基于SD-SEIR模型的實驗室人員不安全行為傳播研究

石 娟,常丁懿,鄭 鵬,2,李冠龍,周嘉堯

(1.天津理工大學管理學院,天津 300384；2.華電電力科學研究院有限公司,浙江 杭州 310030)

0 引言

本文擬借用系統(tǒng)動力學和SEIR傳染病模型構(gòu)建新的高校實驗室不安全行為傳播模型，同時以天津某高校實驗室為例，應用anylogic 8.5.0平臺對該模型進行仿真并分析，進一步剖析實驗室不安全行為傳播機理，并據(jù)此提出一些高校實驗室安全管理的建議與看法，為兄弟院校和相關管理部門提供參考。

1 理論基礎

1.1 SD理論

系統(tǒng)動力學(System Dynamics，簡稱SD)是一門分析研究信息反饋系統(tǒng)的學科，也是認識系統(tǒng)問題和解決系統(tǒng)問題的交叉綜合學科，廣泛用于經(jīng)濟、管理、社會、生態(tài)等多個領域。SD將定性與定量方法相結(jié)合，從系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來尋找系統(tǒng)動力學問題發(fā)生的根源，深入分析系統(tǒng)內(nèi)各因素及其因果關系，從而尋求較優(yōu)的功能結(jié)構(gòu)[12]。在高校實驗室系統(tǒng)內(nèi)，影響不安全行為傳播的因素眾多，且因素之間存在聯(lián)系，為理清系統(tǒng)內(nèi)不安全行為傳播動態(tài)演化過程，借助系統(tǒng)動力學思想，構(gòu)建系統(tǒng)動力學模型流圖，分析變量之間的關聯(lián)，探析選擇變量對另一個變量的影響。

1.2 SEIR傳播模型

在傳播模型方面，最初是有關疾病傳播的模型，包括SI模型、SIS模型和SIR模型[13]，其中S(Susceptible)表示易感染狀態(tài)，I(Infectious)表示感染傳播狀態(tài)，R(Recovered)表示免疫恢復狀態(tài)。之后有學者將傳染病模型用于輿情信息方面的傳播，并衍生出SIRS模型等[14]。已有研究表明，行為傳播機理與傳染病的傳播機理非常相似，F(xiàn)igueroa[15]指出人的行為和流行病相似具有一定的感染性。陳波等[16]學者增加潛伏期階段，構(gòu)建了SEIR(Susceptible-Exposed-Infectious-Recovered)模型，其中S表示易感節(jié)點，該節(jié)點暫未被感染但可能以α的概率受到感染；E表示潛伏節(jié)點，該節(jié)點受到感染且可能以β的概率傳播；I表示傳播節(jié)點，該節(jié)點受到感染并對外傳播但可能以γ的概率被治愈而不再傳播；R表示免疫節(jié)點，該節(jié)點受到感染但選擇不傳播，傳播模型如圖1所示。

圖1 SEIR傳播模型

1.3 高校實驗室人員不安全行為傳播特點

不安全行為的傳播是一個復雜的、不確定的過程。本文對天津市某高校實驗室開展約三個月的實驗操作觀察，并訪談實驗室的學生、研究員、教師和相關管理人員，整理調(diào)研得到文本、圖片、語音、視頻信息?；趯嵉卣{(diào)研和相關文獻分析，總結(jié)出高校實驗室人員不安全行為傳播具有以下特性。

1)具有復雜性和多元性。從傳播學理論出發(fā)，多元性體現(xiàn)在高校實驗室不安全行為傳播的影響因素眾多，復雜性體現(xiàn)在影響因素之間存在聯(lián)動作用關系，相互作用復雜[5]。行為傳播系統(tǒng)內(nèi)部因素主要包括個人的安全心理、身體狀況等；系統(tǒng)外部因素主要包括安全氛圍、安全監(jiān)管等。具有較低安全意識和素養(yǎng)的個體對不安全行為的效仿會轉(zhuǎn)變?yōu)槿后w性不安全行為，從而產(chǎn)生不良安全氛圍；不良安全氛圍和群體不安全行為也會增加個體對于不安全行為的復制，降低個體安全素養(yǎng)水平，從而加快不安全行為的傳播。

