查，而且能够及时发现潜在安全隐患，减少或降低安全事故的发生[3]。因此，本文运用层次分析法构建科学的实验室安全评价指标体系，并引入多元联系度的集对分析理论构建实验室安全评价模型，对实验室安全进行综合评价，为高校实验室安全评价提供一种新的研究思路。

一、高校实验室安全评价研究现状

高校实验室安全评价是一项复杂、系统的工作，危险源的模糊性和不确定性给安全评价工作增加了难度。因此,如何正确辨识危险源并对实验室安全开展综合评价成为实验室安全领域的重点研究内容。实验室安全评价的前提是建立科学完善的危险源指标体系。高校实验室危险源种类繁多、数量庞大，实验室安全管理范围较广，因此有针对性地选择危险源指标是实验室安全评价的保障。葛及等通过构建人、机、料、法、环指标评价体系，运用定量与半定量相结合的综合评价方法来确定指标权重及实验室安全等级，并以此为基础确认实验室安全危险因素，提出从人、机两方面采取措施提高实验室安全管理水平的建议[4]。张博将BP(back propagation)神经网络和遗传算法(genetic algorithm)相结合，对基于GA-BP神经网络的高校实验室安全评价展开研究，结果表明，GA-BP神经网络评价模型综合性能明显优于BP神经网络评价模型，验证了遗传算法优化BP神经网络的合理性和高效性[5]。曹艳晓等利用层次分析法和事故伤亡连锁理论，构建了实验室安全评价指标体系，并结合模糊评价法对问卷数据进行评价，最后提出优化建议[6]。刘义等从物质、工艺、设备3个方面构建实验室风险评价指标体系，根据指标危险性大小对实验室进行分级管控，实现实验室安全精准管理[7]。林其彪等从实验室安全、费用、进度、质量4个维度构建了实验室安全管理评价指标体系，运用层次分析法确定各指标权重，为评价实验室安全管理绩效提供了基础[8]。马庚华等采用模糊层次分析法对实验室安全管理进行综合评价，并针对薄弱环节提出改善建议[1]。沈通等利用层次分析法改进现有的LEC(likelihood-exposure-consequence)评价法，采用专家评分法对实验室危险源进行LEC赋值并计算实验室危险源风险分值，从而有针对性地进行人防和物防安全管理，保障学校实验室师生的人身和财产安全[9]。综上所述，学界对高校实验室安全评价进行了深入探讨，但现有研究在实验室安全评价指标体系的构建上还存在一些局限性，且实例验证偏少。因此，本文基于对高校实验室安全事故危险因素的分析，构建符合当前高校实验室现状的安全评价指标体系和评价模型，并进行实例验证。

二、高校实验室安全评价指标体系和模型的构建

(一)指标体系构建原则及框架

高校实验室安全评价指标体系的构建应遵循“科学性、系统性、启发性”[10]原则。本文将可能引发实验室安全事故的危险因素分为人、物、环境、管理4大类，并据此建立实验室安全评价指标体系。其中，实验室安全评估为目标层，用以衡量准则层中人、物、环境、管理4个因素。人的因素指从实验人员角度评估实验室安全，具体包括实验人员心理素质、操作水平、安全意识、安全教育4个指标；物的因素指从实验仪器设施、实验药品等方面评估实验室安全，具体包括仪器设备安全可靠性、危险化学品安全可靠性、设备定期维护更新3个指标；环境因素指从实验场所的作业环境角度评估实验室安全，具体包括实验场所空间布局合理性、安全警示标识、软硬件防护设施3个指标；管理因素指从实验室安全管理角度评估实验室安全，具体包括责任体系及规章制度落实、安全经费投入、安全检查及隐患整改、安全风险评估、安全救援应急能力5个指标(表1)。

表1 高校实验室安全评价指标体系

(二)安全等级划分

安全等级划分是高校实验室安全评价的基础。本文采用问卷调查法对实验室安全评价指标进行打分，将评价指标得分区间[0，100]均分为5个评价等级，用Li表示区间值的临界值,其中：L1=100，L2=80，L3=60，L4=40，L5=20，L6=0。安全等级划分标准如表2所示。

表2 安全等级划分标准

(三)层次分析法及步骤

层次分析法是一种定性与定量相结合的数据分析方法，该方法将复杂的决策问题分解成多个目标或准则，进而分解为多指标的若干层次，实现研究对象的分层分解，构建自上而下的从属关系，保持下层指标的相对独立并涵盖上层指标含义。层次分析法通过对每一层指标数值的比较分析，确定该层次指标影响上层指标的相对重要程度，并根据主观判断、量化得到各层级指标权重，最后通过计算得出评价体系的指标权重。

