高等级生物安全实验室生物安全风险评估系统的研究

何媛 施海晶 杨章志 代青 杨要兵 陈咏

摘 要：本文探讨了高等级生物安全实验室在生物安全风险评估活动中存在的问题。结合故障树分析、模糊综合评价法建立了实验室生物安全风险评估模型，实现了生物安全风险的定性及定量评估。依据该风险评估模型，并结合实验室生物安全风险管理的相关要求，构建了生物安全风险评估计算机系统，将风险识别、分析、评价、应对等风险管理过程与内控管理过程在业务流程、工具手段、方式方法等多方面贯通和整合。

关键词：生物安全;风险评估;故障树分析;模糊综合评价

中图分类号：Q-338 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0235-04

0 引言

生物安全实验室是用于微生物菌种保藏、科学研究、临床、生产中开展有关内源性和外源性病原微生物工作的场所，在这种实验室内所操作的病原微生物一旦发生外环境泄漏事故，极有可能给人群、动物或植物带来不可预计的危害[1]。根据实验室对病原微生物的防护水平，国际上将生物安全实验室分为四级，一级风险最低，四级最高，把三、四级定义为高等级生物安全实验室。

随着2001年美国炭疽邮件事件，2003年SARS疫情暴发，以及近年来H1N1流感，H5N1、H7N9等禽流感疫情的反复流行，生物恐怖和生物威胁的形势愈演愈烈，高等级生物安全实验室的建设越来越受到各个国家的重视，只有具备这样的硬件设施，才有可能进行高致病生物因子的研究，才能具备防范、控制重大疫情传播的能力[2]。

1 风险评估的作用

开展生物安全实验室风险评估，并根据风险评估结果落实相应的风险控制措施，是实验室风险管理的核心工作之一。通过风险评估，决策者及有关各方可以更深刻地理解可能影响实验室生物安全的风险，以及现有风险控制措施的充分性和有效性。风险评估是由风险识别、风险分析和风险评价构成的一个完整过程，风险评估内嵌于风险管理过程中，与其他风险管理活动紧密融合并互相推动[3]。

2 生物安全风险评估存在的问题

目前，我国在生物安全实验室风险评估中主要存在以下问题：

（1）风险评估活动的主体参与人员为微生物学、医学、生物技术等专业人员，缺乏暖通、给排水、电气等专业人员，在风险评估中易对该部分的风险识别不足。（2）在风险评估过程中，报告编制人员普遍采用头脑风暴法、情景分析、检查表法等简单易行但难以全面及定量化的風险评估技术。故障树分析、事件树分析、模糊综合评价法等能全面识别风险并可定量分析的方法因过于专业、复杂，需要多学科专业人员共同参与而难以广泛采用。（3）风险评估人员对生物安全风险评估应用的理解和认识还不到位，风险评估结果和管理体系对应关系不清晰，未能将风险评估活动融入到实验室日常运行管理中，没有真正发挥风险评估及风险控制的作用。

为提升高等级生物安全实验室在风险评估及内控管理方面的能力，并将风险评估活动融入到实验室日常运行管理中，亟需建立一套易于操作且又评估准确的生物安全风险评估系统。

3 生物安全风险评估系统

本文构建的生物安全风险评估系统功能蓝图如图1所示。系统前端为风险监测及应对措施、实验室活动申请及风险评估两个应用;中间的功能单元是为支撑前端应用的而设置的相关管理功能;底层则为集成的实验室动环系统、门禁系统、自控系统及旁路监测系统的监测、报警数据。

3.1 实验室活动申请及风险评估

实验室活动申请及风险评估应用的主要功能是进行实验活动申请、风险评估并输出评估报告。其核心是以高等级生物安全实验室各运行的软、硬件系统为基础，结合故障树分析、模糊综合评价法构建生物安全风险评估模型，再依据生物安全风险管理的相关要求，构建了生物安全风险评估流程。

通过该应用，实现了风险评估与内部控制工作的全面、深度融合，将风险识别、分析、评价、应对等风险管理过程与内控管理过程在业务流程、工具手段、方式方法等多方面贯通和整合，实现风险评估与内部控制工作的完整、有效和无缝对接。

3.1.1 故障树分析

故障树分析是用来识别和分析造成特定不良事件（称作顶事件）的可能因素的技术。国标《风险管理风险评估技术，GB/T27921-2011》对故障树分析方法有详细描述，本文对其略过不表。曹国庆、王荣、周永运等人对故障树分析方法在高等级生物安全实验室设施设备风险评估中的应用进行了研究[4，5]，并给出了相应的故障树模型。本文借鉴其思想并结合我所高等级生物安全实验室建设的实际情况，构建符合我所实际情况的故障树模型。

