基于TOPSIS的高校工科實驗室安全評價①

曹以，趙璐，龍訓(xùn)建，李洪濤，萬里

1.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065；2.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶 400715

高校承載著為社會發(fā)展和科技進(jìn)步培養(yǎng)輸送人才的重要使命，實驗室是高校重要的實踐教學(xué)基地，是高校開展實驗教學(xué)、科學(xué)研究和社會服務(wù)的重要場所和窗口[1-2]． 在我國高校實驗室建設(shè)迅速發(fā)展的過程中，安全問題卻是一個容易被忽視的問題，實驗室安全事故頻頻發(fā)生[3-4]．

我國在高校實驗室的安全體系構(gòu)建和安全制度建設(shè)中，還存在諸如安全意識淡薄、安全教育投入不足、安全基礎(chǔ)設(shè)施不完善、安全管理制度不全面等問題[5]． 如何通過構(gòu)建一套科學(xué)的安全評價指標(biāo)體系，客觀評價高校實驗室的安全級別，從而提供切實可行的整改方案，有效地排除安全隱患，是現(xiàn)今實驗室管理工作值得研究和探索的問題[6]．

實驗室涉及多種安全因素，每個因素重要性的大小又各有不同． 本文在分析和總結(jié)實驗室安全管理相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，針對高校工科實驗室安全管理的特點(diǎn)，從管理制度、環(huán)境安全管理、電氣安全和機(jī)械安全4個方面構(gòu)建了實驗室安全評價指標(biāo)體系，采用主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相結(jié)合的綜合賦權(quán)法確定評價指標(biāo)權(quán)重，然后通過TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution)法對某高校工科學(xué)院的實驗室安全進(jìn)行評價[7]，最終得出的評價結(jié)果可為實驗室安全方面的改進(jìn)與提高指明方向．

1 工科實驗室安全評價指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建正確的實驗室安全評價指標(biāo)體系是實驗室安全評價關(guān)鍵性的一步，直接決定了實驗室安全管理評價的結(jié)果和成效，合理地選取實驗室安全評價指標(biāo)可提高實驗室安全管理評價的準(zhǔn)確性和科學(xué)性．

首先，指標(biāo)的選取應(yīng)體現(xiàn)被評價實驗室的安全管理內(nèi)容并符合客觀實際情況． 如本文評價的某高校工科實驗室，主要是以力學(xué)指標(biāo)、工程材料、巖土性質(zhì)等為主的實驗室，并不包含化學(xué)化工類和生物醫(yī)學(xué)類實驗室，所以評價指標(biāo)體系中也不出現(xiàn)此兩類指標(biāo)． 其次，所選指標(biāo)應(yīng)兼顧實驗室的通用性及所有實驗室都應(yīng)具備的安全指標(biāo)，如：安全管理制度建設(shè)、安全教育與培訓(xùn)、實驗室環(huán)境安全、電子電氣安全． 第三，突出大型力學(xué)設(shè)備安全指標(biāo)． 通常測試力學(xué)性能和工程材料等的設(shè)備都屬于大型機(jī)械設(shè)備，自重和施力范圍相對較大，指標(biāo)中應(yīng)有專門的安全項目對大型機(jī)械設(shè)備所產(chǎn)生的安全隱患進(jìn)行防護(hù)．

根據(jù)以上原則，本文從管理制度、環(huán)境安全管理、電氣安全和機(jī)械安全4個方面選擇12個指標(biāo)構(gòu)建了實驗室安全評價指標(biāo)體系(表1)．

表1 實驗室安全評價指標(biāo)體系

10位老師和學(xué)生代表被邀請對某高校工科學(xué)院的6個實驗室(建材實驗大廳、壓力試驗機(jī)室、MTS815力學(xué)測試系統(tǒng)實驗室、土工檢測室、聲學(xué)與振動實驗室、河工水力學(xué)儀器室)的指標(biāo)層進(jìn)行定量評價，其中90，80，60，50，40分對應(yīng)優(yōu)、良、中、差、劣級別，各項指標(biāo)值詳見表2．

