汪洪焦， 賈云禎， 張其東， 張 濤， 楊國(guó)濤， 趙繼俊

（中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州450001）

0 引 言

實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行科技創(chuàng)新活動(dòng)和培養(yǎng)科技人才的重要場(chǎng)所。近年來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科技、教育水平的日益提高促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室軟硬件建設(shè)，使得實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地規(guī)模不斷增大，儀器設(shè)備及試劑藥品日益增多，科研活動(dòng)愈加頻繁，實(shí)驗(yàn)室人員流動(dòng)加大，這些與相對(duì)落后的管理體制之間的矛盾愈加突出，使得實(shí)驗(yàn)室安全形勢(shì)愈加嚴(yán)峻。2015年，清華大學(xué)化學(xué)系實(shí)驗(yàn)室使用氫氣做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸后起火，造成一名博士后當(dāng)場(chǎng)死亡［1］。2018年，北京交通大學(xué)環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行垃圾滲濾液污水處理試驗(yàn)時(shí)，摩擦碰撞火花引發(fā)氫氣爆炸并起火，造成2名博士生和1名碩士生死亡。通過(guò)對(duì)近年來(lái)實(shí)驗(yàn)室安全事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，盡管實(shí)驗(yàn)室事故在事故類型、發(fā)生原因、危險(xiǎn)物質(zhì)類別存在差異，但根本原因是實(shí)驗(yàn)室安全管理機(jī)制不健全、管理制度不到位造成的安全管理不善［2］。實(shí)驗(yàn)室安全事故頻發(fā)，為實(shí)驗(yàn)室安全管理敲響了警鐘，加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全管理，提高安全管理水平，確保其安全平穩(wěn)運(yùn)行已成為實(shí)驗(yàn)室管理部門(mén)的一項(xiàng)重要研究課題。

2005年，韓國(guó)學(xué)者JOO PARK TAE等［3］最早開(kāi)發(fā)了用于實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)生和安全檢查的實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)。2011年，瑞士學(xué)者M(jìn)arendaz等［4］最先開(kāi)展了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的安全管理和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作。國(guó)內(nèi)方面，2012年陳晶晶［5］最早開(kāi)展了高校實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)體系的研究工作，2013年董繼紅等［6］最先應(yīng)用DHGF集成法對(duì)高校實(shí)驗(yàn)室安全管理進(jìn)行評(píng)價(jià)。隨后，一些學(xué)者針對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，相繼采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7］、物元熵權(quán)模型［8］、模糊綜合評(píng)價(jià)［9-10］、GA-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［11］、Simulin等［12］方法對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全管理進(jìn)行評(píng)價(jià)，以上方法均有各自的優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及權(quán)重設(shè)置較為隨意，人為因素影響較大，評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性存在較大局限性，只能定性地粗略評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的安全性，而不能定量地評(píng)價(jià)危險(xiǎn)程度等缺陷。

煙草行業(yè)的科技創(chuàng)新為提升煙草質(zhì)量提供保障，煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室作為煙草科技創(chuàng)新的重要場(chǎng)所，其安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。隨著國(guó)家和煙草行業(yè)對(duì)安全生產(chǎn)認(rèn)識(shí)程度的不斷提高，煙草行業(yè)逐步形成了一套規(guī)范的實(shí)驗(yàn)室安全管理體系，為確保實(shí)驗(yàn)室安全運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。然而，與其相應(yīng)的評(píng)價(jià)煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理水平的有效方法目前尚未建立［13-14］。目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)方法是基于高校實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室與高校實(shí)驗(yàn)室在人員結(jié)構(gòu)、管理模式、評(píng)價(jià)指標(biāo)上均有較大差異?；诖?，在分析現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理的特點(diǎn)及現(xiàn)狀，提出了基于模糊層次分析（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，F(xiàn)AHP）與機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning，ML）相結(jié)合的煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)方法。首先，利用安全檢查表及專家群智慧確定評(píng)價(jià)指標(biāo)并獲取權(quán)重?cái)?shù)據(jù)，減少個(gè)人片面知識(shí)和能力對(duì)指標(biāo)選取和權(quán)重確定的影響，盡可能降低人為因素造成的評(píng)價(jià)偏差。然后采用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，利用模糊矩陣進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)結(jié)果。為進(jìn)一步發(fā)揮安全評(píng)價(jià)的功能，為實(shí)驗(yàn)室安全管理提供科學(xué)的整改建議措施及對(duì)策，利用機(jī)器學(xué)習(xí)針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果提取整改建議措施及對(duì)策。近年來(lái)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法被用來(lái)從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析和挖掘中獲取準(zhǔn)則，從而獲取有價(jià)值信息［15］。應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室安全評(píng)價(jià)從定性評(píng)價(jià)到定量分析的轉(zhuǎn)換，能夠更直觀地評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室的危險(xiǎn)程度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室存在的違規(guī)操作和隱蔽故障，防止違規(guī)行為，找出科學(xué)整改措施及對(duì)策，確保實(shí)驗(yàn)室人身和財(cái)產(chǎn)安全。利用上述方法進(jìn)行煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)，可以評(píng)估實(shí)驗(yàn)室安全管理現(xiàn)狀，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全管理中存在的薄弱環(huán)節(jié)和隱患，采取有針對(duì)性的整改方案進(jìn)行改進(jìn)，防患于未然，對(duì)于提高實(shí)驗(yàn)室安全管理水平具有重要意義。

