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2008年5月26日

（2）中国工程院院士 范维澄

清华大学 公共安全研究中心，北京 100084

中国科技大学 火灾科学国家重点实验室，合肥 230026

 

1 火灾科学的进展

1.1国家火灾安全的重大需求

火灾是危害我国人民和社会最持久、最剧烈的灾害之一，1950到1998年我国共发生森林火灾68万次，年均森林受害率5.99‰，是世界年均森林受害率的6倍，每年造成的直接经济损失达70～100亿元。我国火灾年平均损失（不含森林、草原火灾）近200亿元。近年来的火灾形势严峻，每年因火灾而死伤的人数都在几千人以上，直接经济损失都达十几亿元人民币，见图1。经济的发展使火灾现象越来越复杂和多样化：现代城市人口、建筑、生产、物资集中的特点使火灾发生更为集中；各种新型材料的使用使可燃物种类增多，燃烧形式和产物更加复杂，火灾有毒气体危害问题突出；各种新能源和电器产品的使用导致火灾起因更为复杂、多样和隐蔽；高层、复杂、超规建筑的增多使火灾扑救和人员疏散的条件恶化；火灾环境从地面发展到地下（地铁、地下商场），从陆地发展到水上（舰船、海上钻井）和天上（飞机、航天器），从固定环境（建筑物）发展到移动环境（交通工具）；绿地/林区融入城市，使森林火灾和城市火灾相互耦合，对公共安全的威胁从城市扩展到林区；煤田与矿井自燃火灾，以及伴随各种地下铁道、山体隧道、建筑通道等场所的地下工程火灾大量发生。火灾现象的频发、复杂和多样化对火灾安全科技发展提出了更高和更紧迫的要求。

图1 历年火灾情况（数据来源：国家统计局；不含森林草原火灾）

为了适应经济和社会发展的需要，火灾防治技术必须实现三个战略性转变：

(1) 现行的火灾防治技术→

        “清洁阻燃、智能探测、清洁高效灭火” 技术

(2) 常规的“处方式”设计→

     基于“火灾风险评估”和“火灾动力学”的性能化设计

(3) 传统的管理模式→

     基于“火灾动力学”的科学管理和应急预案模式

1.2国际火灾安全科技发展趋势

20世纪中叶以来，迅速崛起的燃烧理论、科学计算技术、非线性动力学理论、系统安全原理、宏观与小尺度动态测量技术、以及信息技术等，为火灾安全科学的迅速崛起创造了条件。1985年第一届国际火灾科学大会在美国华盛顿召开，是火灾安全科学开始全面兴起的标志，此后，包括中国在内的世界各国均大力发展火灾科研，各国的火灾安全科学研究基地不断扩大。经过近二十年的发展，火灾安全科技已经成为具有鲜明的交叉性和挑战性、创新余地巨大、充满生机活力的公共安全科技领域。

已逐步形成火灾安全科学理论体系，鉴别了基本的火灾现象，并在火灾的分过程研究方面取得了较大进展。但是，由于火灾过程的复杂性，迄今尚未建立起体现火灾中流动、传热传质、热解、相变与化学反应过程相互耦合作用的动力学模型，火灾风险评估和防火性能化设计方法还未建立起来，和火灾预防、抑制与扑救等直接相关的理论、方法学及应用技术等仍有待进一步发展。在新世纪，火灾安全科学研究呈现出如下发展趋势：

(1) 重视特殊火现象及火诱导现象的研究

将着重研究建筑物中的轰燃和回燃、高山峡谷中林火的蔓延、矿井火灾中通风网络风流紊乱等特殊火现象的行为和规律，建立能够体现火灾复杂性的非线性理论模型及数值方法。

(2) 重视动力学综合模型研究

构建体现火灾中流动、传热传质、热解、相变与化学反应过程相互耦合作用，以及火灾系统和外界环境相互作用的综合模型。

(3) 重视直接面向需求的应用研究

火灾基础研究将和可燃物管理技术、火灾预防技术、火灾监测与扑救技术、和性能化防火设计方法等更紧密地结合。

(4) 重视火灾与人、环境的相互作用

重视研究人在火灾环境中的心理、行为特征及疏散策略，以及火灾与材料、结构的相互耦合作用机制。

(5) 国际合作与交流将进一步加强

以高层建筑防火、大规模林火对策等为主导的国际合作局面正快速形成，火灾对人类威胁的“全球性”促使火灾研究正大踏步走向“国际化”。

宏观与微观相结合、一般现象研究与特殊现象研究相结合、定性与定量相结合、分过程模型与综合模型相结合，将是火灾安全科学研究的总体发展趋势。

1.3 我国火灾安全科技进展

火灾安全科技的发展涉及多部门、多领域和多学科合作。火灾安全科技的研究重在揭示火灾系统的复杂性和双重性规律，发展火灾安全工程理论及方法学，实现火灾防治关键技术的持续创新。

经过多年的发展，我国已拥有火灾科学国家重点实验室、公安部四个部属消防科研所等一批火灾安全科研机构，并在清华大学、中国矿业大学等多所高校开展各具特色的火灾研究，基本上形成了基础研究和应用性研究协调发展的良好局面。火灾“973”项目也于2001年开始实施。目前我国火灾安全科技研究主要围绕火灾安全性能化设计与规划、火灾安全综合评价、火灾防范与控制、重大火灾应急救援技术等方面展开，具体包括：