1.构造判断矩阵。层次分析的第一步是要对目标层和准则层进行两两比较，构造判断矩阵。本文采用1—9标度法将最左侧列指标Ci(i=1,2,3,4)分别与顶行指标Cj(j=1,2,3,4)进行两两比较，标度1—9表示指标间关系重要程度逐步递增，其倒数为指标间关系重要程度的相反表达。通过指标两两比较构造判断矩阵A(表3)。

表3 判断矩阵A

2.权重计算和一致性检验。根据判断矩阵A求出特征向量的权重AW

AW=λmaxW

(1)

式(1)中，W为特征向量，W的分量ω1，ω2，ω3，ω4就是对应的相对重要程度，即权重系数，具体运算步骤如下：

将判断矩阵每一列进行归一化处理

(2)

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

将归一化后的判断矩阵按行相加

(3)

(4)

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

得到的W=[ω1，ω2，ω3，ω4]T即为判断矩阵A的特征向量。

确定最大特征根λmax，公式为

(5)

式(5)中，(AW)i表示向量AW的第i个分量。

判断矩阵一致性检验，计算一致性指标CI，公式为

(6)

由于判断矩阵的指标数量越多，越难以控制一致性指标，因此引入平均随机一致性指标CR，公式为

(7)

当CR<0.10时，表示该判断矩阵满足一致性要求，主观判断打分数据可信，反之则需要对判断矩阵数据进行调整直至满足条件。式(7)中RI取值如表4所示。

表4 RI取值

(四)集对分析理论

集对分析是一种用联系度处理不确定性问题的系统分析方法，目前已经在水资源承载力评价、煤矿生态环境可持续评价、混凝土泵送施工堵管风险评价等领域广泛应用[11-13]。集对分析的核心思想是对两个具有一定关联度的集合A和B建立集对H=(A，B)，从同一特性、差异特性、对立特性三个方面对集对H进行分析，具体表达函数公式为

(8)

式(8)中，μ为集对H的联系度；N为集对H的特性总数；S为集对H的同一特性数；F为集对H的差异特性数；Q为集对H的对立特性数；i为集对H的差异不确定系数，i∈[-1，1]；j为集对H的对立系数，j=-1。

μ=μA～B=a+bi+cj

(9)

(a∈[0，1]，b∈[0，1]，c∈[0，1]，a+b+c=1)

考虑到实际问题的复杂性，当某个评价指标对应m个评价等级时，可以将式(9)扩展，得到多元联系度

μm=μA～B=a+b1i1+b2i2+…+bm-2im-2+cj

(10)

(a+b1+b2+…+bm-2+c=1)

(五)安全评价模型

1.计算指标多元联系度。根据安全评价的五级标准，将差异度b扩展为轻度差异b1、中度差异b2和重度差异b3，根据式(10)得到五元联系度表达式

μm=μA～B=a+b1i1+b2i2+b3i3+cj

(11)

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

本文采用线性的隶属函数法计算指标联系度。根据实验室安全等级划分，并结合调查问卷打分情况，推导求指标层五元联系度μmk，公式为

μmk=

(m=1,2,…,p;k=1,2,…,q)

(12)

式(12)中，m为准则层中第m个评价指标，k是第m个指标对应的第k个指标层，xd为实际打分值。为更好地计算目标层和准则层的五元联系度，将式(12)改写为

μmk=rmk1+rmk2i1+rmk3i2+rmk4i3+rmk5j

(13)

式(13)中，rmk1、rmk2、rmk3、rmk4、rmk5可称作联系度分量，取值范围均为[0，1]，且和为1。由此可推导出准则层各指标的五元联系度表达式为

μm=rm1+rm2i1+rm3i2+rm4i3+rm5j

(14)

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

(15)

同理,目标层的五元联系度表达式为

th=r1+r2i1+r3i2+r4i3+r5j

(16)

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

(17)

2.确定安全评价等级。本文采用置信度准则确定安全评价等级K，判别公式为

th=r1+r2+…+ri

(18)

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

th>λ

式(18)中,h为评估等级；th为属性测度；λ为置信度，取值范围为[0.5，0.7]。如果同时满足th-1≤λ，th>λ，则判断安全评价等级K为第h级。

三、高校实验室安全评价实例验证

为了进一步检验高校实验室安全评价指标体系的合理性及安全评价模型的可操作性，本文对高校实验室安全进行实例验证。

(一)研究对象和数据来源

本文将某应用型本科高校D学院作为研究对象，目前该学院共有实验室安全管理人员5人， 实验室53间，其中，涉及危险化学品实验室29间，化学品仓库2间，危险废弃物中转站1间。实验室危险源主要包括危险化学品、高低温设备、特种设备等。近年来，随着国家对实验室安全越来越重视，D学院每年要接受省教育厅、市教育局、区教育局及相关职能部门的检查20余次，实验室安全已成为该学院实验室工作的重中之重。

