基于DEMATEL-ISM的高校实验室火灾爆炸事故影响因素分析

卢红奇讲师 邵士哲 刘彦伟教授 陈秀娟

(1.郑州航空工业管理学院 管理工程学院，河南 郑州 450046；2.河南理工大学 安全科学与工程学院，河南 焦作 454003；3.郑州航空工业管理学院 国有资产管理处，河南 郑州 450046)

0 引言

实验室是科研机构及高等学校进行实验教学、科学研究及培养学生实践能力的重要场所，在推动科技发展等方面发挥着重要作用。近年来，由于实验室危险品存放不规范导致事故频繁发生。如2022年长沙某高校实验室发生爆燃事故，造成1名博士受伤；2021年南京某高校实验室发生爆燃，造成2人死亡、9人受伤的严重后果。实验室事故极大地影响了高校及科研机构的正常工作，给师生安全造成巨大威胁，必须给予重点关注。

为保证高校实验室安全稳定运行，国务院安委会办公室、教育部等陆续召开高等学校实验室安全管理工作视频会议、全国高等学校实验室安全工作会议等相关会议，出台了《关于开展加强高校实验室安全专项行动的通知》《关于加强高校实验室安全工作的意见》等，极大地提升了高校实验室的安全水平。同时，专家学者也对实验室事故发生的原因等进行分析。付静等[1]分析2001-2016年高校实验室事故，指出其事故种类为火灾、爆炸、中毒，且事故主要因素为实验室有易燃物品，触发因素为违规或不慎操作，并提出加强全寿命周期管理及安全实训等措施；阳富强等[2]结合扎根理论对文献进行全面分析，辨识实验室安全管理的缺漏，构建了涵盖人员素质、实验室安全管理、实验室环境、危险化学品及仪器等核心因素的风险因素体系；李倩[3]结合行为安全管理(Behavior-Based Safety，BBS)模型，从组织行为和个人行为2个层面提出了提升实验室安全管理的方法和措施，如建设安全文化、开展安全培训等；叶元兴等[4]结合150起实验室事故获得死亡比例最高的是爆炸事故，生物安全事故造成人员伤害比例最高，并从加强危险化学品、生物安全管理、危险性仪器设备管理等方面提出了建议；刘长宏等[5]结合实验室不同类型隐患情况，分析了其形成原因，并从完善体制机制、创新宣传教育、加大整改力度等方面提出了相关建议，为提高实验室安全性奠定了基础；徐超等[6]针对46起高校实验室易燃易爆事故，运用“2-4模型”将事故致因分为根源原因、根本原因、间接原因和直接原因，并从健全安全管理体系、完善培训监管考核制度、强化应急预案等方面提出了意见；王蕾等[7]结合近10年高校火灾事故，利用蝴蝶结贝叶斯网络方法对事故中各节点变量进行分析，获得实验室发生火灾事故的主要影响因素，并提出加强人员培训、完善储存条件及加强标识管理等建议。从以上分析可以看出，当前对实验室事故的分析多是对事故的一般性统计，对事故发生的原因及其之间的关系分析不足，难以得出主要因素及关键因素，导致难以提出预防实验室事故的针对性指导意见。

在实验室事故中，火灾爆炸事故往往是造成人员伤害最大的事故，且发生率较高[8]。因此，本文以高校实验室火灾爆炸事故为分析样本，通过梳理2001-2021年实验室火灾爆炸事故数据，查找其风险因素，运用决策实验室分析(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)及解释结构模型法(Interpretative Structural Modeling Method，ISM)，并将两者相结合，即DEMATEL-ISM方法分析实验室爆炸事故的关键风险因素及其之间的联系，明确引发事故的主要因素，进而提出高校实验室火灾爆炸事故的预防对策，为提升实验室安全水平提供理论依据。

1 高校实验室火灾爆炸事故特征

利用知网、百度、必应等工具，查阅应急管理部、各地应急管理部门及各高校相关网站等，收集2001-2021年我国高校实验室火灾爆炸事故数据，并对其发生时间、发生地点、伤亡情况等进行详细分析。经统计，2001-2021年我国高校实验室共发生火灾爆炸事故56起，造成11人死亡、61人受伤，如图1、2。图1显示，2001-2021年的21年间，我国实验室火灾爆炸事故发生数总体呈现波动趋势，以2011年为界将其划分为2个阶段，2001-2011年事故起数明显较多且在2011年达到峰值，从2012年开始事故起数呈现一定的下降趋势。图2显示，在江苏、北京、四川3省(市)实验室火灾爆炸事故中，共造成11人死亡，均为化学、化工类实验室事故。在受伤人数中，江苏、北京、上海、广东、四川等省市受伤人数较多，其主要原因是该区域高校较多、科研活动较为活跃。从56起事故来看，约有53起发生在化学、化工类实验室，占比约为94.6%，说明化学、化工类实验室由于危险品较多、化学实验过程复杂等，极易引发事故，需要高校相关管理部门高度关注。

