高校实验室安全管理演化博弈模型与仿真研究_白丽.pdf
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1、 实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 7 期 2023 年 7 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.7 Jul.2023 收稿日期:2023-03-14 基金项目:国家自然科学基金项目(51574157);山东科技大学优秀教学团队支持计划项目(JXTD20190504);山东省本科教学改革研究项目(Z2021272,D2021005);山东科技大学群星计划项目(QX2020Z20);山东科技大学研究生教育教学改革研究项目(Yzlts2022078);煤炭行业高等教育研究课题(2021MXJG184)作者简介:白丽(19
2、80),女,山东菏泽,博士研究生,讲师,主要研究方向为实验室安全与管理、博弈行为演化,。通信作者:路荣武(1978),男,山东沂南,博士,讲师,主要研究方向为管理决策与博弈、安全管理,。引文格式:白丽,赵义军,路荣武,等.高校实验室安全管理演化博弈模型与仿真研究J.实验技术与管理,2023,40(7):220-227.Cite this article:BAI L,ZHAO Y J,LU R W,et al.Research on evolutionary game model and simulation of university laboratory safety managementJ
3、.Experimental Technology and Management,2023,40(7):220-227.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.07.036 高校实验室安全管理演化博弈 模型与仿真研究 白 丽1,赵义军2,路荣武2,宋治涛2,李 刚2(1.山东科技大学 实验室与设备管理处,山东 青岛 266590;2.山东科技大学 数学与系统科学学院,山东 青岛 266590)摘 要:随着高校实验室建设和使用规模的扩大,实验室安全管理水平也有待提升。该文从人员的安全行为角度出发,建立高校实验室
4、安全管理演化博弈模型,分析实验人员和管理人员等参与人的博弈行为策略选择和收益。考虑到策略选择的收益优势引发的模仿行为,通过演化动力系统的仿真,根据动力系统稳定性理论,研究群体行为演化的影响因素和动态规律性,并提出安全管理建议。关键词:高校实验室;安全行为;博弈;模仿;演化动态;仿真 中图分类号:G647;O225 文献标识码:A 文章编号:1002-4956(2023)07-0220-08 Research on evolutionary game model and simulation of university laboratory safety management BAI Li1,Z
5、HAO Yijun2,LU Rongwu2,SONG Zhitao2,LI Gang2(1.Lab and Equipment Management,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China;2.College of Mathematics and System Science,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)Abstract:With the expansion of the construction
6、 and use of university laboratories,the level of laboratory safety management also needs to be improved.In this paper,from the perspective of personnels safe behavior,the game model of university laboratory safety management is established,and the game behavior strategy selection and benefits of the
7、 participants such as laboratory personnel and management personnel are analyzed.Considering the imitation behavior caused by the profit advantage of strategy selection,according to the stability theory of dynamic system,this paper studies the influencing factors and dynamic regularity of the evolut
