基于復雜網絡的高校火災災害鏈分析及應急管理決策研究*

吳書強,邵必林,邊根慶,張志霞

(1.西安建筑科技大學 管理學院，陜西 西安 710055；2.陜西科技大學 機電工程學院，陜西 西安710021；3.西安建筑科技大學 信息與控制工程學院，陜西 西安 710055)

近年來高校火災事故頻頻發(fā)生，這對保障廣大師生生命財產安全和維護學校正常教學秩序帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。加強高校火災災害風險研究，對防范化解高校火災災害風險、保障廣大師生生命安全、維護高校安全穩(wěn)定具有重大意義。目前，學者對高校火災災害研究多集中在高校火災應急疏散[1-3]、高校火災風險評估[4-5]、高校消防安全管理[6-7]等方面，其研究方法主要有風險評估[8]、安全檢查表[9]、事故樹[10]等，研究對象主要包括高校宿舍火災[11-15]、實驗室火災[16-18]、圖書館火災[19]、其他建筑火災[20-21]等。在現有的高校火災災害風險評價及應急管理研究中，很少有學者基于災害鏈視角，系統(tǒng)分析高校火災導致的一系列次生、衍生災害事件的整體風險。本文結合實際需要，基于災害鏈演化機理[22]和復雜網絡理論，對高校火災災害事件開展定量研究，計算出高校火災災害網絡拓撲中每條鏈的風險值，并按大小進行排序，篩選出災害鏈中風險較大的事件節(jié)點，并以南京航空航天大學實驗室爆燃事件為例開展實例仿真，驗證模型的有效性。結果表明，對高校火災災害鏈中的關鍵事件節(jié)點進行實時監(jiān)測和介入，對風險值較高的邊及時采取斷鏈措施，能夠有效減少高校火災災害事件造成的損失及不利影響。

1 高校火災災害演化分析

1.1 高校火災災害事件組成及獲取

對已有高校火災災害事件相關資料進行分析、查閱，在梳理的132起國內外高校火災災害事件的基礎上，結合專家建議和案例的普適性，精簡整理出102起國內外高校火災災害事件(表1)。通過專家評價和文獻梳理得到高校火災一系列次生衍生災害事件，建立高校火災災害事件集。具體實施流程如下。

表1 國內外高校火災案例匯總

(1)系統(tǒng)整理火災案例。通過文獻查閱、網絡檢索，收集整理132起國內外高校火災案例，整理出高校火災導致的次生衍生事件。

(2)合并精簡高校火災災害事件集。系統(tǒng)整理近20年國內外高校火災事故次生衍生災害事件，進一步篩選整理精簡，初步得到102起高校火災災害事件，部分典型事件集。

(3)成立專家評價組。專家評價組成員包括高校安全管理、應急管理、紅十字急救、應急消防救援等相關領域專家，他們長期從事火災災害事件研究，具備豐富的理論實踐經驗，能夠合理地評估高校火災事故。

(4)構建高校火災災害集。以南京航空航天大學實驗室爆燃事件為基礎，結合國內外高校火災災害事件以及專家評議意見，最終確定南京航空航天大學實驗室爆燃災害事件集(表2)。

表2 南京航空航天大學實驗室爆燃災害事件集合

1.2 高校火災災害鏈網絡構建

復雜網絡是一種具備拓撲結構特性的網絡模型，應用場景較多，尤其在工程科學、信息科學以及社會科學等眾多行業(yè)領域得到了廣泛應用[23]。災害鏈在一定程度上可看作為一個災害復雜網絡，因此可將復雜網絡模型運用到災害演變過程，探究其內在聯系與外在邏輯。

高校火災通常會導致一系列次生衍生事件，可將高校火災中的相關事件等價轉化為復雜網絡拓撲結構中的“節(jié)點”，災害鏈中事件間的內在邏輯可等價為復雜網絡模型中的連接邊，事件損失度可用復雜網絡模型中節(jié)點的出入度之和來表示，網絡中各條邊連接各個災害事件節(jié)點，以此構成高校火災災害網絡拓撲結構圖。本文以南京航空航天大學實驗室爆燃為實例開展風險評價，通過大量搜集網絡報道及相關現場災害場景，并結合梳理的102起國內外高校火災案例，分析提取災害事件集，構建京航空航天大學實驗室爆燃災害演化網絡拓撲結構圖(圖 1) 。

圖1 南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈網絡

2 高校火災災害鏈風險評價模型構建

2.1 災害鏈風險概率分析

災害事件A引起災害事件B的概率指的是，在災害鏈演化過程中一個事件導致其他事件發(fā)生的概率，也被稱作為兩災害事件AB的“致災率”。其計算方法是用Jaccard指數來表示：

