基于ISM和ANP的高校实验室消防安全管理

阳富强，蔡逸伦，宋雨泽

(福州大学 环境与资源学院，福州 350116)

0 引 言

实验室是高校开展教学、科研工作的重要依托，是体现高校科研实力的主要指标。随着各大高校实验经费投入持续加大，精密复杂仪器不断引进，高校实验室的科研水平得到显著提升，各种高水平、综合型实验室不断涌现。与此同时，高校实验室的火灾事故隐患也随之增多，实验室火灾事故时有发生[1]。如2015年12月，清华大学化学系实验室发生火灾爆炸事故，致1名博士后遇难；2016年9月，东华大学化学化工实验室发生爆炸，致2名学生重伤；2017年3月，复旦大学化学西楼一实验室爆炸，致1名学生左手大面积创伤等。由此可见，实验室火灾事故不仅导致人员伤亡及设备财产损失，甚至造成严重的社会影响。

与传统的工业火灾相比，实验室火灾在成因机理上存在一定的特殊性，主要是由于高校实验室具有如下特点：实验室在日常使用过程中电力负载大；实验中所涉及的易燃易爆化学品数量大、种类繁多；接触人员多为安全意识比较薄弱的学生；使用时间过于集中、人员组成复杂、流动性大等；同时实验室还存放有气瓶、反应容器等特种设备，一些特殊实验还要求高温、高压等实验条件，造成实验室的火灾安全具有隐患多、蔓延快、扑救难度大、损失高昂等特点[2-4]。近年来我国高校科研水平显著提升，高校实验室管理人员的工作量也随之增大，高校实验室消防安全管理面临着更严峻的考验。

目前，对高校实验室消防安全管理的研究主要侧重于建立高校实验室火灾的指标体系，确定指标权重，对高校实验室火灾风险进行评价[5-6]，而缺少对影响高校实验室消防安全管理的因素及各影响因素间关联的研究。解释结构模型(ISM)作为系统工程的分析方法，已成功应用于煤矿井下安全氛围影响因素分析[7]、特种设备安全监管体系构建[8]、地震应急管理能力评估[9]等领域。该方法逐步分析系统内部具有关联性的各要素，进而构建一个多级递阶结构模型，简化复杂系统问题，进而通过模型结构找出最重要的影响因素，可应用于分析具有较多影响因素的体系[10-11]。因此，本文以消防理论为基础，结合高校实验室实际运营特点，通过ISM法，分析导致实验室火灾的各个因素之间的相互联系，构建高校实验室消防安全的ISM模型，绘制各影响因素间的多级阶梯有向图；采用网络层次分析法(ANP)确定各级指标的权重，为高校实验室提高安全管理水平提供依据。

1 高校实验室消防安全ISM建模

1.1 影响高校实验室消防安全因素分析

解释结构模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)方法对若干具有内部关联性的要素进行分析，以多级阶梯结构模型来阐述复杂的系统问题。

ISM建模流程可概括为5个步骤：组织建立实施ISM小组；确定待解决系统问题；分析确定系统的组成要素；根据要素关系建立临接矩阵，进一步构建可达矩阵；对可达矩阵进行分解后建立结构模型。

根据ISM理论的建模流程，首先确定可导致高校实验室发生火灾的影响因素，根据各因素间的内在联系构建邻接矩阵、可达矩阵，最终建立多级递阶ISM模型并提出有针对性解决对策。查阅相关文献[12-13]，结合高校实验室实际特点，从人—物—环境—管理4个维度选取了17个主要影响因素(见图1)。

图1 高校实验室消防安全管理体系

1.2 建立邻接矩阵

通过专家打分以及访谈咨询法，确定了17个要素中两两相对的影响关系。若Qi对Qj有影响在矩阵相应位置记做1，若Qi对Qj无影响，则记做0，根据两两要素间的内在联系能够确定因素之间的相互关系。

(1)

则其邻接矩阵

1.3 建立可达矩阵

可达矩阵(用R表示)是用矩阵形式来描述有向连接图各节点之间经过一定长度的通路后可以到达的程度。将相邻矩阵R与单位矩阵I相加后验算求得。

(2)

