關于火災預防的物理建模方式下的分析研究

周少桁

（麒麟區消防救援大隊，云南 曲靖 655000）

0 引言

在人類社會發展的進程中，受限于生產生活資料的本質安全屬性，火災始終伴隨著整個社會發展過程賡續傳遞。在不同的歷史時期，火災的發生有著不同的基礎條件。但萬變不離其宗，任何一起火災的發生，都離不開其最基本的物理基礎[1]。

通過無數前人對火災產生的科學研究，現代社會對火災的發生、控制、減少乃至消除已經具備了非常完備的科學研究體系，在理論研究和社會實踐方面都積累了大量的經驗。因此，作者主要想通過本文，嘗試從這些前人經驗中，梳理出一條關于火災發生的，自然科學與社會管理的脈絡，并加以簡要分析。

1 基礎自然科學的基本理論

自然界是由物質和能量組成的。熱力學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第二定律——熵增定律。

1864年，德國物理學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動中，從微觀角度，首次對“熵”的概念進行了解釋。后來，在普朗克的進一步研究中，他得出結論：在大量微小粒子構成的系統中，“熵”表示的意義是粒子之間排列的無規則程度，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，將能量的形態加以轉換。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換出來，能量自身并沒有消失，只是變化了形態。但是我們卻永遠也無法將轉化為熱量的能量，再回歸為可燃物自身，通過這個事實，我們很容易得出一個結論，就是能量轉化過程的單向性，是不可逆的。而這個單向性的理論表述，就是所謂的“熵”。換句話來說，任何一切事物的發展，最終都要走向無序性的終點——系統“熵”的最大值。就好比等量的冰水混合物與開水組成一個相對開放系統后，最終溫度都要穩定在環境溫度一樣，除非不停做功，持續向系統內輸入能量，否則結果一定是恒溫。

2 運用上述基本理論對火災預防工作進行物理建模

通過上述內容，對“熵”“熵增”以及“負熵”的概念進行了基本的解釋，本文當前部分，將要運用上述理論基礎，對社會實踐進行物理建模，并針對模型進行對基本的理論實驗和文字推演。

為了方便對模型進行結構和推演，作者在本文使用最為簡單的撲克牌搭建模型。

目前國內最為常規使用的撲克牌有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、方塊四種花色標識各組，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。那么相對的，“熵”的最大值，就是52張牌完全無序地排列在一起，當我們面對完全一致的牌的背面時，沒有任何一種方法計算出下一張被抽出的牌是什么的時候，便將這一形態的模型定義為“熵”的最大值。

首先開始模型分析的第一步——洗牌。由于在時間維度中，洗牌的次數與“熵”值的增加成正比，為了符合理論實際，我們將時間定義在一個較短的層面上，比如說洗牌52次所用的時間。當我們洗牌52次之后，理論認定模型內的“熵”值已經達到最大值。此時，我們將副牌隨機放入“熵”值已經達到最大的模型中。

此時，對模型分析進行第二步——單張抽排。我們很容易得出以下計算結論：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，我們很容易發現，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。

現在，對模型分析進行第三步——多張抽牌。此時抽牌規則發生了些許變化，每一次抽牌的數量由1增加為2。此時通過實踐或者理論計算，我們得出以下結論：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，我們可以通過計算得出：當我們想要抽取任意2張需要的牌時，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現這一愿望——當然，也不排除隨機分布一次就中的可能性。

對于該模型的進一步深入研究，受限于篇幅，本文中就不再展開論述。

3 對上述模型采用代入法進行火災模擬研究

本文通過第一部分的基礎理論概述以及第二部分的模型隨機事件概率運算，已基本將本文需要的基礎理論闡述完畢。作者將在本文第三部分將物理模型實用化，旨在通過基礎數據分析對火災發生的基本規律進行初步研究[2]。