(1) 火灾动力学演化：可燃物表面及空间火灾的发生与蔓延；火灾烟气及其毒害物质的生成与传输。

(2) 火灾防治关键技术：综合性能优化的清洁高效阻燃；火灾早期的多信号感知与智能识别；物理化学复合作用下的清洁高效灭火。

(3) 火灾安全工程理论及方法学：基于火灾动力学与统计理论耦合的火灾风险评估方法学；火灾安全性能化设计方法学。

这些研究将为修订和制订火灾安全技术标准和设计规范提供科学数据和工具，为我国火灾防治工程开创“技术先进、设计安全合理、管理和应急预案科学化”的局面提供科技支撑。

众多科研工作者的努力使我国在火灾科学领域取得了令人瞩目的进展：

在火灾烟气研究中，针对烟气运动的数值模拟，我国学者解决了非线性雷诺应力涡粘性模式的可实现性问题，建立了显示雷诺应力模式一般形式的紧致表达式，建立了可压缩湍流的非线性雷诺应力涡粘性模式；提出了对强火源和强通风空间进行场模拟、对临近空间进行区域模拟、对远离火源的空间进行网络模拟的场区网复合模拟的思想和方案，被国内外学者认为是适合模拟复杂建筑中火灾烟气运动的一种很有前途的模型和方法；同时建立了体现浮力影响、碳黑的生成与输运、湍流及热辐射相互作用的综合理论模型，建立了适合于狭长空间烟气运动模拟的新型区域模型。

我国学者研制了多功能的林火蔓延实验台，并运用该实验台和燃烧风洞进行了大量实验，成功地对森林地表火进行了实验模拟研究，探讨了可燃物分布特性参数、地形条件和气象条件诸因素对地表火蔓延的影响，初步得到了低强度地表火蔓延随燃料的载量、空隙度、含水率变化的规律，发展了辐射、传导和对流三种热流输运方式作用下的地表火蔓延模型，并借助于因次分析方法建立了判断火蔓延能否持续进行的重要判据——极限含水率判据。

在火灾非线性动力学方面，我国学者已经开始了从理论和实验两个方面揭示火灾过程非线性规律的研究，提出了先研究分立的、具体的火灾现象的非线性特征，揭示其本质，进而探讨建立和发展非线性火灾动力学的思路。非线性问题并不是近期才出现的新问题，但将非线性科学的概念引入到火灾科学，在国际上还处在起步阶段。我国学者由基本方程出发，建立起火灾对流柱的动量和能量控制方程，并通过数值求解分析了燃烧区尺度、燃烧强度与对流柱结构之间的关系，以及风速对对流柱流场和温度场的影响；对地表火向树冠火转化的过程初步进行了燃烧风洞实验模拟和三维非定常数值模拟；已经自主研制成功了建筑火灾轰燃与回燃特殊火行为实验台，初步开展了以揭示空间火蔓延非线性机理为目标的探索性实验；与日本相关研究机构合作初步开展了火旋风的模拟实验研究；对矿井通风系统中经常发生的风机“喘振”、风网“激振”等失稳现象，利用非线性动力学分析方法初步建立了通风系统的数学模型，初步解释了简化的通风系统稳定性的变化及分岔过程。

我国学者在森林火灾的自组织临界性研究方面进行了很好的工作。研究了1950-1989年40年间中国森林火灾统计数据，发现中国的真实森林火灾具有自组织临界性；以经典森林火灾模型为基础，考虑了更多的森林火灾系统性质，对经典模型做了修正和发展。在更具一般性的森林火灾模型中，将树木的抗火性质引入到森林火灾模型中，模拟了不同森林尺度情况下经典森林火灾模型的自组织临界性，研究并发现了森林形态、火灾规模的分布随着森林尺度的变化情况。这方面的研究将为认识火灾系统的复杂性、预测较长时间尺度上的森林火灾发生概率打下理论基础。

在工业火灾方面，利用自行研制的扬沸火灾模拟实验台，通过不同尺度的模拟实验，再现了在油罐区危害极大的扬沸火灾现象。在筛选扬沸油品的基础上，研究了扬沸火行为、扬沸发生的临界条件以及扬沸形成时间、溢油波及范围和危害程度。同时，应用现代燃烧噪声技术分析了扬沸前兆噪声特性与火焰结构的内在关联，为弄清扬沸机理以及建立诊断、预报扬沸火灾发生的有效方法提供了可靠的物理基础。在大量模拟实验基础上，在国际上首次提出并建立了在大环境噪声条件下，扬沸前兆噪声的辨识方法。

在阻燃技术方面，我国科研人员用分子设计方法，研制成功新型清洁、高效阻燃材料。通过无机或有机化合物修饰粘土，在聚合物中形成纳米复合微结构，从而研制出新型、清洁、高效的阻燃聚合物/层状无机物纳米复合材料。这项技术成果已被列入国家高技术产业发展计划。

我国学者针对目前普遍存在的大空间建筑火灾误报、漏报和迟报等问题，提出了基于火灾早期影像特征的火灾图像多重识别模式，并首次实现了火灾的三维定位；针对火焰遮挡问题，建立了光截面感烟技术。

随着我国火灾安全科技的蓬勃发展，一些重要的科研成果已经在火灾的早期识别、智能检测、科学防治和救援等方面发挥了重要作用。

1.3.1森林扑火指挥决策支持系统

森林扑火指挥决策支持系统的研究成果对于帮助解决火灾防治中的重大关键问题具有重要作用。森林火灾包含的科学问题很多，例如，在森林火灾中，地下火常常表现为阴燃，它是一种高温下的无焰氧化现象，在一定的条件下会转化为地表火，而地表火又在一定的条件下会转变为蔓延速度极快、危害非常大的树冠火，从而发展为大的森林火灾。火旋风、对流柱和飞火是森林大火发展到一定阶段后出现的特殊火流现象。阴燃、地下火在什么样的条件之下会转化为地表火，地表火又怎么样转化为树冠火，发展成为大的森林火灾。大尺度的对流柱、垂直火旋风、水平火旋风和飞火等等特殊火现象，是在什么情况之下产生的？包括风在内的各种环境因素，又对火灾的蔓延会起什么样的作用？当我们研究清楚了阴燃向明火转化的机理，研究清楚了凝固相火蔓延中的复杂耦合相互作用，研究清楚了特殊火行为的非线性动力学机理，那么我们就获得了对所有这些复杂现象的深刻认识，从而有可能构建出对这些现象进行模拟的理论模型。在有了森林火灾动力学理论模型之后，当我们已知初始的火灾情形，譬如说，如果下午1点钟的火区位置是怎样的一个火区，那么森林扑火指挥部门就可以利用森林火灾动力学的理论模型，结合可燃物条件、气象条件和地形条件，来预测若干个小时之后火的蔓延速度和火的强度。再利用森林火灾卫星遥感辩识理论，合理地分析卫星遥感图像，从而随着火灾的进程来不断调整火灾模拟的初始值。这样，指挥决策部门就有能力对火灾的发展做出科学的预测，从而制订出合理有效的扑火指挥决策。也就是说，可以动态地确定在什么范围之内人员必须进行疏散，而在另外的区域，则必须调集什么样的扑火力量和采取什么样的扑火措施，才有可能阻挡住森林火灾的蔓延。

