杨亚琪 周 艳副教授 陈 全教授

(天津理工大学 环境科学与安全工程学院，天津 300384)

0 引言

科研院所实验室是开展学术交流，进行前沿性技术研究，培养高水平人才的重要平台。这类实验室具有实验项目方向不同、化学品种类复杂、设备数量多、人员流动大、实验探索性强、风险未知性强等特点，实验过程中可能导致火灾、爆炸、机械伤害、高处坠落、灼烫、触电、物体打击、坍塌、中毒和窒息、其他伤害等事故类型。据统计，科研实验室事故是工厂实验室的100倍[1]，科研院所实验室事故频发不仅造成实验成果和财产的重大损失，甚至让科研人员付出健康乃至生命的代价。2021年，某化学研究所实验室发生反应釜高温高压爆炸事故，造成一人死亡；2018年，北京某高校实验室人员在实验过程中违规操作，导致爆炸，3人死亡。当前，在国家大力加强对科研工作投入的背景下，明确实验室风险等级并提高安全管理水平成为亟需解决的问题。

目前，已有学者运用层次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)和作业条件危险性评价法(Likelihood Exposure Consequence，LEC)对实验室安全展开研究。沈通等[2]运用AHP法和LEC法对C值从人员伤亡、经济损失、实验成果影响损失、社会影响力损失4个方面重新赋值；赵雨霄等[3]针对化学类实验室的普遍特点，对L、E、C重新取值，运用公式进一步量化实验室存在的风险；常昇宏等[4]将L值定义为工作自身的固有危险因素与人员对危险因素的控制能力两者间的差值；叶元兴等[5]统计分析150起高校及科研院所的实验室安全事故，阐明主要的风险因素为危险化学品事故、仪器设备事故、线路安全事故、生物安全事故以及其他事故。现有文献更多基于统计分析、理论分析的角度研究实验室安全管理体系和制度建设，而在客观量化地评价实验室风险等级、有效消除安全隐患等方面尚有不足，且未提出可实际应用的明显例证。本文在构建科研实验室风险评价指标体系的基础上，将AHP法和LEC法相结合，克服人为赋值的主观性，使致险因素风险等级划分更系统清晰，实验结果更客观量化，实际应用中可操作性更高、可行性更强。

1 实验室风险评估模型的构建

1.1 建立评价指标体系

通过对科研院所实验室可能导致人身伤亡、健康损害、财产损失的危险物料、设备设施、实验操作环节、场所环境进行分析，遵循系统性、动态性、全员性、综合性等原则，辨识风险类别，找出其风险诱发因素和危险释放源点，提出有效的控制措施。其中，物料主要从可燃性、爆炸性、腐蚀性、毒性、存放量等方面考虑；设备考虑设备类型；实验操作中关注人的不安全行为；场所环境参考间距空间、通风及通道、安全警示标志等，基于以上4方面系统辨识危险源，选取7个一级指标、24个二级指标构建实验室风险评价指标体系，指标的选择既需符合客观实际情况，也应体现实验室的管理内容，同时兼顾各实验室的通用性。

科研院所各实验项目涉及到人员作业活动步骤较多、仪器设备复杂、危险化学品繁多、实验所处环境差异化等，根据危险源辨识结果，运用AHP法构建科研实验室风险评价指标体系，见表1。

表1 科研实验室风险评价指标体系

1.2 基于AHP法的指标权重计算

AHP法是定量和定性分析相结合的多准则决策方法。首先建立层次结构模型，按照不同因素间的相互关联影响和隶属关系分为目标层、准则层、方案层[6]。引用标度法构建判断矩阵(aij)n×n，对人的主观判断做出客观量化，每一层次的因素对上一层次某因素进行层次单排序，并通过一致性检验。通过层次总排序得到各层元素对目标层的合成权重并通过一致性检验，最终实现方案层的排序。

AHP法计算被比较元素相对于上一层次的相对权重可采用和法、方根法、特征向量法和幂法，具体计算过程参考运筹学文献[7]。

标度含义和相对重要性数值uij的判断方法，见表2。

表2 标度含义

随机一致性指标RI，见表3。

表3 随机一致性指标RI的取值

一致性指标CI由公式(1)计算。

(1)

其中，λ为判断矩阵的最大特征值。

一致性比率CR由公式(2)计算。

(2)

当CR小于0.1时，通过一致性检验，证明评价指标的权重分配合理，否则，需对判断矩阵重新修正，直至一致性检验通过。

1.3 基于LEC法的危险等级划分

LEC法是对作业环境中潜在的危险源进行半定量分析的安全评价方法，该方法用与风险相关的3个因素指标的乘积定量描述危险等级，3个因素由评价小组专家赋值，见表4。风险值D=事故或风险发生的可能性L×暴露在危险情况下的频率E×事故发生可能导致的后果C。D值越大，危险程度越高，应采取控制措施调整风险到允许值，危险等级划分，见表5。

表4 L、E、C取值

表5 危险等级划分

基于危险源辨识成果构建实验室风险评价指标体系，采用LEC法评估导致事故的各风险因素的危险等级，结合AHP法进一步计算各指标的合理权重，将权重值与风险值加权运算，从而确定各风险因素导致事故的重要程度，具体流程，如图1。

图1 基于AHP-LEC的实验室风险评估流程图

2 实证分析

2.1 数据处理

某科研院所包括检测类实验室和理论技术研究类实验室，实验项目主要包括构件、设备、装置、材料的检测以及理论技术的研究。其中，检测类主要涉及灭火系统、建筑防火构配件、消防装备、灭火剂、防火阻燃材料及制品等，理论技术研究主要涵盖防火、防爆等基础理论研究。

