基于ISM和ANP的高校實驗室消防安全管理

陽富強，蔡逸倫，宋雨澤

(福州大學 環境與資源學院，福州 350116)

0 引 言

實驗室是高校開展教學、科研工作的重要依托，是體現高校科研實力的主要指標。隨著各大高校實驗經費投入持續加大，精密復雜儀器不斷引進，高校實驗室的科研水平得到顯著提升，各種高水平、綜合型實驗室不斷涌現。與此同時，高校實驗室的火災事故隱患也隨之增多，實驗室火災事故時有發生[1]。如2015年12月，清華大學化學系實驗室發生火災爆炸事故，致1名博士后遇難；2016年9月，東華大學化學化工實驗室發生爆炸，致2名學生重傷；2017年3月，復旦大學化學西樓一實驗室爆炸，致1名學生左手大面積創傷等。由此可見，實驗室火災事故不僅導致人員傷亡及設備財產損失，甚至造成嚴重的社會影響。

與傳統的工業火災相比，實驗室火災在成因機理上存在一定的特殊性，主要是由于高校實驗室具有如下特點：實驗室在日常使用過程中電力負載大；實驗中所涉及的易燃易爆化學品數量大、種類繁多；接觸人員多為安全意識比較薄弱的學生；使用時間過于集中、人員組成復雜、流動性大等；同時實驗室還存放有氣瓶、反應容器等特種設備，一些特殊實驗還要求高溫、高壓等實驗條件，造成實驗室的火災安全具有隱患多、蔓延快、撲救難度大、損失高昂等特點[2-4]。近年來我國高校科研水平顯著提升，高校實驗室管理人員的工作量也隨之增大，高校實驗室消防安全管理面臨著更嚴峻的考驗。

目前，對高校實驗室消防安全管理的研究主要側重于建立高校實驗室火災的指標體系，確定指標權重，對高校實驗室火災風險進行評價[5-6]，而缺少對影響高校實驗室消防安全管理的因素及各影響因素間關聯的研究。解釋結構模型(ISM)作為系統工程的分析方法，已成功應用于煤礦井下安全氛圍影響因素分析[7]、特種設備安全監管體系構建[8]、地震應急管理能力評估[9]等領域。該方法逐步分析系統內部具有關聯性的各要素，進而構建一個多級遞階結構模型，簡化復雜系統問題，進而通過模型結構找出最重要的影響因素，可應用于分析具有較多影響因素的體系[10-11]。因此，本文以消防理論為基礎，結合高校實驗室實際運營特點，通過ISM法，分析導致實驗室火災的各個因素之間的相互聯系，構建高校實驗室消防安全的ISM模型，繪制各影響因素間的多級階梯有向圖；采用網絡層次分析法(ANP)確定各級指標的權重，為高校實驗室提高安全管理水平提供依據。

1 高校實驗室消防安全ISM建模

1.1 影響高校實驗室消防安全因素分析

解釋結構模型(Interpretative Structural Modeling，ISM)方法對若干具有內部關聯性的要素進行分析，以多級階梯結構模型來闡述復雜的系統問題。

ISM建模流程可概括為5個步驟：組織建立實施ISM小組；確定待解決系統問題；分析確定系統的組成要素；根據要素關系建立臨接矩陣，進一步構建可達矩陣；對可達矩陣進行分解后建立結構模型。

根據ISM理論的建模流程，首先確定可導致高校實驗室發生火災的影響因素，根據各因素間的內在聯系構建鄰接矩陣、可達矩陣，最終建立多級遞階ISM模型并提出有針對性解決對策。查閱相關文獻[12-13]，結合高校實驗室實際特點，從人—物—環境—管理4個維度選取了17個主要影響因素(見圖1)。

圖1 高校實驗室消防安全管理體系

1.2 建立鄰接矩陣

通過專家打分以及訪談咨詢法，確定了17個要素中兩兩相對的影響關系。若Qi對Qj有影響在矩陣相應位置記做1，若Qi對Qj無影響，則記做0，根據兩兩要素間的內在聯系能夠確定因素之間的相互關系。

(1)

