基于DEMATEL/ISM 的安全工程實驗室風險影響因素分析

吳悠悠，胡立嵩，王 帥，王 美，冷朝陽

武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北 武漢 430074

隨著我國教育事業的蓬勃發展，實驗室作為高等學校教學和研究的主要場所，國家和地方對其支持建設的力度大幅增加，使得各類實驗室和師生的數量逐年增多，實驗儀器和設備的價值越來越大，實驗室的開放性和共享性也明顯提高［1］。但是，由于人員違規操作、設備故障、消防設施配備不足等原因導致的實驗室事故仍時有發生。例如2018 年12 月，北京某大學實驗室發生爆炸事故，造成3 名學生死亡；2020 年1 月，某高校實驗室發生通風櫥起火事故，導致經濟損失約1 萬元；2022 年4 月，中南大學實驗室發生爆燃事故，造成一名博士生嚴重燒傷等。綜上所述，實驗室的安全管理水平明顯滯后于其自身的發展程度。因此，提高實驗室安全管理水平，保障生命和財產安全仍然是學校安全管理工作的重中之中。

近年來，越來越多的學者對高校實驗室安全進行了相關研究。魏永前等［2］圍繞實驗室風險分級管控和隱患排查治理，構建了一套可行的實驗室安全預防體系；張蘇等［3］以事故致因“2-4”模型為理論基礎，基于層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）-模糊綜合評價法建立了綜合評價模型；李祥春等［4］針對安全工程專業實驗室的特點，利用事故樹分析法對實驗室風險進行定性定量分析，并提出了相應的實驗室風險管理建議；劉音等［5］針對化工類實驗室的特點建立指標體系，利用序關系分析法（G1 法）-熵權法和可拓性評價法對實驗室安全等級進行了評定；曹以等［6］以工科實驗室安全管理的特點為基礎，從4 個方面構建實驗室安全評價指標體系，采用AHP-模糊綜合評價法對某高校工科學院的實驗室進行安全評價；王志平等［7］針對航海類高校實驗室評價工作中存在的問題，提出了基于模糊 網絡分析法（analytic network process，ANP）-熵值法的加權灰色關聯分析法的航海類高校實驗室綜合評價模型。

目前，相關研究大多采用定性的方法探討實驗室的安全管理問題并提出可行的對策及建議，而采用定量方法對危險性較大的實驗室進行安全風險分析的研究較少。安全工程專業的研究方向包括礦業、化工、核工業、交通、能源、土木等各個領域［4］，其實驗室所進行的實驗大多都涉及易燃易爆品和特種設備的使用，進行實驗教學和科學研究的危險性較高，易發生火災、爆炸、中毒和機械傷害事故。因此，本文擬采用決策試驗與評價實驗室法（decision-making trial and evaluation laboratory，DEMATEL/ISM）模型構建安全工程實驗室安全管理影響因素指標體系，計算各因素的影響度、被影響度、中心度和原因度，借助MATLAB 軟件進行數據分析，繼而建立多層次遞階解釋結構模型，明確各因素的重要度及位置關系，以期為高校實驗室安全管理工作提供參考。

1 安全工程實驗室風險影響因素體系的構建

安全風險影響因素體系的構建是對影響因素進行研究的第一步，為了保證研究結果的真實準確，必須確保指標體系的合理性。因此在構建指標體系時務必要以科學性、導向性、針對性和易操作性為原則［7］。根據《高等學校實驗室工作規程》（教育委員會令第20 號）及《某高校實驗室安全管理辦法（試行）》，查閱相關文獻［8-10］、專家訪談等多種形式，結合安全工程實驗室的特點，從安全管理機制、人的因素、環境安全、防火防爆技術和儀器設備與化學品安全等5 個方面選取16 個主要因素，構建了安全工程實驗室風險影響因素指標體系，如圖1 所示。

圖1 安全工程實驗室風險影響因素Fig.1 Risk factors of safety engineering laboratory

2 DEMATEL 模型構建

2.1 建立直接影響矩陣

由于體系中各因素之間的相互影響程度難以精確表達，通常可以用無、弱、較強、強來表示［11］。本文采用0、1、2、3 的標度來確定因素間的影響關系，且影響程度遞增（0 表示無影響，1 表示影響較弱，2 表示影響中等，3 表示影響較強）。通過德爾菲法對16 個因素間的影響關系進行賦值，之后對所得的數據取平均值，得到初始化直接影響矩陣X=[xij]n×n（矩陣中xij表示xi對xj的影響程度，當i=j時，xij=0），見表1。

