基于模糊綜合分析的高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

劉龍飛 薛宇敬陽 尹文軒 曾小君

（常熟理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

0 引言

近幾年，高校實(shí)驗(yàn)室安全事故頻發(fā)，對(duì)高校師生造成了生命、財(cái)產(chǎn)的重大損失。學(xué)校實(shí)驗(yàn)室出事故的概率是化工廠的100倍。因此，如何對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)有效地安全管理，已經(jīng)成了各大高校備受重視的問題。實(shí)驗(yàn)室管理者，如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際條件，辨識(shí)出復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)因素，并對(duì)實(shí)驗(yàn)室的安全現(xiàn)狀做出客觀、科學(xué)的評(píng)價(jià)，是一個(gè)重要的研究課題。

鑒于實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)因素的復(fù)雜性，定性分析方法難以全面辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)的局限性。為了量化風(fēng)險(xiǎn)因素，更準(zhǔn)確地評(píng)估出高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀。本文以常熟理工學(xué)院某實(shí)驗(yàn)室為例，建立高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)果能夠?yàn)楦咝?zhǔn)確評(píng)價(jià)其實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀提供參考。

1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種基于模糊數(shù)學(xué)對(duì)多因素系統(tǒng)的特征進(jìn)行總體綜合評(píng)價(jià)的方法[6]。它可以在對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行定性分析的基礎(chǔ)之上，根據(jù)模糊原理及最大隸屬度原則，對(duì)多個(gè)因素進(jìn)行定量化分析，最后得出整個(gè)系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)值，從而得到綜合評(píng)估結(jié)果。這種方法科學(xué)、有效，適合解決各種界限模糊、難以量化的非確定性問題。

1.1 因素集與評(píng)價(jià)集

將所有對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生影響的各種因素組成一個(gè)集合，可以表示為：

Ui（i=1，2，3，4…，n）表示影響因素，n為影響因素的個(gè)數(shù)。

評(píng)價(jià)集是評(píng)價(jià)人員對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能出現(xiàn)的所有種類的評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，可表示為：

V為評(píng)價(jià)指標(biāo)，本研究中將高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)等級(jí)：安全性極高（V1），比較安全（V2），危險(xiǎn)性一般（V3），比較危險(xiǎn)（V4），危險(xiǎn)性極高（V5）。但是該類等級(jí)的劃分依然是使用模糊語言來表示。為了定量評(píng)價(jià)高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)模糊集理論，用取值在[0，1]的模糊隸屬度函數(shù)對(duì)模糊語言進(jìn)行量化。

1.2 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

用一級(jí)模糊評(píng)價(jià)來作單因素的評(píng)判，通過綜合一個(gè)因素的各個(gè)等級(jí)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的取值貢獻(xiàn)，從而處理因素的模糊性。步驟如下：

（1）建立因素等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣Ri。每個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)都有影響，每個(gè)因素都有屬于5個(gè)等級(jí)的可能性，因此使用隸屬度函數(shù)表示因素集Ui（i=1，2，3，4，…，n）到評(píng)價(jià)集V的映射，可得到模糊綜合評(píng)判的單因素評(píng)價(jià)值rgk=（i=1，2，…，m，k=1，2，…5），表示第i個(gè)一級(jí)指標(biāo)的第g個(gè)二級(jí)指標(biāo)Uig對(duì)評(píng)價(jià)集中第k等級(jí)的隸屬度。單因素評(píng)價(jià)值rgk=（i=1，2，…n，k=1，2，…5）組成綜合隸屬度矩陣Ri：

（2）按評(píng)價(jià)指標(biāo)次序排列，各因素具有相同的等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣。

