高校實驗室火災(zāi)爆炸事故風險分析與控制

姬志杰，周德紅，金蹦森，周 嫄，安澤文，張亦韋

(武漢工程大學 資源與安全工程學院，湖北 武漢 430070)

高校實驗室是培養(yǎng)學生和開展科學研究的科學和工程的重要場所。然而，由于高校實驗室存在許多危險、有害因素，實驗室安全管理不善，事故發(fā)生后緊急救援等不到位等原因，高校實驗室事故并不少見，北京交通大學火災(zāi)爆炸事故更是造成了災(zāi)難性的后果。1996年至2016年全國高校發(fā)生的112起事故分析表明，火災(zāi)和爆炸造成80%以上的實驗室事故[1]；尤立明[2]使用FTA方法評估實驗室消防水平；胡潔[3]基于事故樹法和風險矩陣法，得出了可能導致火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的路徑及各個路徑發(fā)生的概率；劉音[4]基于模糊綜合評判方法，得出了通風實驗室火災(zāi)爆炸事故評價體系；但以上研究方向均較為偏向于對設(shè)備設(shè)施方面，對人員、實驗室環(huán)境、安全管理方面的研究略有不足。

通過層次分析法對高校實驗室火災(zāi)爆炸事故進行系統(tǒng)的風險評估，分析各種因素在實驗室火災(zāi)事故中的重要性排序，并進行評價，從而獲得評價模型。以北京交通大學環(huán)境與市政工程實驗室為例，采用模糊評價法對評估模型進行驗證，提出了實際管理和預(yù)防措施。

1 高校實驗室火災(zāi)爆炸事故分析模型

層次分析法是指一個復雜的多目標決策問題作為一個系統(tǒng)，該方法將目標分解為多個目標或標準，然后分解為多個級別的多個指標，并計算各二級指標權(quán)重排序，將其作為多目標和多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法。

1.1 層次分析模型

參考近年來高校發(fā)生的112起事故發(fā)生的原因及狀況[1]，從人、物、環(huán)境、管理四個方面建立準則層，結(jié)合實際情況，建立起17個評判指標層，如表1所示。

表1 高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價體系

1.2 各因素相對權(quán)重計算

為使決策定量化，引用了標度的概念，如表2所示，各判斷矩陣的值采用專家評議法，由多位經(jīng)驗豐富、具有高級職稱的專家打分求平均值產(chǎn)生。如表3～8所示。

表2 判斷矩陣標度與其含義

表3 矩陣階數(shù)與R·I隨機一致性指標

表4 C-C判斷矩陣

用方根法求各指標向量值：

式中i=1,2,3…n

可用MATLAB編程求解最大特征值λmax，|λΕ-Α|=0

求解得λmax=4.025 w1=0.078，w2=0.631，w3=0.054，w4=0.237

λmax=4.025 W=(0.078，0.631，0.054，0.237)

一致性指標為

由表3得R·I=0.89

表5 C1-P判斷矩陣

計算得：λmax=3.054， W=(0.413，0.327，0.260，)，C·R=0.052<0.1，滿足一致性。

表6 C2-P判斷矩陣

計算得：λmax= 5.39 ， W=(0.459，0.242，0.155，0.092，0.052)，C·R=0.087<0.1，滿足一致性。

表 7 C3-P判斷矩陣

計算得：λmax=2，W=(0.833，0.167)，C·R=0<0.1，滿足一致性。

表8 C4-P判斷矩陣

計算得：λmax=7.755， W=(0.229，0.344，0.110，0.036，0.126，0.092，0.063)，C·R=0.093<0.1，滿足一致性。

1.3 各二級指標權(quán)重排序

人員因素各二級指標對高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價體系的權(quán)重為：

0.078×(0.413，0.327，0.260，)=(0.032，0.026，0.020)

設(shè)備設(shè)施因素各二級指標對高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價體系的權(quán)重為：

0.631×(0.459，0.242，0.155，0.092，0.052)=(0.290，0.153，0.098，0.058，0.033)

實驗室環(huán)境因素各二級指標對高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價體系的權(quán)重為：

0.054×(0.833，0.167)=(0.045，0.009)

安全管理因素各二級指標對高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價體系的權(quán)重為：

0.237×(0.229，0.344，0.110，0.036，0.126，0.092，0.063)

=(0.054，0.082，0.026，0.009，0.030，0.022，0.015)

綜上所述，得出各因素與高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價體系相關(guān)程度的排序。

表 9 高校實驗室火災(zāi)爆炸事故安全評價模型

2 北交大實驗室火災(zāi)爆炸事故風險實例分析

2.1 北京交通大學環(huán)境與市政工程實驗室概況

環(huán)境與市政工程實驗室位于北京交通大學東校區(qū)東教2號樓。該建筑為磚混結(jié)構(gòu)，中間兩層建筑為市政與環(huán)境工程實驗室，東西兩側(cè)三層建筑為電教教室(內(nèi)部與環(huán)境實驗室不連通)。環(huán)境與市政工程實驗室一層由西向東依次為模型室、綜合實驗室(西南側(cè)與模型室連通)、微生物實驗室、藥品室、大型儀器平臺；二層由西向東分別為水質(zhì)工程學Ⅱ、水質(zhì)工程學Ⅰ、流體力學、環(huán)境監(jiān)測實驗室；一層南側(cè)設(shè)有5個南向出入口；一、二層由東、西兩個樓梯間連接；一層模型室和綜合實驗室南墻外碼放9個集裝箱[5]。