     

图2 典型森林火灾示意图               图3森林扑火指挥决策支持系统示意图

1.3.2大空间建筑火灾防治

在大空间建筑物内，由于难以进行防烟分隔，火灾烟气的控制存在很多困难。对于大空间建筑火灾特性的研究，揭示了烟气在大空间建筑内的流动规律和低温烟气容易沉降和弥散的特性；自主发展了大空间内烟气层厚度的增长模型；首次给出了室内外温度一致和室外温度比室内温度高两种情形下水平排烟口在有效排烟时的临界开启条件；确定了机械排烟过程中补风口的数目、分布和高度的设置原则。对于新型的大型建筑物的火灾防治提供了科学依据。

 

图4大空间建筑火灾特性与防治难点

1.3.3建立图象多重模式大空间火灾识别、定位与联动控制技术

火灾隐患的诊断和火灾早期发现定位是主动式防治技术的关键环节和前提。大空间建筑火灾初期所形成的烟气，难以达到屋顶，常规的烟气浓度或温度控制的探测器和水喷淋的设施将不可能在火灾早期启动。如何实现大空间建筑火灾早期报警可靠性与灵敏度的统一是火灾探测的一项世界性难题。对火灾过程与防治中的热物理问题所开展的研究，为关键技术创新和突破提供了科学依据，从传感手段、探（检）测识别模型两方面入手，较好地解决了这一难题，形成具有我国自主知识产权的优势技术。

l       研究早期火灾火焰的光、形和谱等物理特征，建立火灾图像的多重数学物理模式，建立了图像式识别早期火灾火焰的多重模式和智能算法，实现了利用多重判据进行火灾的智能识别，并根据立体视觉原理首次实现了火灾的三维定位，实现了着火点的定点扑救功能。

l       研究早期火灾的烟雾蔓延，建立了多光束、多目标、大面积红外光截面视频图像感烟技术，解决了大空间火灾图像探测中存在的遮挡问题和点式感烟技术难以避免的漏报及迟报问题。鉴定意见认为“光截面图像感烟技术应用于火灾探测系统属国际首创，其技术水平处于国际先进水平”。

l       模拟人类识别火灾的过程，综合上述两种模式，采用图象处理并行算法，在国内外首先实现了图像模式识别(多重)型火灾认定、定位、通讯、记录与联动控制。

l       分析火灾早期、极早期的热解和燃烧气体成分，发展基于火灾中的气体成分的光声火灾探测方法，作为现行火灾探测的优选替代方法之一。研究开发光声火灾气体探测装置，对光声腔和信号处理模式进行了新的设计，规避了小型化的障碍，并研究建立了特定条件下的火灾气体成分的光声信号分析模型。

上述研究已经成功实现了成果转化，迄今已成功应用在包括一些国家重要部门(如中央电视台、人民大会堂)在内的100多个项目。人民大会堂用户报告评价该成果“成功而且可靠地解决了大会堂高大空间的火灾监测报警，实现了防火防盗及监控三位一体的优化组合。”公安部消防局高度评价该研究成果为：“整体水平达到了国际先进水平，其中，一些关键技术属国际首创，项目的转化程度很高，实现了产业化，并在全国的广电、石化、烟草、邮电通信、军队系统和大型场馆等场所得到了广泛应用，具有很强的示范和扩散作用，对提高我国消防技术的整体水平和在国际市场的竞争能力，促进消防行业技术进步，起到了先导作用，已经取得了重大的社会效益”。

1.3.4火灾条件下人群疏散规律

火灾安全的重要目标之一是实现人员的安全疏散。为了尽可能准确地估计和缩短人员安全疏散时间，构建火灾环境中的人群疏散模型是重要且关键性的工作，主要解决如下科学问题：

l       我国典型场所火灾环境下人群疏散规律：建立典型场所（如中、高层建筑和人口密集的公共建筑）火灾环境下人群疏散模型，研究人员疏散中的个体效应与群体效应和火灾环境对人员疏散的影响，探索疏散中的阻塞现象, 综合人的心理行为特征和环境变化，解决目前人员疏散研究中的难点问题，揭示我国典型场所火灾环境下人群疏散规律。

l       疏导技术和疏导方式对疏散速率的影响：建立建筑物内人员疏散速率的动态数学模型，深入研究影响人员疏散速率的各类因素。基于人群控制和人群管理理论，开发出切实有效的诱导疏散技术，同时通过理论分析和实验方法，验证诱导疏散技术的功效。

已经开展的研究建立了人员疏散格子气模型和多粒子自驱动模型，能够成功模拟出十字出口疏散阻塞和人群自地面向阶梯的疏散，以及疏散时常见的趋众、失调、扎堆和欲速则不达等现象。提出了火灾现场人员疏散过程中的若干关键问题和解决技术：

(1) 人的心理行为特征：运动速度加快，失去协调，出现推搡；出现拥塞，人群挤压导致疏散速率降低；个体行为转向群体行为。

(2) 火灾产物对人的影响：心理与生理；疏散的速率与安全。

(3) 火灾发展对疏散的影响：火灾发展对人的行为的影响；防火系统对疏散的影响；火灾不同阶段的疏散策略。

1.3.5建筑火灾安全性能化设计

针对现行防火规范在现代综合大型建筑消防工程中的局限性，发展了火灾风险评估方法学，包括：分析火灾危险源的分布、着火特性、热释放速率及火灾发生概率；分析火灾动力学特性、建筑结构的火灾响应特性和人群疏散特性，对火灾安全技术系统的效能和适用性，以及人员能否安全疏散进行评估。