高等级生物安全实验室防护结构主要根据“盒子中的盒子”原理进行“四流”控制，实现实验室内高危病原微生物与外环境的隔离防护，如图2所示。实验室在人、物、气、液上都与外环境之间存在流通，只要其中任何环节出现问题，实验室内高危病原体都可以通过“四流”途径突破“盒子”防护，泄漏到外环境，引发生物安全事故。

通过研究全球已发生的生物安全事故并结合我所生物安全实验室的运行经验，总结并确认实验室病原体外环境泄漏途径包括：（1）样品携出途径。（2）人员携出途径。（3）通风系统与围护结构途径。（4）污水处理系统途径。（5）动物昆虫携出途径。（6）仪器设备携出途径。该六个途径涵盖了实验室“四流”交通途径，通过各途径的具体风险因素分析，能得出实验室外环境泄漏风险的完整故障树。

以下仅以活毒废水传播途径为例说明本文构建的故障树模型。高等级生物安全实验室活毒废水处理系统如图3所示。

通过对活毒废水处理系统各环节的分析，可识别出活毒废水传播途径的顶层风险因素包含三类：废水收集管路泄漏、活毒废水消毒不彻底引起泄漏、废水处理间内存在病原微生物气溶胶。对顶层风险因素在进行剖析细分，构建的故障树模型如图4所示。

以此方法原理，结合相关领域的专家人员，即可构建出实验室外环境泄漏风险的完整故障树。而通过故障树模型又可识别并构建生物安全风险评估指标体系（如图5所示）。有了风险评估指标体系，即可使用模糊综合评价法来定量评估生物安全风险等级。

3.1.2 模糊综合评价法

模糊综合评价法是一种基于模糊数学的综合评价方法，是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评价事物相关的各个因素，对其所作的综合评价[6]。它能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。模糊综合评价的步骤主要包括：确定评价指标、确定因素集、确定评价集、确定指标权重、确定指标隶属度，最后进行分层模糊综合评价得出结果。

（1）确定因素集。因素集是由影响生物安全风险的各个因素（指标）组成的集合。在复杂系统中，需要考虑的因素（指标）往往是很多的，而且因素（指标）之间还存在着不同的层次。在这种情况下，就需要将评价因素集合按照某种属性分成几类，先对毎一类进行综合评判，然后再对各类评判结果进行类之间的高层次综合评判。因素集记为U：

U={ui}，i=1，2，…，n

本文建立的因素集已展开显示部分分为四个层次，如图5所示。

（2）确定评价集。评价集是对被评价对象可能做出的各种总的评价结果组成的评价等级的集合，记为V：

V={vj}，j=1，2，…，m

本文将生物安全风险评价集分为四个等级：一级为安全状况良好，风险较小，计85分值;二级为安全状况一般，有一定风险，计60分值;三级为安全状况较差，风险较大，計40分值;四级为安全状况很差，风险很大，计20分值。即评价集V={85、60、40、20}。

（3）确定指标权重。权重是以某种数量形式对比、权衡被评价事物总体中诸因素相对重要程度的量值，记为A：

A={aj}，i=1，2，…，n，=1

进行模糊综合评价时，权重对最终的评价结果会产生很大的影响，不同的权重有时会得到完全不同的结论。本文据专家对两两指标比较后的打分结果，确定了各个指标的权重，如图5所示。

（4）确定指标隶属度。隶属度rij是指多个评价主体对某个评价对象在ui方面作出vj评定的可能性大小，用隶属度向量Ri表示：

Ri=（ri1，ri2，…，rim），i=1，2，…，n，=1

例如：假设图5中指标编号D1221（即压力传感器失真）的隶属度向量为RD1221={x，y，z，w}，则RD1221为V的子集合，RD1221集合中的元素为0～1之间的值。x表示指标D1221为85分的概率;y表示指标D1221为60分的概率，z表示指标D1221为40分的概率;w表示指标D1221为20分的概率。对全部评价指标进行隶属度评定，即可得到模糊关系矩阵R：

R=

在确定隶属关系时，本文由相关专业人员依据评价等级对评价指标进行打分，最后计算平均分得出结果。部分指标评价等级的隶属度得分如表1所示。

（5）分层模糊综合评价。生物安全实验室风险评估属于多级模糊综合评价，即先对底层因素进行模糊综合评价，再对底层评价结果进行高层次的模糊综合评价。模糊综合评价采用M（·，）加权合成算子将指标权重A与模糊关系矩阵R合成得到综合隶属度向量S及综合得分μ：

