基于FAHP與機器學(xué)習(xí)的煙草行業(yè)實驗室安全管理評價

汪洪焦， 賈云禎， 張其東， 張 濤， 楊國濤， 趙繼俊

（中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州450001）

0 引 言

實驗室是進行科技創(chuàng)新活動和培養(yǎng)科技人才的重要場所。近年來，社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技、教育水平的日益提高促進了實驗室軟硬件建設(shè)，使得實驗室場地規(guī)模不斷增大，儀器設(shè)備及試劑藥品日益增多，科研活動愈加頻繁，實驗室人員流動加大，這些與相對落后的管理體制之間的矛盾愈加突出，使得實驗室安全形勢愈加嚴(yán)峻。2015年，清華大學(xué)化學(xué)系實驗室使用氫氣做實驗時發(fā)生爆炸后起火，造成一名博士后當(dāng)場死亡［1］。2018年，北京交通大學(xué)環(huán)境工程實驗室在進行垃圾滲濾液污水處理試驗時，摩擦碰撞火花引發(fā)氫氣爆炸并起火，造成2名博士生和1名碩士生死亡。通過對近年來實驗室安全事故進行統(tǒng)計分析，盡管實驗室事故在事故類型、發(fā)生原因、危險物質(zhì)類別存在差異，但根本原因是實驗室安全管理機制不健全、管理制度不到位造成的安全管理不善［2］。實驗室安全事故頻發(fā)，為實驗室安全管理敲響了警鐘，加強實驗室安全管理，提高安全管理水平，確保其安全平穩(wěn)運行已成為實驗室管理部門的一項重要研究課題。

2005年，韓國學(xué)者JOO PARK TAE等［3］最早開發(fā)了用于實驗室衛(wèi)生和安全檢查的實驗室安全管理系統(tǒng)。2011年，瑞士學(xué)者Marendaz等［4］最先開展了化學(xué)實驗室的安全管理和風(fēng)險評估工作。國內(nèi)方面，2012年陳晶晶［5］最早開展了高校實驗室安全管理評價體系的研究工作，2013年董繼紅等［6］最先應(yīng)用DHGF集成法對高校實驗室安全管理進行評價。隨后，一些學(xué)者針對實驗室安全管理評價方法進行了研究，相繼采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7］、物元熵權(quán)模型［8］、模糊綜合評價［9-10］、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［11］、Simulin等［12］方法對實驗室安全管理進行評價，以上方法均有各自的優(yōu)點，但普遍存在評價指標(biāo)選取及權(quán)重設(shè)置較為隨意，人為因素影響較大，評價的準(zhǔn)確性存在較大局限性，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等缺陷。

煙草行業(yè)的科技創(chuàng)新為提升煙草質(zhì)量提供保障，煙草行業(yè)實驗室作為煙草科技創(chuàng)新的重要場所，其安全平穩(wěn)運行至關(guān)重要。隨著國家和煙草行業(yè)對安全生產(chǎn)認識程度的不斷提高，煙草行業(yè)逐步形成了一套規(guī)范的實驗室安全管理體系，為確保實驗室安全運行奠定了基礎(chǔ)。然而，與其相應(yīng)的評價煙草行業(yè)實驗室安全管理水平的有效方法目前尚未建立［13-14］。目前大多數(shù)實驗室安全管理評價方法是基于高校實驗室進行的，煙草行業(yè)實驗室與高校實驗室在人員結(jié)構(gòu)、管理模式、評價指標(biāo)上均有較大差異?；诖?，在分析現(xiàn)有實驗室安全管理評價方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)煙草行業(yè)實驗室安全管理的特點及現(xiàn)狀，提出了基于模糊層次分析（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）與機器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）相結(jié)合的煙草行業(yè)實驗室安全管理評價方法。首先，利用安全檢查表及專家群智慧確定評價指標(biāo)并獲取權(quán)重數(shù)據(jù)，減少個人片面知識和能力對指標(biāo)選取和權(quán)重確定的影響，盡可能降低人為因素造成的評價偏差。然后采用層次分析法確定評價指標(biāo)權(quán)重，利用模糊矩陣進行綜合評價，得到實驗室安全管理評價結(jié)果。為進一步發(fā)揮安全評價的功能，為實驗室安全管理提供科學(xué)的整改建議措施及對策，利用機器學(xué)習(xí)針對評價結(jié)果提取整改建議措施及對策。近年來，機器學(xué)習(xí)算法被用來從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析和挖掘中獲取準(zhǔn)則，從而獲取有價值信息［15］。應(yīng)用機器學(xué)習(xí)技術(shù)可以實現(xiàn)實驗室安全評價從定性評價到定量分析的轉(zhuǎn)換，能夠更直觀地評價實驗室的危險程度，及時發(fā)現(xiàn)實驗室存在的違規(guī)操作和隱蔽故障，防止違規(guī)行為，找出科學(xué)整改措施及對策，確保實驗室人身和財產(chǎn)安全。利用上述方法進行煙草行業(yè)實驗室安全管理評價，可以評估實驗室安全管理現(xiàn)狀，及時發(fā)現(xiàn)安全管理中存在的薄弱環(huán)節(jié)和隱患，采取有針對性的整改方案進行改進，防患于未然，對于提高實驗室安全管理水平具有重要意義。

