煙草行業(yè)實驗室安全文化評價模型

汪洪焦，竇濱，張其東，劉國愈，賈云禎，王燃

1 中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州 450001；2 中國煙草總公司職工進修學院，鄭州 450003

實驗室安全文化是實驗室安全建設的重要內容。近年來，國內不少學者對實驗室安全文化進行了研究，俞佳分析了高校實驗室安全文化建設的重要性及其當前存在的問題，并提出了高校實驗室安全文化建設的措施及建議[1]；陳玲從物質文化和制度文化兩個方面分析了高?；瘜W實驗室安全文化建設內容[2]；陳浪城分析了高校實驗室安全文化內涵，指出了實驗室安全文化建設的必要性，設計了實驗室安全文化建設路徑[3]；元文濤探討了實驗室安全文化建設的意義及重要作用，提出了新時期基于信息化技術的高校實驗室安全文化體系[4]；國外方面，加拿大學者Ayi通過問卷調查結果得出人們普遍認為實驗室安全文化非常重要，并指出當前實驗室安全文化的缺乏及其建設的緊迫性[5]；美國學者Denlinger將ACS（American Chemical Society，美國化學學會）研究實驗室網站上的危害評估作為一種重要的安全文化工具，并介紹了該工具的應用[6]；芬蘭學者Katarzyna提出了用于定量評估一個組織安全文化建設水平的ATM法（Assessment Tree Method，評估樹方法）[7]。研究表明，國內外眾多學者意識到實驗室安全文化建設對于實驗室安全管理的重要作用，并開展了相關研究工作，但目前大都基于實驗室文化建設的內容及途徑，而關于實驗室安全文化建設水平評價方法，尤其是煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平評價方法的研究還鮮有報道。

煙草行業(yè)實驗室是煙草行業(yè)開展技術創(chuàng)新、促進煙草科技進步的核心部門和重要場所，保障煙草行業(yè)實驗室安全穩(wěn)定運行尤為重要[8]。目前煙草行業(yè)實驗室安全管理相對落后于行業(yè)工商企業(yè)安全管理的步伐，加大實驗室安全文化建設力度，提升全員安全意識，對煙草行業(yè)實驗室進行準確的安全文化考核評價顯得更加必要。行為安全“2-4”模型認為事故的根源來自組織層面的安全文化，從而將安全文化建設提高到新的高度，該模型將Heinrich、Bird與Loftus、J M Stewart的古典、近代、已有現(xiàn)代事故致因鏈中事故的間接原因、根本原因具體化，簡捷且便于應用[9]；RBF神經網絡具有函數(shù)逼近和自適應能力強、學習速度快等優(yōu)點[10]，其作為一種處理復雜非線性問題的有效手段已廣泛運用在各個領域并取得良好效果[11,12]。鑒于上述兩種模型的優(yōu)勢，本文首先根據行為安全“2-4”模型建立煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平評價指標體系，然后借助RBF神經網絡具有的結構簡單、參數(shù)學習收斂速度快以及強大非線性擬合能力，對煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平進行評價，通過構建典型學習樣本訓練學習，最終得出評價結果。本文將為煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平評估提供一種簡易可行的方法。

1 煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平評價指標體系的構建

1.1 行為安全“2-4”模型

行為安全“2-4模型”[13]是中國礦業(yè)大學（北京）傅貴教授在Heinrich事故致因論[14]和Stewart現(xiàn)代事故致因鏈[15]的基礎上提出的。該模型把事故的直接原因歸為人的不安全動作和物的不安全狀態(tài)；通過大量的案例分析把間接原因具體化為人的安全知識不足、安全意識不高及安全習慣不佳；把事故的根本原因歸為所在組織的安全文化欠缺，安全文化是從根本原因中分解出來的、指導安全管理體系形成的指導思想。在此事故鏈中，一次性行為（事故直接原因）來自于習慣性行為（事故間接原因），習慣性行為來自于組織的運行行為安全管理體系（根本原因）和指導行為組織的安全文化（根源原因）。此行為安全“2-4”模型建立如圖1所示。安全“2-4”模型中“2”指的是事故的發(fā)生是由組織和個人兩個層面決定的，“4”代表事故是組織和個人兩層面的指導、運行、習慣性、一次性四階段的行為發(fā)展的結果。

