基于复杂网络的高校火灾灾害链分析及应急管理决策研究*

吴书强,邵必林,边根庆,张志霞

(1.西安建筑科技大学 管理学院，陕西 西安 710055；2.陕西科技大学 机电工程学院，陕西 西安710021；3.西安建筑科技大学 信息与控制工程学院，陕西 西安 710055)

近年来高校火灾事故频频发生，这对保障广大师生生命财产安全和维护学校正常教学秩序带来了严峻挑战。加强高校火灾灾害风险研究，对防范化解高校火灾灾害风险、保障广大师生生命安全、维护高校安全稳定具有重大意义。目前，学者对高校火灾灾害研究多集中在高校火灾应急疏散[1-3]、高校火灾风险评估[4-5]、高校消防安全管理[6-7]等方面，其研究方法主要有风险评估[8]、安全检查表[9]、事故树[10]等，研究对象主要包括高校宿舍火灾[11-15]、实验室火灾[16-18]、图书馆火灾[19]、其他建筑火灾[20-21]等。在现有的高校火灾灾害风险评价及应急管理研究中，很少有学者基于灾害链视角，系统分析高校火灾导致的一系列次生、衍生灾害事件的整体风险。本文结合实际需要，基于灾害链演化机理[22]和复杂网络理论，对高校火灾灾害事件开展定量研究，计算出高校火灾灾害网络拓扑中每条链的风险值，并按大小进行排序，筛选出灾害链中风险较大的事件节点，并以南京航空航天大学实验室爆燃事件为例开展实例仿真，验证模型的有效性。结果表明，对高校火灾灾害链中的关键事件节点进行实时监测和介入，对风险值较高的边及时采取断链措施，能够有效减少高校火灾灾害事件造成的损失及不利影响。

1 高校火灾灾害演化分析

1.1 高校火灾灾害事件组成及获取

对已有高校火灾灾害事件相关资料进行分析、查阅，在梳理的132起国内外高校火灾灾害事件的基础上，结合专家建议和案例的普适性，精简整理出102起国内外高校火灾灾害事件(表1)。通过专家评价和文献梳理得到高校火灾一系列次生衍生灾害事件，建立高校火灾灾害事件集。具体实施流程如下。

表1 国内外高校火灾案例汇总

(1)系统整理火灾案例。通过文献查阅、网络检索，收集整理132起国内外高校火灾案例，整理出高校火灾导致的次生衍生事件。

(2)合并精简高校火灾灾害事件集。系统整理近20年国内外高校火灾事故次生衍生灾害事件，进一步筛选整理精简，初步得到102起高校火灾灾害事件，部分典型事件集。

(3)成立专家评价组。专家评价组成员包括高校安全管理、应急管理、红十字急救、应急消防救援等相关领域专家，他们长期从事火灾灾害事件研究，具备丰富的理论实践经验，能够合理地评估高校火灾事故。

(4)构建高校火灾灾害集。以南京航空航天大学实验室爆燃事件为基础，结合国内外高校火灾灾害事件以及专家评议意见，最终确定南京航空航天大学实验室爆燃灾害事件集(表2)。

表2 南京航空航天大学实验室爆燃灾害事件集合

1.2 高校火灾灾害链网络构建

复杂网络是一种具备拓扑结构特性的网络模型，应用场景较多，尤其在工程科学、信息科学以及社会科学等众多行业领域得到了广泛应用[23]。灾害链在一定程度上可看作为一个灾害复杂网络，因此可将复杂网络模型运用到灾害演变过程，探究其内在联系与外在逻辑。

高校火灾通常会导致一系列次生衍生事件，可将高校火灾中的相关事件等价转化为复杂网络拓扑结构中的“节点”，灾害链中事件间的内在逻辑可等价为复杂网络模型中的连接边，事件损失度可用复杂网络模型中节点的出入度之和来表示，网络中各条边连接各个灾害事件节点，以此构成高校火灾灾害网络拓扑结构图。本文以南京航空航天大学实验室爆燃为实例开展风险评价，通过大量搜集网络报道及相关现场灾害场景，并结合梳理的102起国内外高校火灾案例，分析提取灾害事件集，构建京航空航天大学实验室爆燃灾害演化网络拓扑结构图(图 1) 。

