基于系統動力學的高校實驗室安全風險建模與應用

田志剛，周曉鳳，張 燕，佟瑞鵬

（中國礦業大學（北京）a.資產與實驗室管理處；b.應急管理與安全工程學院，北京 100083）

0 引言

近年來，高校實驗室事故的主要類型有火災事故、爆炸事故、中毒事故、機械傷害事故、觸電事故和其他事故［1］?；馂氖歉咝嶒炇页Ｒ姷氖鹿?，電源使用不合理或線路老化容易造成火災事故，易燃易爆品以及壓力容器是實驗室發生爆炸事故的主要危險源；機械傷害事故多發生于物理系或其他有高速旋轉、運動沖擊的機械實驗室［2］。此外，化學實驗室或生物醫藥實驗室多發生實驗室中毒事故。據統計，儀器設備使用不當最容易發生實驗室安全事故，比例高達42%，其次是實驗試劑使用和實驗試劑儲存環節，各占23%和20%，最后，廢棄物處理環節發生的實驗室安全事故較少，比例只占3%。具體來看，實驗流程中試劑使用環節發生事故所致的傷亡人數最多。高校實驗室尤其是化學類實驗室的化學試劑存在危險隱患較多，很多化學試劑具有很強的易燃性和腐蝕性，試劑使用不當時，不僅會引發中毒和火災事故，甚至還會引起爆炸［3］。因此，研究高校實驗室事故發生的規律，深入剖析實驗室事故發生系列原因，有針對性地實施實驗室風險防控尤為重要。

1 高校實驗室安全系統要素及傳導流程

1.1 實驗室安全風險要素

高校實驗室安全風險要素是指可能增加高校實驗室風險事件發生頻率或后果嚴重程度的因素，是導致事故和損失的直接和間接原因。影響高校實驗室風險形成的風險因素越多，損失的可能性就越高，損失也越難以彌補。影響高校實驗安全的風險因素包括無形風險因素和有形風險因素。從無形因素轉變為有形因素有多種途徑。因此，查找風險因素并不是單純地羅列風險的所有表現形式，這幾乎是不可能的，也是沒有必要的。高校實驗室的早期階段的風險評估，即風險因素識別階段，重點是探討可能的障礙和威脅實驗室參與人員保持安全狀態，并識別出的主要風險組合形式［4］。

1.2 實驗室安全風險事件

高校實驗室風險事件是指引起高校實驗室風險產生或事后造成一定損失的外在表象，也是不斷增加高校實驗室風險的媒介，是產生后果的損失風險的事實。實驗室風險事件是校園內的突發事件，可能造成人身傷害、財產損失或環境混亂的偶然事件。只有風險事件的發生，才會使風險承擔方蒙受損失［5］。

1.3 實驗室安全風險子系統

系統最明顯的特征是層級關系。就具體實施方法而言，構建系統架構的過程往往可以看作是按照系統論對系統結構進行解構的過程［6］。要模擬一個復雜的動態系統，首先要進行分解，縱向和橫向方向都可以延伸，橫向表示是劃分層次子系統，縱向表示不同層次子系統的劃分，通過系統的劃分使每個子系統具有明確而不同的功能［7］。將高校實驗室安全風險系統劃分為安全責任體系、安全制度體系、安全教育體系、安全條件保障、重點實驗室安全、特種設備安全6 個子系統，按照內外部影響因素逐層進行架構搭建，進行要素系統層次搭建后再根據專家調研、實地走訪等方式，對要素進行優化。

1.4 實驗室安全風險傳導流程

對整個風險傳導過程進行總結可以得到高校實驗室安全風險傳導流程圖，如圖1 所示。風險傳導過程就是各種風險流在日常實驗室活動中迸發釋放、流動、傳導并且發生耦合的過程［8］。隨著過程中內外部環境的變化，蘊含在風險源中處于靜態的風險流開始發生變化，一旦為風險事件所觸發，風險流的積累和變化速度將突破參與方系統的風險承受限度，即達到風險迸發釋放的臨界值時迸發釋放［9］。風險流一旦沖破束縛釋放出來，就會依附于各種風險載體在系統內部開始傳導，它會沿著不同路徑流動，將風險傳導到各流程、各重要節點，形成不同屬性的風險流，這些風險流會構成這一系統的各風險子系統［10］，在風險傳導過程中，各子系統之間會不斷地相互影響、相互作用，即發生風險耦合，進一步引發風險傳導過程中風險“流量”和“性質”的變化，最終導致風險損失，給師生工作、學習帶來重大損失［11］。