图1 2001-2021年实验室火灾爆炸事故起数

图2 2001-2021年实验室火灾爆炸事故分布情况

从事故发生原因分析，公布具体发生原因的47起事故中不同事故原因及其发生起数，见表1，如图3。表1显示，这47起事故中存在着不同风险因素：人为因素，主要是指实验人员不慎操作、未按照实验过程违规操作及实验过程中安全意识不足等；环境因素，主要是指实验环境温湿度不合理、实验室操作环境简陋等不满足实验条件的因素；管理因素，主要是指实验室安全制度缺乏、安全监管不严格、对实验室电路及设备检查和维修不严格、未制定合理存放危险化学品的制度并严格执行等；设备因素，主要是指实验室设备自身安全保障条件不足、设备老化及实验过程设备发生意外等。

表1 高校实验室火灾爆炸事故发生原因

图3显示，在47起实验室火灾爆炸事故中，人为因素造成的事故起数、受伤人数最多，分别为25起，34人；设备因素造成的受伤人数次之，共20人；管理因素共造成12起事故，但造成的事故死亡人数最多，为5人，因此也应给予重视。结果说明在实验过程中，应重点关注人为因素、设备因素和管理因素，并采取相关措施提高人员安全意识、实验操作的安全水平和安全管理水平，在日常工作中应加强设备及电路的管理和维护。

图3 2001-2021年实验室火灾爆炸事故因素

2 方法简介

DEMATEL-ISM由美国学者提出[9-10]，该方法通过将邻接矩阵与直接影响矩阵相结合，使复杂系统分解成层次清晰的多级递阶形式，对风险因素进行量化，对风险因素的影响度、被影响度等进行研究，进而得出风险因素的递阶结构关系。

DEMATEL-ISM将DEMATEL与ISM 2种理论相结合，可有效确定因素之间的因果关系，得出影响因素间的层次结构，挖掘导致事故发生的深层次因素，从而为事故预防措施的提出提供理论基础[11-12]。

为充分分析实验室火灾爆炸事故影响因素，特采用DEMATEL-ISM方法来分析引发事故的关键因素及核心因素，为预防事故的发生提供理论支撑。其具体过程为：构建影响矩阵，确定实验室火灾爆炸事故影响因素之间的影响强度，确定直接影响矩阵并对其进行规范化处理；计算实验室火灾爆炸事故影响因素的影响度、被影响度、中心度和原因度；建立可达矩阵，根据规范化处理的影响矩阵确定阈值，筛除影响较小的实验室火灾爆炸事故影响因素以分析可达矩阵；层次结构划分，依据可达矩阵分析矩阵的可达集、先行集与共同集，根据层次化处理原则划分所有影响因素，并绘制多级有向拓扑图。

3 高校实验室火灾爆炸事故影响因素识别

从2001-2021年实验室火灾爆炸事故统计数据可知，实验室火灾爆炸事故涉及到人员、设备、环境及管理等各个方面。为全面识别实验室火灾爆炸事故影响因素，同时参考其他学者成果作为补充[13-14]，从人员、设备、环境、管理等方面得到11个事故影响因素，见表2。

表2 实验室火灾爆炸事故影响因素

4 模型构建与结果分析

4.1 模型构建

根据表2确定的实验室火灾爆炸事故影响因素，邀请10位从事化学实验及学校实验设备管理的学生和老师(5名化学类硕士生、3名老师及2名实验设备管理人员)对影响因素间的作用强度进行分析，按照没有影响0、影响较小1、影响一般2、影响较大3及影响严重4等5个等级进行赋值，得到10个初始直接影响矩阵。为了消除分数之间的浮动，将10个直接影响矩阵求平均值并四舍五入，从而得出直接影响矩阵W，见表3。运用行值最大法对直接影响矩阵进行处理得出规范化矩阵G，并按照式(1)可得综合影响矩阵T，见表4。

表3 直接影响矩阵W

表4 综合影响矩阵T

(1)