則其鄰接矩陣

1.3 建立可達矩陣

可達矩陣(用R表示)是用矩陣形式來描述有向連接圖各節點之間經過一定長度的通路后可以到達的程度。將相鄰矩陣R與單位矩陣I相加后驗算求得。

(2)

利用布爾代數運算規則(0+0=0,0+1=1，1+0=1，1+1=1；0×0=0，0×1=0，1×0=0，1×1=1)進行計算，直到滿足：

Ar=Ar-1

(3)

經計算得到：

M=A4=A5

1.4 建立ISM遞階結構模型

以可達矩陣為基礎，對系統內各個要素進行分級。要素Qi所能影響到其他要素的集合記為可達集合R(Qi)，R(Qi)與能夠影響要素Qi共同構成先行集合A(Si)，最后找出所有能夠影響要素Qi，并受要素Qi所影響的集合記為共同集合C(qi)，C(qi)是具有雙向傳遞的要素集合，C(qi)=R(qi)∩A(qi)。若R(qi)=R(qi)∩A(qi)，則R(Qi)為優先級最高的因素集，記為1級。隨后，從鄰接矩陣R中刪去要素Qi所在行列后可得新矩陣B1，按照相同計算方法對矩陣B1進行計算，可得所有滿足條件的次級因素集及新矩陣B2。用B1,B2,…,Bn分別表示優先級從高到低的因素集。

據此建立高校實驗室消防安全的ISM模型，如圖2所示。

圖2 高校實驗室消防安全的ISM模型

1.5 結構模型分析

由圖2可知，高校實驗室消防安全體系是一個具有多層遞階有向結構的復雜系統。實驗室相關人員、物料及儀器設備、建筑物及外部環境和消防安全管理4個維度之間的17個要素交互作用，相互影響，高校實驗室火災影響因素的交互關系如下：

(1)表層直接影響因素。包括危化品的存放與使用、設備布置與防護、消防平面布置、應急預案與應急處置方案、單位面積可燃物數量、日常消防安全檢查、儀器設備管理、消防器材配置?？梢钥闯鲆兹家妆ｋU品的存放數量與使用方式、儀器設備的布置與使用以及消防平面布置與消防器材的配備等是導致高校實驗室火災發生的直接原因，也是保障高校實驗室教學、科研工作安全開展務必要重視的直接影響因素。

(2)中間層間接影響因素。包括實驗操作環境、危化品管理、物料的危險性、建筑物耐火等級、供電及給排水系統。其中，?；饭芾?、物料的危險性與單位可燃物數量相關，進而影響危化品的存放與使用；實驗操作環境也是危化品管理需要考慮的因素之一，同時也關系到儀器、反應的正常運行與否；建筑物的耐火等級的問題主要集中于歷史悠久的高校中，不少實驗樓的設計施工已無法滿足現在的要求，是高校實驗室火災發生的間接影響因素；電氣火災是實驗室火災的主要形式之一，其深層原因就包括供電及給排水系統設計的不合理。

(3)深層根本影響因素。包括實驗操作技能、專業理論知識、消防安全意識、消防安全教育。這幾個要素主要與實驗室相關人員相關，它們是高校實驗室火災事故背后的深層根本原因。高校實驗管理人員對消防工作的重要性認識不足，未掌握必要的理論知識與操作技能、沒有對實驗者進行安全教育和安全知識培訓，操作人員安全意識淡薄、麻痹大意等因素，易導致人為失誤，最終釀成火災。高校實驗室火災事故是人—物—環—管各因素共同作用的結果，要保障高校實驗室長治久安，必須提升實驗人員的素質，加強理論與操作技能學習，完善消防安全教育，提高消防安全意識。

2 高校實驗室消防安全的ANP 模型

根據高校實驗室消防安全的ISM模型可以看出，高校實驗室消防安全受實驗室相關人員、物料及儀器設備、建筑物及外部環境和消防安全管理4個維度17個要素相互交叉影響，具有很強的內部關聯性。ANP是一種適應非獨立遞階層次結構的決策方法，是在層次分析法(AHP)的基礎上發展形成的一種新實用決策方法，尤其適用于內部存在依存和反饋關系的復雜決策系統[14]。由于ANP的計算極為復雜，難以通過人工計算得出結果，因此本文借助SD(Super Decision)軟件進行計算[15]。

