基于物元熵权模型的实验项目的实验室风险评价

杨念哥， 陈硕琛， 邓义芳

（中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083）

0 引 言

实验教学是课程教学中不可或缺的组成部分，是培养学生科学素养和理论运用能力的重要途径［1］。随着国家对于大学生实践教学环节重视程度的不断提高，高校实验室的规划和建设也迎来了蓬勃发展，管理方式不断改进［2］。同时实验教学项目与时俱进；实验教学项目的门类更加齐全；实验教学项目的学生参与度不断提高；随着信息化建设的不断深入，实验教学的手段更加丰富［3］。高校实验教学的蓬勃发展对实验室安全管理与风险评估提出了更高的要求。近年来，为探究新形势下的高校实验室安全相关工作，我国学者在广泛深入实践的基础上，提出了很多行之有效的评价模型与管理方法［4-7］。在相关课题中，研究人员以实验室整体作为研究对象对其安全状态、潜在风险点及改进方法进行研究与评价，但以实验室内进行的各固定实验项目入手，对实验室的安全风险进行评估与管理的研究相对较少。因此本文在结合实验室安全管理和风险评估的相关研究基础上，将实验室的风险评估细化为具体的实验项目评估，从“人、机、料、法、环”的角度出发，运用熵权法，确定各个指标权重系数，结合物元模型评价方法，建立高校教学实验项目风险评价模型，通过获取实验室内每一个实验项目的风险信息，以此获取实验室风险情况。以该模型为基础，可以对不同类型实验室管理方案提供参考，评价流程如图1 所示。

图1 基于实验项目评价的实验室风险分析方法流程图

1 实验项目安全评价指标的确定

基于多指标评价对问题进行分析时，评价指标的确立往往对评价结果的准确性与有效性有着决定性作用［8］。不同实验室的运营模式和管理对象千差万别，但是又有很大的共通之处，参考安全系统分析法［9］，实验室不安全事故产生的原因可以分为3 类：人的不安全行为、物的不安全状态、环境因素，以此为基础，实验室的安全管理评价从人、机、料、法、环5 个角度着手。现将整个实验项目安全风险评价作为总体目标层，在实验室安全评价分析体系的基础上，结合实验项目的共通性，将总目标层分为人、机器、材料、实验室规程、环境的风险5 个2 级目标层，每个2 级目标层下面又设有若干底层指标。基于冯建跃教授等专家的“高校实验室安全工作手册”对底层指标进行一一确立［10］，细分了15 个具体评价项目作为底层指标，建立实验项目综合安全评价体系，如图2 所示。

图2 实验项目风险评价指标

2 实验项目安全风险等级划分

根据《教育部关于加强高校实验室安全工作的意见》［11］的要求，应当对实验项目进行系统的风险等级评估，参考《建筑施工安全检查标准》［12］中对施工安全的风险分类方式，将实验项目安全等级分为4 级，即Ⅰ级（风险很小）、Ⅱ级（风险中等）、Ⅲ级（风险较高）、Ⅳ级（风险很高）。采取划分评分区间的方式，对于各个指标进行量化分析，具体评分标准见表1。

表1 实验项目风险等级评分标准

3 实验项目安全风险评估物元模型

（1）物元。对于具体的事物，一般可以用事物（N）、特征（C）、量值（V）3 个主要元素进行表示，这3个元素即成为物元［13］。对于给定事物事物元N，若其有n个特征用C1…Cn表示，对应n 个量值用V1…Vn表示，则该物元可用矩阵R描述：

当描述m个特征相同的事物N1-Nm时，可以用复合矩阵对其进行描述：

（2）经典域。经典域由物元特征及量值区间设置。若将事物分成h个等级，用Nj（j ＝1…h）表示第j个等级的事物；用Ci（i ＝1…n）表示第i个特征；用Vji（j ＝1…h，i ＝1…n）表示第j个等级下第i个特征的取值范围。其中：

则经典域可以表示为：

（3）节域。节域是特征量值范围的集合。将Vpi表示第i个特征Ci的取值范围则有：

节域Np可表示为：

（4）关联函数的确立。关联函数是用来描述事物对于评价等级隶属程度的函数。根据物元模型理论其表达式为：

式中：Kxj（Vi）表示第x个待评价物元第i个指标的第j个等级隶属度；Vxi为第x 个待评价物元第i 个指标的量值；Vji为经典域内第i 个指标第j 个等级的量值范围；Vpi为节域内第i个指标的量值范围；G（x，X）为

