基于云模型的高校實驗室安全管理標準化研究

于振江，邵澤開，胡 潔，補利軍，卞昊雯

（1.中國人民大學保衛處，北京 100872；2.中國礦業大學（北京）保衛處，北京 100083）

0 引言

實驗室安全是高校實驗室建設和管理的重要組成部分，直接關系到學校實驗教學和科研能否順利開展、學校財產能否免受損失、師生員工人身安全能否得到保障，對高校乃至全社會的穩定至關重要［1］。近年來，高校實驗室火災、爆炸等安全事故頻發，令人反省。2018 年12 月26 日北京交通大學環境工程實驗室內進行垃圾滲濾液污水處理科研試驗時發生爆炸引發火災，造成3 人死亡，直接暴露出實驗室安全管理制度不完善、執行制度不嚴格、安全防范意識淡薄、應急處置能力不強等問題［2-5］。

實驗室安全管理是一項系統工程，涉及面廣，管理難度大，綜合性強。為降低高校實驗室安全管理風險，將標準化管理方法引入實驗室安全管理，擬進一步提高高校實驗室安全管理水平。

為加強高校實驗室的建設和管理，教育部先后頒布了《高等學校實驗室工作規程》及《高等學校實驗室安全檢查項目表》進一步指導高校實驗室安全管理工作。國內眾多學者對實驗室安全管理標準化進行了研究。蔡謙、陳日輝［6］使用灰色聚類法，對實驗室進行綜合評估，歸納為實驗室條件、管理、效益和實驗室特色4 個聚類指標，并明確優秀、良好、合格和不合格4個級別的聚類灰類。陳晶晶［7］借助安全檢查表法編制了全面的適用于高校學術和研究環境的實驗室安全管理評價指標體系。該體系從高校實驗室日常管理的7 各方面出發，包含7 個1 級指標，24 個2 級指標和83個3 級指標。姜慧敏［8］認為實驗室安全管理體系主要涉及組織機構、監督管理、運行保障等3 個體系，必須齊抓共管，相互協調，共同促進。以上文獻中關于高校實驗室安全管理標準化體系仍未健全，須進一步完善高校實驗室安全管理標準化體系。

目前評價類數學模型主要包括層次分析法、灰色綜合評價法、模糊綜合評價法、BP神經網絡綜合評價法等，以上方法均屬于定性與定量相結合的多準則決策、評價方法，一定程度上掩蓋了定性指標的模糊性，直接導致評價結果主觀性強［9-10］。而用云模型描述評價中語言變量可將定性概念轉化為定量的數學模型，進一步降低主觀因素對評估結果的影響，因此本文采用云模型對高校實驗室安全管理標準化進行評估研究［11］。

1 云模型

1.1 云模型

1995年中國科學院院士李德毅［12］首次提出了云模型，利用該模型可實現定性概念、定量數據的可逆轉化，并在特定條件下形成某種映射關系，為解決更復雜的決策問題提供新的方法。

該模型中假定U為一論域，C 為該論域的定性概念。x是定性概念C映射到論域空間U 上的一個點，表示C中可能實現若干種情況之一，定性概念C 映射到論域空間U 的映射可以用隸屬度函數μ（x）表示，且μ（x）∈［0，1］。每個點x 都是一個隨機分布的云滴，大量云滴積聚組成了定性概念C 的云，直觀反映出C的不確定性［13］。

1.2 云的數學模型及基本運算

目前云理論的分布形態主要包括三角形云、矩形云、梯形云和正態云等，由于客觀世界中大量隨機現象均近似服從正態分布，因此本文采用正態云分布模型進行研究分析［14］。正態云模型可以用C（Ex，En，He）表示，其中期望Ex表示模糊概念C 在論域U 上的數值；熵En表示定性概念C 不確定性程度的度量，隨機性和模糊性與熵成正比例關系。超熵He表示熵的不確性度量，主要用來反映云的離散程度和云厚度，云的離散程度和云厚度隨著超熵增大而增大。

同一個論域U 中的云C1（Ex1，En1，He1），C2（Ex2，En2，He2）可進行運算，運算法則詳見表1。

表1 云的運算法則

1.3 正向云發生器

云發生器是云模型的計算方法，主要包括正向和逆向云發生器以及X 和Y 云發生器等，將定性概念、定量數據相互轉換。現采用正向云發生器，其可將定性概念C中可實現的各種可能性轉化成定量數據，明確數據范圍并根據隸屬度函數確定分布規律。假定云數字特征（Ex，En，He），根據正向云發生器利用Matlab軟件繪制定性概念的正態分布云圖，如圖1 所示。

