高等級生物安全實驗室生物安全風險評估系統的研究

何媛 施海晶 楊章志 代青 楊要兵 陳詠

摘 要：本文探討了高等級生物安全實驗室在生物安全風險評估活動中存在的問題。結合故障樹分析、模糊綜合評價法建立了實驗室生物安全風險評估模型，實現了生物安全風險的定性及定量評估。依據該風險評估模型，并結合實驗室生物安全風險管理的相關要求，構建了生物安全風險評估計算機系統，將風險識別、分析、評價、應對等風險管理過程與內控管理過程在業務流程、工具手段、方式方法等多方面貫通和整合。

關鍵詞：生物安全;風險評估;故障樹分析;模糊綜合評價

中圖分類號：Q-338 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0235-04

0 引言

生物安全實驗室是用于微生物菌種保藏、科學研究、臨床、生產中開展有關內源性和外源性病原微生物工作的場所，在這種實驗室內所操作的病原微生物一旦發生外環境泄漏事故，極有可能給人群、動物或植物帶來不可預計的危害[1]。根據實驗室對病原微生物的防護水平，國際上將生物安全實驗室分為四級，一級風險最低，四級最高，把三、四級定義為高等級生物安全實驗室。

隨著2001年美國炭疽郵件事件，2003年SARS疫情暴發，以及近年來H1N1流感，H5N1、H7N9等禽流感疫情的反復流行，生物恐怖和生物威脅的形勢愈演愈烈，高等級生物安全實驗室的建設越來越受到各個國家的重視，只有具備這樣的硬件設施，才有可能進行高致病生物因子的研究，才能具備防范、控制重大疫情傳播的能力[2]。

1 風險評估的作用

開展生物安全實驗室風險評估，并根據風險評估結果落實相應的風險控制措施，是實驗室風險管理的核心工作之一。通過風險評估，決策者及有關各方可以更深刻地理解可能影響實驗室生物安全的風險，以及現有風險控制措施的充分性和有效性。風險評估是由風險識別、風險分析和風險評價構成的一個完整過程，風險評估內嵌于風險管理過程中，與其他風險管理活動緊密融合并互相推動[3]。

2 生物安全風險評估存在的問題

目前，我國在生物安全實驗室風險評估中主要存在以下問題：

（1）風險評估活動的主體參與人員為微生物學、醫學、生物技術等專業人員，缺乏暖通、給排水、電氣等專業人員，在風險評估中易對該部分的風險識別不足。（2）在風險評估過程中，報告編制人員普遍采用頭腦風暴法、情景分析、檢查表法等簡單易行但難以全面及定量化的風險評估技術。故障樹分析、事件樹分析、模糊綜合評價法等能全面識別風險并可定量分析的方法因過于專業、復雜，需要多學科專業人員共同參與而難以廣泛采用。（3）風險評估人員對生物安全風險評估應用的理解和認識還不到位，風險評估結果和管理體系對應關系不清晰，未能將風險評估活動融入到實驗室日常運行管理中，沒有真正發揮風險評估及風險控制的作用。

為提升高等級生物安全實驗室在風險評估及內控管理方面的能力，并將風險評估活動融入到實驗室日常運行管理中，亟需建立一套易于操作且又評估準確的生物安全風險評估系統。

3 生物安全風險評估系統

本文構建的生物安全風險評估系統功能藍圖如圖1所示。系統前端為風險監測及應對措施、實驗室活動申請及風險評估兩個應用;中間的功能單元是為支撐前端應用的而設置的相關管理功能;底層則為集成的實驗室動環系統、門禁系統、自控系統及旁路監測系統的監測、報警數據。

3.1 實驗室活動申請及風險評估

實驗室活動申請及風險評估應用的主要功能是進行實驗活動申請、風險評估并輸出評估報告。其核心是以高等級生物安全實驗室各運行的軟、硬件系統為基礎，結合故障樹分析、模糊綜合評價法構建生物安全風險評估模型，再依據生物安全風險管理的相關要求，構建了生物安全風險評估流程。

通過該應用，實現了風險評估與內部控制工作的全面、深度融合，將風險識別、分析、評價、應對等風險管理過程與內控管理過程在業務流程、工具手段、方式方法等多方面貫通和整合，實現風險評估與內部控制工作的完整、有效和無縫對接。

3.1.1 故障樹分析

故障樹分析是用來識別和分析造成特定不良事件（稱作頂事件）的可能因素的技術。國標《風險管理風險評估技術，GB/T27921-2011》對故障樹分析方法有詳細描述，本文對其略過不表。曹國慶、王榮、周永運等人對故障樹分析方法在高等級生物安全實驗室設施設備風險評估中的應用進行了研究[4，5]，并給出了相應的故障樹模型。本文借鑒其思想并結合我所高等級生物安全實驗室建設的實際情況，構建符合我所實際情況的故障樹模型。

