基于DEMATEL/ISM 的安全工程实验室风险影响因素分析

吴悠悠，胡立嵩，王 帅，王 美，冷朝阳

武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北 武汉 430074

随着我国教育事业的蓬勃发展，实验室作为高等学校教学和研究的主要场所，国家和地方对其支持建设的力度大幅增加，使得各类实验室和师生的数量逐年增多，实验仪器和设备的价值越来越大，实验室的开放性和共享性也明显提高［1］。但是，由于人员违规操作、设备故障、消防设施配备不足等原因导致的实验室事故仍时有发生。例如2018 年12 月，北京某大学实验室发生爆炸事故，造成3 名学生死亡；2020 年1 月，某高校实验室发生通风橱起火事故，导致经济损失约1 万元；2022 年4 月，中南大学实验室发生爆燃事故，造成一名博士生严重烧伤等。综上所述，实验室的安全管理水平明显滞后于其自身的发展程度。因此，提高实验室安全管理水平，保障生命和财产安全仍然是学校安全管理工作的重中之中。

近年来，越来越多的学者对高校实验室安全进行了相关研究。魏永前等［2］围绕实验室风险分级管控和隐患排查治理，构建了一套可行的实验室安全预防体系；张苏等［3］以事故致因“2-4”模型为理论基础，基于层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）-模糊综合评价法建立了综合评价模型；李祥春等［4］针对安全工程专业实验室的特点，利用事故树分析法对实验室风险进行定性定量分析，并提出了相应的实验室风险管理建议；刘音等［5］针对化工类实验室的特点建立指标体系，利用序关系分析法（G1 法）-熵权法和可拓性评价法对实验室安全等级进行了评定；曹以等［6］以工科实验室安全管理的特点为基础，从4 个方面构建实验室安全评价指标体系，采用AHP-模糊综合评价法对某高校工科学院的实验室进行安全评价；王志平等［7］针对航海类高校实验室评价工作中存在的问题，提出了基于模糊 网络分析法（analytic network process，ANP）-熵值法的加权灰色关联分析法的航海类高校实验室综合评价模型。

目前，相关研究大多采用定性的方法探讨实验室的安全管理问题并提出可行的对策及建议，而采用定量方法对危险性较大的实验室进行安全风险分析的研究较少。安全工程专业的研究方向包括矿业、化工、核工业、交通、能源、土木等各个领域［4］，其实验室所进行的实验大多都涉及易燃易爆品和特种设备的使用，进行实验教学和科学研究的危险性较高，易发生火灾、爆炸、中毒和机械伤害事故。因此，本文拟采用决策试验与评价实验室法（decision-making trial and evaluation laboratory，DEMATEL/ISM）模型构建安全工程实验室安全管理影响因素指标体系，计算各因素的影响度、被影响度、中心度和原因度，借助MATLAB 软件进行数据分析，继而建立多层次递阶解释结构模型，明确各因素的重要度及位置关系，以期为高校实验室安全管理工作提供参考。

1 安全工程实验室风险影响因素体系的构建

安全风险影响因素体系的构建是对影响因素进行研究的第一步，为了保证研究结果的真实准确，必须确保指标体系的合理性。因此在构建指标体系时务必要以科学性、导向性、针对性和易操作性为原则［7］。根据《高等学校实验室工作规程》（教育委员会令第20 号）及《某高校实验室安全管理办法（试行）》，查阅相关文献［8-10］、专家访谈等多种形式，结合安全工程实验室的特点，从安全管理机制、人的因素、环境安全、防火防爆技术和仪器设备与化学品安全等5 个方面选取16 个主要因素，构建了安全工程实验室风险影响因素指标体系，如图1 所示。

图1 安全工程实验室风险影响因素Fig.1 Risk factors of safety engineering laboratory

2 DEMATEL 模型构建

2.1 建立直接影响矩阵

由于体系中各因素之间的相互影响程度难以精确表达，通常可以用无、弱、较强、强来表示［11］。本文采用0、1、2、3 的标度来确定因素间的影响关系，且影响程度递增（0 表示无影响，1 表示影响较弱，2 表示影响中等，3 表示影响较强）。通过德尔菲法对16 个因素间的影响关系进行赋值，之后对所得的数据取平均值，得到初始化直接影响矩阵X=[xij]n×n（矩阵中xij表示xi对xj的影响程度，当i=j时，xij=0），见表1。