为确保样本数据的准确性和客观性，笔者聘请4名实验室安全领域专家对实验室安全评价体系的准则层、指标层指标进行两两比对，从而确定判断矩阵xij值，并据此计算得出各层级指标权重，最终取平均值作为指标权重；同时邀请校级和院级经验丰富的实验室安全管理人员50人，根据表2对安全评价体系的指标层进行安全评价打分，并将分值进行加权平均,以此作为实际评分并确定安全等级。

(二)指标权重计算

利用层次分析法计算各指标权重，根据式(1)—式(7)计算准则层、指标层指标权重并进行一致性检验，同时计算出安全评价打分加权平均值，具体计算结果见表5、表6。

表5 准则层指标权重

表6 指标层指标权重和安全等级

(三)多元联系度计算

根据式(1)—式(17)，分别计算指标层、准则层、目标层的指标权重和五元联系度，具体计算结果见表7—表9。

表7 指标层指标权重和五元联系度计算结果

表8 准则层指标权重和五元联系度计算结果

表9 目标层指标权重和五元联系度计算结果

(四)安全评价结果

为更好地验证实验室安全评价方法的可行性和合理性，本文对D学院的实验室安全情况同时采用基于层次分析法的模糊评价和基于集对分析的多元联系度评价两种方法进行评价。模糊评价是根据指标层调查问卷平均分数，结合指标层权重，计算得出最终的安全评价分数，并以此确定安全等级。多元联系度评价取置信度λ=0.65。根据式(18)，可计算得出目标层安全评价等级(表10)。

表10 目标层安全评价结果

基于集对分析的多元联系度可以计算得出准则层和指标层的安全评价等级(表11、表12)。

表11 准则层安全评价等级

表12 指标层安全评价等级

(五)结果分析

根据层次分析法的模糊评价和集对分析的多元联系度评价，目前D学院实验室总体处于基本安全状态。实验室安全评价指标体系准则层中，人的因素和环境因素处于基本安全状态。近年来D学院所属的应用型本科院校根据教育部要求，积极落实新生实验室安全准入教育制度，组织专家编写了实验室安全教材，开设了实验室安全课程，对学生的安全教育比较重视：实验前对学生进行实验安全操作步骤的讲解及演示，实验过程中对学生进行严格监督并纠正错误，实验结束后要求学生及时总结实验过程中遇到的问题。此外，学校非常重视D学院实验室安全工作，积极筹措经费对实验楼进行基础条件改造，加强安全专业设施建设，对实验室进行重新布局，并建设化学品仓库、危险废弃物中转站等硬件设施。因此，准则层中人的因素和环境因素处于基本安全状态。

根据表11和表12的部分指标安全等级可知，D学院在实验室安全管理方面还存在薄弱环节，实验室安全管理中物的因素和管理因素处于较危险状态。物的因素方面，该学院涉及危险化学品的实验室占比达54.7%。通过数次检查发现，该学院危险化学品的使用有时存在管控化学品随意摆放、化学品过期未处理且无标签等问题，部分老师私自购买危险化学品的现象时有发生，危险化学品管理工作亟须加强。从表12的结果也可以发现，仪器设备定期维护更新指标安全等级为较危险，说明D学院对仪器设备维修保养重视不够，尤其是特种设备需要定期进行检验维护，且需取得特种设备使用许可证和人员上岗操作证。管理因素方面，虽然近年来D学院实验室安全管理工作较之前已经有了很大改善，但是表12数据显示，该学院在实验室安全经费投入、安全风险评估和安全救援应急能力方面还存在不足。究其原因，一方面是因为D学院所属的是一所地方型应用本科院校，财政来源比较单一，导致实验室安全经费投入偏少；另一方面，D学院实验室危险源较多，但实验室安全管理人员相对较少，实验室安全管理仍比较粗放，很难做到差异化精准管理，也未能将有限的人力、物力、财力投入重点部位，缺少实验室安全风险评估机制。此外，D学院对学生的实验室安全救援应急能力培训不够，有的学生甚至不清楚实验室防护用品摆放的位置；个别教师只注重理论安全知识的讲解，而忽视了安全实践环节的培训。

四、结论与建议

(一)结论

本文根据高校实验室危险源特点，从人、物、环境、管理4个方面构建了实验室安全评价指标体系，运用层次分析法求出各层级指标权重，并引入集对分析理论构建实验室安全评价模型，构建了一套较完整的高校实验室安全评价体系并进行了实例验证。结果显示：该实验室安全评价指标体系较为完善合理，实验室安全评价模型具有较强的可操作性，能满足当前高校实验室安全管理评价实际需求；经实例验证，D学院实验室总体处于基本安全状态，但实验室安全管理中物的因素和管理因素处于较危险状态。