表1 直接影響矩陣XTab.1 Direct influence matrix X

2.2 計算綜合影響矩陣

根據公式（1）對矩陣X進行規范化處理，得到規范化直接影響矩陣D；根據公式（2）計算出安全工程實驗室風險影響因素的綜合影響矩陣T，式中I為單位矩陣。

2.3 計算影響度、被影響度、原因度和中心度

影響度Ri指T中各行值之和，表示各行對應因素對所有其他因素的綜合影響值；被影響度Ci指T中各列值之和，表示各列對應因素受其他因素的綜合影響值，計算公式如下：

中心度Mi為因素Fi的影響度與被影響度之和［式（5）］，表示Fi在體系中的重要程度；原因度Ni為因素Fi的影響度與被影響度之差［式（6）］，若值為正，則Fi為原因因素，對其他因素影響較大，若值為負，則Fi為結果因素，受其他因素影響較大［12］。

影響度、被影響度、中心度及原因度的計算結果見表2。

2.4 繪制原因結果圖

依據表2 的計算結果，借助MATLAB 軟件繪制安全工程實驗室安全管理影響因素原因-結果圖，如圖2 所示。

圖2 安全工程實驗室安全管理影響因素原因-結果圖Fig.2 Cause-effect diagram of factors affecting safety management of safety engineering laboratory

表2 各因素的影響度、被影響度、中心度和原因度Tab.2 Influence degree，influenced degree，center degree and cause degree of factors

3 構建ISM 模型

3.1 計算可達矩陣

由于DEMATEL 方法未考慮各因素對自身的影響，所以在計算可達矩陣時需要在綜合影響矩陣T的基礎上，引入單位矩陣I［13］，通過公式（7）計算得到整體影響矩陣H。

為得到可達矩陣，需要引入閾值λ來消除影響程度較小的關系以簡化系統結構［14-15］。閾值選取要有理有據，取值過大或過小都會影響結果的合理性［16］。目前確定閾值λ 的方法主要有以下3種：①根據專家的直接經驗確定閾值；②計算綜合影響矩陣所有元素的均值作為閾值；③利用綜合影響矩陣所有元素的均值和標準差來確定閾值［17］。本文采用第③種方法來確定閾值λ，具體通過公式（8）進行計算。

式中：α、β分別表示綜合影響矩陣T中所有元素的均值和標準差。

求解得出α=0.118、β=0.055，因此確定閾值λ=0.17，進而通過公式（9），運用MATLAB 軟件得到可達矩陣K。

3.2 構建多層次ISM 模型

根據可達矩陣可以得到各因素的可達集、先行集及二者的交集。可達集R（F）i指可達矩陣中因素Fi對應的行中kij=1 的矩陣元素對應因素的集合，先行集A（F）i指可達矩陣中因素Fi對應的列中kij=1 的矩陣元素對應因素的集合，共同集為可達集和先行集的交集［14］。

依據層次劃分標準，當R（F）i∩A（F）i=R（F）i時，表示R（F）i中對應的因素均能被其他因素達到而不能到達其他因素，因此被劃分為第一層級的因素。然后從可達矩陣中移除L1中因素對應的行和列，在剩下的矩陣中繼續上述步驟，以此類推，直至所有的行和列被劃除，確定所有因素的層級［15，18］。得出各層級因素如下：L1=｛F10、F11、F12｝，L2=｛F14、F15、F16｝，L3=｛F9、F6、F8、F13｝，L4=｛F3、F5｝，L5=｛F4、F7｝，L6=｛F2｝，L7=｛F1｝。根據層級劃分結果，建立多層次ISM 模型，如圖3 所示。