1 評(píng)價(jià)方法

1.1 總體設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)程序

基于FAHP與機(jī)器學(xué)習(xí)的煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)方法由三部分組成，包括基于安全檢查表及專家群智慧的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重獲取，模糊層次分析建模及綜合評(píng)價(jià)，以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的安全整改措施與對(duì)策決策，評(píng)價(jià)方法的總體設(shè)計(jì)與程序見(jiàn)圖1。

圖1 煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)總體設(shè)計(jì)及程序

1.2 基于安全檢查表及專家群智慧的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重獲取

基于安全檢查表及專家群智慧的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其權(quán)重確定方法主要目的是減少個(gè)人片面知識(shí)和能力對(duì)指標(biāo)選取和權(quán)重確定的影響，盡可能降低人為因素造成的評(píng)價(jià)偏差。專家群的選取要綜合考慮與實(shí)驗(yàn)室安全相關(guān)的各類人員，包括實(shí)驗(yàn)室安全管理人員、政府監(jiān)管人員、實(shí)驗(yàn)員、安全技術(shù)專家等。在遵循科學(xué)性、全面性、針對(duì)性、可操作性與可比性等原則的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察并集中專家群智慧，合理構(gòu)建煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及各指標(biāo)權(quán)重。該方法注重綜合評(píng)價(jià)機(jī)制，在評(píng)價(jià)指標(biāo)選取、權(quán)重設(shè)置等關(guān)鍵環(huán)節(jié)充分利用專家群智慧，從源頭上保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

1.3 模糊層次分析建模及綜合評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)室安全問(wèn)題是一個(gè)涉及多影響因素的模糊的復(fù)雜問(wèn)題，采用模糊數(shù)學(xué)與層次分析法相結(jié)合的安全評(píng)價(jià)方法。在分解分析對(duì)象之后，將其中包含的元素分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。從定量的角度，列舉影響因素和評(píng)價(jià)水平，確定各指標(biāo)的權(quán)重。模糊綜合評(píng)價(jià)技術(shù)包括以下幾個(gè)步驟［9-10］：

（1）建立評(píng)價(jià)因素集。所謂因素集，就是影響煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全的各種因素組成的一個(gè)普通集合，定義為U=｛u1，u2，…，un｝，其中n為影響實(shí)驗(yàn)室安全的因素個(gè)數(shù)，ui（i=1，2，…，n）代表各相關(guān)因素，這些因素通常都具有不同程度的模糊性。

（2）建立評(píng)價(jià)集。評(píng)價(jià)集是煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全評(píng)價(jià)結(jié)果所組成的集合，定義V=｛v1，v2，…，vm｝，m為實(shí)驗(yàn)室安全評(píng)價(jià)結(jié)果可能出現(xiàn)的個(gè)數(shù)，vj（j=1，2，…，m）代表各種可能的實(shí)驗(yàn)室安全評(píng)價(jià)結(jié)果。模糊綜合評(píng)價(jià)的目的，就是在綜合考慮所有影響因素的基礎(chǔ)上，從評(píng)價(jià)集中得出最佳的評(píng)價(jià)結(jié)果。

（3）建立評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重集。采用層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重集A=｛a1，a2，…，ai，…，an｝，ai（i=1，2，…，n）表示指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

（4）構(gòu)建單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣。對(duì)因素集U中的單個(gè)因素ui（i=1，2，…，n）進(jìn)行單因素評(píng)價(jià)，根據(jù)專家提出的各因素ui對(duì)評(píng)價(jià)集中vj（j=1，2，…，m）的隸屬度rij，構(gòu)建單因素模糊評(píng)價(jià)矩陣：

殊不知，靈云禪師見(jiàn)桃花前，已踏踏實(shí)實(shí)修煉了三十年；張旭看到挑夫過(guò)路時(shí)，書(shū)法幾已爐火純青。見(jiàn)桃花，遇挑夫，都只是引線。厚積薄發(fā)，真正的門(mén)道還在日復(fù)一日的積累與修煉中。

