基于BWM—灰色聚類法的高校化學實驗室風險評估

魏林慧 張 蘇副教授

(福州大學 環(huán)境與安全工程學院，福建 福州 350116)

0 引言

高校實驗室是人才培養(yǎng)和科學研究的重要場所，實驗室安全是確保高校教學及科研工作順利開展的重要基礎。近年來，隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，高校規(guī)模不斷擴大，其教學和科研任務也日益繁重，尤其是在高校實驗室開展的新技術、新設備、新工藝和新材料方面的科研活動增多，而在“四新”的研究和使用中安全事故相對多發(fā)。因此，化學類實驗室安全問題日漸凸顯[1-3]。

高校化學實驗室安全隱患多樣，存在各類有毒有害、易燃易爆、具有腐蝕性的危險化學品,理化特性復雜的化學試劑以及反應釜、烘箱、玻璃器皿等具有一定危險性的儀器設備，會對實驗人員的生命健康和財產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅。2018年12月北京交通大學實驗室在進行垃圾滲濾液污水處理科研實驗期間發(fā)生爆炸事故，造成3名學生身亡。該實驗是為了制作垃圾滲濾液硝化載體，其制作流程主要分為2步：首先，通過攪拌鎂粉和磷酸反應，生成鎂與磷酸鎂的混合物；其次，在鎂與磷酸鎂的混合物中加入鎳粉生成膠狀物。事故的直接原因是使用攪拌機對鎂粉和磷酸進行攪拌，反應過程中料斗內(nèi)產(chǎn)生的氫氣被攪拌機轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的火花點燃，引發(fā)鎂粉爆炸，導致現(xiàn)場3名學生身亡。間接原因主要有3點：科研項目負責人違規(guī)開展實驗，冒險進行作業(yè)；實驗室違規(guī)購買、違法儲存危險化學品；對實驗室和科研項目安全管理不到位，未落實校內(nèi)實驗室相關管理制度，未有效履行實驗室安全巡視職責，未有效制止事發(fā)項目負責人違規(guī)使用實驗室，未發(fā)現(xiàn)違法儲存的危險化學品。高?；瘜W實驗室安全管理工作一直是一項復雜的系統(tǒng)工程，為做好管理工作，必須要識別實驗室中的危險有害因素并進行有效管控，有效方式之一是實驗室安全風險評估。

在實驗室安全風險評估過程中，各指標的權(quán)重是影響評價結(jié)果準確性的重要因素之一，SAATY[4]提出一種定性與定量分析相結(jié)合解決多目標決策的層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)，廣泛應用于風險指標的賦權(quán)。此方法很快由陳晶晶等[5]引入高校化學實驗室化學品安全管理的評估中。除此之外還有很多學者運用不同的方法探索高校實驗室的安全評估，例如謝虎等[6]運用Delphi法、吳立榮等[7]運用模糊綜合評價法、韓紅桂等[8]運用離散Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(Discrete Hopfield Neural Network，DHNN)、曹以等[9]運用優(yōu)劣解距離法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)進行評估，為高校實驗室安全管理工作提供很多依據(jù)。但是，上述評價方法都是基于AHP確定評價指標的權(quán)重，通過專家兩兩比較打分的方式，憑借專家知識和經(jīng)驗進行指標權(quán)重賦值?？紤]到高校化學實驗室的復雜性，當評價指標數(shù)量較大時，進行比較的次數(shù)增多，評價的主觀性增強，將面臨評價結(jié)果失真的問題。為解決這一難題，REZAEI[10]提出最優(yōu)最劣方法(Best-Worst Method，BWM)，有效減少了比較次數(shù)，經(jīng)驗判斷的隨意性得以控制，使得評價結(jié)果更加精準，BWM自提出以來在供應商選擇[11]、綜合評估[12]、決策研究[13-14]等各個研究領域迅速發(fā)展。

在高?；瘜W實驗室安全風險評估中，當專家人數(shù)不足時，樣本數(shù)量較少(樣本缺乏)；各專家的研究領域不同，專業(yè)認知水平上存在差異，易造成指標賦權(quán)具有模糊不確定性(信息模糊)，以上2個特點符合灰色系統(tǒng)研究“少數(shù)據(jù)、貧信息”的特征。

