基于ISM和ANP的高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理

陽(yáng)富強(qiáng)，蔡逸倫，宋雨澤

(福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，福州 350116)

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室是高校開展教學(xué)、科研工作的重要依托，是體現(xiàn)高校科研實(shí)力的主要指標(biāo)。隨著各大高校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入持續(xù)加大，精密復(fù)雜儀器不斷引進(jìn)，高校實(shí)驗(yàn)室的科研水平得到顯著提升，各種高水平、綜合型實(shí)驗(yàn)室不斷涌現(xiàn)。與此同時(shí)，高校實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)事故隱患也隨之增多，實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生[1]。如2015年12月，清華大學(xué)化學(xué)系實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，致1名博士后遇難；2016年9月，東華大學(xué)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆炸，致2名學(xué)生重傷；2017年3月，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)西樓一實(shí)驗(yàn)室爆炸，致1名學(xué)生左手大面積創(chuàng)傷等。由此可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故不僅導(dǎo)致人員傷亡及設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失，甚至造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。

與傳統(tǒng)的工業(yè)火災(zāi)相比，實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)在成因機(jī)理上存在一定的特殊性，主要是由于高校實(shí)驗(yàn)室具有如下特點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)室在日常使用過(guò)程中電力負(fù)載大；實(shí)驗(yàn)中所涉及的易燃易爆化學(xué)品數(shù)量大、種類繁多；接觸人員多為安全意識(shí)比較薄弱的學(xué)生；使用時(shí)間過(guò)于集中、人員組成復(fù)雜、流動(dòng)性大等；同時(shí)實(shí)驗(yàn)室還存放有氣瓶、反應(yīng)容器等特種設(shè)備，一些特殊實(shí)驗(yàn)還要求高溫、高壓等實(shí)驗(yàn)條件，造成實(shí)驗(yàn)室的火災(zāi)安全具有隱患多、蔓延快、撲救難度大、損失高昂等特點(diǎn)[2-4]。近年來(lái)我國(guó)高校科研水平顯著提升，高校實(shí)驗(yàn)室管理人員的工作量也隨之增大，高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理面臨著更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

目前，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理的研究主要側(cè)重于建立高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的指標(biāo)體系，確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[5-6]，而缺少對(duì)影響高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理的因素及各影響因素間關(guān)聯(lián)的研究。解釋結(jié)構(gòu)模型(ISM)作為系統(tǒng)工程的分析方法，已成功應(yīng)用于煤礦井下安全氛圍影響因素分析[7]、特種設(shè)備安全監(jiān)管體系構(gòu)建[8]、地震應(yīng)急管理能力評(píng)估[9]等領(lǐng)域。該方法逐步分析系統(tǒng)內(nèi)部具有關(guān)聯(lián)性的各要素，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型，簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)模型結(jié)構(gòu)找出最重要的影響因素，可應(yīng)用于分析具有較多影響因素的體系[10-11]。因此，本文以消防理論為基礎(chǔ)，結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，通過(guò)ISM法，分析導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的各個(gè)因素之間的相互聯(lián)系，構(gòu)建高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的ISM模型，繪制各影響因素間的多級(jí)階梯有向圖；采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)確定各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，為高校實(shí)驗(yàn)室提高安全管理水平提供依據(jù)。

1 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全I(xiàn)SM建模

1.1 影響高校實(shí)驗(yàn)室消防安全因素分析

解釋結(jié)構(gòu)模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)方法對(duì)若干具有內(nèi)部關(guān)聯(lián)性的要素進(jìn)行分析，以多級(jí)階梯結(jié)構(gòu)模型來(lái)闡述復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題。