利用布尔代数运算规则(0+0=0,0+1=1，1+0=1，1+1=1；0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1)进行计算，直到满足：

Ar=Ar-1

(3)

经计算得到：

M=A4=A5

1.4 建立ISM递阶结构模型

以可达矩阵为基础，对系统内各个要素进行分级。要素Qi所能影响到其他要素的集合记为可达集合R(Qi)，R(Qi)与能够影响要素Qi共同构成先行集合A(Si)，最后找出所有能够影响要素Qi，并受要素Qi所影响的集合记为共同集合C(qi)，C(qi)是具有双向传递的要素集合，C(qi)=R(qi)∩A(qi)。若R(qi)=R(qi)∩A(qi)，则R(Qi)为优先级最高的因素集，记为1级。随后，从邻接矩阵R中删去要素Qi所在行列后可得新矩阵B1，按照相同计算方法对矩阵B1进行计算，可得所有满足条件的次级因素集及新矩阵B2。用B1,B2,…,Bn分别表示优先级从高到低的因素集。

据此建立高校实验室消防安全的ISM模型，如图2所示。

图2 高校实验室消防安全的ISM模型

1.5 结构模型分析

由图2可知，高校实验室消防安全体系是一个具有多层递阶有向结构的复杂系统。实验室相关人员、物料及仪器设备、建筑物及外部环境和消防安全管理4个维度之间的17个要素交互作用，相互影响，高校实验室火灾影响因素的交互关系如下：

(1)表层直接影响因素。包括危化品的存放与使用、设备布置与防护、消防平面布置、应急预案与应急处置方案、单位面积可燃物数量、日常消防安全检查、仪器设备管理、消防器材配置。可以看出易燃易爆危险品的存放数量与使用方式、仪器设备的布置与使用以及消防平面布置与消防器材的配备等是导致高校实验室火灾发生的直接原因，也是保障高校实验室教学、科研工作安全开展务必要重视的直接影响因素。

(2)中间层间接影响因素。包括实验操作环境、危化品管理、物料的危险性、建筑物耐火等级、供电及给排水系统。其中，危化品管理、物料的危险性与单位可燃物数量相关，进而影响危化品的存放与使用；实验操作环境也是危化品管理需要考虑的因素之一，同时也关系到仪器、反应的正常运行与否；建筑物的耐火等级的问题主要集中于历史悠久的高校中，不少实验楼的设计施工已无法满足现在的要求，是高校实验室火灾发生的间接影响因素；电气火灾是实验室火灾的主要形式之一，其深层原因就包括供电及给排水系统设计的不合理。

(3)深层根本影响因素。包括实验操作技能、专业理论知识、消防安全意识、消防安全教育。这几个要素主要与实验室相关人员相关，它们是高校实验室火灾事故背后的深层根本原因。高校实验管理人员对消防工作的重要性认识不足，未掌握必要的理论知识与操作技能、没有对实验者进行安全教育和安全知识培训，操作人员安全意识淡薄、麻痹大意等因素，易导致人为失误，最终酿成火灾。高校实验室火灾事故是人—物—环—管各因素共同作用的结果，要保障高校实验室长治久安，必须提升实验人员的素质，加强理论与操作技能学习，完善消防安全教育，提高消防安全意识。

2 高校实验室消防安全的ANP 模型

根据高校实验室消防安全的ISM模型可以看出，高校实验室消防安全受实验室相关人员、物料及仪器设备、建筑物及外部环境和消防安全管理4个维度17个要素相互交叉影响，具有很强的内部关联性。ANP是一种适应非独立递阶层次结构的决策方法，是在层次分析法(AHP)的基础上发展形成的一种新实用决策方法，尤其适用于内部存在依存和反馈关系的复杂决策系统[14]。由于ANP的计算极为复杂，难以通过人工计算得出结果，因此本文借助SD(Super Decision)软件进行计算[15]。