8、ion of group behavior through the simulation of evolutionary dynamic system,and puts forward safety management suggestions.Key words:university laboratories;safety behavior;game;imitation;evolution dynamics;simulation 随着科学研究的深入和人才培养的需要,高校实验室的数量、种类和规模不断扩大,实验室中的仪器设备、化学药品、易燃易爆物质和有毒物质的种类、数量和使用频率也随之增加。然而
9、,部分高校实验室的安全管理水平提升缓慢,仍停留在学校发通知和学院报平安的状态。近年来,教育部每年都会针对高校实验室安全工作发布相关通知文件,并组织开展安全专项检查等1-2。尽管如此,高校实验室特大和重大安全事故仍有发生,且事故发生地点大多集中在存放大量危险化学品和压缩气瓶的科研实验室,以及用于科 白 丽,等:高校实验室安全管理演化博弈模型与仿真研究 221 研开发的公共教学实验室。在涉及化学品、易燃易爆粉末、压缩气体的实验项目中,实验人员存在违反实验操作规程或操作不规范等不安全行为,这是发生事故的直接原因3-5。在国家强调建立安全生产双重预防机制的大背景下,高校实验室的安全管理水平仍需提升4-
10、5。虽然我国高校实验室安全管理的规章制度日益健全,但实验室安全管理的落实仍待提高,主要表现在实验室安全责任落实不到位、管理制度执行不严格、宣传教育不充分、安全保障体系不健全等方面6-8。许多学者采用不同模型方法对安全监管、安全投入等影响因素进行了研究,如:文献9通过构建结构方程模型,发现心理资本与安全知识对安全行为有显著的正面影响;文献10利用多总体演化博弈模型研究了安全培训、激励和惩罚等措施对人员安全投入水平的影响;文献11利用演化博弈模型研究了惩罚机制下生产商和供应商对农产品质量的安全投入问题;文献12基于前景理论视角研究发现安全监管系统的稳定状态受到安全管理成本、惩罚力度和事故损失等多方
11、面的影响;文献13-15在不同情形下分别研究了安全监管的演化过程和影响因素。基于现有研究结论,本文认为人员的不安全行为是制约高校实验室安全监管状态改善的关键。演化博弈论是安全管理与行为演化等方面的重要理论方法。现有研究在对各方利益群体的动态演化过程进行分析时,通常将利益群体的所有成员进行同质化处理,忽略了博弈参与群体的个体之间相互模仿和学习对演化过程的影响。然而,高校实验人员群体性、行为相似性和互动性对安全管理的影响非常重要。高校实验教学科研活动中多是按照班级或者同类专业进行,实验人员群体在生活和学习等方面具有较高的行为相似性和发展同步性,个体之间相互熟悉且长期保持互动,群体成员之间的行为具有
12、很强的演化效应。群体中的某些个体的行为选择成功获取较大利益收益时,其他成员会有意或潜移默化地模仿和学习10,16。因此,本文建立复制子动态演化博弈模型,对实验人员群体和管理人员群体等在安全投入成本与惩罚激励措施等方面的博弈行为策略进行理论分析和模拟仿真,并提出相应的安全管理建议。1 高校实验室安全管理博弈模型 在高校实验室的安全管理过程中,教学师生和科研人员等的实验过程会受到多层次的安全监督,包括同学之间的相互监督、实验指导老师和实验室管理人员(实验室负责人员、安全员等)的检查与监督、学校安全主管部门的检查与监督等。监督与被监督构成一个博弈。以简单的安全监管博弈模型为例,博弈参与人是实验人员(
13、参与人 1)和实验室安全管理人员(参与人 2,简称管理人员)。参与人 1 的纯策略选择是安全行为(safe behavior,SB)或不安全行为(unsafe behavior,UB)。安全行为包括实验开始前的全面安全检查、实验进行时的规范操作、实验结束后的再次安全检查等行为。安全行为需要付出一定劳动成本,如安全培训和心理关注度等。设当期安全行为投入为其同期学习效用的 a 倍。参与人 2 的纯策略选择是有效监管(effective regulation,ER)和监管不力(inadequate regulation,IR)。安全管理过程需要投入时间和劳动成本,如体力负荷和心理负荷等。由于安全管理