ISM建模流程可概括為5個(gè)步驟：組織建立實(shí)施ISM小組；確定待解決系統(tǒng)問(wèn)題；分析確定系統(tǒng)的組成要素；根據(jù)要素關(guān)系建立臨接矩陣，進(jìn)一步構(gòu)建可達(dá)矩陣；對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行分解后建立結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)ISM理論的建模流程，首先確定可導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室發(fā)生火災(zāi)的影響因素，根據(jù)各因素間的內(nèi)在聯(lián)系構(gòu)建鄰接矩陣、可達(dá)矩陣，最終建立多級(jí)遞階ISM模型并提出有針對(duì)性解決對(duì)策。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[12-13]，結(jié)合高校實(shí)驗(yàn)室實(shí)際特點(diǎn)，從人—物—環(huán)境—管理4個(gè)維度選取了17個(gè)主要影響因素(見(jiàn)圖1)。

圖1 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理體系

1.2 建立鄰接矩陣

通過(guò)專家打分以及訪談咨詢法，確定了17個(gè)要素中兩兩相對(duì)的影響關(guān)系。若Qi對(duì)Qj有影響在矩陣相應(yīng)位置記做1，若Qi對(duì)Qj無(wú)影響，則記做0，根據(jù)兩兩要素間的內(nèi)在聯(lián)系能夠確定因素之間的相互關(guān)系。

(1)

則其鄰接矩陣

1.3 建立可達(dá)矩陣

可達(dá)矩陣(用R表示)是用矩陣形式來(lái)描述有向連接圖各節(jié)點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的通路后可以到達(dá)的程度。將相鄰矩陣R與單位矩陣I相加后驗(yàn)算求得。

(2)

利用布爾代數(shù)運(yùn)算規(guī)則(0+0=0,0+1=1，1+0=1，1+1=1；0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1)進(jìn)行計(jì)算，直到滿足：

Ar=Ar-1

(3)

經(jīng)計(jì)算得到：

M=A4=A5

1.4 建立ISM遞階結(jié)構(gòu)模型

以可達(dá)矩陣為基礎(chǔ)，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)要素進(jìn)行分級(jí)。要素Qi所能影響到其他要素的集合記為可達(dá)集合R(Qi)，R(Qi)與能夠影響要素Qi共同構(gòu)成先行集合A(Si)，最后找出所有能夠影響要素Qi，并受要素Qi所影響的集合記為共同集合C(qi)，C(qi)是具有雙向傳遞的要素集合，C(qi)=R(qi)∩A(qi)。若R(qi)=R(qi)∩A(qi)，則R(Qi)為優(yōu)先級(jí)最高的因素集，記為1級(jí)。隨后，從鄰接矩陣R中刪去要素Qi所在行列后可得新矩陣B1，按照相同計(jì)算方法對(duì)矩陣B1進(jìn)行計(jì)算，可得所有滿足條件的次級(jí)因素集及新矩陣B2。用B1,B2,…,Bn分別表示優(yōu)先級(jí)從高到低的因素集。

據(jù)此建立高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的ISM模型，如圖2所示。

圖2 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的ISM模型

1.5 結(jié)構(gòu)模型分析

由圖2可知，高校實(shí)驗(yàn)室消防安全體系是一個(gè)具有多層遞階有向結(jié)構(gòu)的復(fù)雜系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員、物料及儀器設(shè)備、建筑物及外部環(huán)境和消防安全管理4個(gè)維度之間的17個(gè)要素交互作用，相互影響，高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)影響因素的交互關(guān)系如下：

(1)表層直接影響因素。包括危化品的存放與使用、設(shè)備布置與防護(hù)、消防平面布置、應(yīng)急預(yù)案與應(yīng)急處置方案、單位面積可燃物數(shù)量、日常消防安全檢查、儀器設(shè)備管理、消防器材配置。可以看出易燃易爆危險(xiǎn)品的存放數(shù)量與使用方式、儀器設(shè)備的布置與使用以及消防平面布置與消防器材的配備等是導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生的直接原因，也是保障高校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)、科研工作安全開展務(wù)必要重視的直接影響因素。