式中：

T—综合影响矩阵；

G—规范化矩阵；

I—单位矩阵；

k—矩阵所有值趋近0时规范化矩阵自乘次数；

n—影响因素的数量；

tij—综合影响矩阵的行。

按照式(2)-(5)可得各因素的影响度Di、被影响度Ci、中心度Mi及原因度Ri，见表5。

表5 各因素影响度、被影响度、中心度及原因度

(2)

(3)

Mi=Di+Ci

(4)

Ri=Di-Ci

(5)

式中：

tji—综合影响矩阵的列。

通过对每个影响因素的中心度、原因度进行分析，绘制实验室火灾爆炸事故影响因素的中心度—原因度图，如图4。图4显示，w1、w3、w8、w9、w10位于第一象限，说明这5个因素为原因因素且重要性较高。w2、w4、w11位于第三象限，说明这3个因素为结果因素但重要性相对较低。w5、w6、w7位于第四象限，说明这3个因素为结果因素且重要性较高。同时，各个因素的中心度越大，其影响程度越大，因此需要对位于第一象限、第四象限的w1、w3、w5、w6、w7、w8、w9、w108个影响因素给予重点关注。

图4 影响因素中心度—原因度图

为更好地分析实验室火灾爆炸事故风险影响因素之间的关系，需要构建可达矩阵，具体方法如式(6)所示。根据整体影响矩阵E的数据分布确定阈值λ、筛除影响较小的因素，从而构建可达矩阵M。依据可达矩阵M，求解各因素的可达集P(Si)、先行集Q(Si)与共同集C(Si)=P(Si)∩Q(Si)。根据层次化处理原则，当L1=C(Si)=P(Si)时，Si为第一层元素，然后划去第一层因素对应的行和列，重复操作直至划分完所有元素为止，从而得出因素间的多级有向拓扑图。

E=T+I

(6)

(7)

式中：

mij—可达矩阵M中对应数值。

结合实际及专家意见，对不同阈值进行分析，得出阈值λ=0.10、0.15、0.18及0.20时各因素节点度衰减情况，如图5。图5显示，随着阈值的增加，节点度呈现下降趋势。当λ=0.15时，节点度较为适中，能够实现各影响因素有效链接。因此，确定了阈值为0.15，得出实验室火灾爆炸事故风险影响因素的可达矩阵，见表6。

表6 实验室火灾爆炸事故风险影响因素可达矩阵

图5 不同阈值下各影响因素节点度

根据阈值λ=0.15确定的可达矩阵，求出实验室火灾爆炸事故风险影响因素的可达集、先行集与共同集，得出其解释结构模型图，如图6。w2、w4、w6、w7、w11为第一层次因素；w3、w5、w8为第二层因素；w10为第三层因素；w1、w9为第四层因素。经过总结、归纳与分析，将实验室火灾爆炸事故影响因素归结为3类，即w2、w4、w6、w7、w11为第一类，为直接影响因素；w3、w5、w8、w10为第二类，为中间影响因素；w1、w9为第三类，为深层影响因素。

图6 实验室火灾爆炸事故影响因素解释结构图

4.2 结果分析

从实验室火灾爆炸事故影响因素中心度(表5)可以看出，实验人员安全意识薄弱w1、实验设备存在安全隐患w3、实验条件存在安全隐患w7、实验安全检查不当w9、安全规章制度缺乏w10这5个因素中心度较大，均大于2，说明这几个风险因素影响较大，应给予重点关注。图6显示，实验室火灾爆炸事故风险影响因素之间的联系较为复杂，因素之间还存在着跨层次联系，尤其是实验人员安全意识薄弱w1、实验设备存在安全隐患w3、实验安全检查不当w9、安全规章制度缺乏w10这几个因素节点度较大，处于核心链接位置，说明这些因素与其他因素存在着明显的因果关系，是控制事故的核心节点，对这些因素进行控制可有效防止事故的发生。