14、中检查监督行为伴随实验人员的实验过程,因此本文假设参与人 2 的监管支付成本为参与人 1 的同期学习效用的b倍。由于a与b的大小反映了参与人安全投入成本的高低,如果不安全行为和不安全管理对双方的成本为零,双方都可能面临失控事故带来的重大损失。设1为参与人 1 存在不安全行为时,其群体内的检出率。本文假设在这种情形下,经过自查自纠,相应的不安全行为不再被参与人 2 和上级主管部门检出或惩戒。设2为参与人 1 采取不安全行为时,由参与人 2 发现时的检出率;设参与人 1 的不安全行为被发现后受到惩罚,罚金设为1f。在实验室安全管理过程中,上级管理部门的监管作用非常重要17。鉴于上级主管部门对参与人
15、 2 采取约束激励措施,如果参与人 1 存在不安全行为,同时参与人 2 没有发现,上级主管部门发现后将对参与人2 进行处罚,检出率设为3,罚金设为2f;如果实验室安全管理状态良好,即参与人 2 在选择策略 ER 的同时,参与人 1 选择策略 SB,或者参与人 1 采取了不安全行为,却未被发现,也没有引发安全事故,学校将向参与人 2 支付一定奖励,设为k。考虑到高校实验室安全管理的实际情况,假设上述参数的取值范围以及大小关系为:(1)01ab;(4)32101。假设参与人 1 以概率x(01)x,选择策略 SB,参与人 2 以概率y(01)y,选择策略 ER,则参与人 1和 2 的收益支付矩阵分
16、别为 12 1111(1)1aaf-=|-A (1)222 实 验 技 术 与 管 理 23120(1)bkbf-=|-B (2)参与人 1 选择策略 SB、策略 UB 时的收益支付分别为11v、v12,参与人 2 选择策略 ER、策略 IR 时的收益支付分别为21v、v22,计算式如下:T11T12T21T2210 101 110 101 1vyyvyyvxxvxx=-|=-|=-|=-AABB (3)参与人1和2的平均收益支付v1、v2计算式为 T1T21 111vxxyyvyyxx=-|=-|AB (4)2 基于模仿的演化博弈模型 假设参与人群体的行为选择均是基于利益最大化的原则,收益较
17、高的博弈策略(以下简称“占优策略”)在参与人群体的策略空间中具有更好的适应性。群体中的个体时刻关注占优策略,并反思自己的策略,决定是否模仿他人的占优策略。因此,假设参与人策略的适应性()iv与其收益v正相关,并满足如下的函数关系:()iiivv=+(5)式中,系数i为参与人i(i=1,2)群体中个体的背景适应性(如各年级本科生、研究生等知识储备、安全素养均有差异,对应的背景适应性也有差异),0i;系数i为参与人i群体中的个体对收益的敏感性,反映了个体的模仿学习能力,0i。对于参与人1群体,1111 11()ivv=+为个体选择策略IR时的适应性函数,1111 1()vv=+为个体的平均适应性函
18、数。当111()1()iivv时,个体选择策略SB具有更高的适应性。根据演化博弈理论16,假设参与人1选择策略SB的概率x的复制子动态方程为 11111111111 1()()1()vvvxxxvv-=-=|+?(6)式中,d/dxxt=?,描述了x关于时间的增长率。同理,参与人2选择策略ER的概率y的复制子动态方程为 22122122222 2()()1()vvvyyyvv-=-=|+?(7)式中,d/dyyt=?,描述了y关于时间的增长率。由式(3)和(4)整理可得:112 111112 12231221223121(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)vaxx yf
19、vvxyfavxkyyfbyvvybxxkbf =-=-=-=-|-+-|(8)将式(8)代入式(6)和(7),则高校实验室安全管理博弈的演化动力系统为 112 11112 122312222312(1)(1)1(1)(1)(1)(1)(1)(1)(1)()1xxyfaxaxx yfyybxxkbfyxkb yyfbxy -=|+-|-+-|=|+-?(9)3 演化动力系统的稳定性分析 令0 xy=?,可得演化动力系统式(9)存在5个奇点:*(0 0)(01.00)(1.00 0)(1.001.00)(P xy,、,、,、,、,。其中,*2312*12 11(1)(1 )bxkfayf=-|-
20、|=|-(10)式中,*xy,为演化动力系统式(9)的中心。由微分方程的稳定性理论可知,当模型参数在合理区间进行取值时,动力系统式(9)在任何一个奇点的附近均不具备全局稳定性。另外,当*xx时,0y时,0y?。同理:*yy?;*yy时,0 x,则对于任意的010yx?,说明无论管理人员选择策略ER的概率是多少,实验人员选择安全行为的概率均会降低。也就是说,由于惩戒措施力度小,无论监管强度多大,实验人员都不愿意提高安全投入比例,安全管理进入混乱状态。因此,在实验室安全管理中,高校应做到紧抓安全不放松,加强对不安全行为的惩戒力度,确保不安全行为的成本大大超出安全行的成本。图4(b)(d)为至少有一
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