实验室安全事故关键风险因素识别模型的构建

啜鹏杰， 贾 哲， 柳培忠， 黄伟鹏， 林晖平， 黄富贵

（1.华侨大学a.实验室与设备管理处；b.工学院，福建泉州 362021；2.华侨大学制造工程研究院，福建 厦门 361021）

0 引言

随着我国对高校科研能力及技术创新能力培养的重视，实验室发展与建设逐渐成为高校教学研究和国家创新发展的立足之本。然而，实验室安全事故时有发生，这既对教师和学生的生命健康造成一定冲击，也对国家及人民的财产造成了巨大的损失，因此实验室安全建设与管理也成为当下关注的核心问题之一。啜鹏杰等［1］利用层次分析法（AHP）建立实验室安全风险评价体系，建立一种基于主成分分析（PCA）、遗传算法（GA）和人工神经网络（BP）相结合的实验室安全风险评价模型；席海涛等［2］针对实验室安全管理实际提出了实验室安全管理全口径准入机制；李江等［3］对实验室安全管理责任追究与隐患消除机制进行了研究；刘凯源［4］通过构建人员不安全行为模式数据集，建立了基于C3D的人员不安全行为模式识别模型，并对模型性能进行了评估；刘音等［5］利用G1-熵权法对化工实验室安全等级进行了可拓性评价。虽然当前有关于高校实验室安全建设与管理的研究逐渐增多，但目前关于高校实验室安全风险因素识别模型的构建相关方面的研究还较少。本文通过对160 起实验室安全事故风险原因进行统计，并进行耦合发生的概率分析、网络关系分析及中心度分析建立NK-SNA实验室安全事故风险因素识别模型，以期为实验室安全管理和风险因素识别提供理论基础和参考依据。

1 实验室安全事故关键风险因素评价体系的构建

1.1 实验室事故统计分析

高校实验室既是师生教学、交流的场所，也是培养创新人才的摇篮。然而，随着科研项目增多及科研水平提高，实验室的安全事故时常出现。通过对2001 ～2022 年高校、企业和研究院实验室安全事故进行统计（见图1）发现，160 起实验室安全事故共造成22 人死亡，196 人受伤。其中2006 ～2015 实验室安全事故发生的次数较多，随后总体呈递减趋势，这和叶元兴等［6］的调查一致。通过调查分析发现，实验室安全事故发生次数的减少及伤亡人数的降低主要与国家越来越重视实验室安全管理并陆续出台相关制度、管理办法，教育部也逐步加强实验室安全监管力度，开展实验室安全检查等因素有关。

图1 2001 ～2022年实验室安全事故统计分析

1.2 实验室事故发生类型及原因

对160 起实验室安全事故类型进行统计分析发现（见图2），发生火灾事故约占43%，伤亡比例约为13%；爆炸事故约占31%，伤亡比例约为46%；中毒事故约占为14%，伤亡比例约为16%；气体泄漏和触电事故分别占6%和4%，且未造成人员伤亡；由此可知发生火灾和爆炸是导致实验室事故和造成人员伤亡的主要类型，这是因为实验室中存放大量易燃、易爆、有腐蚀性的化学药品和气体［7］，操作不慎、违规操作、电路老化或实验室安全管理不到位等因素极易导致火灾和爆炸事故的发生。如2005 年1 月，南京某大学1 名学生在实验过程中因意外触电导致身亡；2012 年2月，南京某大学发生甲醛泄漏事故，由于处理及时未造成人员伤亡；2016 年1 月，北京某大学因电路老化导致存放化学药品的冰箱发生自燃，进而引发火灾［8］；2018 年12 月，北京某大学因搅拌机转轴处金属碰撞产生火花导致镁粉爆炸，造成3 名学生死亡［9］；2022年4 月，长沙市某大学发生一起爆燃事故，导致1 名博士生受伤。这些事故的发生不仅给老师和学生的身体带来了伤害，也对国家财产造成了一定损失，对于这些事故发生的原因我们应进行深入分析探究，以避免类似事件再次发生。