首先，將火災發生的基本條件進行明確：可燃物、助燃物、火源。

在我們日常生活中，助燃物氧氣是無法隔絕開的，由于研究的是現實條件下發生的火災，因此，在本文的研究中，將助燃物作為常量進行定義。因此，存在的變量減少為可燃物和火源兩個。

受限于當前我們在生產、生活中使用物質本質屬性的影響，可燃物在我們身邊隨處可見，具有足夠能量的點火源隨著生產、生活方式的不斷改變，其形式與數量也在不斷發生著變化，但就當前社會發展進程而言，仍將長期存在。也就是說，想要從本質上杜絕火災的發生，在當下的社會發展進程中，是不現實的，火災仍將長期伴隨著人類的進步一路前行。而我們能做的，僅限于更加有效地預防以及減少火災的發生[3]。

那么如何更加有效地預防以及減少火災的發生呢？運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火源定義為“大王”，我們可知，在一個基數為54的基本單元中，得到一個可以發生燃燒的物質概率大約為1.9%，但是在上述單元中，要同時具備可燃物與點火源兩個變量的概率，則大約為0.007%，概率大為降低，可見火災的發生，確實不是一個大概率事件。

同樣根據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防和減少火災發生的變量，黑色系主牌定義為有害于預防和減少火災發生的變量，在理想模型中，有益和有害的變量達到數據平衡時，“熵”增和“熵”減的效率一致，可以得到完美的理論計算結果，但是在現實生活中，這類平衡幾乎是無法實現的，因此我們總是在“熵”增和“熵”減的過程中不斷搖擺。

此時我們將紅色系牌帶入社會實踐進行具象化，例如謹慎處理遺留火種、出門時斷氣斷電等好的生活習慣；按照規程開展動火作業、定期開展防火巡查等好的管理模式；按照規定進行生產加工、根據物質屬性不同分類儲存等有秩序的生產流程，阻燃材料的使用、空氣開關對金屬閘刀的替代等先進的科學技術，這些有益于預防和減少火災的變量，數量越多，發生火災的概率就越低。反之，例如在家中點香燒紙、隨意處置遺留火種、監護人對未成年人玩火不加以制止等危險行為；隨意處置理化屬性不同的生產原料，不按照規程進行動火作業等危險操作方式；也確實帶來了大量的血淋淋的災難教訓。所以，通過理論結合實際，我們在火災預防和減少的工作當中，應當如何做，其現實意義，是顯而易見的。

4 在具體實踐中的理論思考

本文第三部分將火災產生的基礎條件、預防和減少的措施，進行了理論分析，但是結合實際工作，我們發現實際情況往往并非如此。比如我們對任意一個社區進行數據統計就會發現，可燃物以及點火源是時刻發生著變化的，昨天得出的理論計算概率和今天得出的實踐結論，往往會產生較大的出入。因此，就應當從微觀的視角調整為宏觀的視角，從具體的事物研究，轉變為類型的狀態研究。此時，就需要在物理模型的基礎上，引入基礎理論概念。從前文對“熵”的論述中，我們得知，無序性是必然的方向，也就是說，火災的發生，是必然的結果。在一個開放系統中，我們可以在某一個點，某一個面，通過引入“負熵”而避免火災的發生，但是我們無法在所有的點、所有的面都引入“負熵”，來確保火災一定不會發生。

例如在一個社區，我們可以通過無數的資源投入，實現可燃物、點火源的大量減少，但我們無論怎樣，也無法控制住社區里所有人的行為，無論是有人進入社區或是離開，變量是始終存在的，產生火災的可能性也始終在搖擺過程中而永遠不會歸結為零。

5 結語

綜上所述，火災預防和減少的工作，是一個效率相對低下，重復強度相對較高的枯燥工作，但是卻具有極高的社會現實意義。從宏觀角度來說，可以通過減少火災的發生，提升社會發展的效率，提高人民群眾的安全度；從微觀角度上來說，可以通過引入“負熵”，在一定范圍和一定時間區間內，減少無序性的增量，確保一定物理空間和時間維度的火災風險可控。