2)具有遺忘性和記憶性。從心理學角度來說，人類大腦本身具有遺忘和記憶的特點，它們是一對相生共存的概念[17]，遺忘和記憶機制對高校實驗室不安全行為傳播具有重要的影響。在不安全行為傳播過程中，未感染人員在接觸到不安全行為時，會對不安全行為產(chǎn)生記憶，從而有意無意地學習這種行為而產(chǎn)生相似的不安全行為或演化擴散出新的不安全行為；產(chǎn)生免疫的人員由于長時間進行實驗操作而產(chǎn)生疲勞感或者疏忽大意，亦或者由于缺乏安全監(jiān)管而遺忘一些安全信息，使得人員再次產(chǎn)生不安全行為。

3)新老人員交替性。從組織行為學視角來看，實驗室人員以學生為主、教師為輔，人數(shù)多、流動性大，不同群體或者同一群體中的不同個體會帶來不同的安全問題[9]。新成員在初入實驗室時可能由于好奇、無知、魯莽操作、安全知識匱乏、安全意識薄弱、模仿老成員的安全陋習、缺乏與老成員的有效溝通等原因而產(chǎn)生不安全行為。而有一定經(jīng)驗的師兄師姐或者專業(yè)教師則具有引導、規(guī)范及教育的作用來約束新成員的行為，同時，有經(jīng)驗的老成員也可能由于疲勞操作、放松警惕等原因而忽視安全操作，從而起到反面示范作用。當新成員操作熟練或者完成課程任務后，將離開實驗室，隨后會再次有新的人員進入，新一批人員可能產(chǎn)生相似或相異的安全問題。在同一封閉空間下，實驗室內(nèi)不同人員行為潛移默化地相互影響。

2 高校實驗室人員不安全行為傳播模型的構(gòu)建

本文根據(jù)高校實驗室人員不安全行為傳播特征、實際情況以及研究的需要，結(jié)合SEIR模型，引入潛伏率、感染率、治愈率、改善率、遺忘率和直接免疫率6個轉(zhuǎn)化率因素，同時考慮安全素養(yǎng)、安全氛圍、安全監(jiān)管、接觸率4個關鍵性因子變化對傳播過程的影響，運用anylogic 8.5.0對模型進行仿真分析，探討高校實驗室不安全行為傳播機理及動態(tài)演化規(guī)律。

2.1 模型假設

假設1：基于有關研究[18]，系統(tǒng)守恒：假設一定期間內(nèi)高校實驗室人員數(shù)目保持恒定，在t時刻的數(shù)量記為Nt，不考慮輸入與輸出。根據(jù)高校實驗室人員的特點及其感染不安全行為的程度，將其分為4類：沒有發(fā)生但是有可能接觸不安全行為的易感者S，在t時刻的數(shù)量記為St；已接觸到不安全行為有可能復制模仿這類行為的潛伏者E，在t時刻的數(shù)量記為Et；產(chǎn)生不安全行為并具有傳播性的傳播者I，在t時刻的數(shù)量記為It；感染過不安全行為但由于安全意識覺醒、組織環(huán)境約束等因素而拒絕產(chǎn)生不安全行為并傳播出去的免疫者R，在t時刻的數(shù)量記為Rt。現(xiàn)實中，實驗室人員以小組，上屆帶下屆等模式在一段期間內(nèi)進行固定形式的工作和學習，在短時間內(nèi)人員數(shù)量保持不變，即St+Et+It+Rt=Nt。

假設2：在高校實驗室內(nèi)，當有一位人員產(chǎn)生不安全行為后，同一實驗室的其他人員均有可能受其影響，4種不同狀態(tài)人員在不安全行為的刺激下會以一定的傳播速度進行狀態(tài)轉(zhuǎn)化。本文用各速率變量來量化各階段的傳播速度，用于描述小群體內(nèi)不同狀態(tài)人員互相轉(zhuǎn)化的速度快慢。

