基于组合赋权云模型的高校实验室综合安全评价

刘 辉， 唐彩萍， 祁 兵

（吉林建筑大学应急科学与工程学院，长春 130118）

0 引 言

实验室是高校开展实验教学和科学研究的重要平台，也是对学生实验操作能力和科技创新水平培养的重要载体。随着高校招生规模的不断扩大，实验室数量不断增多，由于其所含危险有害因素种类繁多，且涉及易燃、易爆、剧毒等危险物质［1］，高校实验室事故时有发生，引起了社会的普遍关注。如2018 年11 月11日，南京某高校实验室在试验过程中发生爆燃，导致导致几名师生受伤［2］；同年12 月，在北京一高校实验室发生爆炸事故，3 名研究生不幸身亡［3］。实验室安全不仅与高校师生的生命财产安全息息相关，同时还关系到学校和社会的安全稳定。2017 年2 月教育部办公厅发布《关于加强高校实验室安全工作的通知》，2019 年1 月教育部办公厅公布《关于进一步加强高校教学实验室安全检查工作的通知》，2019 年5 月教育部发布《关于加强高校实验室安全工作的意见》，教育部相继发布了3 份关于高校实验室安全的规范性文件，不断加强对高校实验室的安全管理。因此，对高校实验室进行科学系统的安全评价，以此来掌握高校实验室整体安全状况，对于预防实验室事故发生具有重要意义。

目前国内高校研究学者对关于实验室安全评价进行了研究并取得了一些成果。王洋［4］针对目前高校生物实验室安全现状，采用层次分析原理对影响生物实验室安全的不同因素进行了分析。曹以等［5］在分析工科类高校实验室安全管理特点的基础上，通过层次分析法和模糊综合评价两种方法对某高校的实验室进行安全评价。张佳明等［6］以机械类高校实验室为例，对粒子群算法的BP 神经网络的安全评价模型进行改进，该模型不仅引入了非线性函数对其优化，还确定了最优的函数调整因子。杨巍等［7］针对工程实验室建立安全风险等级综合集成评估模型（DHEGF），并对该模型的适用性进行了分析。姜峰等［8］运用模糊综合评价方法，从定性与定量两方面分别对化学实验室安全进行了分析，建立了化学实验室安全评价体系。实验室安全评价研究目前主要集中在不同类型实验室且评价过程主观性较强，而基于主客观组合赋权的云模型综合评价在高校实验室安全评价方面鲜见。

本文着眼于高校实验室总体安全状况，在从安全管理体制机制、安全宣传教育、危险源管理、安全设施与环境、安全应急能力5 个方面构建高校实验室安全评价指标体系的基础上，提出采用AHP法和熵权法的组合赋权法确定指标权重，最后运用云模型评价法对高校实验室进行整体安全评价，为科学、规范地对实验室进行安全管理提供依据和保障。

1 高校实验室安全评价指标体系构建

评价指标的构建是实验室安全评价的第1 步，合理地选取指标可以提高实验室安全管理评价的准确性和科学性［9］。构建评价指标体系首先将目标层进行分解，分解为若干准则层（1 级指标），再以准则层为目标分解实施层（2 级指标）的各项因素指标，构建评价指标体系。

本文主要依据教育部发布的《高校教学实验室安全工作检查要点（2019 版）》内容［10］，并结合相关学者［11-13］研究成果，构建了高校实验室安全评价指标体系，如图1 所示。

图1 高校实验室安全评价指标体系

2 高校实验室安全评价指标权重确定

2.1 AHP法确定主观权重

（1）列出指标因素集。U为目标层，U1，U2，…，Um为一级指标；U11，U12，…，Umn为2 级指标。

（2）构造判断矩阵A=（aij）m×m。使用1 ～9 重要性标度建立实验室安全评价指标体系中各级指标之间的相对重要性。

（3）指标权重的确定与最大特征值。通过计算得出各指标的权重ωi（i=1，2，…，m），带有偏差的最大特征值为

（4）一致性检验。计算一致性指标

式中：n为一致性矩阵具有的最大特征值，并计算一致性比率CR=CI/RI［14］。

当CR＜0.10 时，该判断矩阵符合一致性检验要求，否则必须调整判断矩阵。

2.2 熵权法确定客观权重

（1）构建原始化矩阵和标准矩阵。现有n个评价指标，每个指标有m专家评价，形成原始数据判断矩阵X=（xij）m×n，进行归一化处理后得标准矩阵Y=（Xij）m×n，则

