基于SEM的模糊化學實驗室安全分析

姜 峰 楊鼎瑞

(蘭州理工大學 石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

伴隨經(jīng)濟發(fā)展，我國不斷提高教育投入，加速高等教育發(fā)展[1]。化學一方面是基礎(chǔ)學科，另一方面是科技前沿的學科，他的發(fā)展依靠無數(shù)的實驗點滴積累。高?；瘜W實驗室不斷建設(shè)，實驗團隊明顯增多，導致在教學及科研中出現(xiàn)的安全問題不能忽視。近年來，高校化學實驗室安全事故時有發(fā)生，事故數(shù)量和損失情況也越來越嚴重[2]。通過對近幾年國內(nèi)高校實驗室事故進行整理發(fā)現(xiàn)我國高校實驗室安全管理情況不容樂觀。例如：2018年12月實驗室爆炸致3人死亡；2017年3月反應(yīng)釜爆炸1人受傷，同月實驗樓起火并爆炸造成約200萬經(jīng)濟損失；2016年9月實驗室爆炸2人重傷2人輕傷等等。高?；瘜W實驗室安全事故不僅造成財產(chǎn)損失，同時還伴隨環(huán)境污染，實驗人員的傷亡也時有發(fā)生。事故影響實驗室的正常教學科研任務(wù)，而且導致多年的研究成果毀于一旦[3]。

針對實驗室安全問題很多學者做了相關(guān)研究。Ménard A Dana[4]對實驗室安全進行綜述，評論與回顧了化學實驗室安全情況，僅是呼吁建立實驗室安全體系。本文則是根據(jù)某高校化學實驗室建立安全評價體系的具體研究。馮志林[5]等探討了清華大學實驗室安全技術(shù)與安全教育、安全檢查問題。劉浴輝[6]、黃坤[7]等最早對國外一流高校實驗室安全進行分析，分別對檢查和落實、管理和培訓進行總結(jié)。國內(nèi)對實驗室安全研究多是從行政管理角度進行分析，以檢查培訓為主，缺少安全整體思維。未能全面考慮實驗室整體情況，從安全思維剖析事故根本原因，管控風險、減少隱患從根本上減少事故的發(fā)生。對實驗室進行模糊評價僅能確定實驗室安全狀況[8-9]，但未能具體分析各因素對實驗室安全的不同作用情況及其相互作用關(guān)系。

本文對化學實驗室安全提出評價體系，將結(jié)構(gòu)方程模型(Structural Equation Model，SEM)和模糊綜合評價結(jié)合，對化學實驗室安全情況進行分析。通過SEM進行因子分析，由路徑系數(shù)判斷各個指標因素對化學實驗室安全的具體影響情況。通過模糊綜合評價確定化學實驗室安全現(xiàn)狀。結(jié)合實例確定各指標分別對安全的影響程度并提出安全措施和改進建議，有助于化學實驗室避免事故發(fā)生以及隱患的排查與消除。

1 實驗室指標體系

高?；瘜W實驗室是一個復雜的體系。構(gòu)建安全評價指標體系，應(yīng)該從安全理論的基礎(chǔ)出發(fā)。結(jié)合實際，分析實驗室意外事故的主要因素。根據(jù)海因里希理論和安全三要素[10]。通過實際研究某高?；瘜W實驗室中的危險因素有：實驗室中儲存易燃、易爆、有毒化學品；部分實驗儀器會伴有輻射及高溫高壓等情況；實驗室用電安全；通風及廢棄物處理。經(jīng)過查閱大量文獻和詢問有關(guān)專家學者意見后，構(gòu)建化學實驗室安全指標體系。一級指標為個人安全、設(shè)備安全、安全管理3者分別對應(yīng)人—機—環(huán)三要素。每個一級指標下劃分4個二級指標，用來對一級指標進行解釋擴展。一共建立12個二級指標，形成三層結(jié)構(gòu)，如圖1。

2 結(jié)構(gòu)方程模型建立

實驗室指標體系中12個二級指標雖相互獨立，但由于人行為的不確定性，也存在潛在聯(lián)系。結(jié)構(gòu)方程模型能夠同時處理多指標，同時分析各指標因果關(guān)系，明確各指標間相互關(guān)系。