圖3 多層次遞階ISMFig.3 Multi-level hierarchical ISM

4 結果分析

結合以上研究以及對圖2、圖3 分析如下：

（1）影響因素分析。在安全工程實驗室安全管理影響因素體系中，有8 個因素的原因度大于0，屬于原因因素，按原因度從大到小依次排序為：F1、F2、F7、F4、F5、F3、F9、F6。從圖3 可知，F1（組織機構與責任體系）位于L7，屬于本質致因，所有因素都直接或間接受其影響。實驗室安全管理組織機構負責制定實驗室安全管理規章制度；組織、指導各二級單位做好實驗室安全管理工作；監督相關單位和部門認真履行實驗室安全管理職責等責任，因此設置合理的組織機構、明確各部門責任范圍，對健全實驗室安全管理制度和操作規程、消除管理盲區及保障實驗室日常安全工作具有重要作用。F（2安全管理制度及實驗操作規程）、F4（安全培訓及應急演練）和F7（管理人員的責任心和態度）分別位于L5、L6，均受到F（1組織機構與責任體系）的影響，其中健全實驗室安全管理制度和制定實驗操作規程是確保實驗室安全管理及工作正常運行的基本條件，更是管理人員進行安全管理和工作人員進行規范操作的重要依據；F（4安全培訓及應急演練）可以提高實驗室相關人員的F（5安全知識水平和應急反應能力），培養安全習慣，提高應對突發安全事件的能力；責任心和態度是實驗室管理人員必須具備的素質，其直接影響到F（3安全檢查）等日常安全工作的有效性。

F11、F10、F12、F15、F16、F14、F13、F8的原因度小于0 且其絕對值逐漸減小，屬于結果因素。其中F1（1消防設施的設置與維護）、F10（建筑的防火防爆技術）、F1（2電氣設施的防火防爆技術）、F1（5危化品的儲存及使用）、F16（危險廢物的收集與處置）、F1（4特種設備的管理及使用）等6 項因素的原因度絕對值較大，受其他因素影響較明顯，在多層遞階結構模型中位于L1 和L2，屬于直接致因因素，是影響安全工程實驗室安全風險管理的直接原因，也是保障實驗室教學和研究工作安全開展的直接影響因素。

（2）中心度分析。中心度反應了各因素在該體系中的重要程度。從圖2 可知，體系中各影響因素的中心度從左到右逐漸增大，表示各因素的重要程度越來越大。重要度排前6 位的因素從大到小依次是F1（5危化品的儲存及使用）、F1（4特種設備的管理及使用）、F2（管理制度及實驗操作規程）、F1（6危險廢物的收集與處置）、F（3安全檢查）、F4（安全培訓及應急演練），以上排序表明在安全工程實驗室安全風險管理影響因素體系中，儀器設備與化學品安全和安全管理機制兩個模塊中的各項因素相較其他因素來說重要程度更大，應格外重視。危險化學品、特種設備及危險廢物的自身危險性是實驗室的重大安全隱患，需針對其危險性制定相關管理策略；安全管理機制中的各項規章制度及安全檢查和安全培訓等是安全開展實驗室工作的前提和基礎，對保障實驗室的安全有著不和或缺的作用。

5 結論

（1）本文從安全管理機制、人的因素、環境安全、防火防爆技術和儀器設備與化學品安全等5 個方面選取了16 個主要的安全風險管理影響因素，構建了安全工程實驗室安全管理影響因素指標體系，運用DEMATEL 方法計算出各指標因素的重要度并繪制安全管理影響因素原因-結果圖，通過構建ISM 模型，得出各因素之間的影響關系。

（2）分析結果表明，F1（組織機構與責任體系）、F（2安全管理制度及實驗操作規程）、F（7管理人員責任心和態度）及F4（安全培訓及應急演練）屬于原因因素且原因度較大，對其他因素的影響明顯；F1（1消防設施的設置及維護）、F1（0建筑的防火防爆技術）、F1（2電氣設施的防火防爆技術）屬于結果因素且原因度的絕對值較大，受其他因素影響明顯。F1（6危險廢物的收集與處置）、F（2安全管理制度及實驗操作規程）、F1（4特種設備的管理和使用）及F1（5危化品的儲存及使用）的中心度排名靠前，表明這些因素在體系中的重要程度較大。

（3）根據以上分析結果，中心度和原因度較大的因素是影響安全工程實驗室安全風險管理的關鍵因素，且對實驗室安全管理體系整體影響較為顯著。因此，在實驗室安全管理工作中加強對關鍵因素的投入和管控力度，可以有效提升實驗室安全管理的效率，保障安全工程實驗室安全有序運行。