(1)

式中：Jab表示災害事件a引起災害事件b的致災率，且0≤Jab≤1；Cab表示災害事件a和災害事件b共現的頻次；Ca、Cb分別表示的是災害事件a、災害事件b出現的頻次。

2.2 災害鏈風險損失分析

本研究基于復雜網路理論，將高校火災災害鏈抽象為一個無權有向災害網絡拓撲結構，對應節(jié)點表示高校火災災害鏈中的相應事件，節(jié)點的度代表災害事件的損失程度，其等于該網絡結構中節(jié)點的出度入度之和。

L=Kb。

(2)

式中：L表示高校火災災害節(jié)點的損失；Kb表示災害事件b在其所對應災害鏈網絡中的度。

2.3 災害鏈連街邊脆弱度分析

邊的脆弱度表示除去災害鏈拓撲網絡結構中的某條邊后，其對網絡結構的影響程度。在高校火災災害鏈網絡拓撲結構中，脆弱度越大的邊，其產生風險就越大。本文基于復雜網絡理論，立足高校火災災害事件的現實情景，計算出災害鏈中邊的脆弱度，具體計算公式為：

(3)

式中：i指的是第i條邊；k指的是災害鏈總共的邊數；Bi指的是第i條邊的邊介數；Li指的是移除第i條邊后該網絡的平均路徑長度；Hi指的是移除第i條邊后復雜網絡拓撲結構的連通度。

(1)邊介數。指的是災害鏈網絡拓撲結構中經過這條邊的最短路徑數目之和，表達式為：

(4)

式中：v為災害鏈中所有的節(jié)點；njk(i)為節(jié)點j、k間最短路徑經過邊i的次數。

(2)平均路徑長度。指的是網絡中移除邊后，初始災害事件所在節(jié)點與其他網絡事件節(jié)點間最短路徑長度的平均值，計算公式為：

(5)

式中：Li為移除邊i后該網絡的平均路徑長度；N為該網絡中節(jié)點總數，V為網絡節(jié)點集；dtk為網絡中初始災害事件所在節(jié)點t到節(jié)點k之間的最短路徑長度。

(3)連通度。在有向災害鏈網絡中移除邊i后可以連通的節(jié)點數與網絡拓撲中總節(jié)點數的比值，計算公式為：

(6)

式中：H為移除邊i后該網絡的連通度；Ni移除邊i后能夠連通的節(jié)點數；N為原始網絡的總節(jié)點數。

2.4 災害鏈風險值分析

災害鏈中某一邊的風險度等于該邊的概率、節(jié)點損失度與該邊脆弱度的乘積。高校火災災害鏈中某條邊的風險度計算方法為：

Rab=PLV=JabKbVab。

(7)

式中：Rab表示災害事件a引起事件b的風險；Jab表示災害事件a導致事件b發(fā)生的概率；Kb為災害事件b的損失；Vab為災害鏈中ab邊的脆弱性。當災害事件為源發(fā)災害時，其Pa=1，Va=max(Vi)。災害鏈網絡中某一條災害鏈的風險度計算公式為：

(8)

3 實例仿真

2021年10月24日，南京航空航天大學實驗室發(fā)生爆燃，現場升起白色蘑菇云，該事件造成2人死亡，9人受傷。本文以該高校實驗室爆燃火災災害事故進行仿真，以此來驗證本文提出的高校火災災害風險評價模型的有效性。

3.1 災害鏈邊的概率

梳理國內外高校火災災害事件網絡報道和文獻資料，對102起高校火災災害事件進行全面統(tǒng)計和系統(tǒng)分析，再根據專家評議意見，得到了高校火災災害鏈中災害事件間的致災率P。評價組由高校安全管理、紅十字急救、應急管理、應急消防救援等相關領域專家組成，評價組成員擁有豐富的火災應急管理及救援經驗，能比較科學精準地對高校火災次生衍生事件進行客觀分類評估。運用jaccard指數公式，得出高校火災災害鏈事件間的致災率(表3)。

3.2 災害鏈節(jié)點損失

依據南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈網絡拓撲結構圖，對火災節(jié)點進行統(tǒng)計分析，分別計算出南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈節(jié)點的出度和入度，根據高校火災災害鏈節(jié)點損失計算公式，計算各網絡中節(jié)點的損失程度。由表4可知，V1(火災)事件節(jié)點的損失度最大，火災作為高校火災災害原始事件，其損失度最大，產生的影響也最大。V2(爆炸)、V5(人員傷亡)、V8(網絡輿情)等損失度較大，說明其發(fā)生后造成的影響也較大，該結果與實際情況比較吻合。高校管理者要加強對上述關鍵節(jié)點的重視，制定切實可行的應急響應預案，進一步降低風險發(fā)生的可能性。

