用科技“智”服火災
——記香港理工大學助理教授黃鑫炎

王艷敏

黃鑫炎

數十萬年前，猿人就學會以火來狩獵、取暖、制作熟食。而刀耕火種和冶煉技術開啟了人類文明。到18世紀的工業革命時期，火點燃煤炭，帶動了蒸汽機。今天，火的使用遍布能源、化工、航天等各個領域。然而，當用火發生失控，就會造成火災；“災”字中的“火”，就反映了人們對火的天然恐懼。僅2021年，我國就發生各類火災約75萬起，造成近2000人遇難、直接財產損失超過67億元。全球每年的消防開支和火災損失平均要占到GDP的1%。因此，探索火災科學，至關重要。

來自香港理工大學（以下簡稱“港理工”）的黃鑫炎從小就是村里帶頭玩火的頑童，對火有著無限的熱情。自海外求學十余年來，他的研究涉及火災動力學，林火生態學、智能消防和能源安全等多個領域。他直面火災中最復雜的交叉科學問題，積極應用人工智能和數字孿生等最新技術，推動消防工程的產學研合作，合著了百余篇《科學引文索引》（SCI）論文，獲得國際燃燒學會、國際火災安全學會、國際消防工程師學會的杰出青年科學家獎等多項榮譽；他富有社會責任感，充滿服務精神，擔任消防部門和高等法院的顧問，常年為政府、企業和市民提供科學專業的建議；同時擔任多本學術期刊的副主編，更是學界公認的“積極、細心、有責任心的審稿人”。對黃鑫炎來說，無論是研究火災科學，還是教書育人，他都在追求創新和卓越的過程中燃燒自己。

名師引導，薪火相傳

黃鑫炎從小就喜歡物理，高中時受班主任蔣杰老師的鼓勵，參加物理競賽，自學了大學物理，因為癡迷熱學，報考了東南大學的熱能工程專業。大三那年，他參加學校的本科生科研計劃，與舍友一起研究太陽能光熱發電，發表了兩篇SCI論文，展示出非凡的科研潛力?！翱忌洗髮W后我曾陷入迷茫，混社團混日子，掛過科。而科研的機會再次激發了我的學習熱情，把專業課翻出來重學，苦練英語，申請留學?！崩俗踊仡^，畢業后黃鑫炎進入美國加州大學圣地亞哥分校（UCSD），機緣巧合成了燃燒學泰斗福爾曼·威廉斯（Forman Williams）院士的最后一名碩士生，開始研究燃燒和火災。

在陽光充沛、氣候宜人的南加州，黃鑫炎度過了一段畢生難忘的科研時光。兩年時間里，他每天跟著師兄邁克爾·高爾納（Michael Gollner）——現加州大學伯克利分校教授做實驗，而實驗室對面就是Williams教授的辦公室，師兄弟倆每天都可以和導師喝下午茶，問各種傻問題?！翱赡苁潜粐鴥雀≡甑男膽B影響，原本我留學是想搞點速成的技術，比較功利。出國了才發現做科研可以這么純粹。”80歲的Williams教授依然保持著像孩童一樣的好奇心，不斷提出新的方法和理念。他每日清晨8點就準時坐在書桌前，比許多學生都勤奮。徜徉在這種純粹的科研氛圍中，黃鑫炎忘卻了此前不成熟的想法，開始靜下心來踏踏實實做基礎研究。

2012年碩士畢業后，在老師和師兄的推薦下，黃鑫炎前往英國帝國理工大學攻讀博士學位，師從年輕的吉爾莫·瑞因（Guillermo Rein）教授，研究燃燒學和林學的交叉領域——陰燃林火。陰燃，一種低溫無焰的緩慢燃燒，如生活中常見的香煙、線香和木炭的燃燒，大部分火災也都始于陰燃。“以森林中的泥炭火為例，陰燃火會在地下土層中蔓延，持續燃燒數月甚至數年，每年產生的碳排放，相當于歐洲所有的碳排放，并形成霧霾，危害公眾安全和健康?！秉S鑫炎對自己在英國的研究經歷感觸很深?！坝目蒲袠O具全球視野，政府會資助科學家研究東南亞的森林火災，因為這些火災造成的碳排放會加速氣候變化，是全人類面臨的共同挑戰?！?/p>