表1 直接影响矩阵XTab.1 Direct influence matrix X

2.2 计算综合影响矩阵

根据公式（1）对矩阵X进行规范化处理，得到规范化直接影响矩阵D；根据公式（2）计算出安全工程实验室风险影响因素的综合影响矩阵T，式中I为单位矩阵。

2.3 计算影响度、被影响度、原因度和中心度

影响度Ri指T中各行值之和，表示各行对应因素对所有其他因素的综合影响值；被影响度Ci指T中各列值之和，表示各列对应因素受其他因素的综合影响值，计算公式如下：

中心度Mi为因素Fi的影响度与被影响度之和［式（5）］，表示Fi在体系中的重要程度；原因度Ni为因素Fi的影响度与被影响度之差［式（6）］，若值为正，则Fi为原因因素，对其他因素影响较大，若值为负，则Fi为结果因素，受其他因素影响较大［12］。

影响度、被影响度、中心度及原因度的计算结果见表2。

2.4 绘制原因结果图

依据表2 的计算结果，借助MATLAB 软件绘制安全工程实验室安全管理影响因素原因-结果图，如图2 所示。

图2 安全工程实验室安全管理影响因素原因-结果图Fig.2 Cause-effect diagram of factors affecting safety management of safety engineering laboratory

表2 各因素的影响度、被影响度、中心度和原因度Tab.2 Influence degree，influenced degree，center degree and cause degree of factors

3 构建ISM 模型

3.1 计算可达矩阵

由于DEMATEL 方法未考虑各因素对自身的影响，所以在计算可达矩阵时需要在综合影响矩阵T的基础上，引入单位矩阵I［13］，通过公式（7）计算得到整体影响矩阵H。

为得到可达矩阵，需要引入阈值λ来消除影响程度较小的关系以简化系统结构［14-15］。阈值选取要有理有据，取值过大或过小都会影响结果的合理性［16］。目前确定阈值λ 的方法主要有以下3种：①根据专家的直接经验确定阈值；②计算综合影响矩阵所有元素的均值作为阈值；③利用综合影响矩阵所有元素的均值和标准差来确定阈值［17］。本文采用第③种方法来确定阈值λ，具体通过公式（8）进行计算。

式中：α、β分别表示综合影响矩阵T中所有元素的均值和标准差。

求解得出α=0.118、β=0.055，因此确定阈值λ=0.17，进而通过公式（9），运用MATLAB 软件得到可达矩阵K。

3.2 构建多层次ISM 模型

根据可达矩阵可以得到各因素的可达集、先行集及二者的交集。可达集R（F）i指可达矩阵中因素Fi对应的行中kij=1 的矩阵元素对应因素的集合，先行集A（F）i指可达矩阵中因素Fi对应的列中kij=1 的矩阵元素对应因素的集合，共同集为可达集和先行集的交集［14］。

依据层次划分标准，当R（F）i∩A（F）i=R（F）i时，表示R（F）i中对应的因素均能被其他因素达到而不能到达其他因素，因此被划分为第一层级的因素。然后从可达矩阵中移除L1中因素对应的行和列，在剩下的矩阵中继续上述步骤，以此类推，直至所有的行和列被划除，确定所有因素的层级［15，18］。得出各层级因素如下：L1=｛F10、F11、F12｝，L2=｛F14、F15、F16｝，L3=｛F9、F6、F8、F13｝，L4=｛F3、F5｝，L5=｛F4、F7｝，L6=｛F2｝，L7=｛F1｝。根据层级划分结果，建立多层次ISM 模型，如图3 所示。