假設3：影響實驗室不安全行為傳播的因素眾多，如安全素養(yǎng)、安全氛圍、安全習慣、安全教育、安全監(jiān)管、接觸率、感染時間、傳染風險、潛伏期等。本文根據(jù)文獻分析和實地調(diào)研并且咨詢相關專家后選取接觸率c、安全監(jiān)管g、安全素養(yǎng)h、安全氛圍k4個關鍵性影響因素來探究其對行為傳播的作用機理。

2.2 模型構(gòu)建

根據(jù)以上假設，高校實驗室不安全行為傳播過程可由圖2表示，主要變量描述如表1所示。

圖2 高校實驗室不安全行為SEIR傳播模型

表1 高校實驗室人員不安全行為傳播模型的主要仿真變量描述

在此基礎上，構(gòu)建高校實驗室人員不安全行為傳播模型，依據(jù)傳播動力學原理，建立微分動力學方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

3 高校實驗室人員不安全行為傳播模型仿真

3.1 系統(tǒng)動力學模型構(gòu)建

運用Anylogic系統(tǒng)動力學分析軟件構(gòu)建高校實驗室人員不安全行為傳播的系統(tǒng)動力學模型，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高校實驗室人員不安全行為傳播系統(tǒng)動力學模型流圖

3.2 參數(shù)設定與仿真

按照高校實驗室不安全行為傳播系統(tǒng)動力學模型流圖的思路，結(jié)合實地調(diào)研和文獻分析[19]，對模型中參數(shù)作出假定的基礎上進行仿真。仿真實驗如下：高校某實驗室內(nèi)人員數(shù)量設定為30人，其中在初始狀態(tài)有1人已經(jīng)產(chǎn)生不安全行為并進行傳播，有29人與之處在同一空間中但暫未發(fā)生不安全行為，時間t=100 d。進一步假設接觸率c為3.25，監(jiān)管力度g為0.1，安全素養(yǎng)水平h為0.2，安全氛圍水平k為0.2。將上述值代入微分動力學方程中得初始狀態(tài)下4類人員數(shù)量隨時間變化情況，如圖4所示。

圖4 各狀態(tài)人員數(shù)量變化圖

由圖4可知，在高校實驗室不安全行為的傳播過程中，易感者數(shù)量隨時間的推移呈現(xiàn)遞減的趨勢，在t=12 d時趨于0。潛伏者數(shù)量在短時間t=7 d先上升到峰值約為14人，隨后緩慢下降，在大約t=43 d時趨于0。傳播者數(shù)量整體呈增長趨勢，由初始的1人增長為10人。免疫者則從起初的0人增加為20人。

3.2.1 仿真實驗一

當人員間接觸率、人員與實驗設備接觸率c減少，分別取3.25，2.5，1.75，1.0，即親密度降低，潛伏率降低時，其他參數(shù)保持不變，對高校實驗室不安全行為SEIR傳播模型進行仿真分析，可模擬得到各情形中4類人員S，E，I，R各自數(shù)量變動情況和傳播速度變化情況，如圖5所示。

圖5 ContactRate接觸率c變化仿真圖

由圖5可知，在有限的空間中，實驗室人員或主動或被動地與他人接觸，當人員間接觸率c降低，即親密程度降低時，導致潛伏率相應降低，圖5中曲線變化均變得平緩，不安全行為在系統(tǒng)中傳播速度放緩，潛伏者的峰值降低。

3.2.2 仿真實驗二

對監(jiān)管力度g進行干預，分別取值0.1，0.08，0.06，0.04，根據(jù)圖2，參數(shù)g作用于R到I的路徑上，g取值越小，免疫者R轉(zhuǎn)化為傳播者I的傳播速率越小，說明監(jiān)管力度越大，其他參數(shù)保持不變，對高校實驗室不安全行為SEIR傳播模型進行仿真分析，可模擬得到各情形中4類人員S，E，I，R各自數(shù)量變動情況和傳播速度變化情況，如圖6所示。