圖1 高校實驗室安全風險傳導流程圖

以風險流為對象，研究其在傳導過程中“量”與“質”的變化過程與規律，將有助于進一步揭示風險傳導的機理，認清風險的傳導原理及規律，為更好地管理和控制風險提供重要的理論指導［12］。

2 高校實驗室安全風險系統動力學模型構建

2.1 高校實驗室安全風險因果回路圖

依據高校實驗室安全系統風險的傳導機制，利用Vensim軟件繪制系統因果關系，如圖2 所示。由因果回路路徑可以發現，各個系統因素之間是相互影響、相互作用的，即在實驗室安全管理過程中，既存在正反饋影響，也存在負反饋影響［13］。因此，可以利用各因素之間的反饋關系進行風險的預防與控制，從而保障實驗室的安全穩定［14-15］。

圖2 高校實驗室安全風險因果回路圖

2.2 模型構建

（1）變量和方程設定。①積累變量：Sr、Se、Sc、Sd、Sk是安全制度體系系統分別在安全責任體系、安全教育體系、安全保障條件、特種設備安全、重點實驗安全5 個子系統產生的風險結果。Rs、Rr、Er、Es、Ee、Ce、Cs、Cc、Dr、Dc、Ds、Dd、Kr、Ke、Kc、Kd、Kk 同理。②速率變量：積累變量對應的速率變量rater、ratee、ratec、rated、ratek、raters、raterr、rateer、ratees、rateee、ratece、ratecc、ratecs、ratedr、ratedc、ratedd、rateds、ratekr、rateke、ratekc、ratekd、ratekk、rateks。③輔助變量：各風險傳導過程的傳遞函數pss、prs、prr、per、pes、pee、pce、pcc、pcs、pdr、pdc、pdd、pds、pkr、pke、pkc、pkd、pkk、pks；各系統的時間脈沖函數pulser、pulsee、pulsec、pulsed、pulsek、pulser1、pulsee1、pulsec1、pulsed1、pulsed2、pulsek1；風險傳導擴散函數：ks1、ks2、ks3、ks4、ks5、ks6、ks7；風險傳導耦合函數：rf、ef、cf、df、kf；Si、ti（i=1，2，…，19）分別是傳遞函數的致災率和風險作用時間；Sri、Sei、Sci、Sdi、Ski 節點風險狀態；Sr2、Se2、Sc2、Sd2、Sk2 別為各傳導過程的風險事件；S、R、E、C、D、K為各系統的風險流；SI 為實驗室安全總投入，mi為各系統的安全投入比例，ni為投入費用的轉化率，mb 為安全風險目標值，cy是需要調節的風險值水平。

系統動力學模型（SD模型）中變量之間的因果關系都是根據不同的函數方程建立的，模型的內部結構也是通過變量之間的精確關系建立的［16］。不同變量的設置以及如何調整對模型有很大的影響，這決定了模型是否合理，能否進行準確的計算和預測。SD模型主要使用了Vensim函數，該函數如表1 所示。

表1 風險傳導模型中的函數關系

（2）繪制高校實驗室安全風險系統動力學模型。利用積累變量、速率變量和輔助變量構建高校實驗室安全風險系統動力學模型，如圖3 所示。

3 案例應用分析

3.1 案例選取

通過選取北京市I、G、H 3 所工科高校為案例，結合實際情況對實驗室安全風險傳導模型進行實證研究。通過調研發現，所選取的高校實驗室涵蓋化學類實驗、生物類實驗、機電類實驗及輻射類實驗，實驗環節涉及特種設備安全，均建立了安全制度體系與安全教育培訓體系，管理過程中對校級、院系級和實驗室層級不同責任主體的安全責任有明確的規定及相應的監督，學校在安全保障方面也提供了相應支持。

3.2 仿真模擬

分別從實驗室安全總投入、6 個風險子系統安全投入分配比例以及6 個風險子系統的實際作用率3 個角度出發，分析3 所高校的實驗室安全風險總水平值的變化，以明確實驗室安全管理過程中的管理重點，并為實驗室安全風險管理的安全投入政策的制定提供理論依據。

