關(guān)于火災(zāi)預(yù)防的物理建模方式下的分析研究

周少桁

（麒麟?yún)^(qū)消防救援大隊(duì)，云南 曲靖 655000）

0 引言

在人類社會(huì)發(fā)展的進(jìn)程中，受限于生產(chǎn)生活資料的本質(zhì)安全屬性，火災(zāi)始終伴隨著整個(gè)社會(huì)發(fā)展過程賡續(xù)傳遞。在不同的歷史時(shí)期，火災(zāi)的發(fā)生有著不同的基礎(chǔ)條件。但萬變不離其宗，任何一起火災(zāi)的發(fā)生，都離不開其最基本的物理基礎(chǔ)[1]。

通過無數(shù)前人對(duì)火災(zāi)產(chǎn)生的科學(xué)研究，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)火災(zāi)的發(fā)生、控制、減少乃至消除已經(jīng)具備了非常完備的科學(xué)研究體系，在理論研究和社會(huì)實(shí)踐方面都積累了大量的經(jīng)驗(yàn)。因此，作者主要想通過本文，嘗試從這些前人經(jīng)驗(yàn)中，梳理出一條關(guān)于火災(zāi)發(fā)生的，自然科學(xué)與社會(huì)管理的脈絡(luò)，并加以簡要分析。

1 基礎(chǔ)自然科學(xué)的基本理論

自然界是由物質(zhì)和能量組成的。熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律，第二定律是熵增定律。本文所用的基本定律主要是熱力學(xué)第二定律——熵增定律。

1864年，德國物理學(xué)家克勞修斯首次提出“熵”的概念，用于表示能量在空間中均勻分布的程度。1889年，玻爾茲曼在研究氣體分子運(yùn)動(dòng)中，從微觀角度，首次對(duì)“熵”的概念進(jìn)行了解釋。后來，在普朗克的進(jìn)一步研究中，他得出結(jié)論：在大量微小粒子構(gòu)成的系統(tǒng)中，“熵”表示的意義是粒子之間排列的無規(guī)則程度，也就是混亂程度，無序性增加，“熵”值增加，有序性增加，“熵”值減小。

能量既不能被創(chuàng)造出來，也不能被消除掉，我們只能夠通過做功，將能量的形態(tài)加以轉(zhuǎn)換。比如說燃燒，我們通過特定條件，將可燃物中的能量通過熱量的方式轉(zhuǎn)換出來，能量自身并沒有消失，只是變化了形態(tài)。但是我們卻永遠(yuǎn)也無法將轉(zhuǎn)化為熱量的能量，再回歸為可燃物自身，通過這個(gè)事實(shí)，我們很容易得出一個(gè)結(jié)論，就是能量轉(zhuǎn)化過程的單向性，是不可逆的。而這個(gè)單向性的理論表述，就是所謂的“熵”。換句話來說，任何一切事物的發(fā)展，最終都要走向無序性的終點(diǎn)——系統(tǒng)“熵”的最大值。就好比等量的冰水混合物與開水組成一個(gè)相對(duì)開放系統(tǒng)后，最終溫度都要穩(wěn)定在環(huán)境溫度一樣，除非不停做功，持續(xù)向系統(tǒng)內(nèi)輸入能量，否則結(jié)果一定是恒溫。

2 運(yùn)用上述基本理論對(duì)火災(zāi)預(yù)防工作進(jìn)行物理建模

通過上述內(nèi)容，對(duì)“熵”“熵增”以及“負(fù)熵”的概念進(jìn)行了基本的解釋，本文當(dāng)前部分，將要運(yùn)用上述理論基礎(chǔ)，對(duì)社會(huì)實(shí)踐進(jìn)行物理建模，并針對(duì)模型進(jìn)行對(duì)基本的理論實(shí)驗(yàn)和文字推演。

為了方便對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)和推演，作者在本文使用最為簡單的撲克牌搭建模型。

目前國內(nèi)最為常規(guī)使用的撲克牌有54張，共分為4種花色正牌52張，以及“大王”“小王”兩張副牌。

52張正牌又均分為13張一組，并以黑桃、紅桃、梅花、方塊四種花色標(biāo)識(shí)各組，每組花色的牌包括從1-10（1通常表示為A），以及J、Q、K表示的13張牌。

在模型中，我們將每組花色的牌從1-K按順序正向排列，并按照黑、紅、梅、方的順序排列定義為“熵”的最小值。那么相對(duì)的，“熵”的最大值，就是52張牌完全無序地排列在一起，當(dāng)我們面對(duì)完全一致的牌的背面時(shí)，沒有任何一種方法計(jì)算出下一張被抽出的牌是什么的時(shí)候，便將這一形態(tài)的模型定義為“熵”的最大值。

