基于組合賦權云模型的高校實驗室綜合安全評價

劉 輝， 唐彩萍， 祁 兵

（吉林建筑大學應急科學與工程學院，長春 130118）

0 引 言

實驗室是高校開展實驗教學和科學研究的重要平臺，也是對學生實驗操作能力和科技創新水平培養的重要載體。隨著高校招生規模的不斷擴大，實驗室數量不斷增多，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［1］，高校實驗室事故時有發生，引起了社會的普遍關注。如2018 年11 月11日，南京某高校實驗室在試驗過程中發生爆燃，導致導致幾名師生受傷［2］；同年12 月，在北京一高校實驗室發生爆炸事故，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安全息息相關，同時還關系到學校和社會的安全穩定。2017 年2 月教育部辦公廳發布《關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《關于進一步加強高校教學實驗室安全檢查工作的通知》，2019 年5 月教育部發布《關于加強高校實驗室安全工作的意見》，教育部相繼發布了3 份關于高校實驗室安全的規范性文件，不斷加強對高校實驗室的安全管理。因此，對高校實驗室進行科學系統的安全評價，以此來掌握高校實驗室整體安全狀況，對于預防實驗室事故發生具有重要意義。

目前國內高校研究學者對關于實驗室安全評價進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 神經網絡的安全評價模型進行改進，該模型不僅引入了非線性函數對其優化，還確定了最優的函數調整因子。楊巍等［7］針對工程實驗室建立安全風險等級綜合集成評估模型（DHEGF），并對該模型的適用性進行了分析。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實驗室安全進行了分析，建立了化學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、安全設施與環境、安全應急能力5 個方面構建高校實驗室安全評價指標體系的基礎上，提出采用AHP法和熵權法的組合賦權法確定指標權重，最后運用云模型評價法對高校實驗室進行整體安全評價，為科學、規范地對實驗室進行安全管理提供依據和保障。

1 高校實驗室安全評價指標體系構建

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

本文主要依據教育部發布的《高校教學實驗室安全工作檢查要點（2019 版）》內容［10］，并結合相關學者［11-13］研究成果，構建了高校實驗室安全評價指標體系，如圖1 所示。

圖1 高校實驗室安全評價指標體系

2 高校實驗室安全評價指標權重確定

2.1 AHP法確定主觀權重

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

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

（3）指標權重的確定與最大特征值。通過計算得出各指標的權重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

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CR＜0.10 時，該判斷矩陣符合一致性檢驗要求，否則必須調整判斷矩陣。

2.2 熵權法確定客觀權重

（1）構建原始化矩陣和標準矩陣。現有n個評價指標，每個指標有m專家評價，形成原始數據判斷矩陣X=（xij）m×n，進行歸一化處理后得標準矩陣Y=（Xij）m×n，則

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

（2）計算各指標的信息熵Pij為第j個指標在第i個系統中的特征比重。

（3）計算評價指標的熵權。計算第j個評價指標的熵權為［15］

2.3 組合權重的確定

根據主觀權重和客觀權重，得到各評價指標的組合權重，計算式為：

式中：Wi表示組合權重；wi表示主觀權重；wij表示客觀權重；α取0.7。

3 高校實驗室安全評價模型——云模型

（1）構建評價集。采用專家打分方式對每個評價指標進行等級評價，分別表示非常危險、危險、一般、安全、非常安全5 個評價等級。根據相關專家的經驗、知識與智慧獲得評價集。

（2）計算標準評價云。根據評價集將各個指標評價值的有效論域H劃分為x個子區間，其中，第v個子區間為［min，max］，該子區間對應標準云的數字特征值為（Ex，En，He），計算表達式如下：

式中，cmax、cmin分別為專家打分的最大與最小值。

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

式中：xi為樣本中的數值；表示數據樣本均值；S2表示樣本方差；n為樣本的數量。

（4）計算綜合評價云。通過計算期望Ex、熵En、超熵He3 個數字特征值來表示［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準云圖，觀察與綜合評價云圖最為相似的指標云圖，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、力學與工程訓練中心、土木工程實驗中心等11 個實驗中心，存在實驗項目類、儀器設備類、試劑耗材類、廢棄物類等典型安全風險。

4.1 指標權重計算

邀請10 名專家對指標權重間重要程度打分，運用AHP法計算主觀權重。根據式（3）～（6）運用熵權法計算客觀權重。根據式（7）計算組合權重。指標權重計算結果如表1 所示（見下頁）。

4.2 云模型綜合安全評價

4.2.1 確定高校實驗室標準云

采用數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。根據高校實驗室實際情況，各安全等級的得分區間分別為（0 ～30］，（30 ～60］，（60 ～

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

圖2 實驗室標準云圖

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行評價，根據式（9）計算得到該校實驗室各指標評價云，結果見表3。運用式（10）各評價指標云得到該高校實驗室總評價云C（86.6，2.48，0.48）。

表1 指標權重計算結果

表2 實驗室安全等級標準云

4.2.3 確定高校實驗室安全等級

根據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準云圖（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，進一步分析數字特征與云圖，判斷該云圖與等級為“安全”的標準云最為相似，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下運行，但在安全信息化建設、危險物廢棄物處置、設施、設備布局方面還存在提升空間，需要以后不斷的加以完善，防止向一般風險轉變。

圖3 實驗室安全評價云與各等級標準云對比

表3 指標評價云

5 結 論

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

（2）應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體系具有通用性，但未考慮各類型高校和各學科實驗室的差異化，后續可考慮采用組合賦權云模型對不同類型高校的不同學科實驗室進行安全評價，以適應不同類高校和不同學科實驗室的安全評價。