基于系統動力學的高校實驗室安全管理

陽富強，邱東陽

(福州大學環境與資源學院，福建 福州 350116)

為積極響應國家“雙一流”大學建設目標，各高校著力培養高素質人才，而一流實驗室作為提升科研水平、提高教學質量的平臺和支撐，為推動“雙一流”大學建設發揮著顯著作用。高校實驗室是師生頻繁進行實驗研究、日常教學的重要場所，一旦發生事故將嚴重影響教研工作的正常進行以及廣大師生的生命和財產安全。近年來，隨著高校實驗室規模的擴大和探索性實驗的增多，實驗室安全事故時常發生，安全問題日益突出[1]。例如：2016年9月，東華大學松江校區化學化工與生物工程學院一間實驗室發生爆炸，3名學生受傷；2017年3月，復旦大學化學西樓某間實驗室發生爆炸，1名學生手臂被炸傷；2018年11月，南京中醫藥大學翰林學院某實驗室發生爆燃，多名師生受傷；2018年12月，北京交通大學某環境工程實驗室科研試驗期間因爆炸引發火災，3名學生遇難。當前嚴峻的實驗室安全形勢，極大地阻礙了實驗教學與科研工作的順利開展。一方面，高校不斷投入大量的資金加大實驗室建設；另一方面高校實驗室安全事故高發，給“雙一流”高校建設帶來了巨大挑戰。此外，由于高校實驗室產出的安全管理價值不易察覺，各高校投入到實驗室安全管理的經費嚴重不足，導致實驗室安全事故頻發。

目前學者們主要圍繞高校實驗室安全隱患[2-4]、實驗室安全管理體系[5-7]等方面進行了研究，且大多是從宏觀、靜態的層面對實驗室安全管理進行定性或定量的理論評述，而從投入產出角度來動態研究實驗室安全管理的研究較少。由于高校實驗室安全管理系統內部各子系統之間是相互關聯、相互制約，為一個動態、非線性的系統，因此可嘗試通過分析影響實驗室安全管理系統的重要因子，根據系統動力學原理輸入區域或相關參數，來預測實驗室安全管理目標水平值，將能如實、動態地反映實驗室安全狀態，可為實現實驗室安全管理目標提供保障。為此，本文構建了實驗室安全管理系統，并從投入產出的角度運用系統動力學理論建立了實驗室安全管理系統動力學(SD)模型，并通過具體案例對該模型進行模擬仿真與驗證。

1 實驗室安全管理系統動力學分析步驟

本文運用系統動力學(System Dynamics,SD)從系統內部微角度入手，分析系統內部各因子的因果關系，構建實驗室安全管理系統反饋結構模型，并通過模擬仿真來動態反映系統內部各因子之間的關系[8-9]，預測實驗室安全管理水平。實驗室安全管理SD分析的主要步驟如下：①通過實驗室事故分析、現場調研、文獻研究等提出實驗室安全管理系統的要求，確定SD模型的邊界；②結合SD理論分析實驗室安全管理系統的因果關系，確定其反饋環，定義SD變量集，繪制SD存量流量圖并建立SD方程；③將案例數據經過無量綱及一致性處理后代入SD方程，進行模型模擬仿真；④當模型檢驗通過，對比分析結果得出結論，否則重新返回建立合適模型。

圖1 實驗室安全管理SD分析步驟Fig.1 SD analysis steps of laboratory safety management

2 實驗室安全管理SD模型的構建

2.1 確定實驗室安全管理SD模型的邊界及影響因子

以實驗室安全管理水平的動態預測研究為目的，將影響實驗室安全的所有因子范圍作為實驗室安全管理SD模型的系統邊界，系統內包括影響實驗室安全的關鍵子系統及其因子。通過對實驗室安全事故及相關文獻的分析研究，將影響實驗室安全的原因分為人員、設備、環境和管理等子系統[10]。從系統角度充分考慮人、機、物、法、環等影響實驗室安全的因子，如以某高校安全工程專業防火材料制備實驗室的實際情況為例，經現場調研并結合專家意見，補充遺漏的因子，剔除相關性較小的因子，最終確定影響實驗室安全各子系統(人員子系統、設備子系統、管理子系統和環境子系統)的因子包括：安全意識、操作技能、安全培訓、心理素質；安全防護裝置、消防設施、個人防護用品；儀器檢查維護、危化品管理、危廢品管理、應急救援預案、安全管理制度；安全文化氛圍、空間布局、警示標志、通風條件等。

2.2 建立實驗室安全管理系統因果回路圖

因果回路圖由一個或多個反饋回路組合，一方面反映了系統內部各子系統及其各因子之間輸入與輸出的關系；另一方面反映了系統外部環境與系統的輸入與輸出的關系。在因果回路圖中，加號表示正反饋，減號表示負反饋。本文從安全投入產出的角度，分析了系統各因子之間內在的因果關系，構建了實驗室安全管理系統因果回路圖，見圖2。