(二)建议

实验室安全是实验室各项工作正常进行的基本保证。高校应不断创新管理方式，构建适合本校实际的实验室安全评价体系，进一步细化实验室安全管理工作，积极改变传统的“经验式”管理模式。同时，为适应当下高标准、严要求的实验室安全管理要求，应采取更为有效的实验室安全管理措施，不断提升实验室安全管理水平。

1.开展实验室及实验项目风险评估。实验室危险源是安全事故发生的根源，只有掌握危险源的基本情况，从源头加强管控，才能牢牢抓住实验室安全管理的主动权，因此，首先需要对实验室及实验项目开展风险评估。通过风险评估可以及时掌握实验室或实验项目危险源现状，从而采取有效措施减少安全事故的发生。在实验室新建、改建、扩建和调整时，应由二级学院组织专家对项目编制建设方案进行风险评估，审核通过后，将评估结果报分管职能部门备案后方可进行。在每学年制定教学大纲时，应对二级学院常规教学实验项目进行风险评估；涉及实验项目的创新训练项目、创新创业项目在项目申报时，开放实验在进入实验室前，毕业设计(论文)涉及的实验项目在开题时，都需要进行安全风险评估；教师科研项目中涉及的实验项目在合同签订前也需进行安全风险评估。

2.加强实验室安全分类分级管理。传统的“经验式”安全管理模式已无法适应当前高标准、严要求的实验室安全管理要求。由于实验室危险源种类多、数量大，每个实验室危险程度差别较大，因此，要求实验室安全管理者对实验室进行专业化、差异化管理。高校应摸排实验室危险源情况，对实验室进行分类分级管理。可根据实验室安全具体情况将实验室分为四个等级：一级安全风险实验室涉及使用或存放易燃易爆、剧毒、易制毒化学品,放射性物品,大型特种设备,单台功率超过10 kW加热设备或单间实验室总功率超过15 kW、压力等级大于20 MPa的高压容器等；二级安全风险实验室涉及使用或存放其他危险化学品，使用压力容器、激光设备、强磁设备等；三级安全风险实验室涉及使用高速设备、回转机械、冷热设备(超低温冰箱、防爆冰箱、烘箱、马弗炉等)、大功率充放电装置、高电压设备等；四级安全风险实验室为未列入以上三个级别的其他实验室。通过对重大危险源、安全等级较高的实验室进行重点管控，将实验室安全管理重心前移，最终实现实验室安全隐患可防可控的目标。

3.搭建实验室综合信息化管理平台。当前各高校实验室数量和规模逐年增加，实验设备种类数量、实验项目及实验人员数量和流动性急剧上升，安全管理人员数量不足，这些都给实验室安全管理工作带来很大的挑战，单纯依靠人力的传统实验室安全管理模式已无法满足现实需求。“互联网+”背景下,各高校应积极搭建实验室综合信息化管理平台，以实现学生安全教育考试与培训管理、实验室危险源分类分级管理、实验室危险化学品全生命周期动态监管、实验室安全检查信息化管理、实验室安全文化宣传等功能。搭建实验室综合信息化管理平台，可以提高师生的安全主体责任意识，加强安全准入制度建设，完善危险化学品全生命周期动态监管，进一步规范危险废弃物处置流程；可以强化实验室危险源分类分级管理，实现危险管控精准施策；有助于落实安全隐患整改措施，提升实验室安全管理水平；有助于培养安全意识强烈、实验安全基础知识扎实、实验操作规范的应用型人才。

4.积极开展实验室安全事故应急演练。一是借助虚拟平台模拟安全事故场景。可以借助现有的实验平台进行虚拟仿真操作练习，也可以借助VR或AR科技手段模拟真实实验场景。例如，通过虚拟仿真模拟化学试剂泄漏而导致的皮肤灼伤，或者因操作不当导致的爆炸、火灾等场景，帮助学生在虚拟环境中快速应对各类问题，找到适合的处置方法。虚拟仿真为真实演练提供了预演机会，把因过于危险而难以开展的安全演练内容通过虚拟仿真的形式再现，有助于加强学生对安全理论知识的正确理解和认知，是实验室安全应急演练的新举措。二是积极开展真实的实验室安全事故应急演练活动。学校应定期组织学生参加各类实验室安全演练活动，如消防演练、火灾逃生演练、机械伤害应急演练、危险化学品泄漏演练等，提升师生的自护自救能力。