建筑火灾的安全准则，通俗地说，就是火灾一旦发生之后，火灾场所可以用来进行安全疏散的时间，必须大于人员实际安全疏散所需要的时间。通常用REST表示安全疏散时间，用ASET表示可用安全疏散时间。REST指的是从起火时刻起到人员疏散到安全区域所需的时间。紧急情况下的RSET包括火灾探测时间、预动作时间和人员疏散运动时间，其中预动作时间又包括认识时间和反应时间两部分。ASET指的是从起火时刻到火灾对人员安全构成危险极限状态的时间，主要取决建筑结构及其材料、火灾探测与报警系统、控火或灭火设备等方面，与火灾的蔓延以及烟气的流动密切相关。

为了提高火灾安全程度，我们当然希望尽可能地缩短人员安全疏散所需的时间，那么首先就要缩短探测报警的时间。研究火灾的早期特性，研究智能和可靠地感知和识别火灾信号，正是为了缩短这个时间。研究人在火灾环境当中的行为特征，以及火灾环境下人群的疏散规律，就可以正确估计火灾发生时人员疏散需要多少时间，并能采取更加有效的疏散措施，从而缩短人员安全疏散所需的时间。另一方面，我们希望提高火灾场所可用安全疏散的时间。为此，我们首先必须能够正确估计该场所到达危险状态或者承受极限的时间。研究火灾动力学规律，以及火灾中毒害物质的特性及其对人的影响，正是为了获得对这个时间的正确估计。在此基础上，我们研究清洁高效的阻燃和灭火，由此尽可能地抑制着火，减弱热和烟在火灾当中的释放，从而延长火灾场所可用安全疏散时间。总之，这些方面的研究会直接为火灾安全性能化设计乃至火灾安全管理提供理论支持。

 

图5 建筑火灾安全性能化设计示意图

 

1.3.6系统的性能化火灾风险评估方法

社会的不断发展对火灾风险评估的科学性要求越来越高。迄今，基于对火灾随机性规律的认识而建立的诸如分级风险分析等方法已经相当成熟，但其缺点是难以对火灾风险进行定量和动态的分析；另一方面，由于火灾过程的复杂性、火灾作为灾害事件的偶发性、以及现有信息资料和理论知识的不完备性，也无法单纯基于火灾的确定性规律来建立风险评估体系。风险评估本身既涉及火灾规律的确定性又涉及不确定性，而其不确定性既包含随机不确定性又包含模糊不确定性。目前，火灾风险评估中可以实现简化模型和一般统计理论的结合，而基于火灾动力学与小样本统计理论耦合的火灾风险评估方法则是未来的发展方向。

(1) 小样本火灾事件的统计理论

建立无限（或有限）火灾事件记录的统计分析理论和火灾记录数据的统计分析方法，研究火灾损失额的概率规律；建立基于小样本统计理论的火灾现象实验设计方法以及系统可靠性理论的火灾风险评估方法。

(2) 基于火灾动力学和小样本统计理论耦合的风险评估方法

基于火灾双重性规律的思想，运用火灾动力学理论包括火灾发生和火蔓延模型、烟气传播模型，结合小样本统计理论和小样本火灾实验方法，建立以典型建筑（如大型综合大厦）为代表的火灾环境下的风险评估方法。

已经开展的研究针对现行防火规范在现代综合大型建筑消防工程中的局限性，发展了火灾风险评估方法学，包括：分析火灾危险源的分布、着火特性、热释放速率及火灾发生概率；分析火灾动力学特性、建筑结构的火灾响应特性和人群疏散特性，对火灾安全技术系统的效能和适用性，以及人员能否安全疏散进行评估。

l       分析火灾危险源的分布、着火概率、特性及释热速率；

l       分析火灾动力学特性和建筑结构的火灾响应特性，对火灾达到危险状态的时间进行评估；

l       分析人群疏散特性，计算出人员疏散完毕时间，并结合到达危险状态时间对人员能否安全疏散进行评估；

l       分析火灾场景和建筑结构的动态温度场，对实施阻燃技术的必要性、范围、方式进行评估；

l       分析不同火灾探测报警方法，对不同火灾探测技术的适用性进行评估；

l       分析不同灭火系统的效能，对其延长达到火灾危险状态时间、降低火灾损失、保护环境的作用进行评估。

2 城市公共安全管理的科技支撑体系

据预测，我国的城镇化水平将以每年一个百分点的水平递增，至2020年，将有3亿农村人口向城市转移。一个优秀的物质实体的城市，基本上必须要有3个体系来支持和保证：物质技术基础，是重要的支撑条件；防灾减灾体系，是重要的安全保障；科学管理体系，是重要的运营手段。安全将是现代化城市的第一要素。

2.1城市高速发展带来安全隐患

城镇化是世界进入工业化时期以来的全球现象。工业化必然伴随着城市化，在城市化进程和城市群的逐渐延伸过程中，将有可能导致环境容量过载；经济成分、经营方式将多元化，私营、个体企业将大量涌现，导致或诱发各种事件、事故和灾害的因素增多；同时，城市复杂的生活保障系统使各组成部分之间的相互依赖性越来越强，一旦遭遇重大公共安全问题，就会发生链锁效应，造成社会动荡和巨大的经济损失。城市规模扩大带来人口集中、经济集中、财富集中，建筑物密集、建筑类型、功能复杂等情况，对安全造成更大的威胁。