圖1 行為安全“2-4”模型Fig.1 Behavioral safety "2-4" model

1.2 安全文化建設水平評價指標體系的構建

根據行為安全“2-4”模型，個人的一次性行為是事故的直接原因，習慣性行為是間接原因，組織的運行行為安全管理體系是根本原因，而指導行為組織的安全文化是根源原因。管理體系不完善的根源原因是思想認識不到位，實際中只注重效益而忽視安全就是安全文化建設不充分的較為普遍的現(xiàn)象。管理者是否認識到“安全是影響單位運營的最重要因素，安全創(chuàng)造經濟效益，做任何事情都要首先考慮安全，充分工作就能預防事故……”決定了其安全管理體系的文件完善程度和執(zhí)行狀況，反映了對安全文化元素的認識程度，是安全文化建設水平的外在表現(xiàn)。顯然，加強安全文化建設、改善文化指導行為對實現(xiàn)安全管理及事故預防意義重大。

煙草行業(yè)實驗室是開展卷煙樣品檢測、煙氣分析、煙草化學、工藝配方、生物技術等領域研究的重要基地，筆者借鑒國內相關研究成果、咨詢專家意見并結合《煙草企業(yè)安全生產標準化規(guī)范》[16]，走訪調研了中國煙草總公司鄭州煙草研究院實驗室、河南中煙工業(yè)有限公司所屬實驗室、河南省煙草專賣局所屬實驗室和中國煙草總公司職工進修學院所屬實驗室，這四家單位的實驗室功能和現(xiàn)狀涵蓋工、商、研、學，基本能夠反應我國煙草行業(yè)實驗室的共性問題。依據行為安全“2-4”模型，同時結合當前煙草行業(yè)實驗室安全實際情況，將安全文化、體系文件、習慣性行為和一次性行為確定為一級評價指標。各一級評價指標根據煙草行業(yè)實驗室安全特征又分為若干二級評價指標，從而形成評價指標體系。本研究評價指標體系分目標層、準則層和指標層，共15個評價指標，具體見表1。

2 基于RBF神經網絡的煙草行業(yè)實驗室安全文化評價模型

2.1 RBF神經網絡

RBF（Radical Basis Function，徑向基函數(shù)）神經網絡是一種由輸入層、隱含層和輸出層構成的多層前饋網絡，其最大優(yōu)勢在于用線性學習算法來完成以往非線性學習算法所做的工作，同時又保持非線性算法的高精度。劉杰[17]應用神經網絡模型對城市空氣質量進行了評價，驗證了RBF網絡性能比BP（Back Propagation，反向傳播）網絡穩(wěn)定且精度更高。RBF詳細原理見文獻[11]、[12]及[17]。

表1 煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平評價指標體系Tab.1 Evaluation index system for construction level of laboratory safety culture in tobacco industry

2.2 建模過程

2.2.1 各層神經元數(shù)的確定

RBF神經網絡需要確定各層神經元數(shù)，本研究依據行為安全“2-4”模型劃分出的15個二級考評指標作為RBF的輸入神經元數(shù)，即n=15。輸出結果為評價結果，將煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平劃分為A1、A2、A3和A4四個等級，分別為優(yōu)、良、中、差，則輸出節(jié)點個數(shù)s=4。如果評價結果為優(yōu)，則第1個節(jié)點輸出值為1，其余3個節(jié)點為0；如果評價結果為良，則第2個節(jié)點輸出值為1，其余3個節(jié)點為0，以此類推。

隱含層是RBF網絡成功實現(xiàn)的關鍵，通過訓練隱含層節(jié)點的中心寬度和徑向基函數(shù)中心，調節(jié)輸出權值，本研究調用MATLAB工具箱中newrb函數(shù)訓練網絡，自動確定所需隱含層單元數(shù)。

2.2.2 訓練樣本的選取

RBF神經網絡是通過對訓練樣本的學習擬合輸入輸出的關系，因此需要一定數(shù)量的、且具有代表性和導向性的樣本數(shù)據，筆者調研了河南省4家煙草相關實驗室，并聘請4位專家根據這4家實驗室安全文化建設的實際狀況對15個評價指標打分，分值區(qū)間為[0，100]。為便于專家區(qū)分各項指標的優(yōu)劣，采用定性和定量相結合的方法設置打分標準。首先按照定性方法將各指標劃分為“不及格”、“及格”、“良好”及“優(yōu)秀”4個等級，然后按照常規(guī)等級取值方法，同時考慮到安全管理中“優(yōu)秀”和“良好”較高等級要求，將4個等級對應的分值區(qū)間設置為[0，60)、[60，80)、[80，90)、[90，100]。最終分值由專家賦值與指標權重加權得出。指標權重分為準則層權重Qi和指標層權重Qij（i=1, 2,3,j=1,,2,…,q,q為準則層下的指標層數(shù)），運用基于模糊一致性矩陣的模糊層次分析法確定[19]，步驟為：根據專家經驗通過兩兩對比構建判斷矩陣，這是層次分析法的核心，然后計算權重矩陣并進行一致性檢驗。指標層的綜合權重為Qi與Qij的乘積，權重求解公式為：

