數(shù)值模擬在我國火災研究中的應用

濮 凡 李 杰,2 李賢斌

（1.上海海事大學 海洋科學與工程學院，上海 201306；2.上海海事大學 安全科技趨勢研究中心，上海 201306）

0 引言

火災是指在時間或空間上失去控制的燃燒現(xiàn)象，一旦發(fā)生火災事故，往往會對人員生命以及財產(chǎn)造成巨大威脅。近年來，我國火災事故發(fā)生起數(shù)仍然突出，事故損失嚴重。據(jù)統(tǒng)計，2013～2016年，我國年均發(fā)生火災事故36萬起[1]。2018年，我國因火災事故死亡1407人，受傷798人，已統(tǒng)計直接財產(chǎn)損失達到36.75億元。2019年3月30日，四川省涼山州木里縣雅礱江鎮(zhèn)立爾村發(fā)生森林火災，截至4月2日木里縣山火的過火面積約達20公頃，至4月5日火場才基本被控制，在滅火過程中30名救火英雄犧牲。

火災發(fā)生和發(fā)展中的規(guī)律主要分為隨機性和確定性兩種。研究隨機規(guī)律的手段主要是以大量歷史火災統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，應用數(shù)理統(tǒng)計方法對火災的隨機性特點進行歸納總結；而研究火災中確定性規(guī)律則主要依靠理論分析和模擬研究兩種方法，其中模擬研究又分為實驗模擬和計算機數(shù)值模擬[2]?；馂臄?shù)值模擬以描述火災過程的數(shù)學模型為基礎，對火災的發(fā)生發(fā)展、煙氣的蔓延、溫度的上升等過程進行模擬。與實驗研究相比，計算機數(shù)值模擬方法具有成本低、速度快、效率高、可模擬理想條件等優(yōu)點，在火災科學領域得到了廣泛的應用。

隨著計算機技術的發(fā)展以及火災模擬軟件的不斷完善，數(shù)值模擬已經(jīng)被廣泛地應用于安全科學的研究當中。據(jù)李杰[3]等研究分析，數(shù)值模擬已經(jīng)成為安全科學與工程碩博學位論文中最為基礎和廣泛的研究方法之一，被大量的應用于火災和煤礦等安全工程領域。在以往的對火災數(shù)值模擬的關注中，大量學者就具體問題使用火災模擬的分析進行了大量實踐工作。例如，在我國火災的數(shù)值模擬研究中，張鎖春[4]在1992年首次通過計算機數(shù)值模擬方法研究了火災對城市建筑的燒毀情況；1994年，戚宜欣[5]使用編制的計算機程序TEMC，建立了描述礦井火災煙流流動的微分方程組及求解此方程組的差分方程組，對SIMPLE算法進行了改進, 提出了全斷面壓力校正方法。2000年，隨著FDS第一版發(fā)布，謝曉剛[6]于2003年首次對FDS中特殊建筑如弧形墻、傾斜墻及其墻上開口的邊界給出了合理的定義。此后隨著火災模擬軟件的不斷更新和完善，以及更多新的模擬軟件的產(chǎn)生，數(shù)值模擬方法被更多地應用到了火災模擬當中，2012年，方偉[7]對FDS在隧道中的建模方式進行了研究。2017年，劉志剛[8]利用Fluent軟件模擬了高層建筑單層消防排煙方式對火災發(fā)生時溫度以及煙氣分布的影響。

為進一步研究數(shù)值模擬方法在火災研究中的應用概況，本文將采用科學知識圖譜的方法對我國以火災數(shù)值模擬為主題的期刊文獻進行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

《中國學術期刊（網(wǎng)絡版）》是世界上最大的連續(xù)動態(tài)更新的中國學術期刊全文數(shù)據(jù)庫，以學術、技術、政策指導、高等科普及教育類期刊為主，內(nèi)容覆蓋自然科學、工程技術、農(nóng)業(yè)、哲學、醫(yī)學、人文社會科學等多個領域。收錄國內(nèi)學術期刊8千種，全文文獻總量5400萬篇。在其中以主題包含“數(shù)值模擬”和“火災”兩個關鍵詞進行檢索，時間設置為1992年至今，數(shù)據(jù)來源設置為期刊文獻，共得到1992年至今的火災數(shù)值模擬主題的期刊文獻1265篇。

