关于火灾预防的物理建模方式下的分析研究

周少桁

（麒麟区消防救援大队，云南 曲靖 655000）

0 引言

在人类社会发展的进程中，受限于生产生活资料的本质安全属性，火灾始终伴随着整个社会发展过程赓续传递。在不同的历史时期，火灾的发生有着不同的基础条件。但万变不离其宗，任何一起火灾的发生，都离不开其最基本的物理基础[1]。

通过无数前人对火灾产生的科学研究，现代社会对火灾的发生、控制、减少乃至消除已经具备了非常完备的科学研究体系，在理论研究和社会实践方面都积累了大量的经验。因此，作者主要想通过本文，尝试从这些前人经验中，梳理出一条关于火灾发生的，自然科学与社会管理的脉络，并加以简要分析。

1 基础自然科学的基本理论

自然界是由物质和能量组成的。热力学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热力学第二定律——熵增定律。

1864年，德国物理学家克劳修斯首次提出“熵”的概念，用于表示能量在空间中均匀分布的程度。1889年，玻尔兹曼在研究气体分子运动中，从微观角度，首次对“熵”的概念进行了解释。后来，在普朗克的进一步研究中，他得出结论：在大量微小粒子构成的系统中，“熵”表示的意义是粒子之间排列的无规则程度，也就是混乱程度，无序性增加，“熵”值增加，有序性增加，“熵”值减小。

能量既不能被创造出来，也不能被消除掉，我们只能够通过做功，将能量的形态加以转换。比如说燃烧，我们通过特定条件，将可燃物中的能量通过热量的方式转换出来，能量自身并没有消失，只是变化了形态。但是我们却永远也无法将转化为热量的能量，再回归为可燃物自身，通过这个事实，我们很容易得出一个结论，就是能量转化过程的单向性，是不可逆的。而这个单向性的理论表述，就是所谓的“熵”。换句话来说，任何一切事物的发展，最终都要走向无序性的终点——系统“熵”的最大值。就好比等量的冰水混合物与开水组成一个相对开放系统后，最终温度都要稳定在环境温度一样，除非不停做功，持续向系统内输入能量，否则结果一定是恒温。

2 运用上述基本理论对火灾预防工作进行物理建模

通过上述内容，对“熵”“熵增”以及“负熵”的概念进行了基本的解释，本文当前部分，将要运用上述理论基础，对社会实践进行物理建模，并针对模型进行对基本的理论实验和文字推演。

为了方便对模型进行结构和推演，作者在本文使用最为简单的扑克牌搭建模型。

目前国内最为常规使用的扑克牌有54张，共分为4种花色正牌52张，以及“大王”“小王”两张副牌。

52张正牌又均分为13张一组，并以黑桃、红桃、梅花、方块四种花色标识各组，每组花色的牌包括从1-10（1通常表示为A），以及J、Q、K表示的13张牌。

在模型中，我们将每组花色的牌从1-K按顺序正向排列，并按照黑、红、梅、方的顺序排列定义为“熵”的最小值。那么相对的，“熵”的最大值，就是52张牌完全无序地排列在一起，当我们面对完全一致的牌的背面时，没有任何一种方法计算出下一张被抽出的牌是什么的时候，便将这一形态的模型定义为“熵”的最大值。

首先开始模型分析的第一步——洗牌。由于在时间维度中，洗牌的次数与“熵”值的增加成正比，为了符合理论实际，我们将时间定义在一个较短的层面上，比如说洗牌52次所用的时间。当我们洗牌52次之后，理论认定模型内的“熵”值已经达到最大值。此时，我们将副牌随机放入“熵”值已经达到最大的模型中。

此时，对模型分析进行第二步——单张抽排。我们很容易得出以下计算结论：从模型中抽取任意1张牌，这张牌是“大王”的概率为1/54，取值约等于0.019。从模型中抽取任意1张牌，抽取到黑、红、梅、方任意一种花色主牌的概率，为13/54，取值约等于0.241。从模型中抽取任意1张牌，抽取到黑色或者红色主牌的概率，为26/54，取值约等于0.481。在这一步骤中，我们很容易发现，无论我们想要哪一张牌，最多只需要抽取53次，就一定知道这张牌在哪里。

现在，对模型分析进行第三步——多张抽牌。此时抽牌规则发生了些许变化，每一次抽牌的数量由1增加为2。此时通过实践或者理论计算，我们得出以下结论：从模型中抽取任意2张牌，这两张牌恰好是“大王”和“小王”的概率是N=2/54＊1/53=1/1431，取值约等于0.0007。从模型中抽取任意2张牌，抽取到均为黑、红、梅、方任意一种花色主牌的概率是N=13/54＊12/53=156/2862，取值约等于0.0545。从模型中抽取任意2张牌，抽取到黑色或者红色主牌的概率，N=26/54＊25/53=650/2862，取值约等于0.2271。在这一步骤中，我们可以通过计算得出：当我们想要抽取任意2张需要的牌时，其概率约为1/1431，也就是说，理论上至少需要抽取一千多次才能实现这一愿望——当然，也不排除随机分布一次就中的可能性。