首先開始模型分析的第一步——洗牌。由于在時(shí)間維度中，洗牌的次數(shù)與“熵”值的增加成正比，為了符合理論實(shí)際，我們將時(shí)間定義在一個(gè)較短的層面上，比如說洗牌52次所用的時(shí)間。當(dāng)我們洗牌52次之后，理論認(rèn)定模型內(nèi)的“熵”值已經(jīng)達(dá)到最大值。此時(shí)，我們將副牌隨機(jī)放入“熵”值已經(jīng)達(dá)到最大的模型中。

此時(shí)，對(duì)模型分析進(jìn)行第二步——單張抽排。我們很容易得出以下計(jì)算結(jié)論：從模型中抽取任意1張牌，這張牌是“大王”的概率為1/54，取值約等于0.019。從模型中抽取任意1張牌，抽取到黑、紅、梅、方任意一種花色主牌的概率，為13/54，取值約等于0.241。從模型中抽取任意1張牌，抽取到黑色或者紅色主牌的概率，為26/54，取值約等于0.481。在這一步驟中，我們很容易發(fā)現(xiàn)，無論我們想要哪一張牌，最多只需要抽取53次，就一定知道這張牌在哪里。

現(xiàn)在，對(duì)模型分析進(jìn)行第三步——多張抽牌。此時(shí)抽牌規(guī)則發(fā)生了些許變化，每一次抽牌的數(shù)量由1增加為2。此時(shí)通過實(shí)踐或者理論計(jì)算，我們得出以下結(jié)論：從模型中抽取任意2張牌，這兩張牌恰好是“大王”和“小王”的概率是N=2/54＊1/53=1/1431，取值約等于0.0007。從模型中抽取任意2張牌，抽取到均為黑、紅、梅、方任意一種花色主牌的概率是N=13/54＊12/53=156/2862，取值約等于0.0545。從模型中抽取任意2張牌，抽取到黑色或者紅色主牌的概率，N=26/54＊25/53=650/2862，取值約等于0.2271。在這一步驟中，我們可以通過計(jì)算得出：當(dāng)我們想要抽取任意2張需要的牌時(shí)，其概率約為1/1431，也就是說，理論上至少需要抽取一千多次才能實(shí)現(xiàn)這一愿望——當(dāng)然，也不排除隨機(jī)分布一次就中的可能性。

對(duì)于該模型的進(jìn)一步深入研究，受限于篇幅，本文中就不再展開論述。

3 對(duì)上述模型采用代入法進(jìn)行火災(zāi)模擬研究

本文通過第一部分的基礎(chǔ)理論概述以及第二部分的模型隨機(jī)事件概率運(yùn)算，已基本將本文需要的基礎(chǔ)理論闡述完畢。作者將在本文第三部分將物理模型實(shí)用化，旨在通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析對(duì)火災(zāi)發(fā)生的基本規(guī)律進(jìn)行初步研究[2]。

首先，將火災(zāi)發(fā)生的基本條件進(jìn)行明確：可燃物、助燃物、火源。

在我們?nèi)粘Ｉ钪?，助燃物氧氣是無法隔絕開的，由于研究的是現(xiàn)實(shí)條件下發(fā)生的火災(zāi)，因此，在本文的研究中，將助燃物作為常量進(jìn)行定義。因此，存在的變量減少為可燃物和火源兩個(gè)。

受限于當(dāng)前我們在生產(chǎn)、生活中使用物質(zhì)本質(zhì)屬性的影響，可燃物在我們身邊隨處可見，具有足夠能量的點(diǎn)火源隨著生產(chǎn)、生活方式的不斷改變，其形式與數(shù)量也在不斷發(fā)生著變化，但就當(dāng)前社會(huì)發(fā)展進(jìn)程而言，仍將長期存在。也就是說，想要從本質(zhì)上杜絕火災(zāi)的發(fā)生，在當(dāng)下的社會(huì)發(fā)展進(jìn)程中，是不現(xiàn)實(shí)的，火災(zāi)仍將長期伴隨著人類的進(jìn)步一路前行。而我們能做的，僅限于更加有效地預(yù)防以及減少火災(zāi)的發(fā)生[3]。

那么如何更加有效地預(yù)防以及減少火災(zāi)的發(fā)生呢？運(yùn)用本文第二部分的模型，采用代入法，將可燃物定義為“小王”，將具有足夠能量的點(diǎn)火源定義為“大王”，我們可知，在一個(gè)基數(shù)為54的基本單元中，得到一個(gè)可以發(fā)生燃燒的物質(zhì)概率大約為1.9%，但是在上述單元中，要同時(shí)具備可燃物與點(diǎn)火源兩個(gè)變量的概率，則大約為0.007%，概率大為降低，可見火災(zāi)的發(fā)生，確實(shí)不是一個(gè)大概率事件。