本文將使用CiteSpace可視化分析軟件對取得的火災數(shù)值模擬文獻數(shù)據(jù)進行分析。CiteSpace是一款著眼于分析科學文獻中蘊含的潛在知識，并在科學計量學、數(shù)據(jù)和信息可視化背景下逐漸發(fā)展起來的一款多元、分時、動態(tài)的引文可視化分析軟件[9]，這種通過可視化手段來呈現(xiàn)科學知識結構、規(guī)律和分布情況的分析得到的可視化圖形也被稱為“科學知識圖譜”。近些年隨著可視化分析方法的普及，CiteSpace也在學者的綜述研究中得到了更廣泛的應用。李杰等曾將科學知識圖譜應用于研究安全疏散[10]、建筑火災研究現(xiàn)狀[11]等問題，并在2019年以中文社會科學引文索引（CSSCI）中收錄的653篇科學知識圖譜文獻作為研究樣本，通過CiteSpace等相關工具對社會科學領域知識圖譜的應用趨勢、高頻施引與被引期刊、作者、研究熱點的演化以及知識基礎進行分析。結果顯示，自知識圖譜方法被引入到我國以來，在社會科學領域的應用亦增長迅速[12]。

2 研究結果

2.1 產(chǎn)出趨勢分析

本文統(tǒng)計了CNKI數(shù)據(jù)庫中1992～2019年（2019年的數(shù)據(jù)截止到4月份）以火災數(shù)值模擬為主題的期刊文獻年度數(shù)量與累積數(shù)量，結果如圖1。由圖1可見，1992～2002年期間，以火災數(shù)值模擬為主題的文獻發(fā)表數(shù)量均不足10篇，結合我國計算機普及歷史[13]不難發(fā)現(xiàn)，在20世紀80年代，我國首次展開全國性的計算機普及，當時計算機學習的重點是高級計算機語言，20世紀90年代，隨著Office等軟件問世，我國第二次計算機普及的重點轉變?yōu)檗k公軟件的使用。因此2000年以前，火災數(shù)值模擬類文獻發(fā)表較少，內(nèi)容多以模型計算為主；而到21世紀，隨著計算機行業(yè)的不斷發(fā)展，以及以FDS為代表的數(shù)值模擬軟件開發(fā)成熟，火災數(shù)值模擬開始呈現(xiàn)高速發(fā)展趨勢。2003年開始，年度發(fā)表文獻數(shù)量逐年快速增長，2010年已突破80篇，并在2015年達到峰值124篇，此后雖然文獻發(fā)表數(shù)量有小幅度減少，但每年仍保持在100篇以上，表明數(shù)值模擬方法在經(jīng)過多年的高速發(fā)展之后，仍不斷被應用于新的火災問題研究當中。

圖1 1992～2019年火災數(shù)值模擬文獻數(shù)量與時間分布Fig.1 Number and time distribution of fire numerical simulation literature from 1992 to 2019

圖2 火災數(shù)值模擬研究機構合作網(wǎng)絡Fig.2 Institutions' cooperation network of fire numerical simulation research