24Model認為任何事故都至少發(fā)生在社會組織之內(nèi)，其原因分為組織內(nèi)部原因和外部原因，其內(nèi)部原因分布在組織與個人2個層面上。其鏈條圖可以清晰地展示各管理層級要素對安全的影響，是分析思考、理清思路、找出問題點的有效工具。因此，本文借鑒事故致因24Model理論從“組織”和“個人”2個層面出發(fā)，建立風險評估指標體系，通過將BWM引入到灰色聚類中建立一個基于BWM改進的灰色聚類評價模型，并將該模型運用到高?；瘜W實驗室風險評估中，得到實驗室風險評估結(jié)果，并提出降低實驗室安全風險的建議。

1 風險評估指標體系的構(gòu)建

1.1 理論基礎

事故致因24Model自2005年提出以來，在多個領域的事故分析中得到應用，通過不斷地發(fā)展和完善，現(xiàn)已形成第6版24Model，同時具有靜態(tài)因果性和動態(tài)系統(tǒng)性，更準確地體現(xiàn)了思維模型的通用性[15-16]。

靜態(tài)24Model以因果關系建立邏輯結(jié)構(gòu)，將事故的原因劃分為“組織”和“個人”2個層面，“組織”層面劃分為組織文化和管理體系2個部分，“個人”層面分為個體能力和個體動作2個部分，以上2個層面4個部分的事故原因按照因果邏輯關系構(gòu)成了靜態(tài)24Model，如圖1。

圖1 第6版24Model靜態(tài)結(jié)構(gòu)

動態(tài)24Model以行為演化關系建立邏輯結(jié)構(gòu)，組織文化、管理體系、個體能力、個體動作4個因素構(gòu)成一個系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)中各因素之間的相互依存關系，以及致因因素對整個系統(tǒng)的反饋作用，建立動態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖2。由于系統(tǒng)中4個因素的復雜性以及相互間的非線性關系，動態(tài)24Model是一個行為演化過程，體現(xiàn)了模型的系統(tǒng)性及動態(tài)性。

圖2 事故致因24Model動態(tài)結(jié)構(gòu)

1.2 評價指標體系

高?；瘜W實驗室涉及群體數(shù)量大，實驗儀器設備種類多，實驗室開放時間長，人員流動性強，影響范圍廣，采用24Model為理論依據(jù)，從實驗室“組織”和“個人”2個層面入手，將高校化學實驗室安全事故歸因于組織文化、管理體系、個體能力、個體動作相互作用的結(jié)果，以此建立高校化學實驗室風險評估指標體系。

由于高校化學實驗室個體能力指標的知識、意識、習慣、生理和心理在評估時難以進行具象把控，而個體能力涉及安全管理工作中的安全培訓，則將個體能力指標轉(zhuǎn)換為安全培訓指標。在24Model中個體動作又分為人的不安全動作和物的不安全狀態(tài)，因此高?；瘜W實驗室個體動作指標通過師生違章情況及實驗場所隱患排查情況2方面進行評估。建立的高?；瘜W實驗室風險評估指標體系，如圖3；體系中各指標含義，見表1。

圖3 高?；瘜W實驗室風險評估指標體系

表1 高校化學實驗室風險評估指標含義

2 評估方法

在風險評估過程中，為解決高?；瘜W實驗室中“組織”管理和“個體”動態(tài)變化，以及各專家對指標賦權(quán)易造成指標賦權(quán)的模糊不確定性。因此，利用BWM確定評價指標的權(quán)重，并結(jié)合灰色聚類方法評估高?；瘜W實驗室安全水平，具體評價流程，如圖4。

圖4 高?；瘜W實驗室風險評估流程

2.1 最優(yōu)最劣法

BWM是荷蘭學者REZAEI[10]在2015年提出的一種解決多準則決策問題的數(shù)學模型。BWM方法把決策思維形象化，由專家確定評價指標的最優(yōu)項及最劣項，并將最優(yōu)項、最劣項作為標準與其他項進行參照比較，從而獲得基于最優(yōu)項、最劣項的重要性評價結(jié)果，如圖5。

