基于物元熵權(quán)模型的實驗項目的實驗室風(fēng)險評價

楊念哥， 陳碩琛， 鄧義芳

（中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083）

0 引 言

實驗教學(xué)是課程教學(xué)中不可或缺的組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和理論運用能力的重要途徑［1］。隨著國家對于大學(xué)生實踐教學(xué)環(huán)節(jié)重視程度的不斷提高，高校實驗室的規(guī)劃和建設(shè)也迎來了蓬勃發(fā)展，管理方式不斷改進(jìn)［2］。同時實驗教學(xué)項目與時俱進(jìn)；實驗教學(xué)項目的門類更加齊全；實驗教學(xué)項目的學(xué)生參與度不斷提高；隨著信息化建設(shè)的不斷深入，實驗教學(xué)的手段更加豐富［3］。高校實驗教學(xué)的蓬勃發(fā)展對實驗室安全管理與風(fēng)險評估提出了更高的要求。近年來，為探究新形勢下的高校實驗室安全相關(guān)工作，我國學(xué)者在廣泛深入實踐的基礎(chǔ)上，提出了很多行之有效的評價模型與管理方法［4-7］。在相關(guān)課題中，研究人員以實驗室整體作為研究對象對其安全狀態(tài)、潛在風(fēng)險點及改進(jìn)方法進(jìn)行研究與評價，但以實驗室內(nèi)進(jìn)行的各固定實驗項目入手，對實驗室的安全風(fēng)險進(jìn)行評估與管理的研究相對較少。因此本文在結(jié)合實驗室安全管理和風(fēng)險評估的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，將實驗室的風(fēng)險評估細(xì)化為具體的實驗項目評估，從“人、機(jī)、料、法、環(huán)”的角度出發(fā)，運用熵權(quán)法，確定各個指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，結(jié)合物元模型評價方法，建立高校教學(xué)實驗項目風(fēng)險評價模型，通過獲取實驗室內(nèi)每一個實驗項目的風(fēng)險信息，以此獲取實驗室風(fēng)險情況。以該模型為基礎(chǔ)，可以對不同類型實驗室管理方案提供參考，評價流程如圖1 所示。

圖1 基于實驗項目評價的實驗室風(fēng)險分析方法流程圖

1 實驗項目安全評價指標(biāo)的確定

基于多指標(biāo)評價對問題進(jìn)行分析時，評價指標(biāo)的確立往往對評價結(jié)果的準(zhǔn)確性與有效性有著決定性作用［8］。不同實驗室的運營模式和管理對象千差萬別，但是又有很大的共通之處，參考安全系統(tǒng)分析法［9］，實驗室不安全事故產(chǎn)生的原因可以分為3 類：人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境因素，以此為基礎(chǔ)，實驗室的安全管理評價從人、機(jī)、料、法、環(huán)5 個角度著手?，F(xiàn)將整個實驗項目安全風(fēng)險評價作為總體目標(biāo)層，在實驗室安全評價分析體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗項目的共通性，將總目標(biāo)層分為人、機(jī)器、材料、實驗室規(guī)程、環(huán)境的風(fēng)險5 個2 級目標(biāo)層，每個2 級目標(biāo)層下面又設(shè)有若干底層指標(biāo)?；隈T建躍教授等專家的“高校實驗室安全工作手冊”對底層指標(biāo)進(jìn)行一一確立［10］，細(xì)分了15 個具體評價項目作為底層指標(biāo)，建立實驗項目綜合安全評價體系，如圖2 所示。

圖2 實驗項目風(fēng)險評價指標(biāo)

2 實驗項目安全風(fēng)險等級劃分

根據(jù)《教育部關(guān)于加強高校實驗室安全工作的意見》［11］的要求，應(yīng)當(dāng)對實驗項目進(jìn)行系統(tǒng)的風(fēng)險等級評估，參考《建筑施工安全檢查標(biāo)準(zhǔn)》［12］中對施工安全的風(fēng)險分類方式，將實驗項目安全等級分為4 級，即Ⅰ級（風(fēng)險很?。?、Ⅱ級（風(fēng)險中等）、Ⅲ級（風(fēng)險較高）、Ⅳ級（風(fēng)險很高）。采取劃分評分區(qū)間的方式，對于各個指標(biāo)進(jìn)行量化分析，具體評分標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 實驗項目風(fēng)險等級評分標(biāo)準(zhǔn)