图3 多层次递阶ISMFig.3 Multi-level hierarchical ISM

4 结果分析

结合以上研究以及对图2、图3 分析如下：

（1）影响因素分析。在安全工程实验室安全管理影响因素体系中，有8 个因素的原因度大于0，属于原因因素，按原因度从大到小依次排序为：F1、F2、F7、F4、F5、F3、F9、F6。从图3 可知，F1（组织机构与责任体系）位于L7，属于本质致因，所有因素都直接或间接受其影响。实验室安全管理组织机构负责制定实验室安全管理规章制度；组织、指导各二级单位做好实验室安全管理工作；监督相关单位和部门认真履行实验室安全管理职责等责任，因此设置合理的组织机构、明确各部门责任范围，对健全实验室安全管理制度和操作规程、消除管理盲区及保障实验室日常安全工作具有重要作用。F（2安全管理制度及实验操作规程）、F4（安全培训及应急演练）和F7（管理人员的责任心和态度）分别位于L5、L6，均受到F（1组织机构与责任体系）的影响，其中健全实验室安全管理制度和制定实验操作规程是确保实验室安全管理及工作正常运行的基本条件，更是管理人员进行安全管理和工作人员进行规范操作的重要依据；F（4安全培训及应急演练）可以提高实验室相关人员的F（5安全知识水平和应急反应能力），培养安全习惯，提高应对突发安全事件的能力；责任心和态度是实验室管理人员必须具备的素质，其直接影响到F（3安全检查）等日常安全工作的有效性。

F11、F10、F12、F15、F16、F14、F13、F8的原因度小于0 且其绝对值逐渐减小，属于结果因素。其中F1（1消防设施的设置与维护）、F10（建筑的防火防爆技术）、F1（2电气设施的防火防爆技术）、F1（5危化品的储存及使用）、F16（危险废物的收集与处置）、F1（4特种设备的管理及使用）等6 项因素的原因度绝对值较大，受其他因素影响较明显，在多层递阶结构模型中位于L1 和L2，属于直接致因因素，是影响安全工程实验室安全风险管理的直接原因，也是保障实验室教学和研究工作安全开展的直接影响因素。

（2）中心度分析。中心度反应了各因素在该体系中的重要程度。从图2 可知，体系中各影响因素的中心度从左到右逐渐增大，表示各因素的重要程度越来越大。重要度排前6 位的因素从大到小依次是F1（5危化品的储存及使用）、F1（4特种设备的管理及使用）、F2（管理制度及实验操作规程）、F1（6危险废物的收集与处置）、F（3安全检查）、F4（安全培训及应急演练），以上排序表明在安全工程实验室安全风险管理影响因素体系中，仪器设备与化学品安全和安全管理机制两个模块中的各项因素相较其他因素来说重要程度更大，应格外重视。危险化学品、特种设备及危险废物的自身危险性是实验室的重大安全隐患，需针对其危险性制定相关管理策略；安全管理机制中的各项规章制度及安全检查和安全培训等是安全开展实验室工作的前提和基础，对保障实验室的安全有着不和或缺的作用。

5 结论

（1）本文从安全管理机制、人的因素、环境安全、防火防爆技术和仪器设备与化学品安全等5 个方面选取了16 个主要的安全风险管理影响因素，构建了安全工程实验室安全管理影响因素指标体系，运用DEMATEL 方法计算出各指标因素的重要度并绘制安全管理影响因素原因-结果图，通过构建ISM 模型，得出各因素之间的影响关系。

（2）分析结果表明，F1（组织机构与责任体系）、F（2安全管理制度及实验操作规程）、F（7管理人员责任心和态度）及F4（安全培训及应急演练）属于原因因素且原因度较大，对其他因素的影响明显；F1（1消防设施的设置及维护）、F1（0建筑的防火防爆技术）、F1（2电气设施的防火防爆技术）属于结果因素且原因度的绝对值较大，受其他因素影响明显。F1（6危险废物的收集与处置）、F（2安全管理制度及实验操作规程）、F1（4特种设备的管理和使用）及F1（5危化品的储存及使用）的中心度排名靠前，表明这些因素在体系中的重要程度较大。

（3）根据以上分析结果，中心度和原因度较大的因素是影响安全工程实验室安全风险管理的关键因素，且对实验室安全管理体系整体影响较为显著。因此，在实验室安全管理工作中加强对关键因素的投入和管控力度，可以有效提升实验室安全管理的效率，保障安全工程实验室安全有序运行。