随着经济和社会的高速发展，我国城市发展已进入快速增长时期，而我国城市公共安全保障基础薄弱，与经济高速发展的矛盾越来越突出。城市公共安全遭受灾害和重大突发性事件的威胁也越来越严重。灾害和重大突发性事件严重影响我国经济可持续发展和社会的稳定。例如，“九五”期间，我国每年发生一次死亡3人以上的重大事故500余起，尤其是特大恶性事故不断增加， 2000年全国共发生一次死亡10人以上的特大伤亡事故122起，死亡2739人，各类安全生产事故共死亡117906人，其中城市公共安全事故死亡率约占2.59%，工业企业安全事故死亡率约占9.95%，各类事故造成的直接和间接经济损失近千亿元。“十五”头两年，全国共发生各类安全事故200余万起，死亡人数近27万。伴随着功能复杂的大型公共建筑和娱乐场所的出现，城市火灾很容易造成群死群伤及巨大的财产损失，一次火灾死亡几十人至上百人的特大伤亡事故屡见不鲜。2000年洛阳东都商厦火灾死亡达309人，单次火灾死亡数世界罕见。2001年我国共发生各类城市火灾21万起，死亡2314人，伤3752人。恐怖活动和邪教活动常常利用城市公共安全的软肋开展破坏，美国911事件、日本沙林毒气事件等有组织的恐怖袭击事件也给我们的城市公共安全工作敲响了警钟，而威胁我国城市公共安全的潜在危险性仍十分普遍，据1997年对北京、上海、天津等六城市重大危险源普查结果，在上述城市中有可能发生特大火灾、爆炸泄漏事故的重大危险源10230个。2003年下半年以来，发生过化工厂失火、有毒气体泄漏及爆炸事故的大中城市，有南京、沈阳、杭州、武汉、长沙、宁波、郑州、长春、东莞、锦州、常州、襄樊、湘潭、铜陵、张家口，以及上海的嘉定和北京的大兴等。仅2004年4月国务院安委会通报的涉及危险化学品泄漏的城市安全事故就有7起。另外，我国城市布局的特点是工业区与居民区相混，一旦发生重特大事故，容易造成群死群伤和巨大的财产损失，严重影响城市经济的发展和社会的稳定。

城市公共安全事故已引起国际社会的极大关注。恶性伤亡事故成为世界人权大会和其它一些国际组织攻击中国“忽视人权”的借口之一。一些外国公司企业在与中国进行经济贸易交往中，已开始把安全状况作为投资和进口的“优先条件”。因此，中国的城市公共安全面临着国际挑战，城市安全已经成为影响我国对外经济贸易活动的重要一环。

2.2 城市公共安全科技现状和需求

目前，能源、资源、环境和安全4个问题被公认为人类可持续发展中的四大支柱，也是当代世界面临的四大难题。随着城市化速度的加快以及人类可持续发展的迫切需求，一种新的城市大安全思想正逐步形成，它不仅涉及到上述可持续发展中的环境和安全2个支柱，而且与现行的劳动保护、消防、健康、环境、灾害以及一些公共安全等领域密不可分。随着社会的发展以及人们对事故、灾害特性和发生规律认识的不断加深，安全科学、灾害学及环境科学等学科交叉、协同发展已成必然的趋势。发展城市公共安全科技支撑体系刻不容缓。

发达国家十分重视对城市公共安全事故应急救援技术法规和组织体系建设。美国1986年颁布了《应急计划和社区有权知道法》，并成立了联邦政府应急计划委员会和地方（各州）应急计划办公室。欧盟1982年颁布了《重大工业事故危险指令》，要求各成员国对城市及工业区内的重大危险源进行登记、评价，建立厂内和厂外应急预案并采取有效的监控措施。美国1987年出版了《危险材料应急反应指南》；国际经济合作与发展组织1992年出版了《化学事故预防与应急反应指导原则》；国际劳工组织1988年出版了《重大危险源控制手册》，1993年通过了《预防重大工业事故公约》。日本东京早在1990年10月就成立了“害救急情报中心”，具备接警、查询、通报、预案、响应、救援、通讯、监督、急救等统一指挥调度功能，建立了灾害的分级响应制度，制订了详细的响应计划。近年来，印度、韩国、泰国等一些发展中国家也大力加强重大事故应急救援系统的研究和开发工作，已逐渐接近发达国家水平。

发达国家在城市公共安全规划方面的一个主要发展方向是采用动态、定量分析方法，并与计算机模拟和仿真技术相结合，建立系统的、综合的、科学的安全规划模式和评价体系。随着安全科学的发展和计算机等技术手段的进步，城市火灾、爆炸、毒物泄漏重大事故风险分析与评估技术的研究，特别是基于地理信息系统GIS和基础数据库的信息分析与数字化技术的发展，将为城市总体规划尤其是城市安全规划与建设提供先进的科学技术手段，提高城市整体防范和抗御重大恶性灾难事故的能力。

发达国家在城市公共安全应急处理机制上，充分运用先进的科学理论与方法、信息管理手段和工程技术，确保及时发现事故隐患、控制事故扩展和蔓延并及时救援，从而使财产和人员伤亡减少到最低程度。例如，国外针对大型复杂建筑的防火设计问题开展火灾风险评估和性能化设计方法与技术的研究，取得了较大进展。国外研究成果和成功经验表明，建筑物性能化设计方法和技术的研究，是解决大型复杂建筑防火设计难题的发展方向和有效技术途径。我国在此领域尚处于起步阶段，火灾科学国家重点实验室在全国率先开展性能化设计的研究，开发出以火灾动力学、人群疏散速率和现有火灾防治技术为基础，以计算机为平台，具有实用价值的火灾风险评估和性能化设计定量分析及计算工具。完成的“济南遥墙国际机场新航站楼火灾风险评估研究” 为推动我国消防性能化设计起到了先导和示范作用。我国在“八五”和“九五”期间分别对高层建筑、地下建筑、大空间建筑的火灾预防与控制技术进行了研究，其研究重点主要是火灾自动报警系统、自动灭火系统、防排烟系统及灭火救援特种装备等单项技术和设备，但是对于这些技术和设备在现代化大型复杂建筑中的集成、优化和综合应用，尚未建立与之相适应的科学合理的防火设计方法。