2.1 SEM模型

SEM由測量模型和結(jié)構(gòu)模型組成[11]。測量模型表示觀測變量對潛在變量的影響，結(jié)構(gòu)模型表示潛在變量之間的相互影響。

測量模型：

X=Λxξ+δ；

(1)

Y=Λyη+ε；

(2)

其中，ξ與δ、η與ε之間無相關(guān)性，Λx與Λy為觀測變量X、Y的因素負載，δ與ε為誤差變量，ξ為潛在變量。

結(jié)構(gòu)模型：

η=Γξ+Βη+ζ

(3)

式中：

?！馍鷿撛谧兞繉?nèi)生潛在變量的回歸系數(shù)；

B—內(nèi)生潛在變量間的回歸系數(shù)；

ζ—結(jié)構(gòu)方程誤差項。

SEM可以同時考慮多個因變量同時作用，并且能夠容許變量存在測量誤差，并可得到因子系數(shù)。所以運用結(jié)構(gòu)方程可以了解各因素內(nèi)部之間的相互作用，以及權(quán)重系數(shù)。對于分析化學實驗室安全情況則可以明確各個因素對實驗室安全的具體影響情況，從而確定實驗室安全提升方向。

2.2 結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建

測量模型根據(jù)化學實驗室安全評價指標體系確立的3個一級指標：個人安全(A1)、設(shè)備安全(A2)、安全管理(A3)應(yīng)用到SEM中的潛在變量，則將其下屬的12個二級指標(an1-an4)設(shè)為SEM的觀測變量。結(jié)構(gòu)模型根據(jù)評價指標的三層結(jié)構(gòu)，構(gòu)建相同的三層結(jié)構(gòu)方程。

選擇某校化學實驗室為研究對象，通過對經(jīng)常使用實驗室的師生以及相關(guān)專家發(fā)放問卷的方式收集數(shù)據(jù)。問卷主要包括基本情況、個人情況、設(shè)備狀況、安全管理4個部分。針對每一觀測變量提出對應(yīng)問題以獲得相應(yīng)觀測變量評價數(shù)據(jù)。問卷采用李克特五級量表，分值越大越符合。采用網(wǎng)絡(luò)調(diào)查，共收到130份問卷。去除14份無效問卷，得到116份有效問卷，有效回收有效率89%，符合調(diào)查要求。對獲得數(shù)據(jù)進行信度和效度檢驗，符合要求，可用于實驗研究，見表1。

表1 信度和效度檢驗

運用AMOS軟件構(gòu)建化學實驗室安全結(jié)構(gòu)模型，將獲得的調(diào)查數(shù)據(jù)輸入到軟件所構(gòu)建模型中。并通過該軟件進行SEM擬合，對潛在變量與觀測變量進行分析。

2.3 結(jié)構(gòu)方程模型估計與評價

SEM分析通常采用廣義最小二乘法(Generalized Least Squares，GLS)。GLS是一種消除異方差的方法，可得到估計量無偏和一致估計。本文用GLS對化學實驗室安全模型進行估計。

通過對化學實驗室安全SEM的擬合數(shù)值與各項擬合優(yōu)度檢驗指標進行檢驗，模型各項指標基本滿足SEM擬合標準。其中調(diào)整的良性適配指標值國內(nèi)可接受范圍在大于0.9。而近年在國際上有認可范圍在大于0.8，本次研究采用大于0.8的范圍標準[12-13]。本次化學實驗室安全模型擬合成功，見表2。

表2 SEM擬合評價

通過SEM擬合結(jié)果中所得到的路徑系數(shù)可知其均在0.5～0.95之間，表示沒有無關(guān)變量指標和重復相同指標。即結(jié)構(gòu)方程路徑以及模型結(jié)構(gòu)因子設(shè)計符合要求，如圖2。

2.4 結(jié)構(gòu)方程模型擬合結(jié)果分析

(1)對潛在變量通過路徑系數(shù)分析可得化學實驗室安全與安全管理聯(lián)系最為緊密，其次為設(shè)備安全、個人安全。可解釋為當實驗室安全情況提升1個單位則安全管理提升0.93個單位，設(shè)備安全提升0.92個單位，個人安全提升0.72個單位。