式中，max（Xi）、min（Xi）分别为不同评价数列的同一指标最大和最小值。

（2）计算各指标的信息熵Pij为第j个指标在第i个系统中的特征比重。

（3）计算评价指标的熵权。计算第j个评价指标的熵权为［15］

2.3 组合权重的确定

根据主观权重和客观权重，得到各评价指标的组合权重，计算式为：

式中：Wi表示组合权重；wi表示主观权重；wij表示客观权重；α取0.7。

3 高校实验室安全评价模型——云模型

（1）构建评价集。采用专家打分方式对每个评价指标进行等级评价，分别表示非常危险、危险、一般、安全、非常安全5 个评价等级。根据相关专家的经验、知识与智慧获得评价集。

（2）计算标准评价云。根据评价集将各个指标评价值的有效论域H划分为x个子区间，其中，第v个子区间为［min，max］，该子区间对应标准云的数字特征值为（Ex，En，He），计算表达式如下：

式中，cmax、cmin分别为专家打分的最大与最小值。

（3）计算第j个指标评价云为Cj（Exj，Enj，Hej），j=1，2，…，n。则有：

式中：xi为样本中的数值；表示数据样本均值；S2表示样本方差；n为样本的数量。

（4）计算综合评价云。通过计算期望Ex、熵En、超熵He3 个数字特征值来表示［16］，计算式如下：

计算出综合评价云后，对比得到的综合评价云图与评价标准云图，观察与综合评价云图最为相似的指标云图，从而确定高校实验室所处的安全等级［16］。

4 案例分析

某高校拥有建筑综合实验中心、材料工程实验中心、力学与工程训练中心、土木工程实验中心等11 个实验中心，存在实验项目类、仪器设备类、试剂耗材类、废弃物类等典型安全风险。

4.1 指标权重计算

邀请10 名专家对指标权重间重要程度打分，运用AHP法计算主观权重。根据式（3）～（6）运用熵权法计算客观权重。根据式（7）计算组合权重。指标权重计算结果如表1 所示（见下页）。

4.2 云模型综合安全评价

4.2.1 确定高校实验室标准云

采用数字分级将高校实验室安全等级分为5 级，值越大代表越安全。根据高校实验室实际情况，各安全等级的得分区间分别为（0 ～30］，（30 ～60］，（60 ～

80］，（80 ～90］，（90 ～100］，K取值为0. 1。根据式（8）计算标准云。本文确定He为0.1。该高校实验室安全等级标准云如表2 所示（见下页）。通过MATLAB编程得到标准云图，如图2 所示。

图2 实验室标准云图

4.2.2 确定高校实验室评价云

请专家对该校实验室安全情况进行评价，根据式（9）计算得到该校实验室各指标评价云，结果见表3。运用式（10）各评价指标云得到该高校实验室总评价云C（86.6，2.48，0.48）。

表1 指标权重计算结果

表2 实验室安全等级标准云

4.2.3 确定高校实验室安全等级

根据该校实验室的综合云C（86.6，2.48，0.48）绘制综合评价云图，通过观察该云图与标准云图（如图3所示），该综合云图在等级为“安全”和“非常安全”上均有分布，进一步分析数字特征与云图，判断该云图与等级为“安全”的标准云最为相似，所以确定该校实验室安全评价等级为“安全”。由此说明该校实验室可以在安全状态下运行，但在安全信息化建设、危险物废弃物处置、设施、设备布局方面还存在提升空间，需要以后不断的加以完善，防止向一般风险转变。

图3 实验室安全评价云与各等级标准云对比

表3 指标评价云

5 结 论

（1）从安全管理体制机制、安全宣传教育、危险源管理、安全设施与环境、安全应急能力等5 个方面建立了高校实验室安全评价指标体系，能够反映高校实验室安全状况所需的各种因素，在采用AHP法和熵权法分别确定指标主客观权重的基础上，综合得到各指标的组合权重，能够客观反映指标重要程度，为高校实验室安全评价提供可靠数据依据。

（2）应用云模型建立高校实验室安全评价模型，能够掌握高校实验室整体安全状况，得到高校实验室整体安全等级。

（3）本高校实验室安全评价指标体系具有通用性，但未考虑各类型高校和各学科实验室的差异化，后续可考虑采用组合赋权云模型对不同类型高校的不同学科实验室进行安全评价，以适应不同类高校和不同学科实验室的安全评价。