來自西班牙的Rein教授有著南歐人特有的豪爽和激情，這份樂觀到今天也深深地影響著黃鑫炎的科研日常。在帝國理工大學，剛開始研究陰燃火災時并不順利?！安┮粫r，我的實驗數據違背‘常理’——燃料越潮濕反而燒得越快。我懷疑自己做錯了，于是著了魔似地沒日沒夜重復實驗，最后老師發現了我的異常。” Rein教授了解情況后，禁止黃鑫炎進入實驗室3個月，并要求他出去訪問交流，換換心情，回來再思考。

后來，黃鑫炎去了新加坡國立大學和中國科學技術大學訪學，回到英國后，雖然依然無法解釋自己的實驗，但是能淡定地從新的角度推進自己的博士研究，開發了首個可以準確描述陰燃林火的數值模型?！安┦慨厴I兩年后，再回頭看那些實驗，我才想明白其中的科學原理，而這已經是5年后的事情了。我后來把這些實驗和機理寫出來，意外拿到了英國物理學會的最佳燃燒學論文獎。”讓子彈飛一會兒，不要太著急，尤其是基礎研究，并非一朝一夕之功，思路不順的時候不要鉆牛角尖，這是Rein教授對他的忠告。現在，黃鑫炎也這樣教導自己的學生，“在港理工，我的博士生基本都是幾個項目穿插著做，經常出去交流開會，這樣有助于激發新的思維”。

前排左起黃鑫炎、Rein教授、Pello教授、Williams教授

在英國，黃鑫炎經歷了更完善的科研訓練，特別是認識到了宣傳和轉化科研成果的重要性。他的博士研究成果在《燃燒和火焰》（Combustion and Flame）、《國際野火期刊》（Int J Wildland Fire）等知名期刊發表，獲得了國家優秀自費留學生獎、英國帝國理工大學最佳熱流體博士論文獎、卡塔爾石油優秀博士研究獎、英國燃燒學會最佳論文獎，以及多次國際會議最佳展板獎和科普作品獎。2015年在習近平總書記訪問英國期間，黃鑫炎作為留學生代表，受邀參加了英女王舉行的歡迎閱兵儀式。

2015年年底，黃鑫炎前往加州大學伯克利分?？逅埂べM爾南德斯-佩洛（Carlos Fernandez-Pello）教授課題組繼續博士后研究，和美國國家航空航天局合作研究太空微重力環境下的燃燒實驗和國際空間站的消防設計。如今回到祖國，他也積極參與中國的太空燃燒實驗，并向天宮空間站提出新的實驗方案?！爱斈晔勤s上了中美科研合作最后的蜜月期，如今的美國完全禁止了中國學者接觸任何太空項目?！泵绹鴩液娇蘸教炀指挥陂_拓精神，敢于嘗試各種新創意，更能連續30年支持一個科研方向，黃鑫炎對此甚為感慨。2017年的一天，原本計劃繼續留在美國深造的他，突然收到8位教授內容相同的郵件——“香港理工大學在招火災方向的老師，你是最合適的人選。”港理工是亞洲最早開展火災研究的機構之一，研究實力雄厚，從未去過香港的他，由此回國開啟了一段新的科研征程。

立足香港，面向全球：做中國最國際化的火災研究

香港是全球人口密度最高的地區之一，土地稀缺、人口稠密，造就了高樓林立的城市景觀，對建筑消防研究的需求十分強烈。隨著智慧建筑、人工智能、機器人和物聯網的發展，“智慧消防”的概念逐漸成型。加入港理工建筑環境及能源工程學系，黃鑫炎很快和本地的建造業和消防部門合作，開發基于人工智能物聯網的智慧消防系統，目前他的團隊已經是相關領域全球的領頭羊。“火災研究大部分都在考慮保護建筑和內部人員的疏散，很少考慮消防救援人員，我想為那些進入火海的英雄做點事?！痹谙愀壑黝}研發計劃的支持下，他的團隊正在開發最新的火災數字孿生系統、火場預測系統以及智能消防機器人，以期為那些冒著生命危險進入火場的消防人員，提供重要的信息和額外的保護。

早在讀本科時，黃鑫炎就有一些不成熟的創業想法。經過在基礎科研領域的多年沉淀，如今的他更有信心開展產學研合作。“我一直鼓勵應用實驗室的新技術去創業，做出新產品去改變世界?！?021年，他指導的博士生黃灝賢就基于實驗室中最新的智慧消防物聯網系統，開發了“智慧動態應急逃生指示牌”。跟普通指示牌相比，這項產品的亮點在于，當發生火災時，指示牌可以根據人工智能對火災發展的預測，動態顯示最快最安全的逃生路線。目前，這項技術已收到了天使投資，在做示范工程，很有市場前景。黃鑫炎期待未來所有的新樓中都安裝上智慧消防系統，進一步降低火災中的人員傷亡。