邀请5名专家运用LEC法对该科研院所实验室不同风险类别下的各风险因素进行赋值，其风险因素计算值，见表6。

表6 各风险因素计算值

实验室风险评价指标体系的一级指标为火灾、容器爆炸、机械伤害、中毒和窒息、坍塌、触电、灼烫等7类，一级指标对应的权重为W=(W1，W2，W3，W4，W5，W6，W7)。触发一级指标的二级指标因素包括24个，对应的权重为Wi=(Wi1，Wi2，Wi3…Win)，i=1，2，3，…，7。其中n表示7类不同风险类别下对应风险因素的个数。运用AHP法计算指标权重，构造A-B判断矩阵，5位专家根据标度法对两两因素进行赋值，采用加权算术平均值法综合各专家意见，幂法计算出一级指标的相对权重(见表7)，并通过一致性检验。

表7 A-B判断矩阵及指标权重

同理构造B1-(B11-B17)、B2-(B21-B23)、B3-(B31-B33)、B4-(B41-B43)、B5-(B51-B53)、B6-(B61-B62)、B7-(B71-B73)7个判断矩阵，专家进行赋值，计算各二级指标相对一级指标的权重，即W1={0.100 5，0.090 8，0.145 6，0.030 8，0.340 9，0.247 7，0.043 8}；W2={0.319 6，0.558 4，0.122 0}；W3={0.637 0，0.258 3，0.104 7}；W4={0.581 6，0.309 0，0.109 5}；W5={0.292 2，0.092 5，0.615 3}；W6={0.333 3，0.666 7}；W7={0.581 6，0.109 5，0.309 0}，一致性检验通过。

进而可得方案层各风险因素对目标层实验室安全风险评价的权重值Wk，并将其与风险值D结合，见公式(3)，将所得加权风险值Dk排序，见表8。

(3)

Dk=Wk×D

2.2 结果分析

基于AHP法和LEC法对各实验室可能导致事故发生的风险因素进行定性和定量的评估，其中容器爆炸、火灾、中毒和窒息、机械伤害等作为主要安全事故，引起的伤害更为显著，所占权重分别为0.295 7、0.269 4、0.166 8、0.112 3，与实际情况相符，并通过统计数据的验证，应特别引起重视，提前预防。各实验室共用一套排风系统导致可燃废气混合是导致火灾发生的主要因素，危险化学品储存于普通试剂柜中是次要因素；各类气瓶防倾倒措施不健全是导致容器爆炸的主要因素，储罐保护装置、仪表装置失效是重要因素；通风不良和未穿戴劳动保护用品是导致中毒和窒息的主要和重要因素；机械伤害中实验仪器安全防护装置未装、不齐全或失效和机械自身故障导致伤害的风险性更大；实验所用墙体经长期、多次燃烧，未及时检查出缺陷和实验框架变形是坍塌的主要因素；人员操作不当直接用手接触和仪器设备老化未更新分别导致灼烫和触电。根据加权风险评价值的排序结果，依据先后原则针对性地提出控制措施。

2.3 安全措施

基于上述对科研院所实验室的危险源辨识和风险评估结果，从本质安全化的角度对容器爆炸、火灾、中毒和窒息、机械伤害等事故类型提出针对性安全控制措施。

(1)科研院所实验室多涉及甲烷、丙烷、氢气、一氧化碳等可燃气体实验，为避免火灾爆炸事故发生，排放可燃混合气体应设置自然通风和独立的排风系统。

(2)从采购、储存、使用和危险废弃物处理4个阶段对危险化学品进行严格管理和规范操作。从正规、合法渠道采购，且要专室、专柜储存；存放少量日常使用化学品的实验室，可使用危险化学品防爆试剂柜，并由专人负责管理；涉及危险化学品如毒性气体和可燃气体使用的场所应配备自动监测报警装置、联锁装置，并保证通风系统良好；危险废弃物应按照GB/T 31190—2014《实验室废弃化学品收集技术规范》等相关标准处理。

(3)针对气瓶、储气罐等特种设备的安全管理应设置防倾倒链，并定期检测各安全附件有效，各气瓶、储气罐放置在气瓶间内，气瓶间宜单独设置或设在无危险性的辅助用房内。

(4)定期检查各仪器设备无故障，且安全防护装置安装到位、保护有效。

(5)建立并健全科研院所安全管理规章制度和岗位安全责任制度；对从业人员进行安全教育、法制教育、岗位技术培训、应急疏散演练等培训活动；设置完善的安全操作规程，并定期组织安全培训考核；建立实验室安全检查与隐患排查制度，日常加强各项安全检查，建立隐患排查及整改情况台账，构建“日检查、周巡查、月通报、季整改、年总结”的长效安全保障制度[8]。

3 结论

(1)本文将AHP法和LEC法结合应用于某科研院所实验室的风险评估中，得出容器爆炸、火灾爆炸、中毒和窒息、机械伤害等高发安全事故应重点预防。根据各风险因素的加权风险值排序结果，依次采取相应整改措施。从改善排风系统、为气瓶设置防倾倒链、定期检查储罐安全保护装置、危险化学品合规管理、检查并更换受损或缺失的部件、保持场所环境良好、劳动防护用品穿戴齐全、检测报警装置安装到位、规范人员操作行为等方面来加强对各类事故的预防。

(2)该方法客观量化地评估科研院所实验室的安全风险等级和各风险因素的重要程度，完善了现有的评价体系，与实际情况相符，且为各科研实验室建立健全双重预防机制提供依据。

(3)实验室安全事故涉及较多的风险因素，进一步需考虑各风险因素间相互交叉影响的关系和程度，剖析其耦合效应，以实现对科研实验室安全风险评估模型的优化。