（3）建立因素等級(jí)權(quán)重集，用以表述各因素等級(jí)的重要程度。

一級(jí)模糊矩陣的綜合評(píng)價(jià)值Bi即為：

其中“?”是模糊矩陣的合成算法，采用M（·，+）法，表達(dá)式為：

1.3 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

為了綜合各因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的不同重要程度，就要進(jìn)行二級(jí)綜合評(píng)級(jí)。通過模糊變換原理及最大隸屬度原則對(duì)所有的因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，與一級(jí)模糊矩陣評(píng)價(jià)相比更具綜合性，最終得到模糊綜合評(píng)價(jià)集C。步驟如下：

首先建立因素權(quán)重集。各類因素對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果有著不同的重要程度，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響大小不同，將其權(quán)重?cái)?shù)組成集合，記為：

本研究用層次分析法（AHP）來確定各評(píng)價(jià)單元權(quán)重，選用層次分析法中的兩兩比較法建立權(quán)重等級(jí)，基于表1的各因素權(quán)重過程如下：

因素i與j的比較值為aij，則因素j與i的比較值為1/aij。

對(duì)于n個(gè)因素可以建立判斷矩陣：

將R的每一列進(jìn)行歸一化，然后再將每一行求和，最后再平均化，即可求得該矩陣的特征向量w。

然后計(jì)算R的最大特征值λmax?？赏ㄟ^式（9）來計(jì)算：

接下來要對(duì)矩陣的合理性進(jìn)行檢驗(yàn)，以避免出現(xiàn)類似于因素重要度a1＞a2，a2＞a3，a3＞a1的矛盾情況?？梢酝ㄟ^判斷矩陣的一致性來實(shí)現(xiàn)，如果矩陣具有一致性，則特征向量可以真實(shí)反映因素的權(quán)重。通過式（10）來計(jì)算：

當(dāng)CR（一致性比率）的計(jì)算值小于0.1時(shí)，認(rèn)為矩陣的一致性可以接受，計(jì)算公式為：

RI（平均隨機(jī)一致性指標(biāo)）值查表2可得：

一致性檢驗(yàn)通過后，即可計(jì)算模糊綜合評(píng)價(jià)集C，計(jì)算公式如下：

表1 層次分析法的因素判斷標(biāo)度值

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

1.4 綜合評(píng)價(jià)

（1）最大隸屬度法。根據(jù)最大隸屬度原則，在上式求得C的值中取最大隸屬度Cl，看Cl在C中所處位置，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集的評(píng)價(jià)指標(biāo)Vl，即為最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

（2）加權(quán)平均法。以Cj為權(quán)數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)集中各備選擇元素Vj進(jìn)行加權(quán)處理的值為評(píng)價(jià)結(jié)果。將Cj進(jìn)行歸一化，則

2 高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)實(shí)證研究

以常熟理工學(xué)院某實(shí)驗(yàn)室為例，先根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室安全檢查項(xiàng)目表[7]對(duì)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了定性分類，在此基礎(chǔ)之上利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行定量分析，確定了該實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.1 創(chuàng)建因素集

根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際狀況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室安全檢查項(xiàng)目表，本文將實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)因素劃分為基礎(chǔ)安全、化學(xué)安全、安全設(shè)施、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所、制度與檢查、安全教育6個(gè)一級(jí)指標(biāo)。

其中，基礎(chǔ)安全又劃分為用水安全、用電安全、個(gè)人防護(hù)3個(gè)二級(jí)指標(biāo)；化學(xué)安全劃分為化學(xué)試劑存放、實(shí)驗(yàn)氣體管理、廢棄物處置、劇毒品管理4個(gè)二級(jí)指標(biāo)；安全設(shè)施劃分為消防設(shè)施、應(yīng)急噴淋與洗眼裝置、通風(fēng)設(shè)施、門禁監(jiān)控4個(gè)二級(jí)指標(biāo)；實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所劃分為場(chǎng)所環(huán)境、管路管線安全、衛(wèi)生管理3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