圖6 Supervision監(jiān)管力度g變化仿真圖

由圖6可知，在有限的空間中，當實驗室內(nèi)監(jiān)管力度g不斷強化，獎懲力度加大，規(guī)章制度的約束增強時，使得感染率和遺忘率下降，圖6中曲線變化均變得平緩，不安全行為在系統(tǒng)內(nèi)的傳播速度減慢，潛伏者的數(shù)量略微下降，傳播者的數(shù)量減少，免疫者的數(shù)量增多。

3.2.3 仿真實驗三

對安全素養(yǎng)水平h進行干預，分別為0.2，0.4，0.6，0.8，即依次增加安全素養(yǎng)水平，其他參數(shù)保持不變，對高校實驗室不安全行為SEIR傳播模型進行仿真分析，可模擬得到各情形中4類人員S，E，I，R各自數(shù)量變動情況和傳播速度變化情況，如圖7所示。

由圖7可知，在有限的空間中，不同個體的安全素養(yǎng)水平h本身客觀上存在一定差異，如果對實驗室人員進行及時而有效的安全教育培訓和引導，可以提升其安全素養(yǎng)水平，即促使直接免疫率和改善率提高，從而使得潛伏者的峰值減小，免疫者數(shù)量增加速度變快。

圖7 SafetyQuality安全素養(yǎng)水平h變化仿真圖

3.2.4 仿真實驗四

對安全氛圍水平k進行干預，分別取值0.2，0.4，0.6，0.8，即依次增加安全氛圍水平，其他參數(shù)保持不變，對高校實驗室不安全行為SEIR傳播模型進行仿真分析，可模擬得到各情形中4類人員S，E，I，R各自數(shù)量變動情況和傳播速度變化情況，如圖8所示。

圖8 SafetyClimate安全氛圍水平k變化仿真圖

由圖8可知，在有限的空間中，實驗室人員在協(xié)作過程中不可避免地互相影響，存在“老”帶“新”的情況，S(“新”)成員有意無意地模仿I(“老”)成員。長期進行實驗操作的人員可能由于疏忽大意、僥幸、投機等心理產(chǎn)生不安全行為，如果不對不安全行為及時予以糾正，其余人員可能效仿不安全行為，在特定空間中形成不良安全氛圍。當采取教育、培訓等措施時，安全氛圍水平提高，促使治愈率、直接免疫率和改善率提高，從而影響系統(tǒng)內(nèi)行為傳播，此時，潛伏者峰值下降，傳播者數(shù)量減少，免疫者數(shù)量增多。

4 結(jié)論與建議

實驗結(jié)果表明通過對影響因素的調(diào)節(jié)，可以使系統(tǒng)保持較高的免疫者數(shù)量和較低的傳播者數(shù)量，減慢不安全行為的傳播速度，起到一定的防控作用，促進高校安全管理。例如：增加治愈率、改善率、直接免疫率，降低潛伏率、感染率、遺忘率；即通過增強安全素養(yǎng)、安全氛圍、安全監(jiān)管，減小接觸率，當人員處在潛伏期時應早預防早控制早發(fā)現(xiàn)早治療。如果高校相關管理部門對潛伏率和感染率不加以管控，可能引發(fā)群體感染不安全行為，從而加速不安全行為的傳播速度，造成巨大的安全隱患。

具體提出以下建議：1)學生群體相較于其他群體可塑性強、模仿性強，可定期進行安全知識宣傳和教育，提高其安全素養(yǎng)，將安全指示牌、標識貼在醒目規(guī)范的位置，營造安全實驗氛圍。2)加強安全監(jiān)管力度，嚴格執(zhí)行實驗室安全規(guī)章制度，建立相應合理的獎優(yōu)罰劣制度，將不安全行為扼殺在萌芽中，降低人因事故的發(fā)生率。3)加強實驗設備使用和維護的管理，加強危險試劑保管、存放和使用的管理，降低與不安全因素的接觸率。