图1 南京航空航天大学实验室爆燃灾害链网络

2 高校火灾灾害链风险评价模型构建

2.1 灾害链风险概率分析

灾害事件A引起灾害事件B的概率指的是，在灾害链演化过程中一个事件导致其他事件发生的概率，也被称作为两灾害事件AB的“致灾率”。其计算方法是用Jaccard指数来表示：

(1)

式中：Jab表示灾害事件a引起灾害事件b的致灾率，且0≤Jab≤1；Cab表示灾害事件a和灾害事件b共现的频次；Ca、Cb分别表示的是灾害事件a、灾害事件b出现的频次。

2.2 灾害链风险损失分析

本研究基于复杂网路理论，将高校火灾灾害链抽象为一个无权有向灾害网络拓扑结构，对应节点表示高校火灾灾害链中的相应事件，节点的度代表灾害事件的损失程度，其等于该网络结构中节点的出度入度之和。

L=Kb。

(2)

式中：L表示高校火灾灾害节点的损失；Kb表示灾害事件b在其所对应灾害链网络中的度。

2.3 灾害链连街边脆弱度分析

边的脆弱度表示除去灾害链拓扑网络结构中的某条边后，其对网络结构的影响程度。在高校火灾灾害链网络拓扑结构中，脆弱度越大的边，其产生风险就越大。本文基于复杂网络理论，立足高校火灾灾害事件的现实情景，计算出灾害链中边的脆弱度，具体计算公式为：

(3)

式中：i指的是第i条边；k指的是灾害链总共的边数；Bi指的是第i条边的边介数；Li指的是移除第i条边后该网络的平均路径长度；Hi指的是移除第i条边后复杂网络拓扑结构的连通度。

(1)边介数。指的是灾害链网络拓扑结构中经过这条边的最短路径数目之和，表达式为：

(4)

式中：v为灾害链中所有的节点；njk(i)为节点j、k间最短路径经过边i的次数。

(2)平均路径长度。指的是网络中移除边后，初始灾害事件所在节点与其他网络事件节点间最短路径长度的平均值，计算公式为：

(5)

式中：Li为移除边i后该网络的平均路径长度；N为该网络中节点总数，V为网络节点集；dtk为网络中初始灾害事件所在节点t到节点k之间的最短路径长度。

(3)连通度。在有向灾害链网络中移除边i后可以连通的节点数与网络拓扑中总节点数的比值，计算公式为：

(6)

式中：H为移除边i后该网络的连通度；Ni移除边i后能够连通的节点数；N为原始网络的总节点数。

2.4 灾害链风险值分析

灾害链中某一边的风险度等于该边的概率、节点损失度与该边脆弱度的乘积。高校火灾灾害链中某条边的风险度计算方法为：

Rab=PLV=JabKbVab。

(7)

式中：Rab表示灾害事件a引起事件b的风险；Jab表示灾害事件a导致事件b发生的概率；Kb为灾害事件b的损失；Vab为灾害链中ab边的脆弱性。当灾害事件为源发灾害时，其Pa=1，Va=max(Vi)。灾害链网络中某一条灾害链的风险度计算公式为：

(8)

3 实例仿真

2021年10月24日，南京航空航天大学实验室发生爆燃，现场升起白色蘑菇云，该事件造成2人死亡，9人受伤。本文以该高校实验室爆燃火灾灾害事故进行仿真，以此来验证本文提出的高校火灾灾害风险评价模型的有效性。

3.1 灾害链边的概率

梳理国内外高校火灾灾害事件网络报道和文献资料，对102起高校火灾灾害事件进行全面统计和系统分析，再根据专家评议意见，得到了高校火灾灾害链中灾害事件间的致灾率P。评价组由高校安全管理、红十字急救、应急管理、应急消防救援等相关领域专家组成，评价组成员拥有丰富的火灾应急管理及救援经验，能比较科学精准地对高校火灾次生衍生事件进行客观分类评估。运用jaccard指数公式，得出高校火灾灾害链事件间的致灾率(表3)。

3.2 灾害链节点损失

依据南京航空航天大学实验室爆燃灾害链网络拓扑结构图，对火灾节点进行统计分析，分别计算出南京航空航天大学实验室爆燃灾害链节点的出度和入度，根据高校火灾灾害链节点损失计算公式，计算各网络中节点的损失程度。由表4可知，V1(火灾)事件节点的损失度最大，火灾作为高校火灾灾害原始事件，其损失度最大，产生的影响也最大。V2(爆炸)、V5(人员伤亡)、V8(网络舆情)等损失度较大，说明其发生后造成的影响也较大，该结果与实际情况比较吻合。高校管理者要加强对上述关键节点的重视，制定切实可行的应急响应预案，进一步降低风险发生的可能性。