高等級生物安全實驗室防護結構主要根據“盒子中的盒子”原理進行“四流”控制，實現實驗室內高危病原微生物與外環境的隔離防護，如圖2所示。實驗室在人、物、氣、液上都與外環境之間存在流通，只要其中任何環節出現問題，實驗室內高危病原體都可以通過“四流”途徑突破“盒子”防護，泄漏到外環境，引發生物安全事故。

通過研究全球已發生的生物安全事故并結合我所生物安全實驗室的運行經驗，總結并確認實驗室病原體外環境泄漏途徑包括：（1）樣品攜出途徑。（2）人員攜出途徑。（3）通風系統與圍護結構途徑。（4）污水處理系統途徑。（5）動物昆蟲攜出途徑。（6）儀器設備攜出途徑。該六個途徑涵蓋了實驗室“四流”交通途徑，通過各途徑的具體風險因素分析，能得出實驗室外環境泄漏風險的完整故障樹。

以下僅以活毒廢水傳播途徑為例說明本文構建的故障樹模型。高等級生物安全實驗室活毒廢水處理系統如圖3所示。

通過對活毒廢水處理系統各環節的分析，可識別出活毒廢水傳播途徑的頂層風險因素包含三類：廢水收集管路泄漏、活毒廢水消毒不徹底引起泄漏、廢水處理間內存在病原微生物氣溶膠。對頂層風險因素在進行剖析細分，構建的故障樹模型如圖4所示。

以此方法原理，結合相關領域的專家人員，即可構建出實驗室外環境泄漏風險的完整故障樹。而通過故障樹模型又可識別并構建生物安全風險評估指標體系（如圖5所示）。有了風險評估指標體系，即可使用模糊綜合評價法來定量評估生物安全風險等級。

3.1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是一種基于模糊數學的綜合評價方法，是應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，考慮與被評價事物相關的各個因素，對其所作的綜合評價[6]。它能較好地解決模糊的、難以量化的問題，適合各種非確定性問題的解決。模糊綜合評價的步驟主要包括：確定評價指標、確定因素集、確定評價集、確定指標權重、確定指標隸屬度，最后進行分層模糊綜合評價得出結果。

（1）確定因素集。因素集是由影響生物安全風險的各個因素（指標）組成的集合。在復雜系統中，需要考慮的因素（指標）往往是很多的，而且因素（指標）之間還存在著不同的層次。在這種情況下，就需要將評價因素集合按照某種屬性分成幾類，先對毎一類進行綜合評判，然后再對各類評判結果進行類之間的高層次綜合評判。因素集記為U：

U={ui}，i=1，2，…，n

本文建立的因素集已展開顯示部分分為四個層次，如圖5所示。

（2）確定評價集。評價集是對被評價對象可能做出的各種總的評價結果組成的評價等級的集合，記為V：

V={vj}，j=1，2，…，m

本文將生物安全風險評價集分為四個等級：一級為安全狀況良好，風險較小，計85分值;二級為安全狀況一般，有一定風險，計60分值;三級為安全狀況較差，風險較大，計40分值;四級為安全狀況很差，風險很大，計20分值。即評價集V={85、60、40、20}。

（3）確定指標權重。權重是以某種數量形式對比、權衡被評價事物總體中諸因素相對重要程度的量值，記為A：

A={aj}，i=1，2，…，n，=1

進行模糊綜合評價時，權重對最終的評價結果會產生很大的影響，不同的權重有時會得到完全不同的結論。本文據專家對兩兩指標比較后的打分結果，確定了各個指標的權重，如圖5所示。

（4）確定指標隸屬度。隸屬度rij是指多個評價主體對某個評價對象在ui方面作出vj評定的可能性大小，用隸屬度向量Ri表示：

Ri=（ri1，ri2，…，rim），i=1，2，…，n，=1

例如：假設圖5中指標編號D1221（即壓力傳感器失真）的隸屬度向量為RD1221={x，y，z，w}，則RD1221為V的子集合，RD1221集合中的元素為0～1之間的值。x表示指標D1221為85分的概率;y表示指標D1221為60分的概率，z表示指標D1221為40分的概率;w表示指標D1221為20分的概率。對全部評價指標進行隸屬度評定，即可得到模糊關系矩陣R：

R=

在確定隸屬關系時，本文由相關專業人員依據評價等級對評價指標進行打分，最后計算平均分得出結果。部分指標評價等級的隸屬度得分如表1所示。

（5）分層模糊綜合評價。生物安全實驗室風險評估屬于多級模糊綜合評價，即先對底層因素進行模糊綜合評價，再對底層評價結果進行高層次的模糊綜合評價。模糊綜合評價采用M（·，）加權合成算子將指標權重A與模糊關系矩陣R合成得到綜合隸屬度向量S及綜合得分μ：