圖1 正態分布云圖

2 高校實驗室安全管理標準化體系

2.1 高校實驗室安全管理標準化體系指標

借鑒國家規范及相關文獻［15-17］，將高校實驗室安全管理標準化體系分為2 級，1 級指標主要包括責任體系、規章制度、安全文化、安全檢查、實驗場所、安全設施、基礎安全、化學安全、生物安全、輻射安全、機電等安全、特種設備與常規冷熱設備等12 個核心技術要求。1 級指標又細化為52 個2 級指標，其中責任體系包括：學校層面安全責任體系、院系層面安全責任體系、經費保障、隊伍建設、其他；規章制度包括實驗室安全標準、學校實驗室安全管理制度、院系實驗室安全管理制度；安全文化包括：安全宣傳教育、安全演練；安全檢查包括：危險源辨識、安全檢查、安全隱患整改、安全報告；實驗場所包括：場所環境、衛生與日常管理、場所其他安全；安全設施包括：消防設施、應急噴淋與洗眼裝置、通風系統、門禁監控、實驗室防爆；基礎安全包括：用電用水基礎安全、個人防護、其他；化學安全包括：危險化學品采購、驗收、發放、實驗室化學試劑存放、實驗操作安全、管控類化學品管理、實驗氣體管理、化學廢棄物處置管理、危化品倉庫與廢棄物中轉站、其他化學安全；生物安全包括：實驗室資質、場所與設施、病原微生物采購與保管、人員管理、操作與管理、實驗動物安全、生物實驗廢物處置；輻射安全包括：實驗室資質與人員要求、場所設施與采購運輸、放射性實驗安全及廢棄物處置；機電等安全包括：儀器設備常規管理、機械安全、電氣安全、激光安全、粉塵安全；特種設備與常規冷熱設備包括：起重類設備、壓力容器、校內專用機動車輛、加熱及制冷裝置管理等，如圖2 所示。

圖2 高校實驗室安全管理標準化體系

2.2 實驗室安全管理標準化體系分級

《冶金等工貿企業安全生產標準化基本規范評分細則》將大于60 分的標準化水平分成1～3 級，但未對60 分以下的標準化水平進行分級。文獻［5］將實驗室分為優秀、良好、合格和不合格4 個級別的聚類灰類。

本文采用云模型對高校實驗室安全管理標準化進行分級，考慮到云模型根據黃金分割率將分割為奇數個云，將高校實驗室安全管理標準化程度分為5 級，并明確了不同安全管理標準化等級特征，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級可滿足實驗室安全管理要求，Ⅳ、Ⅴ級需學校進行整改，詳見表2。

表2 風險分級量化和特種描述

3 基于云理論的高校實驗室安全管理標準化水平評估

3.1 構建指標等級的權重云模型、評價云模型

設中間云為C0（Ex0，En0，He0），其左右兩側相鄰的云分別為C－1（Ex－1，En－1，He－1），C＋1（Ex＋1，En＋1，He＋1），C－2（Ex－2，En－2，He－2），C＋2（Ex＋2，En＋2，He＋2）。各云的數字特征算法如下：

定義論域U 為［0，1］，He0為常數，令He0＝0.005［18］，本文根據指標在安全管理標準化體系結構中的重要程度，劃分為“極重要”“較重要”“一般”“次重要”“不重要”5 個語言值，根據式（1）～（10）將權重云分為5 個云模型，詳見表3。

表3 指標評價語言及權重云

高校實驗室安全管理標準化水平越低，安全管理風險越大，反之亦然。根據風險可接受程度可設置“風險不可接受”“風險難接受”“風險可接受”“風險可允許”“風險可忽略”5 個語言值，根據式（1）～（10）

計算各個評價語言值的評價云模型，詳見表4。

表4 風險語言評價及評價云

3.2 綜合評判

根據圖2、表1 及評價語言值確定最底層指標評價云模型，計算如下：

式中：aj為最底層第j個子指標的評價云模型；νj為最底層第j個子指標的語言評價云模型；wj為最底層第j個子指標的權重云模型。

依據aj計算結果，采用加權平均法得出綜合評判云模型結果集Ai＝（a1，a2，…，ak），其中ak為第i 層中第k個指標的云模型，計算如下：

式中：akj為第i層中第k個指標的第j個子指標的語言評價云模型；Wkj為第i 層中第k 個指標的第j 個子指標的權重云模型。

4 實例應用

根據圖1 制定高校實驗室安全管理標準化評價表，采用云理論的計算方法對該校實驗室安全管理標準化水平進行評價。

本次評價邀請多名實驗室安全管理專家組成評價小組，確定各個子指標的權重云和評價云，然后利用式（11）計算子指標的評價云模型。以1 級指標以責任體系為例，其評價結果云模型為（0.737，0.061，0.008），相應計算結果如表5 所示。同理可求得其他指標的云及其數字特征，計算結果如表6 所示。

表5 高校實驗室安全管理標準化—責任體系評價結果

表6 高校實驗室安全管理標準化評價結果

依據式（12）計算出該校實驗室安全管理標準化評價結果云模型為（0.676，0.036，0.005），將云模型輸入到評價結果圖中，可得出實驗室安全管理標準化等級介于Ⅱ級與Ⅲ級之間，且靠近Ⅱ級，如圖3 所示，整體造成的安全管理風險可接受，需加強重點指標標準化管理。

圖3 高校實驗室安全管理標準化評價結果云圖

5 結語

（1）國家規范未明確高校實驗室安全管理標準化評價方法，考慮到傳統的半定量及定量評價方法主觀性較強且未能體現定性指標的模糊性，提出基于云模型的高校實驗室安全管理標準化評價模型，該模型很好地兼顧了實驗室安全管理標準化評價的模糊性和隨機性特點，對高校實驗室安全管理進行全面考慮，評價結果更可信可靠。

（2）高校實驗室安全管理標準化體系由12 個1級指標，52 個2 級指標構成，12 個1 級指標分別為責任體系、規章制度、安全文化、安全檢查、實驗場所、安全設施、基礎安全、化學安全、生物安全、輻射安全、機電等安全、特種設備與常規冷熱設備。

（3）高校實驗室安全管理標準化可劃為5 個級別，并明確不同實驗室安全管理標準化等級特征。

（4）高校實驗室安全管理標準化體系中責任體系、規章制度、化學安全極重要，特種設備與常規冷熱設備次重要。高校實驗室安全管理部門可參考本評價體系數據，合理安排資源，提高高校實驗室安全管理水平。