同樣根據(jù)本文第二部分物理模型，我們將紅色系主牌定義為有益于預(yù)防和減少火災(zāi)發(fā)生的變量，黑色系主牌定義為有害于預(yù)防和減少火災(zāi)發(fā)生的變量，在理想模型中，有益和有害的變量達(dá)到數(shù)據(jù)平衡時(shí)，“熵”增和“熵”減的效率一致，可以得到完美的理論計(jì)算結(jié)果，但是在現(xiàn)實(shí)生活中，這類平衡幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的，因此我們總是在“熵”增和“熵”減的過程中不斷搖擺。

此時(shí)我們將紅色系牌帶入社會(huì)實(shí)踐進(jìn)行具象化，例如謹(jǐn)慎處理遺留火種、出門時(shí)斷氣斷電等好的生活習(xí)慣；按照規(guī)程開展動(dòng)火作業(yè)、定期開展防火巡查等好的管理模式；按照規(guī)定進(jìn)行生產(chǎn)加工、根據(jù)物質(zhì)屬性不同分類儲(chǔ)存等有秩序的生產(chǎn)流程，阻燃材料的使用、空氣開關(guān)對(duì)金屬閘刀的替代等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，這些有益于預(yù)防和減少火災(zāi)的變量，數(shù)量越多，發(fā)生火災(zāi)的概率就越低。反之，例如在家中點(diǎn)香燒紙、隨意處置遺留火種、監(jiān)護(hù)人對(duì)未成年人玩火不加以制止等危險(xiǎn)行為；隨意處置理化屬性不同的生產(chǎn)原料，不按照規(guī)程進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)等危險(xiǎn)操作方式；也確實(shí)帶來了大量的血淋淋的災(zāi)難教訓(xùn)。所以，通過理論結(jié)合實(shí)際，我們在火災(zāi)預(yù)防和減少的工作當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)如何做，其現(xiàn)實(shí)意義，是顯而易見的。

4 在具體實(shí)踐中的理論思考

本文第三部分將火災(zāi)產(chǎn)生的基礎(chǔ)條件、預(yù)防和減少的措施，進(jìn)行了理論分析，但是結(jié)合實(shí)際工作，我們發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況往往并非如此。比如我們對(duì)任意一個(gè)社區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，可燃物以及點(diǎn)火源是時(shí)刻發(fā)生著變化的，昨天得出的理論計(jì)算概率和今天得出的實(shí)踐結(jié)論，往往會(huì)產(chǎn)生較大的出入。因此，就應(yīng)當(dāng)從微觀的視角調(diào)整為宏觀的視角，從具體的事物研究，轉(zhuǎn)變?yōu)轭愋偷臓顟B(tài)研究。此時(shí)，就需要在物理模型的基礎(chǔ)上，引入基礎(chǔ)理論概念。從前文對(duì)“熵”的論述中，我們得知，無序性是必然的方向，也就是說，火災(zāi)的發(fā)生，是必然的結(jié)果。在一個(gè)開放系統(tǒng)中，我們可以在某一個(gè)點(diǎn)，某一個(gè)面，通過引入“負(fù)熵”而避免火災(zāi)的發(fā)生，但是我們無法在所有的點(diǎn)、所有的面都引入“負(fù)熵”，來確?；馂?zāi)一定不會(huì)發(fā)生。

例如在一個(gè)社區(qū)，我們可以通過無數(shù)的資源投入，實(shí)現(xiàn)可燃物、點(diǎn)火源的大量減少，但我們無論怎樣，也無法控制住社區(qū)里所有人的行為，無論是有人進(jìn)入社區(qū)或是離開，變量是始終存在的，產(chǎn)生火災(zāi)的可能性也始終在搖擺過程中而永遠(yuǎn)不會(huì)歸結(jié)為零。

5 結(jié)語

綜上所述，火災(zāi)預(yù)防和減少的工作，是一個(gè)效率相對(duì)低下，重復(fù)強(qiáng)度相對(duì)較高的枯燥工作，但是卻具有極高的社會(huì)現(xiàn)實(shí)意義。從宏觀角度來說，可以通過減少火災(zāi)的發(fā)生，提升社會(huì)發(fā)展的效率，提高人民群眾的安全度；從微觀角度上來說，可以通過引入“負(fù)熵”，在一定范圍和一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)，減少無序性的增量，確保一定物理空間和時(shí)間維度的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)可控。