1 評價方法

1.1 總體設(shè)計及評價程序

基于FAHP與機器學(xué)習(xí)的煙草行業(yè)實驗室安全管理評價方法由三部分組成，包括基于安全檢查表及專家群智慧的評價指標(biāo)及其權(quán)重獲取，模糊層次分析建模及綜合評價，以及基于機器學(xué)習(xí)的安全整改措施與對策決策，評價方法的總體設(shè)計與程序見圖1。

圖1 煙草行業(yè)實驗室安全管理評價總體設(shè)計及程序

1.2 基于安全檢查表及專家群智慧的評價指標(biāo)及其權(quán)重獲取

基于安全檢查表及專家群智慧的評價指標(biāo)及其權(quán)重確定方法主要目的是減少個人片面知識和能力對指標(biāo)選取和權(quán)重確定的影響，盡可能降低人為因素造成的評價偏差。專家群的選取要綜合考慮與實驗室安全相關(guān)的各類人員，包括實驗室安全管理人員、政府監(jiān)管人員、實驗員、安全技術(shù)專家等。在遵循科學(xué)性、全面性、針對性、可操作性與可比性等原則的基礎(chǔ)上，通過現(xiàn)場實際考察并集中專家群智慧，合理構(gòu)建煙草行業(yè)實驗室安全管理安全評價指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重。該方法注重綜合評價機制，在評價指標(biāo)選取、權(quán)重設(shè)置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)充分利用專家群智慧，從源頭上保證了評價結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1.3 模糊層次分析建模及綜合評價

實驗室安全問題是一個涉及多影響因素的模糊的復(fù)雜問題，采用模糊數(shù)學(xué)與層次分析法相結(jié)合的安全評價方法。在分解分析對象之后，將其中包含的元素分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。從定量的角度，列舉影響因素和評價水平，確定各指標(biāo)的權(quán)重。模糊綜合評價技術(shù)包括以下幾個步驟［9-10］：

（1）建立評價因素集。所謂因素集，就是影響煙草行業(yè)實驗室安全的各種因素組成的一個普通集合，定義為U=｛u1，u2，…，un｝，其中n為影響實驗室安全的因素個數(shù)，ui（i=1，2，…，n）代表各相關(guān)因素，這些因素通常都具有不同程度的模糊性。

（2）建立評價集。評價集是煙草行業(yè)實驗室安全評價結(jié)果所組成的集合，定義V=｛v1，v2，…，vm｝，m為實驗室安全評價結(jié)果可能出現(xiàn)的個數(shù)，vj（j=1，2，…，m）代表各種可能的實驗室安全評價結(jié)果。模糊綜合評價的目的，就是在綜合考慮所有影響因素的基礎(chǔ)上，從評價集中得出最佳的評價結(jié)果。

（3）建立評價指標(biāo)權(quán)重集。采用層次分析法確定評價指標(biāo)的權(quán)重集A=｛a1，a2，…，ai，…，an｝，ai（i=1，2，…，n）表示指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

（4）構(gòu)建單因素模糊評價矩陣。對因素集U中的單個因素ui（i=1，2，…，n）進行單因素評價，根據(jù)專家提出的各因素ui對評價集中vj（j=1，2，…，m）的隸屬度rij，構(gòu)建單因素模糊評價矩陣：