S=A·R;μ=VST

例如：圖5中最底層D112指標的綜合隸屬度向量為SD112：

SD112=（0.450 0.450 0.100）=（0 0.145 0.345 0.510）

如此逐層計算直至得到頂層“病原體外環境泄漏Z”的綜合隸屬度向量SZ。假設SZ=（0.10 0.25 0.30 0.35），則最后計算的綜合得分為μz：

μz=（85 ?60 ?40 ?20）=42.5。

（6）評價結果。根據最終計算的綜合得分μz及評價集V，即可得出風險評估結果為：風險等級為三級，安全狀況較差，風險較大，風險評分為42.5分。

3.1.3 生物安全風險評估流程

生物安全風險評估流程是以生物安全風險管理的相關要求為基礎，在結合風險評估模型的特點構建而成，如圖6所示。

實驗活動申請：是指創建實驗活動信息，為風險評估提供輸入信息，其需填寫課題信息、申請使用的實驗室、實驗活動所操作的病原體微生物因子、涉及的儀器設備及參與的實驗人員信息等。

選擇專家參與風險評估任務：是根據實驗活動的特點，挑選相應的專家參與風險評估任務，發揮各領域專家的專業優勢。

評估專家輸入模型所需數據：是指相應的評估專家對指標權重、指標隸屬度等數據進行定義并審核把關，及時糾偏。模型所需數據回由系統進行一致性校驗，數據只有通過一致性校驗才會被用于風險評估。

風險評估：是系統根據輸入信息，調用風險評估模型進行風險評估得出評估結過后，系統在依據故障樹模型及風險評估報告模板，自動生成風險評估報告。

評估報告審核：是風險評估專家對系統自動生成的評估報告進行審核，確定風險評估報告是否真實反應了風險狀況，風險應對措施是否完善等。

評估報告歸檔：是指系統對審核通過后的評估報告進行歸檔保存。只有評估報告歸檔、落實相應風險應對措施及通過政府主管部門審批后，才可開展相應的實驗活動。

3.2 風險監測及應對措施

風險監測及應對措施應用，主要功能有兩個：

一是實現對實驗室設施設備等硬件系統的風險自動化監測。其方法是根據故障樹模型的特點，將故障樹識別出的基本風險因子與風險應對措施及實驗室內的動環監控系統、門禁系統、自控系統、旁路監測系統的監測、報警信息相關連，實現實驗室內設施設備風險的自動化監測，并在風險發生時及時給出風險應對措施。例如，動環監控系統在監測到某處發生漏水時會發出報警信息，風險評估系統獲取到該報警信息后，系統根據已關聯的故障樹模型檢索其可能發生的全部風險，同時列出每個風險的應對措施及詳細處理步驟。

二是對于人因引起的風險，如實驗人員被實驗動物抓傷、防護服被銳器刺穿等風險，可通過在系統中輸入相應的事件關鍵字（設施設備風險事件也可如此操作），系統會根據故障樹模型檢索其可能發生的全部風險，同時列出每個風險的應對措施及詳細處理步驟。

通過該應用，可提高實驗室管理人員在發生生物安全風險事件時的反應時間及處理效率，減輕或避免生物安全風險事件造成的損失，其可推動風險應對和內控管理的實質融合，提升內部控制對風險應對的重要作用。

4 結語

本文建立的生物安全風險評估模型是基于故障樹模型及模糊綜合評價模型的有機結合，即可做定性評估，又可做定量評估。在定性評估中，由于故障樹是建立在元件聯系和故障模式分析的基礎之上的，因此對不可預知的風險無法進行評估，評估結果依賴故障樹信息的完整程度。隨著對實驗室各系統的深入認識，進一步修改和完善故障樹，可以克服此缺點。在定量評估中，由于模糊綜合評價的權重數據和隸屬度數據需借助專家打分得到，專家個人的主觀因素會對評價結果產生較大影響，專家的選擇是定量評估的關鍵。

通過建立生物安全風險評估系統，可實現風險評估與內部控制工作的全面、深度融合，將風險識別、分析、評價、應對等風險管理過程與內控管理過程在業務流程、工具手段、方式方法等多方面貫通和整合。在生物安全風險事件發生時，可提高實驗室管理人員的風險反應時間及處理效率，減輕或避免生物安全風險事件造成的損失。

參考文獻

[1] GB19489-2008.實驗室生物安全通用要求[S].2008.

[2] 張彥國，曲怡然.國內外高等級生物安全實驗室標準和建設概況[J].暖通空調，2018（1）：2-6+65.

[3] GB/T27921-2011.風險管理風險評估技術[S].2011.

[4] 曹國慶，王榮，周永運.基于故障樹分析的高等級生物安全實驗室設施設備風險評估探討[J].暖通空調，2018（9）：63-71.

[5] 曹國慶，王榮，王棟.生物安全實驗室設施設備適用風險評估技術分析[J].暖通空調，2018（7）：111-116.

[6] 張躍，鄒壽平，宿芬.模糊數學方法及其應用[M].北京：煤炭工業出版社，1992.