式中：rij為模糊判斷矩陣的元素，代表指標i重要于指標j的程度，0≤rij≤1。然后依據文獻[20]對指標權重的合理性進行檢驗和調整。

為加快網絡的收斂性，對輸入樣本數(shù)據進行歸一化處理，處理方式為：

此方式避免了0和1兩個極值對訓練網絡的影響，使之轉化為（0，1）之間的數(shù)，ti′為歸一化后樣本數(shù)據；ti為原始樣本數(shù)據；tmin和tmax分別為樣本序列中的最小數(shù)和最大數(shù)。

2.2.3 網絡訓練與仿真

煙草行業(yè)實驗室相對較少，經調查，獲得13組有效樣本數(shù)據，前10組數(shù)據作為訓練樣本，后3組作為檢驗樣本，不參與訓練，相應的等級作為期望輸出值。為保證網絡訓練的精度，采用梯度下降法優(yōu)化訓練網絡的場域寬度、場中心及連接權值。訓練結束后，用sim函數(shù)進行模擬驗證。表2為檢驗樣本數(shù)據的網絡仿真效果，可知3組檢驗樣本的網絡輸出值與專家評價的等級結果完全一致，檢驗樣本的輸出結果與預期值的相對誤差較低（不到9%），處于可接受范圍內，初步表明該模型能較好地實現(xiàn)樣本數(shù)據的學習，輸出結果與定性評價結果基本一致，誤差水平可接受，可用于實驗室安全文化建設水平評價。

表2 檢驗樣本數(shù)據的網絡仿真效果Tab.2 Verification of the simulation effect of sample data

3 實例應用

根據本文建立的煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平評價指標體系及RBF神經網絡評價模型，對鄭州煙草研究院實驗室安全文化建設水平進行評價。聘請5位專家對實驗室的整體安全狀態(tài)進行打分，得到了鄭州煙草研究院實驗室專家打分數(shù)據表（表3），經歸一化處理后的指標層數(shù)據為（0.89，0.83，0.76，0.85，0.80，0.78，0.85，0.89，0.72，0.85，0.83，0.87，0.80，0.87，0.87），網絡輸出結果為（0.9006，0.0937，0.0057, 0），根據最大隸屬度原則，評價等級為A1級，即鄭州煙草研究院實驗室安全文化建設水平為優(yōu)秀。

表3 專家打分表Tab.3 Expert comprehensive scoring table

鄭州煙草研究院實驗室為直屬于國家煙草專賣局的唯一家綜合性科研機構，通過安全標準化管理二級評審，具備較為完善的安全管理方案，擁有良好的實驗室環(huán)境條件。運用RBF神經網絡評價的實例安全文化建設水平處于優(yōu)秀等級，說明此評價結果與所選對象業(yè)務實際具有一致性。

4 結語

（1）以行為安全“2-4”模型為依據，建立煙草行業(yè)實驗室安全文化建設水平的評價指標體系，劃分出15個二級評價指標。

（2）運用MATLAB中RBF神經網絡工具箱對10組樣本數(shù)據進行網絡訓練，再選取3組樣本數(shù)據驗證模型的可靠性，最后利用已建立的模型實現(xiàn)對鄭州煙草研究院驗室安全文化建設水平的評價，評價結果為優(yōu)秀，與實際情況相符合。從評價結果來看，RBF神經網絡很好地模擬了專家思維模式，反映了專家經驗，無需人為設置指標權重，避免了人的主觀因素對評價結果的影響，能夠更客觀、準確地得出評價結果，具有較強的可靠性。由于檢驗數(shù)據有限，本研究的結果尚有待進一步驗證。

（3）行為安全“2-4”模型與RBF神經網絡的結合算法高效，精度合理，該模型為態(tài)勢評估研究提供了思路，是一種合理可行的評價方法。