表3 各灾害事件之间的致灾率

表4 灾害链节点损失

3.3 灾害链边的脆弱度

根据式(3)计算灾害链边的脆弱度需要分别计算出南京航空航天大学实验室爆燃事件灾害链边介数、平均路径长度和连通度。

(1)介数。根据式(4)计算出灾害链边介数矩阵。

(9)

(2)平均路径长度L。根据式(5)计算出其平均路径长度矩阵。

(10)

(3)连通度H。根据式(6)计算出连通度矩阵。

(11)

(4)根据式(3)计算出南京航空航天大学实验室爆燃灾害链中边的脆弱度。可以看出，“(V8)网络舆情→(V9)社会影响”的脆弱度最高，其产生的风险也越大，高校管理者应强化应急管理意识，加强高校火灾事件的网络舆情监管，制定相应的舆情应急预案，确保网络舆论更加理性平和。

表5 灾害链边的脆弱度

3.4 灾害链风险度计算与分析

根据风险度计算公式(7)求出南京航空航天大学实验室爆燃灾害链边的风险度(表6)。由表6可知，其中生活不便→网络舆情、人群恐慌→网络舆情、浓烟毒气释放→人员伤亡、建筑物破坏→人员伤亡、浓烟毒气释放→人群恐慌等5条边的风险度较高。高校管理者要根据高校火灾灾害事件的演化特征，加强应急管理，采取切实有效的应急管理决策，应在事故发生前，对风险度较高的边，采取断链措施，及时切断火灾发展路径，有效降低火灾造成的后果及损失，断链参考措施如表7所示。根据式(8)南京航空航天大学实验室爆燃灾害链网络中各灾害链的风险度排序(见表 8)。

表6 灾害链边的风险度

表7 风险度较大边的断链参考措施

表8 南京航空航天大学实验室爆燃灾害链排序

从表8中可以看出，在南京航空航天大学实验室爆燃灾害网络中，“火灾→浓烟毒气释放→人群恐慌→网络舆情→社会影响→学校声誉下降”这条灾害链风险值最大。在风险度较大的前6条链中，均包含“网络舆情→社会影响→学校声誉下降”这一链单元。根据历史报道，南京航空航天大学实验室发生爆燃后，在微博引起了广泛关注，事发当天微博阅读量达到4.06亿，截止11月16日微博阅读量达到了8.1亿，讨论次数高达12.8万次，这一结果与本文研究发现一致。由此可以证明本文提出的高校火灾灾害风险评价模型具有较高的有效性。实验发现，在高校火灾发生前加强应急管理，采取有效措施对灾害链重要节点进行积极管控，可降低火灾发生的风险；火灾发生后对关键边进行及时断链，可迅速阻断火灾的进一步发展和蔓延。

4 结论

(1)通过系统分析国内外102起高校火灾事故案例，结合南京航空航天大学实验室爆燃事件特征以及专家评议，最终得到南京航空航天大学实验室发生爆燃灾害事件集，具体包括12个灾害次生衍生事件。

(2)基于南京航空航天大学实验室爆燃事件及高校火灾灾害链演化特征，构建了南京航空航天大学实验室爆燃灾害演化网络拓扑结构。

(3)基于复杂网络理论构建高校火灾灾害链风险评价模型，计算出火灾灾害链各边的风险度，并给出了风险度最高的前5条边的参考断链措施。

(4)依据高校火灾风险评价模型，计算出的6条风险度较高的灾害连中都包含有“网络舆情→社会影响→学校声誉下降”这一链单元，说明该链单元对高校火灾灾害链影响程度最大。高校管理者应重视灾害次生衍生事件，在火灾发生后及时采取有效断链措施，阻止上述事件发生，并基于高校火灾灾害事件演化机理，提前制定发生此类事件的应急预案。

(5)基于实例仿真发现，本文得出的高校火灾灾害评价结果具有较高的有效性，对高校火灾灾害链风险评价及应急管理具有一定的参考价值。但由于高校火灾灾害事件的不确定因素较多、各因素间的关系较为复杂，更为科学合理的灾害链风险评估还需要进一步深入研究。