表2 某高校工科學(xué)院6個實驗室安全評價指標(biāo)值

2 研究方法

2.1 權(quán)重確定

權(quán)重反映了評價指標(biāo)對整體方案的影響程度，是實驗室安全評價中非常重要的內(nèi)容． 目前，確定指標(biāo)權(quán)重主要有兩種方法：主觀權(quán)重法和客觀權(quán)重法． 主觀權(quán)重法是通過決策者或?qū)＜业慕?jīng)驗和知識來確定權(quán)重，包括專家咨詢法、層次分析法等． 而客觀權(quán)重法是應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)的方法，利用數(shù)據(jù)本身決定權(quán)重，包括信息熵法、主成份法等[8]． 本文采用主觀權(quán)重和客觀權(quán)重相結(jié)合的綜合賦權(quán)法來確定各評價指標(biāo)的權(quán)重．

2.1.1 層次分析法

層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，AHP)是由美國運(yùn)籌學(xué)者Saaty最早提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)評價決策方法，其基本思路是決策者通過將復(fù)雜問題分解為若干層次和要素，在各要素之間簡單地進(jìn)行比較判斷和計算以獲得不同要素和不同待選方案的權(quán)重，具體計算步驟見參考文獻(xiàn)[9]．

2.1.2 熵權(quán)法

假定有n個待評價對象，m個評價指標(biāo)，則該評價體系就可用初始評價矩陣：X=(xij)m×n，利用熵權(quán)法獲取評價指標(biāo)權(quán)重的詳細(xì)步驟[10]如下：

首先對初始指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：設(shè)各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的值為Yij，則有：

(1)

然后計算各指標(biāo)的信息熵值：第j組指標(biāo)數(shù)據(jù)的信息熵值為

(2)

最后計算指標(biāo)權(quán)重向量：

(3)

2.1.3 綜合權(quán)重法

將上述兩種方法計算的權(quán)重結(jié)果對應(yīng)第j個指標(biāo)權(quán)重相乘，并歸一化處理得到組合權(quán)重ωj，歸一化公式為

(4)

式中：αj，βj分別為利用AHP層次分析法和熵權(quán)法確定的第j個指標(biāo)的權(quán)重．

2.2 TOPSIS法

TOPSIS意為“逼近理想解排序方法”，是HWANG等[11]于1981年提出的一種適用于多項指標(biāo)、多個方案比較選擇的分析方法，依據(jù)評價對象與理想化目標(biāo)相對貼近度的大小進(jìn)行排序，判斷評價對象相對優(yōu)劣的評價方法，具體計算步驟如下[12]：

1)建立決策矩陣．

設(shè)實驗室安全的原始評價指標(biāo)矩陣為

(5)

其中：Z為初始評價矩陣；Zij為第i個實驗室第j個指標(biāo)的初始值；i=1，2，…，m，m為參評的實驗室數(shù)量，j=1，2，…，n，n為指標(biāo)數(shù)．

2)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣V=(vij)m×n．

(6)

式中：vij為第i個實驗室第j個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值．

3)構(gòu)建加權(quán)決策矩陣． 將矩陣V與指標(biāo)權(quán)重相乘，得加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣：

rij=ωjvij

(7)

式中：ωj為每個指標(biāo)權(quán)重，由綜合權(quán)重法確定．

(8)

(9)

式中：J1為效益性指標(biāo)；J2為成本性指標(biāo)．

5)確定各個指標(biāo)與正、負(fù)理想解的距離，距離計算的方法較多，采用歐氏距離計算公式：

(10)

(11)

6)各方案與理想解的相對貼近程度及方案決策

(12)

式中：根據(jù)εi值的大小對實驗室安全Mi排序，εi越大則實驗室安全Mi越接近理想解，項目越優(yōu)，反之，實驗室安全越差．

3 實驗室安全評價指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)AHP法分別確定準(zhǔn)則層及其對應(yīng)的指標(biāo)層的主觀權(quán)重，最終確定各個指標(biāo)的最終主觀權(quán)重(表3)，根據(jù)熵權(quán)法確定各指標(biāo)層指標(biāo)的客觀權(quán)重，根據(jù)公式(4)得到各指標(biāo)的綜合權(quán)重，詳見表3．