2.2 機構合作網(wǎng)絡

為研究各火災研究機構對于數(shù)值模擬方法的應用，利用CiteSpace對1992～2019年的1265篇火災數(shù)值模擬文獻進行機構合作網(wǎng)絡分析，選擇網(wǎng)絡大小排名前10的子網(wǎng)絡重點分析，合作網(wǎng)絡，如圖2。由圖2可知，以中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室為核心的合作網(wǎng)絡最大，共發(fā)表文獻71篇，占到文獻數(shù)據(jù)總數(shù)的5.6%?；馂目茖W國家重點實驗室依托中國科學技術大學，利用世界銀行貸款和國內(nèi)配套投資興建的我國火災科學基礎研究領域唯一的國家級研究機構，擁有大空間建筑火災實驗廳和室外試驗場，以及建筑火災、森林火災、工業(yè)火災、火災化學、光電技術、計算機模擬與理論分析等6個研究室，代表了國內(nèi)火災研究的頂尖水平，其應用數(shù)值模擬所進行的火災研究也涵蓋了各個方向，研究對象包括高層建筑、隧道、地鐵、密閉空間、大空間等，憑借優(yōu)越的科研條件，在這71篇文獻中，有15篇還進行了實體實驗或縮小尺寸實驗與數(shù)值模擬結果相互驗證，其他未進行實驗的文獻多是以某實際火災為背景或以地鐵、建筑等作為研究對象?？梢姅?shù)值模擬可以應用于解決許多無法通過實驗研究的問題，然而在具備科研條件的情況下，進行火災數(shù)值模擬的同時進行實體實驗或縮小比例實驗則可提高數(shù)值模擬結果的說法力。網(wǎng)絡大小排名第二的是以中國礦業(yè)大學安全工程學院為核心的合作網(wǎng)絡，共發(fā)表文獻47篇，并與火災科學國家重點實驗室有一定數(shù)量的合作[14]，中國礦業(yè)大學安全工程學院關于火災數(shù)值模擬以應用性研究為主，如人員疏散、煙氣控制等問題，理論研究相對較少。其他排名靠前的合作網(wǎng)絡，見表1。

表1 1992～2019年國內(nèi)火災數(shù)值模擬文獻發(fā)表數(shù)量前10名機構Tab.1 The top 10 organizations published the most papers of domestic fire numerical simulations from 1992 to 2019(Institution)

圖3 火災數(shù)值模擬研究作者合作網(wǎng)絡Fig.3 Authors' collaboration network of fire numerical simulation

2.3 作者合作網(wǎng)絡

為進一步研究學者在火災研究過程中對于數(shù)值模擬方法的應用，利用CiteSpace對1992～2019年的1265篇火災數(shù)值模擬文獻進行作者合作網(wǎng)絡分析，選擇網(wǎng)絡大小排名前10的重點分析，網(wǎng)絡如圖3。在所有學者中，朱國慶發(fā)表火災數(shù)值模擬的文獻數(shù)量最多，達到22篇， 2007年朱國慶分別以大空間卷煙制絲車間[15]和含天井的高層建筑[16]為研究對象，使用FDS數(shù)值模擬方法研究了煙氣流動以及煙氣控制等問題，此后發(fā)表的文獻中對數(shù)值模擬的應用逐漸轉變?yōu)槭枭⒎较騕17]，并且使用了如Pathfinder，EVAC等軟件與FDS相結合；學者周汝發(fā)表火災數(shù)值模擬相關文獻也達到16篇，前期研究方向主要為煙氣擴散[18]以及煙氣控制[19]，近年研究方向轉為細水霧滅火[20]，細水幕[21]等前沿問題；其他發(fā)表文獻較多的作者中，李炎峰主要使用數(shù)值模擬方法研究地下結構火災煙氣[22]問題，徐志勝則主要以隧道為研究對象[23]，發(fā)表火災數(shù)值模擬文獻數(shù)量排名前十的學者，見表2。各位學者對數(shù)值模擬方法的應用對象各不相同，解決的問題包括應用性的如煙氣蔓延、火災疏散，以及理論性的如溫度場、臨界風速等?？梢钥闯觯瑪?shù)值模擬在火災研究中的應用之廣泛，且功能強大，適用于各種場景，各種問題。

表2 1992～2019年國內(nèi)火災數(shù)值模擬論文發(fā)表數(shù)量前10名學者Tab.2 Top 10 productive authors of fire numerical simulation in China from 1992 to 2019

圖4 火災數(shù)值模擬研究關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡Fig.4 Co-keyword network of fire numerical simulation research