“我有一個在職博士生是外企的消防工程師，工作繁忙經常加班。后來我發現，她的工作很多都是重復性的，如果利用人工智能的方式將其自動化，就可以節省時間做更有創造性的工作。”于是，黃鑫炎指導這名學生一起開發了智慧消防設計，以此快速判斷建筑是否達到消防要求。“消防工程其實是一個很保守的行業，涉及安全問題，每一步都走得比較謹慎。面對高新科技，它更追求可靠性，許多成果要很多年之后才能應用。”但是黃鑫炎相信，隨著人工智能時代的到來，即使是保守的消防領域也將迎來翻天覆地的變化?！拔蚁嘈欧较蚴菍Φ?，雖然目前智能工程設計還處在初步階段，但是普及之后，對減輕工程師的負擔，提高建設進展和消防安全十分有意義?！?/p>

隨著中國近年來基礎設施建設的突飛猛進，消防安全也面臨巨大的挑戰和機遇?！拔覈墓こ處煻紭O具創造性，再復雜的基建都能解決消防問題，但這些重要的經驗并沒有被轉化成新的國際標準?！秉S鑫炎時常感嘆大部分的火災測試標準和消防法規都被英國和美國壟斷，簡單地翻譯和抄錄過來是知其然而不知其所以然?！斑@些差距不是靠論文灌水就能追趕的，需要全國的同行一起努力，抓住全球產業升級和‘一帶一路’的基建機遇，推進中國的消防標準成為國際標準?！被貒倪@幾年，黃鑫炎基于香港國際化的獨特優勢，與美國消防協會合作梳理全球的消防法規，和內地消防機構探究大灣區協同的消防法規，合作制定電池熱安全的國際標準，努力向全球推廣中國主導的工程新標準。

相比于建筑火災，在森林火災的研究方面，我國和世界最前沿的差距更大。“十年來參加了不少頂尖的森林火災國際會議，我基本上都是會場上唯一的亞洲面孔，挺孤獨的，中國的研究完全沒有存在感。”自2021年起，黃鑫炎成為國際林火學會中唯一來自亞洲的理事?！澳壳?，基本沒有重要的國際林火會議在亞洲召開，理事會的例會都安排在北京時間凌晨5點，現在我們沒有話語權，需要大家一起努力。”他一直鼓勵國內同行多開展國際合作，積極對外宣傳我國林火研究的成果。

2017年，黃鑫炎回國后，第一時間開始關注我國林區的陰燃火災現象，近年來北方林區發生的越境火、西南林區導致很多消防員犧牲的“爆發火”都和陰燃有密切的關系。他主持的第一項國家自然科學基金面上項目就是借鑒恩師Williams教授在20世紀80年代提出的經典燃燒理論，改進并發展了陰燃點火和熄火的兩個基本準則。北方林區人煙稀少，地下的陰燃火災難以被發現和撲滅。在一項最新的研究中，黃鑫炎和團隊揭示了近年來北極高頻的林火與全球變暖的相關性，發現了凍土陰燃導致的碳排放接近全人類碳排放的2%，相關成果已經被加拿大林業局的標準林火模型采用。此研究既是為了警示少有人關注的北方林區陰燃火，也是為了致敬幾位恩師多年的教導。

此外，黃鑫炎還在積極推動智慧消防系統在森林火災中的應用，并和國內外的科研機構共同研發林火的數字孿生系統?！拔蚁Ｍ軌驗橹袊牧謪^建立完善的火災監測網絡。這是一個包括地面的監測站、飛機、無人機，以及衛星等不同層次的監測網。這也許很難，但是堅持10年、20年，一定會建成?！?/p>