殊不知，靈云禪師見桃花前，已踏踏實實修煉了三十年；張旭看到挑夫過路時，書法幾已爐火純青。見桃花，遇挑夫，都只是引線。厚積薄發(fā)，真正的門道還在日復(fù)一日的積累與修煉中。

（5）模糊綜合評價。單因素模糊評價僅反映了一個因素對評價對象的影響，這顯然是不夠的。要綜合考慮所有因素的影響，便是模糊綜合評價。選擇模糊算子，建立模糊綜合評價矩陣。通過已知的指標(biāo)權(quán)重模糊集A和綜合評價矩陣R，可以應(yīng)用R作模糊線性變換，把A變?yōu)樵u語集V上的模糊子集B：

式中，bj稱為模糊綜合評價指標(biāo)，簡稱評價指標(biāo)。其含義為：綜合考慮所有因素的影響時，評價對象對評價集中第j個元素的隸屬度?？紤]到實驗室安全評價的特點，模糊運算選擇M（·，⊕）模糊算子，該模型不僅考慮了所有因素的影響，而且保留了單因素評價的全部信息，適用于需要全面考慮各個因素的影響和全面考慮單因素評價結(jié)果的情況。

（6）確定評價結(jié)果。得到評價指標(biāo)之后，可以按最大隸屬原則確定評價對象的具體結(jié)果，即取與最大的評價指標(biāo)max bj相對應(yīng)的備擇元素vj為評價結(jié)果。

1.4 基于機器學(xué)習(xí)的安全整改措施及對策提取

整改建議和措施的提取過程是一個典型的機器學(xué)習(xí)的過程，如圖2所示。首先輸入評價指標(biāo)評分和綜合評價結(jié)果，經(jīng)特征提取后輸入到案例庫中進行匹配，按照相似度分析在知識庫中查找相匹配的針對存在安全隱患的整改建議和風(fēng)險降低措施，提取整改措施及對策。如果不匹配，則輸入到推理機，經(jīng)推理得出新的符合條件的事實存入事實庫，然后通過解釋機制解釋，將最有效的整改措施及對策輸出。同時學(xué)習(xí)模塊將事實庫中的信息存儲到知識庫中（即新的降低風(fēng)險措施）從而更新知識庫，待下次進行安全評價時如果評價結(jié)果與以前知識庫中的知識存在相似情況則系統(tǒng)會快速準(zhǔn)確檢索風(fēng)險降低措施，如果出現(xiàn)新的評價結(jié)果則系統(tǒng)會不斷學(xué)習(xí)將新的知識注入知識庫中從而提高整個評價系統(tǒng)的適應(yīng)性，機器學(xué)習(xí)的過程是一個不斷重復(fù)而又不斷提升的過程。

圖2 機器學(xué)習(xí)過程

2 應(yīng)用實例

以中國煙草總公司鄭州煙草研究院實驗室為評價對象。中國煙草總公司鄭州煙草研究院是中國煙草總公司直屬的煙草綜合性科研機構(gòu)，下設(shè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點實驗室、煙草工藝重點實驗室、煙草化學(xué)重點實驗室、煙草香料基礎(chǔ)研究重點實驗室四個研究室和國家煙草基因研究中心、中國煙草科技信息中心、中國煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心3個行業(yè)中心，主要從事煙葉栽培調(diào)制技術(shù)、煙草基因、卷煙加工工藝和配方、煙草化學(xué)、香精香料、打葉復(fù)烤、膨脹煙絲、煙草薄片、煙草加工設(shè)備、煙用儀器儀表、標(biāo)準(zhǔn)、檢驗、信息等方面的應(yīng)用基礎(chǔ)和共性技術(shù)研究；承擔(dān)卷煙廠、煙葉復(fù)烤廠工程設(shè)計和技術(shù)改造任務(wù)，學(xué)科范圍覆蓋從煙草栽培至卷煙生產(chǎn)的全過程。近年來，在借鑒國內(nèi)外先進的實驗室安全管理理念和管理標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，逐漸形成了具有煙草行業(yè)特色的實驗室安全管理體系。邀請26名與煙草行業(yè)實驗室密切相關(guān)的專家組成安全評價小組，根據(jù)他們的工作經(jīng)驗對各項指標(biāo)進行評分、評價。根據(jù)煙草行業(yè)實驗室特點，同時結(jié)合現(xiàn)行煙草行業(yè)實驗室安全管理規(guī)范，提出煙草行業(yè)實驗室安全管理影響因素，構(gòu)建煙草行業(yè)實驗室安全管理待定評價指標(biāo)及權(quán)重確定專家智慧調(diào)查表（見表1）。