隨著各因子安全費用的投入，各子系統安全管理水平得以提高，實驗室安全管理的整體水平也逐步提高，當達到安全目標水平后，將通過系統反饋減少對實驗室安全系統的投入費用。其中，良好的心理素質和濃厚的安全文化氛圍對實驗室人員安全意識的提升具有促進作用；建立健全的安全管理制度有利于實驗室安全管理水平的提升。

圖2 實驗室安全管理系統因果回路圖Fig.2 Causality circuit diagram of laboratory safety management system

2.3 定義實驗室安全管理SD變量集

SD中變量的性質包括狀態變量、速率變量、輔助變量和常量等，根據SD理論和構建的實驗室安全管理系統因果回路圖，定義了實驗室安全管理SD變量集，見表1。

表1 實驗室安全管理SD變量集

2.4 繪制實驗室安全管理SD存量流量圖并建立SD方程

本文利用Vensim軟件，結合上述因果關系和各變量性質，繪制了實驗室安全管理SD存量流量圖，見圖3。

圖3 實驗室安全管理SD存量流量圖Fig.3 SD model inventory flow diagram of laboratory safety management

根據變量之間的關系，建立了如下SD方程：

ZSP.K=QZL1×L1(t).K+QZL2×L2(t).K+QZL3×L3(t).K+QZL4×L4(t).K//輔助方程

(1)

Li(t).K=Li(t).J+Ri(t).JK×SJLi.JK×DT//流位方程(i=1,2,3,4)

(2)

L3(t).K=(L3(t).J+R3(t).JK×SJL3.JK×DT)×M3//流位方程

(3)

Ri(t).JK=Ai1×QZLi1+Ai2×QZLi2+Ai3×QZLi3//速率方程(i=1,2)

(4)

Ri(t).JK=Ai1×QZLi1+Ai2×QZLi2+Ai3×QZLi3+Ai4×QZLi4//速率方程(i=3,4)

(5)

A11=TR1(t)×QZ11×TR1toA11×M1×M2//輔助方程

(6)

A1j=TR1(t)×QZ1j×TR1toA1j(j=2,3)//輔助方程

(7)

A2j=TR2(t)×QZ2j×TR2toA2j(j=1,2,3)//輔助方程

(8)

Aij=TRi(t)×QZij×TRitoAij(i=3,4;j=1,2,3,4)//輔助方程

(9)

TRi=ZTR×BLi×TRitoAi(i=1,2,3,4)//輔助方程

(10)

式中:.K、.J、.JK分別表示當前時刻、過去時刻、當前與過去時刻的間隔;DT表示仿真時間步長;各子系統及對應的各因子的權重值之和為1;投入比例之和為1。

3 案例仿真模擬與驗證

3.1 案例參數的確定

某高校安全工程專業防火材料制備實驗室內放置有旋轉蒸發儀、鼓風干燥箱、真空干燥箱、小型硫化機、密煉機、壓板機、溫磁力攪拌器、超聲清潔器等設備，存放有乙二胺、二甲基甲酰胺、濃硫酸、濃鹽酸等化學品試劑，實驗過程中會產生強酸、強堿、毒性等廢液。本文以該實驗室為仿真對象，對相關文獻建立的實驗室安全管理水平評價指標的評價等級[11]加以修正，每個評價因子按百分制評分，評價等級分為優、良、中、及格、不及格，各等級分值間隔為10分，得到實驗室安全管理總水平值標準為：優(≥90)、良(89～80)、中(79～70)、及格(69～60)、不及格(<60)，并運用層次分析法[12-13]計算出各子系統及其各因子的權重值：(QZL1，QZL2，QZL3，QZL4)=(0.382 9，0.264 5，0.213 1，0.139 5)、(QZL11，QZL12，QZL13)=(0.422 2，0.223 3，0.354 5)、(QZL21，QZL22，QZL23)=(0.460 0，0.221 1，0.318 9)、(QZL31，QZL32，QZL33，QZL34)=(0.245 1，0.245 1，0.304 9、0.204 9)、(QZL41，QZL42，QZL43，QZL44)=(0.265 1，0.203 7，0.179 3，0.351 9)。根據該高校實驗室的實際情況和建立的評分標準，首先邀請5位專家對各子系統因子打分，對專家打分的各因子平均值進行加權，得到各子系統安全水平初始值分別為：70、65、61、64，并對各子系統安全水平初始值進行加權，最終確定實驗室安全管理總水平初始值為65.90；然后分別設計安全文化氛圍、心理素質對實驗室人員安全意識影響程度的調查問卷，隨機選取20位實驗室人員進行調查，得到的數據經回歸計算及調整[14]，最終確定安全文化氛圍、心理素質對安全意識的影響系數分別為1.35和1.18；最后依據投入轉化率方法[15]，將實驗室以往每周評價得到的各子系統安全水平值的增加量或減少量除以相應各子系統當周的投入費用，得到每周各子系統的投入轉化率或衰減率，并運用Vensim軟件將其擬合形成表函數。