(2)中間層間接影響因素。包括實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境、危化品管理、物料的危險(xiǎn)性、建筑物耐火等級(jí)、供電及給排水系統(tǒng)。其中，危化品管理、物料的危險(xiǎn)性與單位可燃物數(shù)量相關(guān)，進(jìn)而影響危化品的存放與使用；實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境也是危化品管理需要考慮的因素之一，同時(shí)也關(guān)系到儀器、反應(yīng)的正常運(yùn)行與否；建筑物的耐火等級(jí)的問(wèn)題主要集中于歷史悠久的高校中，不少實(shí)驗(yàn)樓的設(shè)計(jì)施工已無(wú)法滿足現(xiàn)在的要求，是高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生的間接影響因素；電氣火災(zāi)是實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的主要形式之一，其深層原因就包括供電及給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理。

(3)深層根本影響因素。包括實(shí)驗(yàn)操作技能、專業(yè)理論知識(shí)、消防安全意識(shí)、消防安全教育。這幾個(gè)要素主要與實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員相關(guān)，它們是高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故背后的深層根本原因。高校實(shí)驗(yàn)管理人員對(duì)消防工作的重要性認(rèn)識(shí)不足，未掌握必要的理論知識(shí)與操作技能、沒(méi)有對(duì)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行安全教育和安全知識(shí)培訓(xùn)，操作人員安全意識(shí)淡薄、麻痹大意等因素，易導(dǎo)致人為失誤，最終釀成火災(zāi)。高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故是人—物—環(huán)—管各因素共同作用的結(jié)果，要保障高校實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)治久安，必須提升實(shí)驗(yàn)人員的素質(zhì)，加強(qiáng)理論與操作技能學(xué)習(xí)，完善消防安全教育，提高消防安全意識(shí)。

2 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的ANP 模型

根據(jù)高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的ISM模型可以看出，高校實(shí)驗(yàn)室消防安全受實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員、物料及儀器設(shè)備、建筑物及外部環(huán)境和消防安全管理4個(gè)維度17個(gè)要素相互交叉影響，具有很強(qiáng)的內(nèi)部關(guān)聯(lián)性。ANP是一種適應(yīng)非獨(dú)立遞階層次結(jié)構(gòu)的決策方法，是在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的一種新實(shí)用決策方法，尤其適用于內(nèi)部存在依存和反饋關(guān)系的復(fù)雜決策系統(tǒng)[14]。由于ANP的計(jì)算極為復(fù)雜，難以通過(guò)人工計(jì)算得出結(jié)果，因此本文借助SD(Super Decision)軟件進(jìn)行計(jì)算[15]。

2.1 構(gòu)建ANP結(jié)構(gòu)

根據(jù)ANP模型原理，將高校實(shí)驗(yàn)室消防安全影響因素劃分為兩個(gè)部分[16]：①網(wǎng)絡(luò)控制層，包含分析的目標(biāo)，即高校實(shí)驗(yàn)室消防安全；②影響網(wǎng)絡(luò)層，是人—物—環(huán)—管4維度17要素組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)果。根據(jù)上文ISM模型結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的ANP結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全影響因素ANP模型圖

2.2 構(gòu)建無(wú)權(quán)重超矩陣

根據(jù)準(zhǔn)則指標(biāo)兩兩比較的判斷矩陣，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，將獲得的特征向量組合起來(lái)即為無(wú)權(quán)重超矩陣W。若控制層元素為Q1，Q2，…，Qn，網(wǎng)絡(luò)層元素為C1，C2，…，Cn，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)層元素Ci有元素Ci1，Ci2，…,Cin(i= 1，2，…，n)。以控制層元素Si為準(zhǔn)則，網(wǎng)絡(luò)層元素Cjk(k= 1，2，…，n)為次準(zhǔn)則，比較Ci對(duì)Cjk的影響力大小，得優(yōu)勢(shì)度比較矩陣，對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，最后可得無(wú)權(quán)重超矩陣W(見(jiàn)表1)。