（5）模糊綜合評(píng)價(jià)。單因素模糊評(píng)價(jià)僅反映了一個(gè)因素對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象的影響，這顯然是不夠的。要綜合考慮所有因素的影響，便是模糊綜合評(píng)價(jià)。選擇模糊算子，建立模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。通過(guò)已知的指標(biāo)權(quán)重模糊集A和綜合評(píng)價(jià)矩陣R，可以應(yīng)用R作模糊線性變換，把A變?yōu)樵u(píng)語(yǔ)集V上的模糊子集B：

式中，bj稱為模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，簡(jiǎn)稱評(píng)價(jià)指標(biāo)。其含義為：綜合考慮所有因素的影響時(shí)，評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)評(píng)價(jià)集中第j個(gè)元素的隸屬度?？紤]到實(shí)驗(yàn)室安全評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，模糊運(yùn)算選擇M（·，⊕）模糊算子，該模型不僅考慮了所有因素的影響，而且保留了單因素評(píng)價(jià)的全部信息，適用于需要全面考慮各個(gè)因素的影響和全面考慮單因素評(píng)價(jià)結(jié)果的情況。

（6）確定評(píng)價(jià)結(jié)果。得到評(píng)價(jià)指標(biāo)之后，可以按最大隸屬原則確定評(píng)價(jià)對(duì)象的具體結(jié)果，即取與最大的評(píng)價(jià)指標(biāo)max bj相對(duì)應(yīng)的備擇元素vj為評(píng)價(jià)結(jié)果。

1.4 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的安全整改措施及對(duì)策提取

整改建議和措施的提取過(guò)程是一個(gè)典型的機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程，如圖2所示。首先輸入評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，經(jīng)特征提取后輸入到案例庫(kù)中進(jìn)行匹配，按照相似度分析在知識(shí)庫(kù)中查找相匹配的針對(duì)存在安全隱患的整改建議和風(fēng)險(xiǎn)降低措施，提取整改措施及對(duì)策。如果不匹配，則輸入到推理機(jī)，經(jīng)推理得出新的符合條件的事實(shí)存入事實(shí)庫(kù)，然后通過(guò)解釋機(jī)制解釋，將最有效的整改措施及對(duì)策輸出。同時(shí)學(xué)習(xí)模塊將事實(shí)庫(kù)中的信息存儲(chǔ)到知識(shí)庫(kù)中（即新的降低風(fēng)險(xiǎn)措施）從而更新知識(shí)庫(kù)，待下次進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)如果評(píng)價(jià)結(jié)果與以前知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)存在相似情況則系統(tǒng)會(huì)快速準(zhǔn)確檢索風(fēng)險(xiǎn)降低措施，如果出現(xiàn)新的評(píng)價(jià)結(jié)果則系統(tǒng)會(huì)不斷學(xué)習(xí)將新的知識(shí)注入知識(shí)庫(kù)中從而提高整個(gè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的適應(yīng)性，機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程是一個(gè)不斷重復(fù)而又不斷提升的過(guò)程。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程

2 應(yīng)用實(shí)例

以中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院實(shí)驗(yàn)室為評(píng)價(jià)對(duì)象。中國(guó)煙草總公司鄭州煙草研究院是中國(guó)煙草總公司直屬的煙草綜合性科研機(jī)構(gòu)，下設(shè)生態(tài)環(huán)境與煙葉質(zhì)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、煙草工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、煙草化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、煙草香料基礎(chǔ)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室四個(gè)研究室和國(guó)家煙草基因研究中心、中國(guó)煙草科技信息中心、中國(guó)煙草標(biāo)準(zhǔn)化研究中心3個(gè)行業(yè)中心，主要從事煙葉栽培調(diào)制技術(shù)、煙草基因、卷煙加工工藝和配方、煙草化學(xué)、香精香料、打葉復(fù)烤、膨脹煙絲、煙草薄片、煙草加工設(shè)備、煙用儀器儀表、標(biāo)準(zhǔn)、檢驗(yàn)、信息等方面的應(yīng)用基礎(chǔ)和共性技術(shù)研究；承擔(dān)卷煙廠、煙葉復(fù)烤廠工程設(shè)計(jì)和技術(shù)改造任務(wù)，學(xué)科范圍覆蓋從煙草栽培至卷煙生產(chǎn)的全過(guò)程。近年來(lái)，在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室安全管理理念和管理標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，逐漸形成了具有煙草行業(yè)特色的實(shí)驗(yàn)室安全管理體系。邀請(qǐng)26名與煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室密切相關(guān)的專家組成安全評(píng)價(jià)小組，根據(jù)他們的工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分、評(píng)價(jià)。根據(jù)煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)行煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理規(guī)范，提出煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理影響因素，構(gòu)建煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理待定評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重確定專家智慧調(diào)查表（見(jiàn)表1）。