（1）實驗室安全風險總水平值與實驗室安全總投入費用的關系。為分析實驗室安全風險總水平值與實驗室安全總投入的關系，需要3 所高校實驗室的各自實驗室安全風險水平初始值，通過對實驗室安全風險水平評價指標進行評價，采取0～1 區間評分，（1，0.8），（0.8，0.6），（0.6，0.4），（0.4，0.2），（0.2，0）分別對應很差、差、中等、良好及優秀5 個等級，并運用層次分析法計算評價指標之間的權重關系。首先，通過邀請10 位專家對高校實驗室安全風險評價指標進行評分，經過對各指標值的加權計算得出I、G、H 3 所院校實驗室安全風險初始水平值分別為0.2、0.21、0.24，然后，將上述參數代入建立的實驗室安全風險系統動力學模型，設定仿真時間為12 個月，時間步長取1，安全風險目標水平值設置為低于0.1，設定安全制度體系子系統、安全責任體系子系統、安全教育體系子系統、安全條件保障子系統、重點實驗安全子系統投入比例相同，總和為1。通過運行Vensim 軟件仿真，輸出仿真模擬結果，即得到實驗室安全風險水平值與實驗室安全總投入費用的關系，如圖4～6 所示。

圖4 高校I實驗室安全風險總水平值與實驗室安全總投入費用的關系曲線

圖5 高校G實驗室安全風險總水平值與實驗室安全總投入費用的關系曲線

圖6 高校H實驗室安全風險總水平值與實驗室安全總投入費用的關系曲線

由圖4～6 可見，高校I的實驗室安全風險總水平值在第1 月達到安全風險目標水平值；高校G 在第1.3個月達到安全風險目標水平值；高校H 在第2 月達到安全風險目標水平值。由此說明，在相同管理措施下，初始狀態好的高校I更容易達到目標要求，其次是高校G，最后為高校H。因此，在總投入費用及投入比例相同的情況下，實驗室安全風險水平初始值越低，越容易達到目標狀態。由于各種資源的投入與實驗室安全管理總水平之間存在時間上的延遲，因此當達到安全風險總水平值的一段時間里，降低不為零；各種資源的投入決策處于實驗室安全風險總水平值與各種資源總費用投入構成的負反饋系統結構之中，當實驗室安全風險總水平值達不到安全風險目標水平值時，實驗室安全風險總水平值與安全風險目標水平值之間便會存在偏差，系統便依據偏差值判斷并決策進行各種資源的投入；隨著實驗室安全風險總水平值的降低，相應的各種資源的投入費用也將逐漸減少。

（2）3 所高校實驗室安全風險總水平值與6 個子系統的關系。因為各子系統對于實驗室安全的整體狀態影響效果不同，設定3 所高校實驗室安全總投入費用不變，本部分選取了重點實驗安全子系統、安全制度體系子系統來進行驗證，設置了3 種不同的模擬情境，情境1 為高校I 保持重點實驗安全子系統（K）、安全制度體系子系統（S）、安全責任體系子系統（R）、安全教育體系子系統（E）、安全條件保障子系統（C）、特種設備安全子系統（D）6 個子系統的投入比例不變；情境2 為高校G 將重點實驗安全子系統的安全投入比例調高至0.25，其余5 個子系統安全投入比例相同；情境3 為高校H 將安全制度體系子系統的投入比例調高至0.25，其余5 個子系統的安全投入比例相同。按照以上的3 種情境分對I、G、H 3 所高校實驗室安全整體風險，實驗方案如表2 所示，模擬仿真結果如圖7所示。

表2 實驗方案設計

圖7 表明，高校I各子系統的安全投入比例一致，達到目標的時間為1 個月；高校G 通過加大重點實驗安全子系統的安全投入比例，達到目標值的時間在1.1個月，較各子系統安全投入均勻分配時間提升了0.2個月；高校H通過調節安全制度子系統的安全投入比例，在1.9 個月達到目標值，較各子系統安全投入均勻分配時間提升了0.1 個月；高校H、G的安全風險水平調節與高校I的安全風險水平之間的差距有所縮小。因此，高校G、H 加強初始風險水平的管控的同時，可以通過調節各子系統安全投入比例分配，對實驗室安全風險進行針對性管理，以便達到最佳的管理效果。