從表3可以看出，綜合權(quán)重最大的3個指標(biāo)分別為A11，A21和A33． 其中，A11指標(biāo)是從安全管理制度的建立出發(fā)，對所有類型的高校實驗室進(jìn)行宏觀剛性規(guī)定． 無論是機(jī)械類、生物醫(yī)學(xué)類、化學(xué)化工類、電子電氣類實驗室，只要養(yǎng)成良好的安全習(xí)慣，嚴(yán)格按照正確的安全管理制度執(zhí)行，就可以大大降低安全事故率．A21則是一個實驗室基本面貌的體現(xiàn)，布局不合理、臟亂差的實驗室存在潛在安全隱患的可能性大大增加． 而A33為電氣安全類最重要的一個指標(biāo)，也是高校實驗室出現(xiàn)安全事故最常見的原因． 四川省某高校曾經(jīng)連續(xù)發(fā)生幾起實驗室火災(zāi)，皆是因為電源和電線出現(xiàn)問題而引起，造成了實驗數(shù)據(jù)和實驗設(shè)備的巨大損失． 而A22，A43等指標(biāo)屬于有條件的實驗室應(yīng)當(dāng)配備的安全措施，所以權(quán)重相對較低．

表3 高校實驗室安全各指標(biāo)權(quán)重

4 實驗室安全評價結(jié)果

實驗室安全評價所有指標(biāo)均為效益型指標(biāo)，即指標(biāo)值越大越好，由式(8)、式(9)計算正負(fù)理想解，再由式(10)、式(11)、式(12)計算各實驗室與正負(fù)理想解的距離S+，S-及相對貼近度εi，依據(jù)相對貼近度εi的大小對各實驗室安全進(jìn)行排序，結(jié)果見表4．

表4 高校實驗室安全評價結(jié)果

由表4可以看出在這6大實驗室中，安全評價結(jié)果最好的是MTS815力學(xué)測試系統(tǒng)實驗室，隨后依次是壓力試驗機(jī)室、建材實驗大廳、聲學(xué)與振動實驗室、土工檢測室和河工水力學(xué)儀器室，評價結(jié)果與實際情況比較符合． 以MTS815力學(xué)測試系統(tǒng)實驗室為例，其安全制度的建立、實驗室環(huán)境與布局、電器電路安全等重要指標(biāo)得分較高，從而排名第一． 而排名最后的河工水力學(xué)儀器室在重要指標(biāo)得分并不很高的前提下，在突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案、安全隱患整改制度，安全知識與措施培訓(xùn)等方面也比較欠缺．

總體來看，該學(xué)院的實驗室安全評價在全國高校屬于中上水平，作為傳統(tǒng)的工科高等院校，該學(xué)院的實驗室在管理制度、機(jī)械安全方面都比較完善，防火設(shè)施齊備，安裝了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控功能的門禁系統(tǒng)等防盜措施． 在保持優(yōu)勢的同時，通過本文的科學(xué)評價方法，找出各個實驗室的不足并改進(jìn)，能更好地完善實驗室安全制度．

5 結(jié)束語

針對普通高校工科實驗室安全管理的特點(diǎn)，本文從管理制度、環(huán)境安全管理、電氣安全和機(jī)械安全4個方面選擇12個評價指標(biāo)構(gòu)建了實驗室安全評價指標(biāo)體系． 采用AHP法和熵權(quán)法相結(jié)合的綜合賦權(quán)法確定每個評價指標(biāo)的綜合權(quán)重，通過TOPSIS法對某高校工科學(xué)院6個實驗室的安全進(jìn)行了排序，評價結(jié)果與實際情況較為符合，本文提出的基于綜合賦權(quán)的TOPSIS評價法可科學(xué)、規(guī)范地對高校實驗室進(jìn)行安全管理提供依據(jù)和保障．