图2 160起实验室安全事故发生次数及类型分布

对实验室安全事故发生的原因进行分析发现，操作不当占比最高（约占40%），是导致事故发生的主要原因，其次为化学药品使用（约占25%）、实验室管理不当（约占9%）、线路老化（约占7%）、废弃物处理不当（约占4%）、意外（约占3%）及其他（约占13%）。如2019 年2 月，南京某大学因实验结束后未断电，进而引发火灾；2011 年湖南某大学因故障的水龙头未及时维修导致钠遇水燃烧，引发火灾；2016 年9 月，上海某大学因学生在浓硫酸中加过量的高锰酸钾，引起爆炸，造成2 名学生受伤；2015 年4 月，某大学南湖校区因学生操作不当导致甲烷混合气体发生爆炸，造成4名学生受伤，1 名学生死亡；2015 年12 月，北京某大学因氢气钢瓶意外爆炸导致1 名博士后死亡。这些事故的发生暴露了实验室安全管理制度不完善、实验操作过程监管不到位、应急处置能力不强、电路老化、试剂存放不规范等问题，为避免类似事故再次发生，各高校应完善实验室安全管理制度、加强实验安全操作培训、完善化学药品试剂管理制度等。

1.3 实验室安全事故风险因素评价体系

通过对2001 ～2022 年高校、企业和研究院发生的160 起实验室事故的原因进行分析，并结合专家建议，本文将实验室安全影响因素分为人、设备材料、环境和管理4 个1 级因素（含17 个2 级因素），如图3 所示。

图3 实验室安全影响因素

1.4 实验室事故风险耦合机理

风险耦合是指由2 个以上因素之间的相互作用引起的安全事故［10］。实验室安全事故风险耦合指在实验操作过程中由于人、设备材料、环境或管理层面出现不利影响，该影响与其他风险因素进行耦合会导致发生实验室安全事故的风险增大或者生成新的实验室安全风险，进而引发实验室事故的发生。将各因素的风险耦合类型分为单因素风险耦合、双因素风险耦合、三因素风险耦合和四因素风险耦合［11］，具体见图4。

图4 实验室安全事故风险耦合形成机理图

2 NK-SNA 实验室安全事故风险评价模型构建

2.1 N-K风险因素评价模型的构建

N-K模型是Kuaffman 用于研究生物进化的基因组合的一种模型，后成为用于分析复杂动态系统的一个通用模型［12］。N-K 模型中N为实验室安全事故风险系统中元素的数量，即N＝4，K为系统中各元素相互耦合的数量，其中0≤K≤N-1，各元素间的耦合程度用T表示（见公式1），其中Phijk为人、设备材料、环境、管理分别在h、i、j、k种状态下实验室安全事故风险因素发生耦合的概率，T21、T31分别表示双因素、三因素耦合值（见公式2、3）。

2.2 SNA风险因素评价模型的构建

社会网络分析（SNA）指用于研究复杂问题中的影响因素间的关系及相互作用的一种定量分析方法，既可以将复杂问题进行网络结构化处理也可以用于探究该问题的根源性原因［13］。实验室事故发生受多方面因素的影响，且不同因素间具有一定相关性，因此，对实验室安全事故风险因素间的相互作用进行研究，并确定关键影响因素，对预防实验室事故的发生具有重要意义。通过对160 起实验室安全事故风险因素进行分析，利用Ucinet6 软件进行各风险因素的网络关系图的绘制，利用亲近中心度和中间中心度对关键风险因素进行确定。

3 实验室安全事故关键风险因素

3.1 N-K模型计算结果分析

对160 起实验室安全事故风险原因进行分析，并计算耦合发生的概率，结果见表1。由表1 可知单因素耦合中人的因素发生的概率最高，其次是管理因素；双因素耦合中人-设因素具有较高的发生率（5.63）；三因素耦合中人-设-管发生的概率为1.88，位于第一位，这说明人、管理和设备因素是导致实验室安全事故发生的主要潜在因素。

