基于模糊層次分析法的實驗室安全評估

馬庚華 鄭長江 王天童

摘 要：針對傳統(tǒng)實驗室安全評價方法準(zhǔn)確性差、缺乏統(tǒng)一的評價體系等不足，本文提出了一種基于模糊層次分析法的實驗室安全管理評價新方法。通過收集河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院某實驗室的安全數(shù)據(jù)，采用模糊層次分析法對影響實驗室安全的各因素及其權(quán)重進(jìn)行分析，結(jié)果表明該實驗室存在學(xué)生實驗操作的專業(yè)水平不足、實驗室事故防控能力薄弱等問題，并給出相關(guān)建議。仿真結(jié)果表明，所建立的方法滿足合理性和可行性，且模型操作簡單，對確保實驗室使用者的人身和財產(chǎn)安全具有良好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：安全風(fēng)險;實驗室安全;模糊數(shù)學(xué);層次分析法

中圖分類號：F224，G482

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

近年來，隨著我國越來越重視高等教育的發(fā)展，高校實驗室的軟、硬件設(shè)施建設(shè)也得到了極大的發(fā)展[1]。然而，日益沉重的任務(wù)教學(xué)和頻繁進(jìn)行的科學(xué)研究，再加之實驗室相對落后的管理系統(tǒng)，使得實驗室在超負(fù)荷運(yùn)行時，出現(xiàn)了因?qū)嶒炇夜芾聿簧贫斐傻闹卮笫鹿蔥2]。然而，傳統(tǒng)的實驗室安全評估采用記錄和人工檢查的方法對實驗室進(jìn)行監(jiān)控和管理。由于實驗室設(shè)備和設(shè)備操作的復(fù)雜性，以及實驗室相關(guān)的測試操作方法有很多種，存在各種相關(guān)風(fēng)險[3]。因此，評價的準(zhǔn)確性有較大的局限性，只能定性地粗略評價實驗室系統(tǒng)的安全性，而不能定量地評價危險程度[4]。

針對以往研究的不足，本文首先采用層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重，進(jìn)而利用模糊矩陣進(jìn)行計算。通過建立模糊系統(tǒng)，較好地利用了經(jīng)驗知識對信息進(jìn)行了處理，最終得到了實驗室安全管理的結(jié)果，并提出相關(guān)建議。使得實驗室管理人員可以及時發(fā)現(xiàn)實驗室的違法操作和隱藏故障，提高工作效率，確保實驗室使用者的人身和財產(chǎn)安全。

1 研究方法

1.1 安全檢查表分析法

本文提出了一種基于模糊數(shù)學(xué)的安全檢查表分析評價方法。安全評價分為三個步驟：按照安全檢查表進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)評分，安全等級劃分，提出改進(jìn)建議。安全檢查清單包括實驗室用戶及人員配備、使用人員的基本要求、規(guī)章制度、文件和記錄管理、安全信息的收集和交流、登記和變更管理、重大事故的評估和控制、應(yīng)急相應(yīng)機(jī)制、事故處理[5]。在這些方面列出詳細(xì)的評價項目和相應(yīng)的得分，并由相應(yīng)的專家對評價項目進(jìn)行打分。該評分機(jī)制結(jié)合了基于安全檢查表數(shù)據(jù)分析、單項評分和模糊數(shù)學(xué)的逐項分配方法，進(jìn)而可以得到實驗室的總成績。根據(jù)打分范圍，將實驗室安全等級分為安全、相對安全、一般安全、不太安全、不安全五個等級[6]。整改建議主要針對不合格實驗室，列出實驗室使用中違反規(guī)定的方面，并提供相應(yīng)的建議[7]。

1.2 模糊層次分析模型

實驗室安全問題是一個模糊的概念，其影響因素很多。因此，有必要使用模糊層次分析（fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）算法。將分析對象進(jìn)行分解，其中所包含的元素被分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因素層。從定量的角度，列舉各個影響因素和評價水平，確定各指標(biāo)的權(quán)重。模糊綜合評價方法主要包括以下幾個步驟[8]。