3.2 模型模擬仿真與結果分析

將上述參數代入建立的實驗室安全管理SD模型，仿真時間為20周，時間步長取1周，安全目標水平值設置為90，人員、設備、管理、環境各子系統的投入比例分別為0.25、0.25、0.25、0.25，通過運行Vensim軟件可輸出仿真模擬結果，即得到實驗室安全管理總水平值與總投入費用的關系，見圖4。

圖4 實驗室安全管理總水平值與總投入費用的 關系曲線Fig.4 Relationship between the general level of laboratory safety management and the total input

由圖4可見，實驗室安全管理總水平值在第17周達到安全管理目標水平值后終止各種資源的投入，由于各種資源的投入與實驗室安全管理總水平之間存在時間上的延遲，因此當達到安全管理總水平值的一段時間里，增長不為零；各種資源的投入決策處于實驗室安全管理總水平值與各種資源總費用投入構成的負反饋系統結構之中，當實驗室安全管理總水平值達不到安全管理目標水平值時，實驗室安全管理總水平值與安全管理目標水平值之間便會存在偏差，系統便依據偏差值判斷并決策進行各種資源的投入；隨著實驗室安全管理總水平值的提升，相應的各種資源的投入費用也將逐漸減少。

3.3 模型檢驗

實驗室安全管理總投入費用不變，通過制定各子系統增加相同投入比例的方案(見表2)，用來觀察調整各子系統投入力度是否能改變實驗室安全管理總水平值的變化速度，進而檢驗模型是否有效[16-17]。

表2 實驗室安全管理各子系統不同投入比例方案

各子系統不同投入比例方案下實驗室安全管理總水平值的模擬仿真結果，見圖5。

由圖5可見，實驗室安全管理總水平初始值均為65.90的情況下，方案Current0(原始方案)在第17周達到安全目標水平值，方案Current1和Crrent3均在第16周達到安全目標水平值，方案Current2和Crrent4均在第18周達到安全目標水平值，表明所建立的實驗室安全管理SD模型是有效的。

圖5 各子系統不同投入比例方案下實驗室安全管理 總水平值的模擬仿真結果Table 5 Simulation results of general level value of laboratory safety management under different input proportion of subsystems in laboratory safety management

3.4 各子系統實際作用率

實際作用率是指調控某個子系統各因子增加量增加至一定值，其他子系統增加量保持不變的情況下，對比分析調控某個子系統各因子增加量變動的前后實驗室安全管理總水平值的變化情況。本文分別將各子系統單位時間的增加量增加0.05，仿真得到增加各子系統相同增加量時實驗室安全管理總水平值的變化情況，見表3。以原始方案Current0為計算基準，求得方案Current0實驗室安全管理總水平每周平均值為81.444，計算得到方案Current0-1實驗室安全管理總水平每周平均值為81.747 5，用該值減去81.444，再除以方案Current0實驗室安全管理總水平每周平均值，即得到各子系統的實際作用率。由此分別計算得到該實驗室安全管理人員、設備、管理、環境各子系統的實際作用率為0.003 7、0.001 7、0.004 2、0.001 1。

表3 增加各子系統相同增加量時實驗室安全管理總水平值的變化情況

4 結 論

不斷提升實驗室安全管理水平是當前各高校建設“平安校園”的重要內容之一。本文通過構建實驗室安全管理系統，運用系統動力學(SD)理論從投入產出的角度，建立了實驗室安全管理SD模型，探究了高校實驗室安全管理水平的動態變化過程，并以某高校安全工程專業防火材料制備實驗室為例，對該模型進行了模擬仿真與驗證。結果表明：初步判斷該實驗室未達到安全目標水平值；通過建立的實驗室安全管理SD模型可定量、直觀地預測該實驗室安全管理總水平的發展趨勢；通過調整實驗室安全管理各子系統的投入比例可確定最佳投入方案，使實驗室安全管理總水平值更快達到安全目標水平值；各子系統對該實驗室安全管理總水平的實際影響程度依次為管理(0.004 2)、人員(0.003 7)、設備(0.001 7)、環境(0.001 1)。因此，實施實驗室安全標準化管理、強化實驗室師生安全培訓、提高實驗室人員安全意識等是該實驗室未來安全管理工作的重點。