表1 实验室安全事故风险耦合发生的概率

通过对不同风险因素的T 值进行计算发现（见表2）：T23（a，d）＞T32（a，b，d）＞T21（a，b）＞T33（a，c，d）＞T31（a，b，c）＞T25（b，d）＞T34（b，c，d）＞T26（c，d）＞T22（a，c）＞T24（b，c）＞T41（a，b，c，d），双因素耦合中的人-管因素的风险耦合值最高为1.48，这说明由主观因素（人的因素、管理因素）发生耦合作用引起的实验室安全事故风险要大于其他客观因素引起的；三因素耦合中人-设-管的风险耦合值最高（0.72），其次是人-环-管，这表明人的因素和管理因素不但自身的耦合值较高，与环境因素、设备材料因素进行耦合时也易造成较大的风险。因此，人和管理因素应该作为防范实验室安全事故发生的关键控制点。

表2 实验室安全事故风险因素的耦合T值

3.2 SNA模型结果分析

（1）网络关系分析。由图5 可知，各实验室安全事故风险因素间存在相互联系且通过Ucinet6 软件计算得到网络密度为0.59，这说明各风险因素之间有一定联系，但仅依据网络关系图和网络密度还无法判断关键风险因素，仍需进一步分析。

（2）中心度分析。出度表示该风险引发其他风险的能力［14］，因此，利用出度值进行关键风险因素的判断。由图6可知，C1违规操作、C2仪器与药品使用不当、C4操作不当未及时处理、C15实验操作监管不到位、C16实验安全管理不到位的出度值位于前5 位，这说明人的因素和管理因素易造成实验室安全事故的发生，这与各因素风险耦合值的计算结果一致。

入度表示该风险被其他风险诱导发生容易程度［14-15］，由图6 可知，C11漏水的入度值最高，其次是C7设备或防护装置故障、C10电路老化、C12布局不合理和C13设施不健全，这说明设备材料因素和环境因素是实验室安全事故发生的间接原因，这与赵芳芳［16］等研究结果相似。C15实验操作监管不到位、C16实验安全管理不到位违规操作、C4操作不当未及时处理、C10电路老化和C11漏水的中介度较高，是实验室安全事故风险因素网络中重要的中介传导因素。

（3）NK-SNA模型关键风险因素分析。以各风险因素耦合值（TR）为修正系数对个因素的出度值进行修正，并将修正后的出度值作为实验室安全事故关键风险因素的评判依据，具体结果如图7 所示。由图可知，修正后人的因素中C1违规操作、C2仪器与药品使用不当、C4操作不当未及时处理和管理因素中C15实验操作监管不到位、C16实验安全管理不到位的出度值位于前5 位，与修正前保持一致，这说明人和管理因素诱发多风险耦合能力较强，是导致实验室安全事故发生的关键因素。因此，为防范实验室安全事故的发生应从完善实验室管理制度、加强对实验操作过程的监管、加强实验操作培训、提高实验能力等方面入手。

图7 关键风险因素评价结果

4 结语

（1）利用NK模型分析发现，单因素、双因素和三因素耦合中人的因素、人-设因素、人-设-管因素发生的概率最高，通过对不同风险因素的T 值进行计算发现，主观因素（人的因素、管理因素）发生耦合作用引起的实验室安全事故风险要大于其他客观因素引起的且人的因素和管理因素不但自身的耦合值较高，与环境因素、设备材料等其他因素进行耦合时也易造成较大的风险。

（2）SNA模型分析发现C1违规操作、C2仪器与药品使用不当、C4操作不当未及时处理、C15实验操作监管不到位、C16实验安全管理不到位的出度值位于前五位，这说明人的因素和管理因素易造成实验室安全事故的发生，这与NK模型计算结果一致。

（3）利用NK-SNA模型对实验室安全事故发生的关键风险进行研究发现，人和管理因素是导致实验室安全事故发生的关键因素。