（5）熵权模型的建立。熵是系统无序化的程度，熵权反映了各指标所包含有用信息量的多少。熵权越大，说明指标携带的有用信息量就多，反之亦然［14］。熵权法是一种依据数据中所含信息量大小来判断指标权重的分析方法［15］。在以某个具体的项目作为分析对象时，有m个待评价对象以及共同的n 个待评价具体指标于是就可以得到一个由评价值组成的信息矩阵Y ＝（yij）m×n，其中yij为第i 个项目第j 项指标的评分。对于得到的原始信息矩阵，首先需对其进行无量纲化处理，得到标准化矩阵X ＝（xij）m×n；其中：

根据得到的标准化矩阵计算每个指标的熵值e：

式中，k ＝（ln n）－1，由此得到每个指标的熵权w：

（6）综合关联度及评价等级的确立。根据式（7）可以确立物元第i个评价指标关于第j 等级的隶属度参数，同时结合式（11）确立的第i 个评价指标熵权Wi，可得待测物元N关于第j个等级的综合关联度为：

令

则物元N所属的综合评价等级为j级。

4 案例分析

为验证建立的分析模型对实验室的安全风险评估的准确性和有效性，现选取某高校环境工程实验作为主体，根据图1 的相关步骤，对其进行风险评估。

4.1 物元模型的建立

该实验室主要承担水质检测等5 个项目的实验任务。因此以该5 个实验项目作为评价对象，邀请由来自相关课程理论教学老师、实验室安全督导专员等专家组成的专家组对实验项目进行安全风险评估。专家组参照表1 的评价规则，对每个细分指标进行详细评分，最后被得到的评分如表2 所示。将每个实验项目作为一个物元，则实验项目、评价指标、专家评分共同组成了物元矩阵；根据表1 的评分标准，则可以确定经典域和节域。同时将4 个风险等级关联度定义为K1（N）、K2（N）、K3（N）、K4（N）。

4.2 熵权指标计算

根据式（9）～（11）可以求得15 个评价指标的权重如表2 所示。由权重信息可知，该实验室的安全风险来源中人员风险权重为0.142（0.044 ＋0.053 ＋0.045）；机器的风险权重为0.232（0.103 ＋0.088 ＋0.041）；实验原料的风险权重为0.352（0.270 ＋0.041＋0.041）；实验规程的风险权重为0.134（0.043 ＋0.046 ＋0.045）；环境的风险权重为0.141（0.044 ＋0.041 ＋0.056）。从2 级目标层来看，该实验室的风险点主要来自实验原料和机器设备，这也与实验室运行过程中的实际相符合：在实验课程教学中该实验室进行的实验的成熟度高，学生对实验原理的掌握循序渐进，教师技术娴熟，同时实验室用途固定，场地维护较好，因此来自“人、法、环”的风险一般较为较小。而在实验项目中存在的涉及危险的原材料和由于机器状态不同带来的一些潜在风险往往是需要关注的重点。对于底层指标的权重分析则可以得到其风险点主要来自于化学原料和机器设备的保养状态及使用年限上，需要重点关注。

表2 各个实验项目风险评分信息及权重指标

4.3 项目风险等级及实验室风险等级分析

将得到的权重指标代入式（12）可得各个实验项目的风险综合关联度如表3 所示。由风险等级评价结果可知，在该实验室内进行的5 个实验项目其安全风险等级都为一级，处于风险较小的等级，因此所有实验项目均可在现有条件下安全开展，该实验室的风险较小，与实际情况相吻合。

表3 实验项目风险综合关联度及风险等级

5 结 论

将实验室的风险评价分解为具体实验项目的风险评价，以人的风险、机器的风险、实验原料的风险、操作规程的风险、环境的风险5 个二层评价指标为抓手建立风险评价体系。运用该评价体系结合物元法和熵权法得到实验室风险信息。通过以上流程为实验室安全风险评估提供了一种新方法。该方法能够较为全面有针对性地对实验室内各个实验项目的风险等级进行评价，从而得到实验室整体风险状态，同时由于引入权重指标，该方法也可以对风险点来源进行判断，找到风险管理的切入点，为实验室的安全管理提供依据。通过实例分析，利用该方法建立的模型与实际情况吻合度高，验证了该方法的准确性。