表1 待定評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重確定專家智慧調(diào)查表

根據(jù)專家群智慧，淘汰不重要指標(biāo)，建立正式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，同時(shí)采用層次分析法確定煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重

將問(wèn)題分解為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層。然后，將下一層因素與上一層因素進(jìn)行比較，建立評(píng)判矩陣。通過(guò)對(duì)評(píng)判矩陣計(jì)算，對(duì)各層次進(jìn)行了單級(jí)排序和一致性檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)相關(guān)分析和歸一化，得到相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重和模糊關(guān)系矩陣，最后利用模糊算子進(jìn)行多級(jí)綜合評(píng)價(jià)，對(duì)安全運(yùn)行管理進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。

對(duì)于人的因素中的安全意識(shí)，53%的專家認(rèn)為安全，32%的專家認(rèn)為較為安全，13%認(rèn)為一般安全，2%認(rèn)為不太安全，評(píng)價(jià)集為｛0.53，0.32，0.13，0.02｝?；谕瑯拥脑?，對(duì)于身心健康，65%的專家認(rèn)為安全，31%的專家認(rèn)為較為安全，4%認(rèn)為一般安全，0%認(rèn)為不太安全，評(píng)價(jià)集為｛0.65，0.31，0.04，0｝。實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)水平為｛0.31，0.37，0.32，0｝，個(gè)人防護(hù)為｛0.60，0.32，0.04，0.04｝，然后得到R1；同樣可得到R2，R3和R4。即：

采用M（·，⊕）算子，得到了人員B1，實(shí)驗(yàn)室設(shè)備及藥品水平B2，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境水平B3和實(shí)驗(yàn)室管理水平B4。

根據(jù)指標(biāo)層的得分向量，得到準(zhǔn)則層的綜合得分向量如下：

采用模糊綜合評(píng)分法，將3、2、1和0，即臨界值向量α=（3，2，1，0）賦給｛V1，V2，V3，V4｝，它們對(duì)應(yīng)｛安全，較為安全、一般安全、不安全｝，分別屬于向量B1、B2、B3和B4中的每個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)，然后目標(biāo)層的綜合評(píng)分可以表示為下面的等式：

分別計(jì)算各準(zhǔn)則層的指標(biāo)綜合得分：

根據(jù)安全檢查表給出的實(shí)驗(yàn)室各目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的評(píng)分，可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)檢索知識(shí)庫(kù)中相應(yīng)的糾正建議和措施，最后提出建議。實(shí)驗(yàn)室綜合評(píng)分為2.395 5分，處于［安全，較為安全］的范圍內(nèi)，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)室整體運(yùn)行處于相對(duì)安全的水平。準(zhǔn)則層各指標(biāo)得分也在［安全、較為安全］范圍內(nèi)。為了從各個(gè)指標(biāo)層找出潛在的安全隱患，對(duì)各指標(biāo)層的得分進(jìn)行了綜合分析，發(fā)現(xiàn)人員實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)水平和事件控制能力不夠，需要進(jìn)行整改。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)提取信息，將提高實(shí)驗(yàn)人員學(xué)歷水平、加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范性、加大安全培訓(xùn)、強(qiáng)化預(yù)判和憂患意識(shí)、增強(qiáng)應(yīng)變技能等作為實(shí)驗(yàn)室安全管理整改措施及對(duì)策。

3 結(jié) 語(yǔ)

（1）將多層模糊綜合評(píng)價(jià)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，提出了基于FAHP與機(jī)器學(xué)習(xí)的煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理評(píng)價(jià)方法。

（2）以鄭州煙草研究院實(shí)驗(yàn)室為評(píng)價(jià)對(duì)象，構(gòu)建了煙草行業(yè)實(shí)驗(yàn)室安全管理待定評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重確定專家智慧調(diào)查表，建立了正式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定了準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的權(quán)重。

（3）實(shí)例應(yīng)用表明，鄭州煙草研究院實(shí)驗(yàn)室的綜合得分為2.3955分，表明該實(shí)驗(yàn)室的總體運(yùn)行水平處于相對(duì)安全的水平。綜合分析各指標(biāo)層的得分，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)業(yè)務(wù)水平和事故控制能力方面存在不足，須整改，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，提出了針對(duì)性整改措施及安全對(duì)策。

（4）應(yīng)用表明，該評(píng)價(jià)與傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法相比，評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠、直觀、準(zhǔn)確。