（1）確定評價集，即一組由專家進(jìn)行評價的指標(biāo)及對其進(jìn)行的描述。評價集的定義為

u={u1，u2，…un}，其中n為待評價的第n個指標(biāo)的集合，即影響實驗室安全的影響因素個數(shù)。

（2） 通過定義評估因素來創(chuàng)建觀察矩陣V={v1，v2，…vm}，u中的每個方案都是由V中的每個評估因素來度量的。通過專家打分，分別確定準(zhǔn)則層和因素層對應(yīng)的指標(biāo)得分。專家評分與經(jīng)過了匯總、計算和規(guī)范化的權(quán)重相結(jié)合。從而，可以得到基于準(zhǔn)則層第i個指標(biāo)的模糊關(guān)系矩陣R。

（3） 權(quán)重賦值模糊向量a的確定：a={a1，a2，…am}，共有n個因素影響實驗室安全，其中m表示權(quán)重的個數(shù)。

（4） 評價本身由u和V組成，進(jìn)而形成了評價模糊矩陣R：

Ri=r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmn。（1）

其中，rmn表示第n個指標(biāo)中第m項的評價因素的數(shù)值。

（5）利用模糊算法和公式，將指標(biāo)權(quán)重與因素層的模糊關(guān)系矩陣相結(jié)合，可得到準(zhǔn)則層第i個指標(biāo)的綜合得分向量ui，其中為b賦予權(quán)重后的得分。

ui=（ai1，ai2，…，aim）·

r11r12…r1nr21r22…r2n…………rm1rm2…rmn=（bi1，bi2，…，bnm）。

（2）

（6）依次對各因素層的得分向量進(jìn)行排序，得到目標(biāo)層的關(guān)系矩陣。

R=b11b12…b1nb21b22…b2n…………bm1bm2…bmn。

（3）

多級模糊綜合評價將準(zhǔn)則層各指標(biāo)權(quán)重的得分矩陣與各因素層的得分向量相結(jié)合，利用模糊算子進(jìn)行模糊綜合評價，其中t對應(yīng)的是評價結(jié)果的個數(shù)。

u=（a1，a2，…，am）·

b11b12…b1tb21b22…b2t…………bm1bm2…bmt=（b1，b2，…bt）。

（4）

對評價集各層的臨界值進(jìn)行劃分，以及評價集對應(yīng)的分割閾值向量為α=（a1，a2，…，at），從而目標(biāo)層的綜合得分可以表示為：

g=（b1，b2，…，bt）·（a1，a2，…，at）T。（5）

在多級模糊綜合評價中，為了體現(xiàn)評價的完整性，還需要分別計算準(zhǔn)則層和因素層中各指標(biāo)的綜合得分。其中j為因素層第j個因素。

gi=（bi1，bi2，…，bit）·（a1，a2，…，at）T。（6）

gij=（rij1，rij2，…，rijt）·（a1，a2，…，at）T。（7）

2 計算及結(jié)果分析

2.1 模糊綜合層次分析法在實驗室安全管理評價中的應(yīng)用

以河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院某實驗室為例，邀請了15位具有豐富實驗室安全管理經(jīng)驗的專家，組成安全評價小組，根據(jù)工作經(jīng)驗對各項指標(biāo)進(jìn)行評分。采用層次分析法和專家問卷法確定實驗室安全評價指標(biāo)的權(quán)重[9]。首先將安全評估需要考慮的影響因素分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和因素層。然后將下一層的因素與上一層的因素進(jìn)行比較，構(gòu)造判斷矩陣[10]。通過計算判斷矩陣，對層次進(jìn)行了單排序和層次分級。通過相關(guān)的分析和歸一化處理，得到相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重和模糊關(guān)系矩陣，如表1所示，然后利用模糊算子進(jìn)行多層次的綜合評價，得到實驗室安全運(yùn)行管理的綜合評價分析[11]。

根據(jù)15位專家現(xiàn)場打分，得到準(zhǔn)則層的4個因素：人員、設(shè)備、環(huán)境、管理因素。四個標(biāo)準(zhǔn)水平指標(biāo)的權(quán)重分別為0.29、0.17、0.16和0.38。同時得到因素層的15個指標(biāo)并賦值，進(jìn)而可以計算4個準(zhǔn)則層指標(biāo)對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣。