圖 1 北京交通大學環(huán)境與市政工程實驗室示意圖

2.2 對北交大市政與環(huán)境工程實驗室建立數(shù)學模型

表10 北交大市政與環(huán)境工程實驗室綜合評價

表10(續(xù))

根據(jù)北交大“12.26”事故調(diào)查報告以及對北交大相關(guān)工作人員的拜訪調(diào)查，從而了解了北交大市政與環(huán)境工程實驗室的基本情況。在此基礎(chǔ)上，通過頭腦風暴法，邀請了10位專家組成評議小組，對各項指標進行評議、調(diào)查、評判，將評價等級分為“好”、“較好”、“一般”、“較差”、“差”五個等級，最終確定二級評價等級。

2.3 評價結(jié)果

在表10中，評估小組評估二級指標“安全意識”，并對評估等級的結(jié)果進行歸一標準化，以獲得“安全意識”評估集r1j=(0,0.2,0.5,0.3,0)，同一組評論“違章操作”r2j=(0,0,0.4,0.4,0.2)，“違反實驗紀律”評論r3j=(0,0.3,0.4,0.3,0)。

由上述結(jié)果，可得出一級評價指標“人員”的評價矩陣R1

再根據(jù)二級評價指標權(quán)重系數(shù)，得出“安全意識”的隸屬度A1=()，然后將A1與R1模糊合成，得到一級指標的綜合評價模糊向量B1：

同理其它一級指標“設(shè)備設(shè)施”、“環(huán)境”、“安全管理”的綜合評價結(jié)果B2，B3，B4：

B2=(0,0.141,0.459,0.360,0.040)

B3=(0,0,0,0.1,0.9)

B4=(0,0.063,0.297,0.257,0.382)

可計算得北京交通大學市政與環(huán)境工程實驗室綜合評價結(jié)果B：

2.4 等級參數(shù)評價法

為充分利用通過模糊數(shù)學得出的綜合評價結(jié)果B所帶來的信息，在實際應(yīng)用中，往往要集結(jié)各種等級規(guī)定的某些參數(shù)，借此作為評級標準。將北京交通大學市政與環(huán)境工程的實驗室的安全狀態(tài)分為五個等級，見表11。

表 11 北交大市政與環(huán)境工程實驗室安全狀態(tài)等級劃分

可選擇各等級成績區(qū)間的下界ci作為各等級的參數(shù)，它標志著各個等級之間的分界線,p反映了由等級模糊子集B和等級參數(shù)向量C的綜合評價結(jié)果。

C =(c1,c2,c3,c4,c5)T= (90,80,70,60,0)T

p=B·C =(0,0.116,0.394,0.319,0.170)·(90,80,70,60,0)T=56

由p=56可知，北京交通大學市政與環(huán)境工程實驗室的安全狀態(tài)為很差，由該實例驗證可知，用層次分析法建立的高校實驗室火災(zāi)爆炸事故評價模型具有一定實際意義。

3 高校實驗室火災(zāi)爆炸風險分析對策

由層次分析法建立的高校實驗室火災(zāi)爆炸事故評價模型可知，在導致高校實驗室火災(zāi)爆炸事故的各影響因素中，電氣因素、防火防爆設(shè)備、通風設(shè)備排名前三，此外易燃易爆物品保存、消防設(shè)備、安全教育培訓、工作環(huán)境布局也占了較大權(quán)重，綜合上述評價結(jié)果，提出以下建議措施：

(1)建立健全的電氣設(shè)備管理制度。學校、院系應(yīng)建立完善的實驗室電氣設(shè)備規(guī)章制度，由實驗室負責人負責落實。學校、學院應(yīng)建立定期檢查制度，及時檢查實驗室存在的電氣隱患，并責令限期整改，整改不合格的實驗室暫時關(guān)閉，對實驗室負責人進行相關(guān)處分，實驗室直到整改合格方可繼續(xù)投入使用。

(2)配備防火防爆設(shè)備。學校應(yīng)對有重大危險源的實驗室安裝防火防爆設(shè)備，每次試驗前實驗室負責人均應(yīng)檢查設(shè)備是否運行正常，設(shè)備運行正常方可正常試驗。

(3)改善實驗室通風條件。實驗室應(yīng)盡可能設(shè)在通風條件良好的區(qū)域，并且對危險因素較多的實驗室應(yīng)安裝通風設(shè)備，每次試驗前實驗室負責人均應(yīng)檢查通風設(shè)備是否運行良好，學校應(yīng)定期對各實驗室的通風設(shè)備進行檢查。

(4)建立健全的易燃易爆物品保存制度。對各種易燃易爆物品的儲存，應(yīng)嚴格按照相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，并且在儲存處應(yīng)張貼含有負責人姓名和聯(lián)系方式的責任牌，發(fā)現(xiàn)任何安全隱患時，負責人應(yīng)立即整改，不得拖延。

(5)加強實驗室人員安全教育培訓。人員在進入實驗室之前，必須先接受安全培訓，進行考核，考核合格后方可進入。

(6)建立合理規(guī)范的實驗室布局。學校應(yīng)聘請相關(guān)安全專家對各實驗室布局進行檢查。實驗室布局若需改動，必須由相關(guān)安全專家審核通過后，由學校批準方可實行。