从图6可知，其影响因素可分为3个层次：深层因素，分别为实验人员安全意识薄弱w1、实验安全检查不当w9，这2个因素是造成实验室火灾爆炸事故的最深层因素，也是其他危险因素形成的根本原因，同时2个因素的节点度均较大，说明这2个因素会影响其他因素的产生，对其进行预防具有重要意义，需要对其进行特殊关注；中间因素，分别为实验设备存在安全隐患w3、实验环境不符合操作要求w5、安全培训与演练不到位w8、安全规章制度缺乏w10，此类影响因素居于中间位置，且受到深层影响因素的影响，同时对直接因素产生影响，尤其w3、w102个因素节点度较大，说明这2个因素链接的因素较多，对这2个因素进行分析并采取措施可以有效阻断风险的传播，因此也需对这2个因素特殊关注；直接因素，分别为实验操作不当w2、实验设备发生意外w4、实验防护不当w6、实验条件存在安全隐患w7及应急能力不足w11，这些因素是造成实验室火灾爆炸事故的直接因素，但同时也是深层因素与中间因素综合作用的结果，对这些因素进行预防可直接防止事故的发生。

5 高校实验室火灾爆炸事故防范对策

结合实验室火灾爆炸事故解释结构模型结果可知，节点度、中心度较高的影响因素对于事故发生具有较大影响，因此应当重点关注。对于实验人员安全意识薄弱、实验安全检查不当、实验设备存在安全隐患、实验条件存在安全隐患、安全规章制度缺乏、实验条件存在安全隐患等重点风险因素，结合实验室安全现状及实际，提出以下几点防范对策。

(1)加强实验室安全制度建设，提高人员安全意识。安全制度是实验室预防事故发生的行动指南。各个高校应根据每个实验室的特点制定相应安全制度，如危险品安全使用制度、危险品存放与保管制度、实验室准入制度、实验室安全管理与检查制度、危险源评价制度、安全培训制度、奖惩制度等制度，并加强制度落实情况。同时，在平时的实验活动中，应加强制度的落实管理，使所有实验人员熟悉制度内容，及时对事故进行总结分析，全面提高实验人员的安全意识。

(2)加强实验人员培训与考核，提升安全监控手段。针对不同种类实验环境，应合理制定安全培训内容，对进入实验室人员进行培训。特别是对于某些特殊岗位，应建立严格的培训与考核制度，明确实验过程中的危险操作，落实相应的考核制度与资格准入制度，采用先进的AR、VR技术等加强培训效果。为更好地提升安全检查效果，除了常规的技术人员指导监督外，应积极细化安全监管与检查内容，同时配合采用先进的监控手段分析实验过程及其动作，一旦发现危险可及时制止。

(3)加大实验室安全投入，提升实验设备及实验条件的安全性。对于实验设备与实验条件，应积极加大投入，实现实验防护设备配备合理化及实验场所的合适化，同时对于有特殊要求的危险品应保证其有合适的储存区域与条件。积极采购本安型实验设备，及时淘汰、更新有危险、隐患的实验设备，同时要对实验室通电线路进行检查、维修和更换，以免由于实验设备或线路老化等造成火灾爆炸事故。

(4)强化应急预案建设，提升人员应急自救能力。应急预案是预防事故扩大化的关键。在合理分析实验室危险品、电器、仪器设备等危险源的基础上，应结合其特征制定切实可行的应急预案，并对应急预案进行演练，提升人员应对突发情况的能力。同时，对于重大危险源，应采取如悬挂信息牌等方法说明相应危险内容及应急处置信息，使实验人员掌握应急救援知识，减小突发火灾爆炸事故对人身造成的伤害。

6 结论

(1)统计整理了2001-2021年56起实验室火灾爆炸事故，结果显示94.6%的事故发生在化学、化工类实验室，事故起数在2011年达到峰值，事故形成的原因可归结为人为因素、环境因素、管理因素及设备因素，其中人为因素造成的事故最多。

(2)通过分析构建了11个实验室火灾爆炸事故风险影响因素，其中实验人员安全意识薄弱、实验设备存在安全隐患、安全培训与演练不到位、实验安全检查不当、安全规章制度缺乏为原因因素；实验操作不当、实验设备发生意外、应急能力不足、实验环境不符合操作要求、实验防护不当、实验条件存在安全隐患为结果因素。对原因因素进行管控可有效预防事故的发生。

(3)实验室火灾爆炸事故风险影响因素可分为直接因素、中间因素、深层因素，其中实验人员安全意识薄弱、实验安全检查不当为深层因素；实验设备存在安全隐患、实验环境不符合操作要求、安全培训与演练不到位、安全规章制度缺乏为中间因素；实验操作不当、实验设备发生意外、实验防护不当、实验条件存在安全隐患及应急能力不足为直接因素，同时需要对节点度、中心度较大的因素给予重点关注。因此，应从安全制度建设、人员培训与考核等方面提高实验室安全性。