使用模糊綜合評分法，4，3，2，1和0，即將臨界值向量α=（4，3，2，1，0）分配到{V1，V2，V3，V4，V5}。分別對應(yīng)于確定實驗室安全程度，即{安全，相對安全，一般安全，不太安全，不安全}[12]。

各因素集中程度的評價可通過專家討論進(jìn)行評價。具體方法是任意確定一個因子，進(jìn)行單因子評價，將所有單因子評價結(jié)合起來，得到單因子評價矩陣R。例如，55%的人認(rèn)為安全，15%的人認(rèn)為相對安全，22%的人認(rèn)為一般安全，8%的人認(rèn)為

不太安全。評價集為{0.55，0.15，0.22，0.08，0}[13]。同理，可以得到其他三個評價集的數(shù)據(jù)。身心健康評價集為{0.65，0.32，0.03，0，0}。業(yè)務(wù)能力評價集為{0.33，0.36，0.31，0，0}，應(yīng)急處理能力評價集為{0.58，0.35，0.03，0.04，0}。然后將每個單因素評價集的隸屬度劃分為若干行，可以形成評價矩陣[14]。

R1=

0.550.150.220.080

0.650.320.0300

0.310.320.3700

0.580.350.030.040;

R2=

0.540.340.060.060

0.730.120.130.020

0.620.340.04000.540.350.1100

;

R3=0.440.530.0700

0.230.440.260.0700.360.470.060.110;

R4=0.630.170.190.0100.440.440.13000.620.320.06000.430.400.150.020;

通過公式（4），可以得到了實驗室人員等級u1、實驗設(shè)備等級u2、實驗環(huán)境等級u3、實驗管理等級u4的綜合得分向量。

u1=a1·R1=（0.34，0.16，0.29，0.21）·

0.550.150.220.0800.650.320.03000.310.320.37000.580.350.030.040

=（0.502 7，0.268 5，0.193 2，0.035 6，0）;

u2=a2·R2=（0.24，0.28，0.22，0.26）·

0.540.340.060.0600.730.120.130.0200.620.340.04000.540.350.1100

=（0.610 8，0.281 0，0.088 2，0.02，0）;

u3=a3·R3=（0.31，0.34，0.35）·

0.440.530.07000.230.440.260.070

0.360.470.060.110

=（0.340 6，0.478 4，0.131 1，0.062 3，0）;

u4=a4·R4=（0.24，0.23，0.28，0.25）·

0.630.170.190.010

0.440.440.13000.620.320.0600

0.430.400.150.020

=（0.533 5，0.329 3，0.129 8，0.007 4，0）;

根據(jù)因素層的得分向量，得到評價層的綜合得分向量為：

u=a·R=（0.29，0.17，0.16，0.38）·

0.502 70.268 50.193 20.035 60

0.610 80.281 00.088 20.020

0.340 60.478 40.131 10.062 30

0.533 50.329 30.129 80.007 40

=（0.506 8，0.327 3，0.141 3，0.026 5，0）。

使用模糊綜合評分法，4，3，2，1和0，即將臨界值向量α=（4，3，2，1，0）分配到V={V1，V2，V3，V4，V5}。分別對應(yīng)屬于u1，u2，u3，u4和u的實驗室安全程度，即{安全，相對安全，一般安全，不太安全，不安全}，進(jìn)而，目標(biāo)層的綜合得分可以表示為：

g=（0.506 8，0.327 3，0.141 3，0.026 5，0）·（4，3，2，1，0）T=3.32。

然后再分別計算各準(zhǔn)則層的指標(biāo)綜合得分：

g1=（0.502 7，0.268 5，0.193 2，0.035 6，0）·（4，3，2，1，0）T=3.24;

g2=（0.610 8，0.281 0，0.088 2，0.02，0）·（4，3，2，1，0）T=3.48;

g3=（0.340 6，0.478 4，0.131 1，0.062 3，0）·（4，3，2，1，0）T=3.12;