灭火救援是城市火灾与化学灾害事故预防与控制的重要保障。国外消防与救援部门在开展先进技术装备研究与开发的同时，十分注重灭火救援方法与技术的研究，形成了较为完善的应急救援机制和战术技术方法。我国灭火救援装备的技术水平在过去的十几年里有了很大的提高。各类常规消防车和举高、泡沫、干粉、照明、指挥、抢险救援等特种消防车的开发和生产水平与世界发达国家的差距正在缩小，品种规格逐步形成了系列。但是，我国消防部队灭火救援能力和整体技术水平尚不能满足实际工作的需要，特别是在重特大火灾与化学灾害事故灭火救援的机制、组织指挥体系、接警出动力量调派和战斗编成的智能化以及现场指挥辅助决策方面，急需开展有关理论、方法和技术的研究。

我国党和政府对城市公共安全问题高度重视，江总书记对安全生产先后做出三次重要批示，国务院多次主持召开办公会议专门研究安全生产问题。我国在社会公共安全综合防控体系的法律法规建设方面也取得了很大进步。例如，我国已经出台了“安全生产法”；预防地震灾害的“地震法”、“地质灾害法”；预防火灾的“消防法”；预防社会治安事故的“刑法”和“治安处罚条例”等。面对突如其来的SARS威胁，国务院于2003年5月9日紧急出台了“社会公共卫生事件应急处理条例”。

与国外发达国家相比，我国在城市公共安全体系的建设方面仍明显落后，对城市安全缺乏系统和综合性的规划；在规划工作和有关法规中，尚未引入基于危险源辨识和风险评估的概念；基础数据库、基础数据的积累与分析、评估模型和工具的研究与开发等工作，基本尚属空白。尤其是城市公共安全应急管理体系等国家必备的基础建设方面尚存在着较大的差距，缺乏综合性和系统性研究。

因此，必须高度重视我国城市公共安全体系存在的严重问题。加强安全科技研究非常必要，只有解决了城市公共安全中的关键科学与技术问题，才能确保安全状况的全面好转，保持经济的平稳发展和社会的稳定。城市公共安全科技是跨领域、跨学科的综合性科技领域，十分必要通过国家组织的重大科技项目，集中各方面的力量，共同协作解决好城市公共安全中综合性、全局性的重大关键科学与技术问题，力争在城市公共安全风险评价、城市公共安全规划、城市火灾与化学灾害事故的防范与控制、城市埋地燃气管道与工业特殊设备安全保障、城市工业灾害预测预防等方面取得突破性进展，从而使我国城市公共安全管理步入科学化、规范化的轨道，并与国际接轨。通过项目成果的实施可以全面提高我国城市公共安全的科学技术水平，有效减少事故隐患，预防和控制重特大事故发生，遏制群死群伤和重大经济损失，缓解我国城市公共安全的严峻局面，对加强国家安全科技基础建设和保障国家经济与社会的可持续发展具有重要战略性意义。

2.3城市公共安全管理的科技支撑

城市的特点决定了其公共安全管理更依赖于强有力的科技支撑。一些典型的城市结构如人员聚集的公共场所、大型体育场馆等地方一旦发生公共安全事故，往往带来群死群伤和重大经济损失的惨重后果，甚至引发一系列的连锁反应。如何全方位、全过程地监测和分析危害要素的动向，有效调度和科学利用安全减灾资源，最大限度地预防灾害事故的发生，以最快的反应、最小的代价减轻人民生命财产的损失，防止社会动荡，提高城市公共安全管理水平，是科技支撑体系在城市公共安全管理中的重要作用。

近年来我国城市公共安全的科学技术水平已有了显著提高，在一些城市安全管理的关键性问题上取得了重要进展。

2.3.1人员密集的公共场所

在这些场所中，最大的特点就是人员多、人员密集、且人员流动性大，一旦发生紧急情况，就可能造成大量人员伤亡。国际上，WTC/911时间造成超过3000人死亡；加纳的阿克拉足球场发生骚乱，造成100多人死亡、50多人受伤。而在我国，近年来发生了多起造成群死群伤严重后果的公共场所火灾，如：93年2月14日河北唐山林西百货大楼火灾死亡81人，94年12月8日克拉玛依友谊馆火灾死亡323人，94年2月27日阜新艺苑歌舞厅火灾死亡233人，2000年12月25日洛阳市东都特大火灾，死亡309人，2004年2月15日吉林中百商厦特大火灾死亡54人。如何有效预防和减少事故中的人员伤亡，尤其是防止群死群伤事件发生，已成为当前国内外公共安全工作的重中之重。以上这些重大人员伤亡案例都与人员疏散密切相关。为了充分保证人员的安全，人员疏散策略必须综合考虑紧急状况下外界环境因素和人员自身的心理变化，以获得最佳的疏散效率。

为了保护人员的生命财产安全，国内外安全技术学术界对于人员安全疏散的研究不断增加。英国SERT中心的Sime等人在研究了阻塞状态下人员心理学的基础上，提出了ORSET模型的概念，即把心理学、建筑学、管理学以及设施的分布统一起来，从而计算最小疏散时间，指导紧急情况下人员的及时疏散；美国方面以NIST为代表围绕人员疏散安全展开了研究，包括最短疏散时间的计算、最优化疏散模型的建立、火灾中人员的决策以及对环境的反应、发展用于评估火灾对人影响的方法等，其中有不少文献较详细地讨论了火灾期间人员的心理反应；日本方面较注重把火灾中人员行为统计、人员疏散安全评估方法、火灾危险性评估和性能化设计结合起来进行研究；匈牙利交通流专家Helbing把人员的心理反应作为人与人之间的一种作用力应用到人员疏散模型中，取得了重大的进展，成功地再现了群体效应、快即慢效应等典型的人员疏散特征。

在出现例如火灾等紧急情况时，建筑物中的人员都希望尽可能早地离开危险区，疏散到安全区，从而保证人员的安全疏散。而实际上，由于环境和建筑结构的复杂性，在开始阶段，人员往往不能迅速地察觉危险前兆并作出反应，只有当危险形势扩大到一定程度时人员才能发现并开始疏散，但危险情况中的人员总是不能理智地选择最佳疏散路径加以疏散，从而使人员生命和财产遭受重大损失。围绕紧急情况下人员的心理和行为特点，人员对于疏散路线的选择等问题进行疏散研究，从而得到行之有效的安全疏散应急预案，配备切实可行的安全疏散指挥和管理方法是相当必要的。