表1 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全影響因素的無(wú)權(quán)重超矩陣W

2.3 構(gòu)建權(quán)重超矩陣

把每一層次作為一個(gè)參考要素，以此為準(zhǔn)則進(jìn)行其它元素的成對(duì)比較，得出判斷矩陣Pj，歸一化后得到特征向量(p1j，p2j，…，pnj)T，將各層次特征向量組合，最終得到整體加權(quán)矩陣P。將加權(quán)矩陣P與無(wú)權(quán)重超矩陣W相乘，即可得權(quán)重超矩陣W*(見(jiàn)表2)。

2.4 影響因素權(quán)重

通過(guò)SD軟件，進(jìn)一步計(jì)算出高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的極限超矩陣Ws，Ws中每行出現(xiàn)的相同數(shù)字，即為該行元素對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室消防安全的相對(duì)權(quán)重，由于篇幅有限，不再列出極限超矩陣Ws。由計(jì)算結(jié)果可得，C11至C44對(duì)實(shí)驗(yàn)室消防安全影響力的權(quán)重分別為0.093，0.071，0062，0.063，0.031，0.157，0.074，0.091，0.017，0.037，0.016，0.047，0.012，0.073，0.061，0.034，0.062。通過(guò)ANP分析結(jié)果可以看出，危化品的使用與存放、安全意識(shí)、消防設(shè)配配置、儀器設(shè)備管理、日常消防安全檢查、專業(yè)理論知識(shí)是導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生的主要因素，在實(shí)驗(yàn)室管理中需要對(duì)這些因素加強(qiáng)管理以保障實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行。

通過(guò)ANP結(jié)果可得體系模型準(zhǔn)則層的權(quán)重順序?yàn)椋何锪霞皟x器設(shè)備(0.380)、實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員素質(zhì)(0.289)、消防安全管理(0.230)、建筑物及外部環(huán)境(0.129)。從人、物料、環(huán)境、管理4方面來(lái)說(shuō)，物料對(duì)預(yù)防實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)具有更顯著的作用，危險(xiǎn)物料及復(fù)雜儀器設(shè)備是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生的直接原因，在日常管理中需要重點(diǎn)防范。實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員素質(zhì)是實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生的深層根本原因，但其對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全與否的影響也極為重要，加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)者的安全教育，加深專業(yè)理論知識(shí)與實(shí)驗(yàn)操作技能的學(xué)習(xí)，提高安全意識(shí)，是降低人為失誤的有效手段。行之有效的安全管理也是切斷事故鏈的主要方法，通過(guò)加強(qiáng)日常消防安全檢查，規(guī)范危化品、儀器設(shè)備的管理，制定應(yīng)急預(yù)案等來(lái)降低實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故發(fā)生的危險(xiǎn)性。

表2 高校實(shí)驗(yàn)室消防安全影響因素的加重超矩陣W*

3 結(jié) 論

(1)針對(duì)實(shí)驗(yàn)室消防安全管理的實(shí)際特點(diǎn)，從人、物料、環(huán)境、管理4方面分析總結(jié)出高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理的17個(gè)要素，運(yùn)用ISM模型對(duì)各要素進(jìn)行分析，得到ISM的3層遞階模型，將17個(gè)要素劃分為表層直接原因、中間層間接原因、深層根本原因，發(fā)現(xiàn)安全意識(shí)、專業(yè)理論知識(shí)、實(shí)驗(yàn)操作節(jié)能、安全教育培訓(xùn)是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)事故發(fā)生的深層根本原因。

(2)采用ANP網(wǎng)絡(luò)確定出各級(jí)因素權(quán)重，表明危化品的使用與存放、安全意識(shí)、消防設(shè)配配置、儀器設(shè)備管理、日常消防安全檢查、專業(yè)理論知識(shí)為實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的主要影響因素。

(3)根據(jù)ISM與ANP的分析結(jié)果，物料及儀器設(shè)備是導(dǎo)致高校實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)發(fā)生的直接原因，是高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理的重點(diǎn)防范對(duì)象。此外，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員素質(zhì)雖然不直接導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)的發(fā)生，但作為深層根本原因，所占綜合權(quán)重較高，是進(jìn)行高校實(shí)驗(yàn)室消防安全管理中不能忽視的重要環(huán)節(jié)。