(2)對觀測變量通過路徑系數(shù)分析，可得到化學實驗室安全與設(shè)備可靠程度關(guān)系最為密切，其次為安全教育程度。而實驗室廢棄物處理標準化度對實驗室安全影響最小，也是最難改善之處?？山忉尀閷嶒炇野踩闆r提升1個單位則設(shè)備可靠程度提升0.92×0.74=0.680 8個單位，而實驗室廢棄物處理標準化度僅提升0.93×0.52=0.483 6個單位。

(3)化學實驗室安全管理與設(shè)備安全對實驗室安全情況影響很大，是實驗室的安全基礎(chǔ)。設(shè)備可靠程度和安全教育程度能夠分別代表化學實驗室的設(shè)備與管理2方面安全情況。對于實驗室中人的安全情況則因人的影響因素很多，例如心情、環(huán)境、年齡以及生理周期等存在很多干擾因素，容易受到周邊影響。根據(jù)SEM因子分析，實驗室安全還需從安全管理與設(shè)備安全為基礎(chǔ)，避免物的不安全狀態(tài)發(fā)生，努力做到本質(zhì)安全化。同時提升實驗人員自身安全能力，避免人的不安全行為發(fā)生，從而預防事故發(fā)生。

圖2 SEM擬合結(jié)果Fig.2 SEM fitting results

3 化學實驗室模糊綜合評價

化學實驗室安全由于人的行為具有隨機性，無法精確定量，具有模糊性。模糊綜合評價可以將定性評價轉(zhuǎn)換為定量評價，從而對模糊的、難以量化的因素做出總體評價。

3.1 建立評價因素集與評語集

本研究的主要目的在于尋找影響化學實驗室的安全因素及其作用大小，并確定安全現(xiàn)狀。采用模糊綜合評價確定化學實驗室安全現(xiàn)狀，為實驗室安全運行提供依據(jù)參考[14]。評價因素采用實驗室評價體系中確定的評價因素，保持與SEM中變量相同，以便聯(lián)合2種模型所得結(jié)果共同分析。

本次將化學實驗室安全情況劃分為5個等級“優(yōu)—良—中—差—劣”。并結(jié)合SEM的李克特五級量表，將“5-4-3-2-1”與“優(yōu)—良—中—差—劣”相互對應(yīng)。

3.2 確定評價指標權(quán)重

模糊綜合評價法的關(guān)鍵是建立各指標之間的模糊關(guān)系[15]。對指標進行相互比較，構(gòu)造成對比較矩陣[16]。運用層次分析法，邀請14位專家，運用1-9標度法對指標進行打分。默認每位專家的打分重要性相同，得到比較矩陣。一級指標矩陣，見表3。

得到A=(0.539 0.297 0.164)T，并滿足一致性檢驗。

表3 一級指標比較矩陣

同理，可得到二級指標權(quán)重分別為：

3.3 構(gòu)造模糊綜合評價矩陣

將模糊評價一、二級指標與結(jié)構(gòu)方程中的潛在變量和觀測變量對應(yīng)，獲得的SEM問卷調(diào)查數(shù)據(jù)也用于模糊綜合評價中。2種方法選擇相同指標體系，以及同一組數(shù)據(jù)對一種事物進行分析。通過對問卷數(shù)據(jù)進行整理可得到與指標所對應(yīng)問卷問題的“優(yōu)—良—中—差—劣”比例。例如，a11科研人員安全能力程度，調(diào)查結(jié)果為3.5%的人認為“劣”，9%的人認為“差”，14.2%的人認為“中”，43.1%的人認為“良”，30.2%的人認為“優(yōu)”，則單因素評價集：

r11=(0.035 0.090 0.142 0.431 0.302)

同理可以得到r12、r13等所有評價因素的評價集。

評價矩陣可以表示為：

(4)

模糊綜合評價公式為：

(5)