圖5 對照比較

BWM選取最優(yōu)指標AB和最劣指標AW作為對照標準，通過對照比較的方式，獲得基于最優(yōu)最劣指標的重要性比較結(jié)果集UB=(aB1，aB2，…，aBn)和UW=(aW1，aW2，…，aWn)，aBj表示最好的指標與第j個指標的比值，ajW表示第j個指標與最差的指標的比值。進而確定評價指標的權(quán)重，與AHP相比削減了比較次數(shù)，降低評價過程的主觀影響，使評價結(jié)果更趨于科學化，適用于安全條件復雜、特殊的高?；瘜W實驗室風險評估。

2.2 灰色聚類法

灰色聚類分析是由我國學者鄧聚龍教授[17]提出的，研究“少數(shù)據(jù)、貧信息”不確定性問題的系統(tǒng)分析方法?；疑垲惙ㄓ糜诮鉀Q指標的模糊性及不確定性對決策目標的影響，根據(jù)部分已知信息的完整性，通過白化權(quán)函數(shù)測算各個評價指標對評價對象的作用，從而評定評價對象的綜合等級[18]。

(1)劃分評價等級，確定評價矩陣。根據(jù)評價指標體系，按其符合相應評價標準的程度劃分為5個等級，邀請專家對評價指標的安全等級賦予不同的數(shù)值，評價等級的賦值范圍為(0，5]，分為危險、存在風險、一般、相對安全、安全5個等級，見表2。

表2 評價等級標準

根據(jù)評分等級劃分的標準，邀請P位專家學者對實驗室風險評估二級指標amn進行打分，設專家的序號為k(k=1，2，3…P)，則第k位專家學者打分的結(jié)果為amnk，則可得到評價指標矩陣E。

(1)

(2)設置評價灰類及白化權(quán)函數(shù)。根據(jù)上文劃分的危險、存在風險、一般、相對安全、安全5個評價等級，確定5個相應的評價灰類e，e={1，2，3，4，5}，設置各灰類的白化權(quán)函數(shù)，見表3。

表3 高?；瘜W實驗室風險評估灰色白化權(quán)函數(shù)

(3)構(gòu)建灰色聚類權(quán)矩陣。根據(jù)表3計算出評價樣本amnk關于灰類e的白化值fe(amnk)，設gmne為評價指標amn屬于e灰類的聚類系數(shù)，Gmn為總聚類系數(shù)，則gmne、Gmn可由公式(2)、(3)得到。

(2)

(3)

設評價指標的灰色評估權(quán)向量rmn=(rmn1，rmn2，rmn3，rmn4，rmn5)，二級指標灰色聚類矩陣Rm，可由公式(4)、(5)確定灰色聚類矩陣。

rmne=gmne/Gmn

(4)

(5)

設一級指標層灰色聚類評價向量矩陣為S，S由公式(6)確定。其中，ωm為運用BWM確定的二級指標權(quán)重矩陣列。

S=ωmRm

(6)

(4)確定風險評估等級。對目標層進行灰色聚類分析得到高?；瘜W實驗室安全等級評價向量X，如公式(7)。其中，W為運用BWM確定的一級指標權(quán)重矩陣列。

X=WS

(7)

高?；瘜W實驗室風險評估等級向量X是對評價結(jié)果的灰類程度描述，C為各級評價灰類等級值化中心點向量，C={0.5，1.5，2.5，3.5，4.5}，將兩者相結(jié)合測算得到高?；瘜W實驗室安全綜合評價值Z：

Z=XCT

(8)

3 實例應用

高校實驗室是反映學校教學、科研、學科建設和管理水平的重要標志之一。某高校化學實驗室存放具有腐蝕性、揮發(fā)性、有毒有害性的危險化學品，易造成危險化學品泄漏、火災、爆炸等事故；部分儀器復雜、成本較高且操作難度大，由于長時間運轉(zhuǎn)容易引發(fā)設備故障；同時，該實驗室開放時間長，人流量較大，在眾多不確定因素相互交叉下，容易導致傷害事故的發(fā)生。運用前文分析建立基于BWM改進的灰色聚類評價模型進行分析研究。