3 實驗項目安全風(fēng)險評估物元模型

（1）物元。對于具體的事物，一般可以用事物（N）、特征（C）、量值（V）3 個主要元素進(jìn)行表示，這3個元素即成為物元［13］。對于給定事物事物元N，若其有n個特征用C1…Cn表示，對應(yīng)n 個量值用V1…Vn表示，則該物元可用矩陣R描述：

當(dāng)描述m個特征相同的事物N1-Nm時，可以用復(fù)合矩陣對其進(jìn)行描述：

（2）經(jīng)典域。經(jīng)典域由物元特征及量值區(qū)間設(shè)置。若將事物分成h個等級，用Nj（j ＝1…h(huán)）表示第j個等級的事物；用Ci（i ＝1…n）表示第i個特征；用Vji（j ＝1…h(huán)，i ＝1…n）表示第j個等級下第i個特征的取值范圍。其中：

則經(jīng)典域可以表示為：

（3）節(jié)域。節(jié)域是特征量值范圍的集合。將Vpi表示第i個特征Ci的取值范圍則有：

節(jié)域Np可表示為：

（4）關(guān)聯(lián)函數(shù)的確立。關(guān)聯(lián)函數(shù)是用來描述事物對于評價等級隸屬程度的函數(shù)。根據(jù)物元模型理論其表達(dá)式為：

式中：Kxj（Vi）表示第x個待評價物元第i個指標(biāo)的第j個等級隸屬度；Vxi為第x 個待評價物元第i 個指標(biāo)的量值；Vji為經(jīng)典域內(nèi)第i 個指標(biāo)第j 個等級的量值范圍；Vpi為節(jié)域內(nèi)第i個指標(biāo)的量值范圍；G（x，X）為

（5）熵權(quán)模型的建立。熵是系統(tǒng)無序化的程度，熵權(quán)反映了各指標(biāo)所包含有用信息量的多少。熵權(quán)越大，說明指標(biāo)攜帶的有用信息量就多，反之亦然［14］。熵權(quán)法是一種依據(jù)數(shù)據(jù)中所含信息量大小來判斷指標(biāo)權(quán)重的分析方法［15］。在以某個具體的項目作為分析對象時，有m個待評價對象以及共同的n 個待評價具體指標(biāo)于是就可以得到一個由評價值組成的信息矩陣Y ＝（yij）m×n，其中yij為第i 個項目第j 項指標(biāo)的評分。對于得到的原始信息矩陣，首先需對其進(jìn)行無量綱化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣X ＝（xij）m×n；其中：

根據(jù)得到的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣計算每個指標(biāo)的熵值e：

式中，k ＝（ln n）－1，由此得到每個指標(biāo)的熵權(quán)w：

（6）綜合關(guān)聯(lián)度及評價等級的確立。根據(jù)式（7）可以確立物元第i個評價指標(biāo)關(guān)于第j 等級的隸屬度參數(shù)，同時結(jié)合式（11）確立的第i 個評價指標(biāo)熵權(quán)Wi，可得待測物元N關(guān)于第j個等級的綜合關(guān)聯(lián)度為：

令

則物元N所屬的綜合評價等級為j級。

4 案例分析

為驗證建立的分析模型對實驗室的安全風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性和有效性，現(xiàn)選取某高校環(huán)境工程實驗作為主體，根據(jù)圖1 的相關(guān)步驟，對其進(jìn)行風(fēng)險評估。