这里我们以济南遥墙机场航站楼为例，说明科学技术对公共安全管理的支撑。

遥墙机场的航站楼长465米、宽在105-40米间变化。航站楼中各层的主要功能区如表1所示，对高危险区、人员密集区和工作区的人员疏散方案需要区别对待。

表1 航站楼分区划分简表

 

一般来说，疏散危险性是随着人员密集程度和疏散距离的增加而增大的。疏散距离指的是危险情况下人员所在的位置到安全地点间的距离。对于主要为工作区的功能建筑，人员密度低，疏散危险性较小。而对于人员密度高，空间庞大的功能建筑的最远疏散距离一般远大于常规，疏散危险性相对较大。我国的民用建筑设计规范对于疏散距离有明确规定。但随着经济和社会的发展，一些超常规的建筑不断涌现，完全照搬旧规范已经不能满足要求。例如，航站楼中有高楼底、大空间的安全设计，旅客能有机会较早看见警报信号，火灾情况下烟气亦需要很长时间才能影响离火区稍远的旅客，令他们有充分时间疏散到安全地点，所以航站楼内的疏散距离要求可以适当放宽。

值得注意的是登机口是否作为疏散口的考虑，如把登机口作为疏散口的话，国际候机厅的最远疏散距离约85m，如登机口不作为疏散口，国际候机厅的最远疏散距离高达205m，这就大大增加了疏散的危险性。

通过科学分析和数值模拟研究表明，航站楼二层具有很强的蓄烟能力，一般情况下都能保证紧急情况下人员的正常疏散。对于国内候机厅，在登机口不作为疏散口的情况下，疏散时间达到11分钟，如果考虑保险系数以及报警时间和人员反应时间，最终的人员疏散时间将为接近20分钟。这么长的人员疏散时间将导致疏散时人群的恐慌，从而进一步将延长人员疏散的时间。因此，将登机口设为疏散口是非常必要的。航站楼一层的蓄烟能力同样较强，疏散时间最长为送客厅和行李提取厅，模拟结果表明保证送客大厅各出口的顺利畅通，可以保证人员的正常疏散。航站楼夹层蓄烟能力较差，紧急情况下人员不易迅速疏散。考虑到夹层只是到港旅客的暂时通道，对该区域应加强管理，避免人员过多停留，以保证紧急情况下人员的正常疏散。对于只设有一个对外出口的功能区，例比如夹层国际通道，应该增设一个对外出口，一层和二层大厅不应使用旋转门。

上述研究成果对遥墙机场的安全管理提出了针对性的方案和建议，真正实现了安全管理由被动应付型向主动保障型的转变。

2.3.2 大型体育场馆

随着时代的发展，各种体育场馆的规模不断增大，建筑形式脱离传统的简单建筑而日趋复杂，容纳上万人乃至十几万人的场馆日益增多。这些场馆中一旦发生火灾等安全事故其后果不堪设想。以火灾情况为例，在体育场馆这样的大空间建筑结构中，一旦发生火灾，火势发展快，火灾烟气蔓延也快。一般说来，火灾中对人员生命安全构成真正威胁的是烟气，统计结果表明，火灾中85%以上的死亡是由于吸入了烟尘及有毒气体昏迷后而致死。2000年圣诞之夜河南省洛阳市东都商厦发生的特大火灾，起火点在地下，火没有蔓延到楼上，烟气却从地下蔓延至商厦4层，最终导致309人死亡的惨剧发生。研究表明，火灾烟气的蔓延是有其特定规律的，如果我们能够掌握这些规律从而提出科学合理的建筑物火灾安全设计，控制烟气以延缓其下降到人体的高度，就能增加火灾情况下提供给人员安全疏散的时间，最大程度地减少伤亡。

我们以对清华大学综合体育馆火灾安全的研究为例说明。研究表明，在浮力的作用下，火灾烟气将首先竖直上升到达天花板，然后沿着天花板向四周蔓延，到达侧壁后会沿侧壁沉降，并逐渐填充到整个建筑物的空间内。当烟气层沉降到人员的高度时，就会对场内人员形成严重威胁。烟气层的沉降速度和建筑物的结构以及通风系统密切相关。对于体育场馆这样的大空间建筑物而言，天花板和观众席之间有较大的空间，这给人员的安全疏散留出了较大的余地。但这些场馆内人员密度通常较大，加上紧急情况下人员紧张慌乱造成的疏散困难，都使安全疏散所需时间大大增加。因此，如何科学设计建筑物的通风系统，使烟气层沉降速度降低，提供尽量长的安全时间供人员疏散是极为重要的。在火灾情况下，建筑物的门窗是重要的通风条件，研究表明，这些新鲜空气对于烟气层沉降速度的影响和门窗的位置有密切关系。由位于地面层的门窗进入的新鲜空气能够有效抑制烟气层沉降，而位于高于火源位置的门窗（例如二层）所进入的新鲜空气不但不能抑制反而会加速烟气沉降。对于大多数体育场馆而言，后者正是常见的情况。由于空间高度高，观众席的入口一般设在二层的位置，门窗常开，而一层则多为休息室或储藏室，人员进出较少，门窗常闭。因此，应该增设必要的安全管理制度，保证地面层的门窗在火灾情况下能够顺利正常开启。

 

图6 清华大学综合体育馆全景图             图7 体育馆火灾时烟气沉降情况

 

2.4城市公共安全管理的科技支撑体系

城市公共安全是一个错综复杂的系统工程，涉及到法规建设、机构组织、基础设施、风险评估、监测预报、应急救援等许多方面。从1995年日本沙林事件到刚进入21世纪的911事件以及近期的韩国大邱地铁纵火案，都在强烈地警示人们：必须建立完善的城市公共安全保障和综合应急救援体系，而这一体系的建立离不开科技支撑体系。进行多部门、多领域、跨学科合作，开展共性、关键性重大安全科技攻关研究，加强先进、实用技术的推广应用和城市公共安全科技示范工程的建设，是全面提高我国的城市公共安全水平的重要科技支撑。