2.1 构建ANP结构

根据ANP模型原理，将高校实验室消防安全影响因素划分为两个部分[16]：①网络控制层，包含分析的目标，即高校实验室消防安全；②影响网络层，是人—物—环—管4维度17要素组成的网络结果。根据上文ISM模型结果为基础，构建高校实验室火灾的ANP结构如图3所示。

图3 高校实验室消防安全影响因素ANP模型图

2.2 构建无权重超矩阵

根据准则指标两两比较的判断矩阵，对判断矩阵进行归一化处理，将获得的特征向量组合起来即为无权重超矩阵W。若控制层元素为Q1，Q2，…，Qn，网络层元素为C1，C2，…，Cn，每个网络层元素Ci有元素Ci1，Ci2，…,Cin(i= 1，2，…，n)。以控制层元素Si为准则，网络层元素Cjk(k= 1，2，…，n)为次准则，比较Ci对Cjk的影响力大小，得优势度比较矩阵，对矩阵进行一致性检验，最后可得无权重超矩阵W(见表1)。

表1 高校实验室消防安全影响因素的无权重超矩阵W

2.3 构建权重超矩阵

把每一层次作为一个参考要素，以此为准则进行其它元素的成对比较，得出判断矩阵Pj，归一化后得到特征向量(p1j，p2j，…，pnj)T，将各层次特征向量组合，最终得到整体加权矩阵P。将加权矩阵P与无权重超矩阵W相乘，即可得权重超矩阵W*(见表2)。

2.4 影响因素权重

通过SD软件，进一步计算出高校实验室消防安全的极限超矩阵Ws，Ws中每行出现的相同数字，即为该行元素对高校实验室消防安全的相对权重，由于篇幅有限，不再列出极限超矩阵Ws。由计算结果可得，C11至C44对实验室消防安全影响力的权重分别为0.093，0.071，0062，0.063，0.031，0.157，0.074，0.091，0.017，0.037，0.016，0.047，0.012，0.073，0.061，0.034，0.062。通过ANP分析结果可以看出，危化品的使用与存放、安全意识、消防设配配置、仪器设备管理、日常消防安全检查、专业理论知识是导致高校实验室火灾发生的主要因素，在实验室管理中需要对这些因素加强管理以保障实验室安全运行。

通过ANP结果可得体系模型准则层的权重顺序为：物料及仪器设备(0.380)、实验室相关人员素质(0.289)、消防安全管理(0.230)、建筑物及外部环境(0.129)。从人、物料、环境、管理4方面来说，物料对预防实验室火灾具有更显著的作用，危险物料及复杂仪器设备是导致实验室火灾发生的直接原因，在日常管理中需要重点防范。实验室相关人员素质是实验室火灾发生的深层根本原因，但其对实验室安全与否的影响也极为重要，加强对实验者的安全教育，加深专业理论知识与实验操作技能的学习，提高安全意识，是降低人为失误的有效手段。行之有效的安全管理也是切断事故链的主要方法，通过加强日常消防安全检查，规范危化品、仪器设备的管理，制定应急预案等来降低实验室火灾事故发生的危险性。

表2 高校实验室消防安全影响因素的加重超矩阵W*

3 结 论

(1)针对实验室消防安全管理的实际特点，从人、物料、环境、管理4方面分析总结出高校实验室消防安全管理的17个要素，运用ISM模型对各要素进行分析，得到ISM的3层递阶模型，将17个要素划分为表层直接原因、中间层间接原因、深层根本原因，发现安全意识、专业理论知识、实验操作节能、安全教育培训是导致实验室火灾事故发生的深层根本原因。

(2)采用ANP网络确定出各级因素权重，表明危化品的使用与存放、安全意识、消防设配配置、仪器设备管理、日常消防安全检查、专业理论知识为实验室火灾的主要影响因素。

(3)根据ISM与ANP的分析结果，物料及仪器设备是导致高校实验室火灾发生的直接原因，是高校实验室消防安全管理的重点防范对象。此外，实验室相关人员素质虽然不直接导致实验室火灾的发生，但作为深层根本原因，所占综合权重较高，是进行高校实验室消防安全管理中不能忽视的重要环节。