4.1 物元模型的建立

該實驗室主要承擔(dān)水質(zhì)檢測等5 個項目的實驗任務(wù)。因此以該5 個實驗項目作為評價對象，邀請由來自相關(guān)課程理論教學(xué)老師、實驗室安全督導(dǎo)專員等專家組成的專家組對實驗項目進(jìn)行安全風(fēng)險評估。專家組參照表1 的評價規(guī)則，對每個細(xì)分指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)評分，最后被得到的評分如表2 所示。將每個實驗項目作為一個物元，則實驗項目、評價指標(biāo)、專家評分共同組成了物元矩陣；根據(jù)表1 的評分標(biāo)準(zhǔn)，則可以確定經(jīng)典域和節(jié)域。同時將4 個風(fēng)險等級關(guān)聯(lián)度定義為K1（N）、K2（N）、K3（N）、K4（N）。

4.2 熵權(quán)指標(biāo)計算

根據(jù)式（9）～（11）可以求得15 個評價指標(biāo)的權(quán)重如表2 所示。由權(quán)重信息可知，該實驗室的安全風(fēng)險來源中人員風(fēng)險權(quán)重為0.142（0.044 ＋0.053 ＋0.045）；機(jī)器的風(fēng)險權(quán)重為0.232（0.103 ＋0.088 ＋0.041）；實驗原料的風(fēng)險權(quán)重為0.352（0.270 ＋0.041＋0.041）；實驗規(guī)程的風(fēng)險權(quán)重為0.134（0.043 ＋0.046 ＋0.045）；環(huán)境的風(fēng)險權(quán)重為0.141（0.044 ＋0.041 ＋0.056）。從2 級目標(biāo)層來看，該實驗室的風(fēng)險點主要來自實驗原料和機(jī)器設(shè)備，這也與實驗室運行過程中的實際相符合：在實驗課程教學(xué)中該實驗室進(jìn)行的實驗的成熟度高，學(xué)生對實驗原理的掌握循序漸進(jìn)，教師技術(shù)嫻熟，同時實驗室用途固定，場地維護(hù)較好，因此來自“人、法、環(huán)”的風(fēng)險一般較為較小。而在實驗項目中存在的涉及危險的原材料和由于機(jī)器狀態(tài)不同帶來的一些潛在風(fēng)險往往是需要關(guān)注的重點。對于底層指標(biāo)的權(quán)重分析則可以得到其風(fēng)險點主要來自于化學(xué)原料和機(jī)器設(shè)備的保養(yǎng)狀態(tài)及使用年限上，需要重點關(guān)注。

表2 各個實驗項目風(fēng)險評分信息及權(quán)重指標(biāo)

4.3 項目風(fēng)險等級及實驗室風(fēng)險等級分析

將得到的權(quán)重指標(biāo)代入式（12）可得各個實驗項目的風(fēng)險綜合關(guān)聯(lián)度如表3 所示。由風(fēng)險等級評價結(jié)果可知，在該實驗室內(nèi)進(jìn)行的5 個實驗項目其安全風(fēng)險等級都為一級，處于風(fēng)險較小的等級，因此所有實驗項目均可在現(xiàn)有條件下安全開展，該實驗室的風(fēng)險較小，與實際情況相吻合。

表3 實驗項目風(fēng)險綜合關(guān)聯(lián)度及風(fēng)險等級

5 結(jié) 論

將實驗室的風(fēng)險評價分解為具體實驗項目的風(fēng)險評價，以人的風(fēng)險、機(jī)器的風(fēng)險、實驗原料的風(fēng)險、操作規(guī)程的風(fēng)險、環(huán)境的風(fēng)險5 個二層評價指標(biāo)為抓手建立風(fēng)險評價體系。運用該評價體系結(jié)合物元法和熵權(quán)法得到實驗室風(fēng)險信息。通過以上流程為實驗室安全風(fēng)險評估提供了一種新方法。該方法能夠較為全面有針對性地對實驗室內(nèi)各個實驗項目的風(fēng)險等級進(jìn)行評價，從而得到實驗室整體風(fēng)險狀態(tài)，同時由于引入權(quán)重指標(biāo)，該方法也可以對風(fēng)險點來源進(jìn)行判斷，找到風(fēng)險管理的切入點，為實驗室的安全管理提供依據(jù)。通過實例分析，利用該方法建立的模型與實際情況吻合度高，驗證了該方法的準(zhǔn)確性。