基于組合賦權(quán)云模型的高校實驗室綜合安全評價

劉 輝， 唐彩萍， 祁 兵

（吉林建筑大學(xué)應(yīng)急科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118）

0 引 言

實驗室是高校開展實驗教學(xué)和科學(xué)研究的重要平臺，也是對學(xué)生實驗操作能力和科技創(chuàng)新水平培養(yǎng)的重要載體。隨著高校招生規(guī)模的不斷擴大，實驗室數(shù)量不斷增多，由于其所含危險有害因素種類繁多，且涉及易燃、易爆、劇毒等危險物質(zhì)［1］，高校實驗室事故時有發(fā)生，引起了社會的普遍關(guān)注。如2018 年11 月11日，南京某高校實驗室在試驗過程中發(fā)生爆燃，導(dǎo)致導(dǎo)致幾名師生受傷［2］；同年12 月，在北京一高校實驗室發(fā)生爆炸事故，3 名研究生不幸身亡［3］。實驗室安全不僅與高校師生的生命財產(chǎn)安全息息相關(guān)，同時還關(guān)系到學(xué)校和社會的安全穩(wěn)定。2017 年2 月教育部辦公廳發(fā)布《關(guān)于加強高校實驗室安全工作的通知》，2019 年1 月教育部辦公廳公布《關(guān)于進(jìn)一步加強高校教學(xué)實驗室安全檢查工作的通知》，2019 年5 月教育部發(fā)布《關(guān)于加強高校實驗室安全工作的意見》，教育部相繼發(fā)布了3 份關(guān)于高校實驗室安全的規(guī)范性文件，不斷加強對高校實驗室的安全管理。因此，對高校實驗室進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的安全評價，以此來掌握高校實驗室整體安全狀況，對于預(yù)防實驗室事故發(fā)生具有重要意義。

目前國內(nèi)高校研究學(xué)者對關(guān)于實驗室安全評價進(jìn)行了研究并取得了一些成果。王洋［4］針對目前高校生物實驗室安全現(xiàn)狀，采用層次分析原理對影響生物實驗室安全的不同因素進(jìn)行了分析。曹以等［5］在分析工科類高校實驗室安全管理特點的基礎(chǔ)上，通過層次分析法和模糊綜合評價兩種方法對某高校的實驗室進(jìn)行安全評價。張佳明等［6］以機械類高校實驗室為例，對粒子群算法的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評價模型進(jìn)行改進(jìn)，該模型不僅引入了非線性函數(shù)對其優(yōu)化，還確定了最優(yōu)的函數(shù)調(diào)整因子。楊巍等［7］針對工程實驗室建立安全風(fēng)險等級綜合集成評估模型（DHEGF），并對該模型的適用性進(jìn)行了分析。姜峰等［8］運用模糊綜合評價方法，從定性與定量兩方面分別對化學(xué)實驗室安全進(jìn)行了分析，建立了化學(xué)實驗室安全評價體系。實驗室安全評價研究目前主要集中在不同類型實驗室且評價過程主觀性較強，而基于主客觀組合賦權(quán)的云模型綜合評價在高校實驗室安全評價方面鮮見。

本文著眼于高校實驗室總體安全狀況，在從安全管理體制機制、安全宣傳教育、危險源管理、安全設(shè)施與環(huán)境、安全應(yīng)急能力5 個方面構(gòu)建高校實驗室安全評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，提出采用AHP法和熵權(quán)法的組合賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重，最后運用云模型評價法對高校實驗室進(jìn)行整體安全評價，為科學(xué)、規(guī)范地對實驗室進(jìn)行安全管理提供依據(jù)和保障。

1 高校實驗室安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建

評價指標(biāo)的構(gòu)建是實驗室安全評價的第1 步，合理地選取指標(biāo)可以提高實驗室安全管理評價的準(zhǔn)確性和科學(xué)性［9］。構(gòu)建評價指標(biāo)體系首先將目標(biāo)層進(jìn)行分解，分解為若干準(zhǔn)則層（1 級指標(biāo)），再以準(zhǔn)則層為目標(biāo)分解實施層（2 級指標(biāo)）的各項因素指標(biāo)，構(gòu)建評價指標(biāo)體系。