研究參考李克特5分量表[8]，在確定的高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，給出每個(gè)二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的具體描述，并對(duì)應(yīng)地賦予1～5個(gè)分值，如表3所示，由于版面限制，表4以U11為例，給出其1～5分對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)情況描述，其余指標(biāo)在表4中僅給出得分為1的風(fēng)險(xiǎn)情況描述。1～5分值分別對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集V劃分的5個(gè)等級(jí)：安全性極高（V1），比較安全（V2），危險(xiǎn)性一般（V3），比較危險(xiǎn)（V4），危險(xiǎn)性極高（V5）。

表3 高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)分表

根據(jù)該實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，對(duì)照檢查表（表3），確定了該實(shí)驗(yàn)室各二級(jí)指標(biāo)的打分結(jié)果如表4所示。

表4 常熟理工學(xué)院某實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)打分結(jié)果

研究選用三角形隸屬度函數(shù)進(jìn)一步確定每個(gè)指標(biāo)打分結(jié)果的隸屬度。設(shè)定未做歸一化處理的分?jǐn)?shù)與評(píng)語集的隸屬函數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 未做歸一化處理的高校實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)隸屬度函數(shù)

以U23廢棄物處置為例，該評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分2，根據(jù)圖1可得U23對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集V的隸屬度結(jié)果：

U23={0.8，1.0，0.8，0.6，0.4}

按照以上相同的方式可得每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，詳見表5。

2.2 一級(jí)模糊評(píng)價(jià)

首先建立因素權(quán)重集，取值時(shí)采用兩兩比較法，以U1（基礎(chǔ)安全）下的二級(jí)指標(biāo)為例，U11（用電安全）的重要度比U13（個(gè)人防護(hù)品）“明顯”重要，則矩陣中a13的取值為5（a31即為1/5），以此類推得到矩陣A1。

再將每一行求和，得[1.900 1 0.781 5 0.318 4]T然后再平均化，得特征向量

對(duì)該矩陣的權(quán)重分配進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性指標(biāo)CI=（λmax-n）/（n-1）=（3.0387-3）/（3-1）=0.019 4。參照表2得平均一致性指標(biāo)RI=0.58。一致性比率CR=CI/RI=0.019 4/0.58=0.033＜0.1，該矩陣具有滿意的一致性，最大特征根λmax的特征向量W1即對(duì)應(yīng)各因素權(quán)重A1。

根據(jù)公式，Bi=Wi?Ri，此時(shí)R1參照表5進(jìn)行取值，即：

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度函數(shù)表

2.3 二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)

該實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣B總由基礎(chǔ)安全、化學(xué)安全、安全設(shè)施、試驗(yàn)場(chǎng)所、制度與檢查、安全教育與文化的單因素隸屬度組成，則有：

再根據(jù)兩兩比較法，確定二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集A：

將A帶入公式（2-8）～（2-11），得到經(jīng)過一致性檢驗(yàn)的權(quán)重A′：

A′=（0.225 5，0.453 2，0.300 1，0.106 1，0.071 3，0.043 8）

帶入公式（2-12），得到該實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果：C=A′?B

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)最大隸屬度原則，計(jì)算結(jié)果C=（1.0151，1.0368，0.9004，0.6649，0.4249）中，隸屬度最大值為1.0368，對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)集中的第二等級(jí)“比較安全”，又因其值與1.0151相差不大，說明該實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)介于“安全性極高”和“比較安全”之間。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果應(yīng)用

根據(jù)以上模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，建議在維持該實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有安全管理措施的基礎(chǔ)上，參照研究構(gòu)建的指標(biāo)體系（表4），針對(duì)評(píng)分結(jié)果高的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（表5）進(jìn)行改進(jìn)，如U34（門禁、監(jiān)控方面），高?？砂惭b門禁和監(jiān)控設(shè)施，制定專人管理責(zé)任制度，從而降低風(fēng)險(xiǎn)，提升安全狀態(tài)。基于模糊綜合評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)室安全管理提高了防控措施的針對(duì)性，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理，節(jié)省了人力物力成本。