根据城市公共安全科技需求和发展目标，城市公共安全科技体系的研究包括：

(1) 城市灾害事故的成灾过程和机理研究（单个及其耦合）

各种城市灾害事故本身均包含孕育、发生和发展乃至突变成灾的自然过程，须针对每个发展环节开展灾害规律和机理研究，建立描述灾害过程的动力学模型，为预测灾害行为并发展灾害抑制技术提供理论基础。

(2) 城市公共安全关键技术研究

基于城市公共安全地理信息系统和基础数据库，研究城市重大危险源的辨识与管理技术，城市安全规划的可视化预测预报技术，城市重大事故应急救援体系优化配置技术，和灾害事故应急救援技术。

(3) 城市公共安全规划与应急预案编制研究

基于统计理论和随机过程的城市风险评价标准、指标及量化方法；城市安全规划程序、方法与技术；城市突发重大事故应急预案编制技术。为政府部门建立城市安全规划和重大事故应急预案体系提供科学依据。

城市公共安全各子系统相互耦合，一个子系统的失效对多个子系统乃至整个城市安全体系都会造成严重的影响。因此必须强调在解决城市公共安全各领域关键科技问题的同时，注重研究城市公共安全的共性科技问题，引入多判据的广义时间线概念和方法把各个子系统的研究关联起来，并引入系统决策、统计学分析、非线性动力学理论、地理信息系统技术、遥感技术、数据和通信技术等手段来分析解决问题。具体包括：

(1) 危险源事故监测与远程数据采集

(2) 灾害事故模拟预测与人员疏散模拟

(3) 突发公共事件应急预案

(4) 突发公共事件应急决策系统技术平台

(5) 公共安全预防、应急救援装备和个人防护用品

 

  

图7 城市公共安全体系                   图8 城市安全紧急救援指挥系统

3. 建设公共安全管理的国家级科技研发基地

公共安全水平的提高和公共安全保障体系的建立，必须以公共安全科技为理论基础和技术支撑。基于强大的公共安全科技创新能力而构建的适合我国国情、较为完善、且与经济发展相适应的公共安全环境将是小康社会的重要体现。制订中的国家中长期科技发展规划首次对公共安全科技问题进行了战略研究，并把公共安全列为我国未来科技发展的重点领域。我国迄今尚没有综合性的公共安全国家级研究机构。建设一个综合性的公共安全国家级科技研发基地，直接面向国家公共安全重大需求和科技前沿，致力于建设现代化、综合性的公共灾害实验研究平台，努力实现公共安全领域大跨度、多学科交叉融合，实现公共安全科技持续性原始创新，是急待解决的重要任务。

3.1 建立国家级科技研发基地是发展公共安全科技的战略途径

与从国家层面大力开展公共安全科技研究的重大需求相对照，我国当前公共安全科技的组织形式严重滞后。从局部意义上讲，我国公共安全所涉及的各个领域科技自改革开放以来均得到了相应的发展，具备了一定的规模和实力，在各个领域发挥了重要的作用。但各相关领域研究处于条块分割状态，从整体意义上讲，我国的公共安全科技问题研究尚刚刚起步，缺乏整体层面上系统的公共安全科技研究，尚未形成公共安全理论和技术框架，无法建立完善的国家公共安全体系，远远不能满足国家对公共安全科技的重大需求。必须从国家层面上集中优势力量，重点攻关，才能取得创新突破。建立国家级公共安全研发基地正是通过国家级科技创新平台建设实现公共安全科技取得快速突破的有效战略途径。具体来说，公共安全科技活动以国家级研发基地作为组织形式有如下优势：

(1) 有利于打破传统的条块分割界限，研究公共安全相关领域共性问题，构建系统的公共安全科学基础理论体系，并从国家层面研发关键性公共安全技术

公共安全是一个多学科、大跨度的领域，国家级研发基地的组织形式有助于团结各学科力量紧密协作，共同研究公共安全事故、灾害或事件孕育、发生、发展、演化机理等方面的共性问题，构建系统的公共安全科学基础理论体系，同时可有针对性地开发各个相关领域的预测、预防、应急和预警关键技术及其集成，从国家层面上建立公共安全技术体系。

(2) 有利于促进国家公共安全综合性研究平台的建设

公共安全保障技术的特点是多部门、多学科、多种技术力量的协调合作。国家实验室的建设有利于整合现有的优势资源，充分发挥多学科交叉和人才等多方面的优势，促进公共安全综合性研究平台的建设，显著提高公共安全领域大跨度、多学科交叉融合的研究水平。

3.2建立国家级公共安全科技研发基地的重要作用

国家级的公共安全科技研发基地应面向国家公共安全重大需求，瞄准世界公共安全科技前沿，理工文管多学科交叉融合，研究公共灾害防治科学理论、方法学、防控与应急管理及其综合集成等关键技术；建设公共安全综合开放式研究平台，构建公共安全科学理论体系、技术创新体系和学科体系，形成公共安全技术的持续创新能力。成为具有国际一流水平的公共安全科学研究和人才培养基地、国家公共安全的战略思想库、公共安全高新技术产业的重要源头；为国家公共安全不断做出基础性、战略性和前瞻性的创新贡献。

建设国家级的公共安全科技研发基地将能够显著提高国家抗御和应对重大突发公共事件的能力，实现公共安全从被动应付型向主动保障型的战略转变；显著提高国家预防和应对突发公共事件的科技支撑能力，实现公共安全科技从传统经验型向现代高科技型转变；为国家应急预案体系和紧急状态法的实施提供先进的科学技术支持，为实现“以人为本”和经济社会全面、协调、可持续发展提供可靠的公共安全技术保障。

4 结束语

公共安全是充分体现以人为本和执政为民的社会公益性事业，城市安全是公共安全的重点和热点。公共安全管理的科学化和法制化需要强大的公共安全科学技术。公共安全科技是实现公共安全保障、预警与应急的主要支撑, 也是公共安全产业的源头，有丰富的科技内涵和长期生命力。

 

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