2.1 構建ANP結構

根據ANP模型原理，將高校實驗室消防安全影響因素劃分為兩個部分[16]：①網絡控制層，包含分析的目標，即高校實驗室消防安全；②影響網絡層，是人—物—環—管4維度17要素組成的網絡結果。根據上文ISM模型結果為基礎，構建高校實驗室火災的ANP結構如圖3所示。

圖3 高校實驗室消防安全影響因素ANP模型圖

2.2 構建無權重超矩陣

根據準則指標兩兩比較的判斷矩陣，對判斷矩陣進行歸一化處理，將獲得的特征向量組合起來即為無權重超矩陣W。若控制層元素為Q1，Q2，…，Qn，網絡層元素為C1，C2，…，Cn，每個網絡層元素Ci有元素Ci1，Ci2，…,Cin(i= 1，2，…，n)。以控制層元素Si為準則，網絡層元素Cjk(k= 1，2，…，n)為次準則，比較Ci對Cjk的影響力大小，得優勢度比較矩陣，對矩陣進行一致性檢驗，最后可得無權重超矩陣W(見表1)。

表1 高校實驗室消防安全影響因素的無權重超矩陣W

2.3 構建權重超矩陣

把每一層次作為一個參考要素，以此為準則進行其它元素的成對比較，得出判斷矩陣Pj，歸一化后得到特征向量(p1j，p2j，…，pnj)T，將各層次特征向量組合，最終得到整體加權矩陣P。將加權矩陣P與無權重超矩陣W相乘，即可得權重超矩陣W*(見表2)。

2.4 影響因素權重

通過SD軟件，進一步計算出高校實驗室消防安全的極限超矩陣Ws，Ws中每行出現的相同數字，即為該行元素對高校實驗室消防安全的相對權重，由于篇幅有限，不再列出極限超矩陣Ws。由計算結果可得，C11至C44對實驗室消防安全影響力的權重分別為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。通過ANP分析結果可以看出，?；返氖褂门c存放、安全意識、消防設配配置、儀器設備管理、日常消防安全檢查、專業理論知識是導致高校實驗室火災發生的主要因素，在實驗室管理中需要對這些因素加強管理以保障實驗室安全運行。

通過ANP結果可得體系模型準則層的權重順序為：物料及儀器設備(0.380)、實驗室相關人員素質(0.289)、消防安全管理(0.230)、建筑物及外部環境(0.129)。從人、物料、環境、管理4方面來說，物料對預防實驗室火災具有更顯著的作用，危險物料及復雜儀器設備是導致實驗室火災發生的直接原因，在日常管理中需要重點防范。實驗室相關人員素質是實驗室火災發生的深層根本原因，但其對實驗室安全與否的影響也極為重要，加強對實驗者的安全教育，加深專業理論知識與實驗操作技能的學習，提高安全意識，是降低人為失誤的有效手段。行之有效的安全管理也是切斷事故鏈的主要方法，通過加強日常消防安全檢查，規范?；贰x器設備的管理，制定應急預案等來降低實驗室火災事故發生的危險性。

表2 高校實驗室消防安全影響因素的加重超矩陣W*

3 結 論

(1)針對實驗室消防安全管理的實際特點，從人、物料、環境、管理4方面分析總結出高校實驗室消防安全管理的17個要素，運用ISM模型對各要素進行分析，得到ISM的3層遞階模型，將17個要素劃分為表層直接原因、中間層間接原因、深層根本原因，發現安全意識、專業理論知識、實驗操作節能、安全教育培訓是導致實驗室火災事故發生的深層根本原因。

(2)采用ANP網絡確定出各級因素權重，表明?；返氖褂门c存放、安全意識、消防設配配置、儀器設備管理、日常消防安全檢查、專業理論知識為實驗室火災的主要影響因素。

(3)根據ISM與ANP的分析結果，物料及儀器設備是導致高校實驗室火災發生的直接原因，是高校實驗室消防安全管理的重點防范對象。此外，實驗室相關人員素質雖然不直接導致實驗室火災的發生，但作為深層根本原因，所占綜合權重較高，是進行高校實驗室消防安全管理中不能忽視的重要環節。