可以得到模糊評價結(jié)果Bn。

(1)一級模糊綜合評價。一級指標評價結(jié)果分別為：

(2)二級模糊綜合評價。由B1、B2、B3組成二級評價矩陣并得到評價結(jié)果：

B=AT×[B1B2B3]

=(0.044 0 0.112 8 0.185 0 0.367 5

0.289 2)

根據(jù)李克特五級量表與“優(yōu)—良—中—差—劣”5種評語對應(yīng)，設(shè)置5種評語分值區(qū)間分別為：[4.5,5.0]、[3.5,4.5)、[2.5,3.5)、[1.5,2.5)、[1.0,1.5)。

所以此次實驗室安全評價得分為：

B×(1 2 3 4 5)T=3.741

3.4 模糊綜合評價結(jié)果分析

經(jīng)過化學實驗室安全模糊綜合評價模型得到的評價得分結(jié)果，見表4。

(1)評價實驗室的安全情況得分為3.74分，對應(yīng)評語集中的“良”。從評價結(jié)果可以了解到，調(diào)查對象對自身的安全情況認知較好。一方面由于經(jīng)常使用實驗室的人員以指導老師和碩博研究生為主，對實驗室環(huán)境相對熟悉，綜合安全能力相對較好。另一方面由于習慣性以及個人差距等因素存在，對自身認識不足以及自我優(yōu)化的現(xiàn)象存在。所以還應(yīng)加強對實驗人員的自身安全能力提升。

表4 評價指標得分

(2)實驗室個人安全方面：科研人員安全能力、標準執(zhí)行、應(yīng)急安全和安全檢查評價結(jié)果均為“良”。安全能力可以通過不斷的安全培訓提升；標準的執(zhí)行與安全檢查可以制定詳細的對應(yīng)措施，明確行為規(guī)范與檢查標準；應(yīng)急安全能力提升可以制定應(yīng)急方案，增加應(yīng)急演練。

(3)對于實驗安全管理情況得分為3.53，剛剛達到“良”級評分。說明實驗室安全管理存在不足，還有很大提升空間。為此實驗室應(yīng)加強管理，針對化學實驗室具體研究方向了解其危險情況，制定相應(yīng)的管理措施。在其二級指標“實驗廢棄物標準化度”中，得分僅為3.31。表明實驗室廢棄物處理存在較大問題。應(yīng)針對實驗廢棄物處理制定標準化流程，加強廢棄物管理。防止廢棄物引發(fā)環(huán)境污染、中毒等意外事故。危險源方面可以劃分危險等級，針對不同等級制定不同管理方案；安全氛圍可以通過每日自查自檢，提升安全觀念；安全教育通過定期安全培訓和設(shè)立新入實驗室人員三級安全教育。

(4)在實驗室設(shè)備安全方面，應(yīng)將突發(fā)情況所需的對應(yīng)措施進行培訓，并且加強危險情況時的應(yīng)急演練。在危險情況發(fā)生時，能夠及時將危險排除或者自我保護，及時傳達事故發(fā)生的信息，努力將損失降到最小。實驗所用設(shè)備須符合相應(yīng)標準，盡可能達到設(shè)備本質(zhì)安全化；對具有危險性的實驗設(shè)備安裝防護裝置，避免設(shè)備傷害；實驗室消防系統(tǒng)應(yīng)配備滅火器，有條件可以安裝自動滅火系統(tǒng)；針對實驗室安全隱患添加對應(yīng)事故所需的應(yīng)急設(shè)備。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)化學實驗室安全情況提出簡潔的評價指標體系，運用該指標評價本文研究的化學實驗室，評價結(jié)果為“良”。

(2)通過對實驗室安全SEM分析，安全管理與實驗室安全的聯(lián)系最為密切，通過加強安全管理能夠有效使實驗室達到安全狀態(tài)；安全培訓可以提升安全管理水平，也是最有效提升實驗室安全狀況的方式。

(3)模糊綜合評價從定性和定量2方面可以直觀的反應(yīng)所評價實驗室安全情況，其中廢棄物處理安全狀況最差，安全教育較差，其次是應(yīng)急設(shè)施。個人安全在人員、設(shè)備、管理3方面中狀況最好，其中科研人員安全能力在二級指標中表現(xiàn)最好。