3.1 確定權(quán)重

邀請專家學者通過BWM對事故致因24Model確定的高?；瘜W實驗室風險評估指標體系進行指標權(quán)重賦值，確定高校實驗室風險評估指標權(quán)重，見表4。

表4 高?；瘜W實驗室風險評估指標權(quán)重

3.2 灰色聚類評價

邀請該高校實驗室建設與設備管理中心教師及科研團隊安全責任人共5位專家組成實驗室技術安全專家組，對該高?；瘜W實驗室的安全性二級指標進行打分，得到灰色聚類評價矩陣如下：

將專家打分的灰色聚類矩陣對照相應的評價灰類及白化權(quán)函數(shù)，根據(jù)公式(2) 、(3)計算二級指標的灰色評價系數(shù)，見表5。

表5 高?；瘜W實驗室安全指標層灰色評價系數(shù)

根據(jù)公式(4) 、(5)，計算得出灰色聚類權(quán)矩陣Rm：

利用公式(6)，計算得出一級指標層灰色聚類評價向量矩陣S：

S=ωmRm=

由公式(7)，計算實驗室安全等級評價向量X：

由公式(8)，計算該實驗室安全綜合評價值Z：

Z=XCT=3.377 7

同時，計算高校化學實驗室一級指標安全等級綜合評價值，一級指標對應的等級，見表6。

表6 高?；瘜W實驗室安全一級指標綜合評價結(jié)果

ZA1=SA1CT=3.505 9

ZA2=SA2CT=3.499 6

ZA3=SA3CT=3.231 7

ZA4=SA4CT=2.742 3

3.3 結(jié)果分析

通過對比分析BWM—灰色聚類法和AHP—灰色聚類法計算的高校實驗室一級指標評價值，如圖6。從圖6可知，2種評價結(jié)果的趨勢大致相同，且各一級指標的評價等級一致，進而驗證了評價模型的正確性。雖然上述2種方法評價的等級都相同，但當決策問題有n個評價指標時，AHP 需要進行n(n-1)/ 2次比較，而BWM只需要進行2n-3次比較，有效地降低比較次數(shù)，且比較時不容易出現(xiàn)混淆，邏輯錯亂的情況，更容易滿足一致性的要求，因此BWM—灰色聚類法計算過程簡便，更容易實施，準確性更高。

圖6 高?；瘜W類實驗室一級指標比較

由BWM確定的高校實驗室風險評估一級指標權(quán)重排序為：A1(0.465 5)>A2(0.258 6)>A3(0.172 4)>A4(0.103 4)。根據(jù)BWM—灰色聚類法評價結(jié)果可知，該高校實驗室安全綜合評價值Z為3.377 7，對照表2該高?；瘜W實驗室安全性評價等級為“相對安全”，從高校化學實驗室風險評估結(jié)果分析可以看出：實驗室存在較小的隱患，需要及時進行完善、改進，確保為全校師生提供良好的實驗環(huán)境。根據(jù)表6所計算的實驗室一級指標安全等級綜合評價值可知，一級指標違章及隱患的得分最低，其對應的評價等級為“一般”，因此，高校實驗室應加強人員違章控制及實驗場所隱患排查。高校應不斷增強實驗人員的專業(yè)知識儲備、規(guī)范實驗操作、養(yǎng)成良好的安全習慣、提高安全意識、不斷提升科研素養(yǎng)，并按照實驗室管理的相關制度，定期開展實驗室隱患排查工作、落實隱患整改措施、及時消除隱患、確保其正常運行、切實增強高校實驗室安全水平。

4 結(jié)論

(1)結(jié)合高校實驗室的現(xiàn)狀及特點，提出BWM—灰色聚類的評價方法，基于事故致因24Model從組織文化、管理制度、培訓質(zhì)量、違章及隱患4個方面選擇16個評價指標構(gòu)建高校實驗室風險評估指標體系。

(2)將BWM—灰色聚類評價模型應用于某高校實驗室，進行實證分析，評價結(jié)果與AHP—灰色聚類法對比，結(jié)果與實際情況相符合，從而驗證該評價方法的可行性。