本文主要依據(jù)教育部發(fā)布的《高校教學(xué)實驗室安全工作檢查要點（2019 版）》內(nèi)容［10］，并結(jié)合相關(guān)學(xué)者［11-13］研究成果，構(gòu)建了高校實驗室安全評價指標(biāo)體系，如圖1 所示。

圖1 高校實驗室安全評價指標(biāo)體系

2 高校實驗室安全評價指標(biāo)權(quán)重確定

2.1 AHP法確定主觀權(quán)重

（1）列出指標(biāo)因素集。U為目標(biāo)層，U1，U2，…，Um為一級指標(biāo)；U11，U12，…，Umn為2 級指標(biāo)。

（2）構(gòu)造判斷矩陣A=（aij）m×m。使用1 ～9 重要性標(biāo)度建立實驗室安全評價指標(biāo)體系中各級指標(biāo)之間的相對重要性。

（3）指標(biāo)權(quán)重的確定與最大特征值。通過計算得出各指標(biāo)的權(quán)重ωi（i=1，2，…，m），帶有偏差的最大特征值為

（4）一致性檢驗。計算一致性指標(biāo)

式中：n為一致性矩陣具有的最大特征值，并計算一致性比率CR=CI/RI［14］。

當(dāng)CR＜0.10 時，該判斷矩陣符合一致性檢驗要求，否則必須調(diào)整判斷矩陣。

2.2 熵權(quán)法確定客觀權(quán)重

（1）構(gòu)建原始化矩陣和標(biāo)準(zhǔn)矩陣。現(xiàn)有n個評價指標(biāo)，每個指標(biāo)有m專家評價，形成原始數(shù)據(jù)判斷矩陣X=（xij）m×n，進(jìn)行歸一化處理后得標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y=（Xij）m×n，則

式中，max（Xi）、min（Xi）分別為不同評價數(shù)列的同一指標(biāo)最大和最小值。

（2）計算各指標(biāo)的信息熵Pij為第j個指標(biāo)在第i個系統(tǒng)中的特征比重。

（3）計算評價指標(biāo)的熵權(quán)。計算第j個評價指標(biāo)的熵權(quán)為［15］

2.3 組合權(quán)重的確定

根據(jù)主觀權(quán)重和客觀權(quán)重，得到各評價指標(biāo)的組合權(quán)重，計算式為：

式中：Wi表示組合權(quán)重；wi表示主觀權(quán)重；wij表示客觀權(quán)重；α取0.7。

3 高校實驗室安全評價模型——云模型

（1）構(gòu)建評價集。采用專家打分方式對每個評價指標(biāo)進(jìn)行等級評價，分別表示非常危險、危險、一般、安全、非常安全5 個評價等級。根據(jù)相關(guān)專家的經(jīng)驗、知識與智慧獲得評價集。

（2）計算標(biāo)準(zhǔn)評價云。根據(jù)評價集將各個指標(biāo)評價值的有效論域H劃分為x個子區(qū)間，其中，第v個子區(qū)間為［min，max］，該子區(qū)間對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)云的數(shù)字特征值為（Ex，En，He），計算表達(dá)式如下：

式中，cmax、cmin分別為專家打分的最大與最小值。

（3）計算第j個指標(biāo)評價云為Cj（Exj，Enj，Hej），j=1，2，…，n。則有：

式中：xi為樣本中的數(shù)值；表示數(shù)據(jù)樣本均值；S2表示樣本方差；n為樣本的數(shù)量。

（4）計算綜合評價云。通過計算期望Ex、熵En、超熵He3 個數(shù)字特征值來表示［16］，計算式如下：

計算出綜合評價云后，對比得到的綜合評價云圖與評價標(biāo)準(zhǔn)云圖，觀察與綜合評價云圖最為相似的指標(biāo)云圖，從而確定高校實驗室所處的安全等級［16］。