g4=（0.533 5，0.329 3，0.129 8，0.007 4，0）·（4，3，2，1，0）T=3.39。

根據(jù)安全檢查表提供的實驗室各目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、因素層的得分，可以得出結(jié)論，即該實驗室的綜合評分為3.32分。也就是說，實驗室的評分在[安全，相對安全]的范圍內(nèi)，說明實驗室的整體運(yùn)行水平處于相對安全的水平[15]。準(zhǔn)則層各指標(biāo)得分也在[安全，相對安全]的范圍內(nèi)，如表2所示。為了發(fā)現(xiàn)該實驗室存在的安全隱患，就需要對各個因素層面的影響因素進(jìn)行詳細(xì)分析。通過對各個因素層面的得分進(jìn)行綜合分析，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的專業(yè)技能和實驗室的事件控制能力不足，需要進(jìn)行整改。同時提出整改建議如下：實驗室管理人員和學(xué)生應(yīng)該掌握專業(yè)的方法，提高管理員的基本要求，安全使用設(shè)備，進(jìn)行全面、徹底的整改安全相關(guān)的所有方面，如風(fēng)險評估和控制的主要危害，故障處理和隱患整改，清除隱患。

2.2 一致性檢測

通過對判斷矩陣的一致性進(jìn)行檢驗，可以驗證評價指標(biāo)的權(quán)重分配是否合理。如果一致性檢驗不滿足要求，則需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整，直到滿足一致性要求[8]。

（1）計算判斷矩陣的最大特征根λmax。

（2）檢測β=λmax-n（n-1）I，其中I為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性的指標(biāo)，β為矩陣的相容性指標(biāo)，當(dāng)β<0.1時，說明模糊互補(bǔ)判斷矩陣滿足一致性。

對于1—9階的判斷矩陣，I值如表3所示。通過計算，β<0.01，由于其相容性指標(biāo)均小于0.1，由此可以說明所進(jìn)行的權(quán)重分配是合理的[8]。

3 結(jié)論

采用多級模糊綜合評價方法對實驗室安全管理進(jìn)行了綜合評價分析，與傳統(tǒng)的安全評價方法相比，評價結(jié)果更加可靠、直觀、準(zhǔn)確。案例計算結(jié)果顯示：

（1）河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院實驗室綜合得分為3.32分，表明實驗室整體運(yùn)行水平處于相對安全的水平。

（2）綜合分析各指標(biāo)水平的得分可知，該實驗室在學(xué)生做實驗的業(yè)務(wù)水平和實驗室防控事故能力方面，處于一般安全至相對安全階段，說明學(xué)生做實驗的專業(yè)能力和實驗室防控事故能力方面較為薄弱，因此應(yīng)該針對性的進(jìn)行整改和糾正。

（3）針對進(jìn)入實驗室學(xué)生的實驗水平較為薄弱這一問題，學(xué)院應(yīng)該增設(shè)相關(guān)的實驗室教學(xué)及在線模擬等相關(guān)課程，強(qiáng)化學(xué)生對實驗設(shè)備，相關(guān)材料，實驗流程的了解程度。針對實驗室防控事故能力薄弱這一問題，學(xué)院可以定期檢查實驗設(shè)備，及時替換老化設(shè)備，安排專人監(jiān)督管理。進(jìn)一步增加該實驗室的安全水平。

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（責(zé)任編輯：于慧梅）

Fuzzy Analytic Hierarchy Process-based

Laboratory Safety Assessment

MA Genghua*1， ZHENG Changjiang2， WANG Tiantong2

（1.College of Harbour， Coastal and Offshore Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China;

2.College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China）

Abstract：

A new method of laboratory safety management evaluation based on fuzzy analytic hierarchy process is proposed to solve the problems such as the low accuracy of traditional laboratory safety evaluation methods and the lack of a unified evaluation system. By collecting laboratory safety data from College of Harbour， Coastal and Offshore Engineering， Hohai University， using fuzzy analytic hierarchy process， the various influence factors of laboratory safety and their weights were analyzed， and the results show that the laboratory students experimental operation of professional level is of deficiency， laboratory accident prevention and control ability is weak， and related suggestions are given. The simulation results show that the established method is reasonable and feasible， and the model is simple to operate， which is of good application value to ensure the personal and property safety of laboratory users.

Key words：

security risks; laboratory safety; fuzzy mathematics; analytic hierarchy process