表3 各災害事件之間的致災率

表4 災害鏈節(jié)點損失

3.3 災害鏈邊的脆弱度

根據式(3)計算災害鏈邊的脆弱度需要分別計算出南京航空航天大學實驗室爆燃事件災害鏈邊介數、平均路徑長度和連通度。

(1)介數。根據式(4)計算出災害鏈邊介數矩陣。

(9)

(2)平均路徑長度L。根據式(5)計算出其平均路徑長度矩陣。

(10)

(3)連通度H。根據式(6)計算出連通度矩陣。

(11)

(4)根據式(3)計算出南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈中邊的脆弱度。可以看出，“(V8)網絡輿情→(V9)社會影響”的脆弱度最高，其產生的風險也越大，高校管理者應強化應急管理意識，加強高校火災事件的網絡輿情監(jiān)管，制定相應的輿情應急預案，確保網絡輿論更加理性平和。

表5 災害鏈邊的脆弱度

3.4 災害鏈風險度計算與分析

根據風險度計算公式(7)求出南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈邊的風險度(表6)。由表6可知，其中生活不便→網絡輿情、人群恐慌→網絡輿情、濃煙毒氣釋放→人員傷亡、建筑物破壞→人員傷亡、濃煙毒氣釋放→人群恐慌等5條邊的風險度較高。高校管理者要根據高校火災災害事件的演化特征，加強應急管理，采取切實有效的應急管理決策，應在事故發(fā)生前，對風險度較高的邊，采取斷鏈措施，及時切斷火災發(fā)展路徑，有效降低火災造成的后果及損失，斷鏈參考措施如表7所示。根據式(8)南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈網絡中各災害鏈的風險度排序(見表 8)。

表6 災害鏈邊的風險度

表7 風險度較大邊的斷鏈參考措施

表8 南京航空航天大學實驗室爆燃災害鏈排序

從表8中可以看出，在南京航空航天大學實驗室爆燃災害網絡中，“火災→濃煙毒氣釋放→人群恐慌→網絡輿情→社會影響→學校聲譽下降”這條災害鏈風險值最大。在風險度較大的前6條鏈中，均包含“網絡輿情→社會影響→學校聲譽下降”這一鏈單元。根據歷史報道，南京航空航天大學實驗室發(fā)生爆燃后，在微博引起了廣泛關注，事發(fā)當天微博閱讀量達到4.06億，截止11月16日微博閱讀量達到了8.1億，討論次數高達12.8萬次，這一結果與本文研究發(fā)現一致。由此可以證明本文提出的高校火災災害風險評價模型具有較高的有效性。實驗發(fā)現，在高校火災發(fā)生前加強應急管理，采取有效措施對災害鏈重要節(jié)點進行積極管控，可降低火災發(fā)生的風險；火災發(fā)生后對關鍵邊進行及時斷鏈，可迅速阻斷火災的進一步發(fā)展和蔓延。

4 結論

(1)通過系統(tǒng)分析國內外102起高校火災事故案例，結合南京航空航天大學實驗室爆燃事件特征以及專家評議，最終得到南京航空航天大學實驗室發(fā)生爆燃災害事件集，具體包括12個災害次生衍生事件。

(2)基于南京航空航天大學實驗室爆燃事件及高校火災災害鏈演化特征，構建了南京航空航天大學實驗室爆燃災害演化網絡拓撲結構。

(3)基于復雜網絡理論構建高校火災災害鏈風險評價模型，計算出火災災害鏈各邊的風險度，并給出了風險度最高的前5條邊的參考斷鏈措施。

(4)依據高校火災風險評價模型，計算出的6條風險度較高的災害連中都包含有“網絡輿情→社會影響→學校聲譽下降”這一鏈單元，說明該鏈單元對高校火災災害鏈影響程度最大。高校管理者應重視災害次生衍生事件，在火災發(fā)生后及時采取有效斷鏈措施，阻止上述事件發(fā)生，并基于高校火災災害事件演化機理，提前制定發(fā)生此類事件的應急預案。

(5)基于實例仿真發(fā)現，本文得出的高校火災災害評價結果具有較高的有效性，對高校火災災害鏈風險評價及應急管理具有一定的參考價值。但由于高校火災災害事件的不確定因素較多、各因素間的關系較為復雜，更為科學合理的災害鏈風險評估還需要進一步深入研究。