S=A·R;μ=VST

例如：图5中最底层D112指标的综合隶属度向量为SD112：

SD112=（0.450 0.450 0.100）=（0 0.145 0.345 0.510）

如此逐层计算直至得到顶层“病原体外环境泄漏Z”的综合隶属度向量SZ。假设SZ=（0.10 0.25 0.30 0.35），则最后计算的综合得分为μz：

μz=（85  60  40  20）=42.5。

（6）评价结果。根据最终计算的综合得分μz及评价集V，即可得出风险评估结果为：风险等级为三级，安全状况较差，风险较大，风险评分为42.5分。

3.1.3 生物安全风险评估流程

生物安全风险评估流程是以生物安全风险管理的相关要求为基础，在结合风险评估模型的特点构建而成，如图6所示。

实验活动申请：是指创建实验活动信息，为风险评估提供输入信息，其需填写课题信息、申请使用的实验室、实验活动所操作的病原体微生物因子、涉及的仪器设备及参与的实验人员信息等。

选择专家参与风险评估任务：是根据实验活动的特点，挑选相应的专家参与风险评估任务，发挥各领域专家的专业优势。

评估专家输入模型所需数据：是指相应的评估专家对指标权重、指标隶属度等数据进行定义并审核把关，及时纠偏。模型所需数据回由系统进行一致性校验，数据只有通过一致性校验才会被用于风险评估。

风险评估：是系统根据输入信息，调用风险评估模型进行风险评估得出评估结过后，系统在依据故障树模型及风险评估报告模板，自动生成风险评估报告。

评估报告审核：是风险评估专家对系统自动生成的评估报告进行审核，确定风险评估报告是否真实反应了风险状况，风险应对措施是否完善等。

评估报告归档：是指系统对审核通过后的评估报告进行归档保存。只有评估报告归档、落实相应风险应对措施及通过政府主管部门审批后，才可开展相应的实验活动。

3.2 风险监测及应对措施

风险监测及应对措施应用，主要功能有两个：

一是实现对实验室设施设备等硬件系统的风险自动化监测。其方法是根据故障树模型的特点，将故障树识别出的基本风险因子与风险应对措施及实验室内的动环监控系统、门禁系统、自控系统、旁路监测系统的监测、报警信息相关连，实现实验室内设施设备风险的自动化监测，并在风险发生时及时给出风险应对措施。例如，动环监控系统在监测到某处发生漏水时会发出报警信息，风险评估系统获取到该报警信息后，系统根据已关联的故障树模型检索其可能发生的全部风险，同时列出每个风险的应对措施及详细处理步骤。

二是对于人因引起的风险，如实验人员被实验动物抓伤、防护服被锐器刺穿等风险，可通过在系统中输入相应的事件关键字（设施设备风险事件也可如此操作），系统会根据故障树模型检索其可能发生的全部风险，同时列出每个风险的应对措施及详细处理步骤。

通过该应用，可提高实验室管理人员在发生生物安全风险事件时的反应时间及处理效率，减轻或避免生物安全风险事件造成的损失，其可推动风险应对和内控管理的实质融合，提升内部控制对风险应对的重要作用。

4 结语

本文建立的生物安全风险评估模型是基于故障树模型及模糊综合评价模型的有机结合，即可做定性评估，又可做定量评估。在定性评估中，由于故障树是建立在元件联系和故障模式分析的基础之上的，因此对不可预知的风险无法进行评估，评估结果依赖故障树信息的完整程度。随着对实验室各系统的深入认识，进一步修改和完善故障树，可以克服此缺点。在定量评估中，由于模糊综合评价的权重数据和隶属度数据需借助专家打分得到，专家个人的主观因素会对评价结果产生较大影响，专家的选择是定量评估的关键。

通过建立生物安全风险评估系统，可实现风险评估与内部控制工作的全面、深度融合，将风险识别、分析、评价、应对等风险管理过程与内控管理过程在业务流程、工具手段、方式方法等多方面贯通和整合。在生物安全风险事件发生时，可提高实验室管理人員的风险反应时间及处理效率，减轻或避免生物安全风险事件造成的损失。

参考文献

[1] GB19489-2008.实验室生物安全通用要求[S].2008.

[2] 张彦国，曲怡然.国内外高等级生物安全实验室标准和建设概况[J].暖通空调，2018（1）：2-6+65.

[3] GB/T27921-2011.风险管理风险评估技术[S].2011.

[4] 曹国庆，王荣，周永运.基于故障树分析的高等级生物安全实验室设施设备风险评估探讨[J].暖通空调，2018（9）：63-71.

[5] 曹国庆，王荣，王栋.生物安全实验室设施设备适用风险评估技术分析[J].暖通空调，2018（7）：111-116.

[6] 张跃，邹寿平，宿芬.模糊数学方法及其应用[M].北京：煤炭工业出版社，1992.