4 案例分析

某高校擁有建筑綜合實驗中心、材料工程實驗中心、力學(xué)與工程訓(xùn)練中心、土木工程實驗中心等11 個實驗中心，存在實驗項目類、儀器設(shè)備類、試劑耗材類、廢棄物類等典型安全風(fēng)險。

4.1 指標(biāo)權(quán)重計算

邀請10 名專家對指標(biāo)權(quán)重間重要程度打分，運用AHP法計算主觀權(quán)重。根據(jù)式（3）～（6）運用熵權(quán)法計算客觀權(quán)重。根據(jù)式（7）計算組合權(quán)重。指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果如表1 所示（見下頁）。

4.2 云模型綜合安全評價

4.2.1 確定高校實驗室標(biāo)準(zhǔn)云

采用數(shù)字分級將高校實驗室安全等級分為5 級，值越大代表越安全。根據(jù)高校實驗室實際情況，各安全等級的得分區(qū)間分別為（0 ～30］，（30 ～60］，（60 ～

80］，（80 ～90］，（90 ～100］，K取值為0. 1。根據(jù)式（8）計算標(biāo)準(zhǔn)云。本文確定He為0.1。該高校實驗室安全等級標(biāo)準(zhǔn)云如表2 所示（見下頁）。通過MATLAB編程得到標(biāo)準(zhǔn)云圖，如圖2 所示。

圖2 實驗室標(biāo)準(zhǔn)云圖

4.2.2 確定高校實驗室評價云

請專家對該校實驗室安全情況進(jìn)行評價，根據(jù)式（9）計算得到該校實驗室各指標(biāo)評價云，結(jié)果見表3。運用式（10）各評價指標(biāo)云得到該高校實驗室總評價云C（86.6，2.48，0.48）。

表1 指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

表2 實驗室安全等級標(biāo)準(zhǔn)云

4.2.3 確定高校實驗室安全等級

根據(jù)該校實驗室的綜合云C（86.6，2.48，0.48）繪制綜合評價云圖，通過觀察該云圖與標(biāo)準(zhǔn)云圖（如圖3所示），該綜合云圖在等級為“安全”和“非常安全”上均有分布，進(jìn)一步分析數(shù)字特征與云圖，判斷該云圖與等級為“安全”的標(biāo)準(zhǔn)云最為相似，所以確定該校實驗室安全評價等級為“安全”。由此說明該校實驗室可以在安全狀態(tài)下運行，但在安全信息化建設(shè)、危險物廢棄物處置、設(shè)施、設(shè)備布局方面還存在提升空間，需要以后不斷的加以完善，防止向一般風(fēng)險轉(zhuǎn)變。

圖3 實驗室安全評價云與各等級標(biāo)準(zhǔn)云對比

表3 指標(biāo)評價云

5 結(jié) 論

（1）從安全管理體制機制、安全宣傳教育、危險源管理、安全設(shè)施與環(huán)境、安全應(yīng)急能力等5 個方面建立了高校實驗室安全評價指標(biāo)體系，能夠反映高校實驗室安全狀況所需的各種因素，在采用AHP法和熵權(quán)法分別確定指標(biāo)主客觀權(quán)重的基礎(chǔ)上，綜合得到各指標(biāo)的組合權(quán)重，能夠客觀反映指標(biāo)重要程度，為高校實驗室安全評價提供可靠數(shù)據(jù)依據(jù)。

（2）應(yīng)用云模型建立高校實驗室安全評價模型，能夠掌握高校實驗室整體安全狀況，得到高校實驗室整體安全等級。

（3）本高校實驗室安全評價指標(biāo)體系具有通用性，但未考慮各類型高校和各學(xué)科實驗室的差異化，后續(xù)可考慮采用組合賦權(quán)云模型對不同類型高校的不同學(xué)科實驗室進(jìn)行安全評價，以適應(yīng)不同類高校和不同學(xué)科實驗室的安全評價。