对于该模型的进一步深入研究，受限于篇幅，本文中就不再展开论述。

3 对上述模型采用代入法进行火灾模拟研究

本文通过第一部分的基础理论概述以及第二部分的模型随机事件概率运算，已基本将本文需要的基础理论阐述完毕。作者将在本文第三部分将物理模型实用化，旨在通过基础数据分析对火灾发生的基本规律进行初步研究[2]。

首先，将火灾发生的基本条件进行明确：可燃物、助燃物、火源。

在我们日常生活中，助燃物氧气是无法隔绝开的，由于研究的是现实条件下发生的火灾，因此，在本文的研究中，将助燃物作为常量进行定义。因此，存在的变量减少为可燃物和火源两个。

受限于当前我们在生产、生活中使用物质本质属性的影响，可燃物在我们身边随处可见，具有足够能量的点火源随着生产、生活方式的不断改变，其形式与数量也在不断发生着变化，但就当前社会发展进程而言，仍将长期存在。也就是说，想要从本质上杜绝火灾的发生，在当下的社会发展进程中，是不现实的，火灾仍将长期伴随着人类的进步一路前行。而我们能做的，仅限于更加有效地预防以及减少火灾的发生[3]。

那么如何更加有效地预防以及减少火灾的发生呢？运用本文第二部分的模型，采用代入法，将可燃物定义为“小王”，将具有足够能量的点火源定义为“大王”，我们可知，在一个基数为54的基本单元中，得到一个可以发生燃烧的物质概率大约为1.9%，但是在上述单元中，要同时具备可燃物与点火源两个变量的概率，则大约为0.007%，概率大为降低，可见火灾的发生，确实不是一个大概率事件。

同样根据本文第二部分物理模型，我们将红色系主牌定义为有益于预防和减少火灾发生的变量，黑色系主牌定义为有害于预防和减少火灾发生的变量，在理想模型中，有益和有害的变量达到数据平衡时，“熵”增和“熵”减的效率一致，可以得到完美的理论计算结果，但是在现实生活中，这类平衡几乎是无法实现的，因此我们总是在“熵”增和“熵”减的过程中不断摇摆。

此时我们将红色系牌带入社会实践进行具象化，例如谨慎处理遗留火种、出门时断气断电等好的生活习惯；按照规程开展动火作业、定期开展防火巡查等好的管理模式；按照规定进行生产加工、根据物质属性不同分类储存等有秩序的生产流程，阻燃材料的使用、空气开关对金属闸刀的替代等先进的科学技术，这些有益于预防和减少火灾的变量，数量越多，发生火灾的概率就越低。反之，例如在家中点香烧纸、随意处置遗留火种、监护人对未成年人玩火不加以制止等危险行为；随意处置理化属性不同的生产原料，不按照规程进行动火作业等危险操作方式；也确实带来了大量的血淋淋的灾难教训。所以，通过理论结合实际，我们在火灾预防和减少的工作当中，应当如何做，其现实意义，是显而易见的。

4 在具体实践中的理论思考

本文第三部分将火灾产生的基础条件、预防和减少的措施，进行了理论分析，但是结合实际工作，我们发现实际情况往往并非如此。比如我们对任意一个社区进行数据统计就会发现，可燃物以及点火源是时刻发生着变化的，昨天得出的理论计算概率和今天得出的实践结论，往往会产生较大的出入。因此，就应当从微观的视角调整为宏观的视角，从具体的事物研究，转变为类型的状态研究。此时，就需要在物理模型的基础上，引入基础理论概念。从前文对“熵”的论述中，我们得知，无序性是必然的方向，也就是说，火灾的发生，是必然的结果。在一个开放系统中，我们可以在某一个点，某一个面，通过引入“负熵”而避免火灾的发生，但是我们无法在所有的点、所有的面都引入“负熵”，来确保火灾一定不会发生。

例如在一个社区，我们可以通过无数的资源投入，实现可燃物、点火源的大量减少，但我们无论怎样，也无法控制住社区里所有人的行为，无论是有人进入社区或是离开，变量是始终存在的，产生火灾的可能性也始终在摇摆过程中而永远不会归结为零。

5 结语

综上所述，火灾预防和减少的工作，是一个效率相对低下，重复强度相对较高的枯燥工作，但是却具有极高的社会现实意义。从宏观角度来说，可以通过减少火灾的发生，提升社会发展的效率，提高人民群众的安全度；从微观角度上来说，可以通过引入“负熵”，在一定范围和一定时间区间内，减少无序性的增量，确保一定物理空间和时间维度的火灾风险可控。