表1 待定評價指標(biāo)及權(quán)重確定專家智慧調(diào)查表

根據(jù)專家群智慧，淘汰不重要指標(biāo)，建立正式評價指標(biāo)體系，同時采用層次分析法確定煙草行業(yè)實驗室安全評價準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重，結(jié)果見表2。

表2 準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重

將問題分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。然后，將下一層因素與上一層因素進行比較，建立評判矩陣。通過對評判矩陣計算，對各層次進行了單級排序和一致性檢驗。經(jīng)過相關(guān)分析和歸一化，得到相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重和模糊關(guān)系矩陣，最后利用模糊算子進行多級綜合評價，對安全運行管理進行綜合評價分析。

對于人的因素中的安全意識，53%的專家認為安全，32%的專家認為較為安全，13%認為一般安全，2%認為不太安全，評價集為｛0.53，0.32，0.13，0.02｝?；谕瑯拥脑恚瑢τ谏硇慕】?，65%的專家認為安全，31%的專家認為較為安全，4%認為一般安全，0%認為不太安全，評價集為｛0.65，0.31，0.04，0｝。實驗業(yè)務(wù)水平為｛0.31，0.37，0.32，0｝，個人防護為｛0.60，0.32，0.04，0.04｝，然后得到R1；同樣可得到R2，R3和R4。即：

采用M（·，⊕）算子，得到了人員B1，實驗室設(shè)備及藥品水平B2，實驗室環(huán)境水平B3和實驗室管理水平B4。

根據(jù)指標(biāo)層的得分向量，得到準(zhǔn)則層的綜合得分向量如下：

采用模糊綜合評分法，將3、2、1和0，即臨界值向量α=（3，2，1，0）賦給｛V1，V2，V3，V4｝，它們對應(yīng)｛安全，較為安全、一般安全、不安全｝，分別屬于向量B1、B2、B3和B4中的每個評價等級，然后目標(biāo)層的綜合評分可以表示為下面的等式：

分別計算各準(zhǔn)則層的指標(biāo)綜合得分：

根據(jù)安全檢查表給出的實驗室各目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的評分，可以通過機器學(xué)習(xí)檢索知識庫中相應(yīng)的糾正建議和措施，最后提出建議。實驗室綜合評分為2.395 5分，處于［安全，較為安全］的范圍內(nèi)，說明實驗室整體運行處于相對安全的水平。準(zhǔn)則層各指標(biāo)得分也在［安全、較為安全］范圍內(nèi)。為了從各個指標(biāo)層找出潛在的安全隱患，對各指標(biāo)層的得分進行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)人員實驗業(yè)務(wù)水平和事件控制能力不夠，需要進行整改。通過機器學(xué)習(xí)提取信息，將提高實驗人員學(xué)歷水平、加強實驗操作規(guī)范性、加大安全培訓(xùn)、強化預(yù)判和憂患意識、增強應(yīng)變技能等作為實驗室安全管理整改措施及對策。

3 結(jié) 語

（1）將多層模糊綜合評價與機器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，提出了基于FAHP與機器學(xué)習(xí)的煙草行業(yè)實驗室安全管理評價方法。

（2）以鄭州煙草研究院實驗室為評價對象，構(gòu)建了煙草行業(yè)實驗室安全管理待定評價指標(biāo)及權(quán)重確定專家智慧調(diào)查表，建立了正式評價指標(biāo)體系，確定了準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重。

（3）實例應(yīng)用表明，鄭州煙草研究院實驗室的綜合得分為2.3955分，表明該實驗室的總體運行水平處于相對安全的水平。綜合分析各指標(biāo)層的得分，發(fā)現(xiàn)實驗業(yè)務(wù)水平和事故控制能力方面存在不足，須整改，通過機器學(xué)習(xí)，提出了針對性整改措施及安全對策。

（4）應(yīng)用表明，該評價與傳統(tǒng)評價方法相比，評價結(jié)果更為可靠、直觀、準(zhǔn)確。