圖7 調節子系統不同投入比例I、G、H高校實驗室安全風險總水平值的模擬仿真結果

（3）各子系統對實驗室安全風險總水平值實際作用率。在驗證了不同子系統投入比例對實驗室安全風險狀態有影響的基礎上，進行子系統對實驗室安全風險總水平的實際作用率的分析，實際作用率是指調控某個子系統各因子增加量增加至一定值，其他子系統增加量保持不變的情況下，對比分析調控某個子系統各因子增加量變動的前后實驗室安全風險總水平值的變化情況。實驗方案設計如表3 所示，仿真得到增加各子系統相同增加量時實驗室安全風險總水平值的變化情況。

表3 實驗方案設計

以原始方案中current 0 為計算基準，求得方案current 0 時I、G、H 3 所高校實驗室安全風險總水平每月平均值為分別為0.084 6、0.091 5、0.098 7，計算得到方案current 1 實驗室安全管理總水平每月平均值分別為0.077 6、0.083 1、0.093 6，求得差值后，再除以方案current 0 實驗室安全風險總水平每月平均值，即得到各子系統的實際作用率。由此分別計算6 個方案得到I、G、H 3 所高校實驗室各子系統的實際作用率如圖8 所示。

圖8 I、G、H 3所高校實驗室各子系統實際作用率

通過對6 種方案的模擬分析，最終實驗室安全風險水平值為：高校H ＞高校G ＞高校I。其中，高校H的各子系統實際作用率為：重點實驗安全子系統（0.077 2）＞安全制度體系子系統（0.051 4）＞安全責任體系子系統（0.042 9）＞安全教育體系子系統（0.034 3）＞安全條件保障子系統（0.017 1）＞特種設備安全子系統（0.008 6）。高校G的各子系統實際作用率為：重點實驗安全子系統（0.092 4）＞安全制度體系子系統（0.050 4）＞安全責任體系子系統（0.033 6）=安全教育體系子系統（0.033 6）＞安全條件保障子系統（0.016 8）＞特種設備安全子系統（0.008 4）。高校I 的各子系統實際作用率為：重點實驗安全子系統（0.081 8）＞安全制度體系子系統（0.072 7）＞安全責任體系子系統（0.045 4）＞安全教育體系子系統（0.027 2）＞安全條件保障子系統（0.018 1）＞特種設備安全子系統（0.009 0）。

通過將作用率轉化為百分比形式，如圖9 所示，可歸納為以下幾個區間，重點實驗安全的實際作用率比例高于30%，安全制度子系統實際作用率百分比在20%～30%，安全責任體系子系統與安全教育體系子系統實際作用率百分比在10%～20%，安全條件保障系統與特種設備安全子系統實際作用率百分比低于10%。

圖9 I、G、H 3所高校實驗室各子系統的實際作用比例

4 結語

通過對3 所高校實驗室安全風險案例模擬仿真分析，驗證了在實驗室安全管理過程中，應注重不同子系統的屬性特征，進行針對性管理措施的制定。通過對比分析發現，高校I 的實驗室安全風險值水平低于高校G，低于高校H，同等管理強度下，對于高校I 更易于實現安全目標；通過調節不同的子系統投入比例，效果會有一定的提升，對于6 個子系統的敏感性趨勢一致為：重點實驗安全子系統＞安全制度體系子系統＞安全責任體系子系統≥安全教育體系子系統＞安全條件保障子系統＞特種設備安全子系統。本文通過研究認為，高校實驗室安全6 個子系統不是獨立的，并不是其中一個子系統安全就能保證高校實驗室安全，只有滿足一定的內部和外部條件，高校實驗室各個子系統之間協調運轉時，高校實驗室安全才能達到本質安全。因此，必須處理好各個子系統之間的關系，呈現“安全制度—外部約束、安全責任—風險分解、安全條件—資金投入、重點實驗—學科分類、安全教育—文化氛圍、特種設備—硬件管理”的系統效果。上述各個子系統在高校實驗室安全保障中的作用和地位不盡相同。具體來講：安全制度、安全責任是系統實施的前提，安全條件是系統順利實施的保障，重點實驗、安全教育和特種設備管理是系統的持續力量。