教書育人，服務社會

先后在國內外多所高校學習和科研，黃鑫炎最大的體悟就是，要活到老，學到老，創新到老?！翱蒲泄ぷ髀o止境，幾十年如一日難免會疲倦，所以要保持好奇心，不斷激勵自己。也許回頭發現自己做的大部分研究都沒有人關注，短期內也不會應用。但是只要內心堅信，那是有意義的，就應該堅持做下去。”這些年，他就是懷著這樣的初心做科研，并投入了很多精力在科普。黃鑫炎每年組織十多次面向公眾的火災演示實驗，鼓勵學生每周寫科普文章，他的消防科普公眾號“理大火災安全科學”目前有近2000人關注。同時，他還要求學生每年都要參加國際會議，畢業前至少要出國交流半年?！昂芏嘀袊鴮W生喜歡埋頭做實驗和寫文章，看著勤奮，實則懶惰，內心害怕出國交流和宣傳，最后變成了‘內卷’?！秉S鑫炎堅信，只有具備全球競爭力才能突破“內卷”，要去國際上爭奪資源。

自學生時代起，黃鑫炎陸續擔任了50余本期刊近500篇論文的審稿人，多次榮獲同行評議的獎項。他對這項沒有報酬的服務懷有極大的熱情，一方面因為評審的過程可以提高自己的寫作和見識，另一方面則因為同行評議是科研的基石，更是每個科學家的基本責任。教學科研之余，他還擔任特區政府消防規范與技術顧問和高等法院火災調查專家?！霸陬檰栁瘑T會，我經常會審理地標建筑的消防設計，這個過程通常十分漫長?！崩缬袀€重要的基建項目，因為消防設計不能達成共識，工程咨詢公司先后改了4輪，兩年多才通過審批。“工程方想在消防方面省錢，政府公務員則怕發生火災后被追責，所以作為第三方專家，我需要做出科學而中立的評估，提高審批效率。否則工程無限期地拖延下去，最后吃虧的還是市民?！?/p>

黃鑫炎的火災調查經歷始于一通來自法律援助部門的電話，一個縱火案，兩條人命?！拔业谝淮螀⑴c火災調查，就遇上了重大刑事案件，法庭寄來了約2000頁材料，我花了很多時間撰寫調查報告，至少把我所學都用上了。”作為調查專家，他要結合間接證據和科學分析給陪審團和法庭提供一些不同的視角，他十分欣慰自己能學以致用。“我有時候想，如果因為我提供的專家證詞，讓一個殺人犯逃脫了制裁，我良心何安？或讓一個無罪之人進了監獄，我又將如何自處？但如果害怕承擔這份社會責任，這么多年學問也白做了。”他時刻謹記科研經費都是納稅人的血汗錢，知識成果都要回饋社會。

求學階段良好的師承和科研訓練，讓黃鑫炎受益終身，更讓他十分重視教書育人?！霸賯ゴ蟮难芯孔詈笠簿褪墙炭茣系囊恍凶?；作為老師，有教無類才是根本。我不希望學生變得跟我很像，每個人都有自己的個性特色，有了科學素養，做什么都有意義?！蹦壳?，他在港理工同時教授本科、碩士、博士的專業課和通識課，特別注重本科生通過科研項目來理解知識點。他指導的多名本科生，做畢業設計時發表SCI論文，獲得全額獎學金在劍橋大學、加州大學伯克利分校、賓夕法尼亞大學攻讀不同領域的博士。指導的博士生和博士后有的在澳洲任教，在“985”高校做博士生導師，也有的在全球頂尖名校進行博士后研究?！爱斘覈囵B的博士能去國外一流大學做老師，當全世界優秀的學生都想來中國留學，國家就真正強大了。”黃鑫炎深感這個目標的實現道阻且長。

黃鑫炎（左四）和學生參加香港工程師協會的頒獎晚宴

目前，黃鑫炎團隊有博士生、博士后和研究助理約20人，探索與火災相關的不同方向。“我帶團隊的風格，一般是讓所有人都有自己獨立的研究課題。有新想法時，幾個人可以自由組隊，隨時做全新的研究。團隊成員彼此獨立又相互支持，共同進步。”為了促進學生與學術圈的交流，他鼓勵學生創建了國際消防工程師協會的香港學生分會，是此協會的第一個亞洲學生分會。“學生每個月都會組織國內外的專家講座和學術沙龍，因為表現突出，已經連續兩年獲得優秀分會金獎了。我為他們驕傲。”

未來，黃鑫炎希望繼續帶領團隊深耕火災中的交叉科學和產學研合作。同時，聯合學界業界一起推廣新的消防理念和技術，推動中國制定的國際標準?！霸诨馂目茖W和消防工程領域，我們還與國外有較大的差距，很多人習慣性地跟隨國外，不敢創造。希望經過我們這一代人的努力，逐步改變這種局面，讓下一代人有更淡然的心，去引領世界的變革?！?/p>