2.4 關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡

詞頻分析方法就是在文獻信息中提取能夠表達文獻核心內(nèi)容的關鍵詞或主題詞頻次的高低分布，來研究該領域發(fā)展動向和研究熱點的方法[9]，而文獻中作者提煉出的關鍵詞是能夠反映文章內(nèi)容的，值得信賴的指標。利用CiteSpace對1265篇火災數(shù)值模擬期刊文獻進行關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡分析，Node Types選擇Keywords，選擇每個時間切片top100的關鍵詞，得到關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡，如圖4，圖中標簽越大，表明關鍵詞出現(xiàn)頻次越高。

一個領域作者給出的高頻關鍵詞反映了所關注領域的熱點研究。由圖4可見，“數(shù)值模擬”和“火災”作為本文研究文獻的檢索詞，詞頻排名前兩位。其他詞頻排名靠前的關鍵詞包括“隧道”、“FDS數(shù)值模擬”、“溫度場”、“煙氣流動”、“排煙”、“地鐵火災”、“建筑火災”、“人員疏散”等高頻詞則代表了研究的熱點。對排名靠前的關鍵詞進行分類，以研究對象來看，可以看出在火災研究過程中，數(shù)值模擬主要被用于隧道、地鐵、建筑等體量大，難以進行實體實驗的火災場景中，此類研究多采用縮小尺度模型實驗與數(shù)值模擬相結合的方式；以研究問題來看，數(shù)值模擬應用于溫度場、煙氣流動、煙氣控制、臨界風速、人員疏散等問題的研究，可以消除實體實驗中各類探測器的約束，獲得任意時刻任意位置的火災參數(shù)數(shù)據(jù)；以模擬軟件來看， FDS作為最具代表性、使用最廣泛的火災數(shù)值模擬軟件，出現(xiàn)在火災數(shù)值模擬的相關文獻關鍵詞中次數(shù)最多，此外CFD分析軟件以及Pathfinder也是常用的數(shù)值模擬軟件。

為進一步分析數(shù)值模擬在火災研究中應用的熱點方向，使用Kleinberg算法對關鍵詞進行突發(fā)性檢測[9]，這些具有突發(fā)性主題的時間特征分布反映了在特定時間的受關注程度或活躍度，呈現(xiàn)了相關研究的新興趨勢發(fā)展[11]。突發(fā)性關鍵詞的分析結果，如圖5。

圖5 火災數(shù)值模擬研究的關鍵詞突變Fig.5 Keywords burst of fire numerical simulation

由圖5可見，2010年以前，數(shù)值模擬方法并未完全成熟，如“場模型”、“大渦模擬”等數(shù)值模擬中原理性的關鍵詞經(jīng)常出現(xiàn)，1999～2008年，建筑火災是數(shù)值模擬方法應用的熱點，2006～2008年，數(shù)值模擬方法被應用于地鐵火災研究；而最近5年，數(shù)值模擬方法能夠很好地適應新興的研究方向，主要被應用于安全疏散、空氣幕等新的火災研究方向，研究切入點也從特定場景火災過程模擬轉向溫度分布、熱釋放速率、能見度等問題；這展現(xiàn)了火災數(shù)值模擬研究從宏觀向微觀轉變的過程，表明火災數(shù)值模擬方法正在不斷成熟。

3 結論

火災科學的研究對發(fā)生火災時減少人員傷亡與財產(chǎn)損失有重大意義，本文應用科學知識圖譜方法對CNKI《中國學術期刊（網(wǎng)絡版）》數(shù)據(jù)庫中1992年至今的1265篇火災數(shù)值模擬相關文獻的研究機構、作者和關鍵詞進行了可視化分析，得到結論如下：

（1）通過對文獻發(fā)表年份及數(shù)量的分析可以發(fā)現(xiàn)，2000年以前火災研究中數(shù)值模擬方法應用較少，之后隨著計算機的普及以及數(shù)值模擬方法的完善，2003年開始，年度發(fā)表文獻數(shù)量逐年快速增長，2015年達到峰值124篇，此后雖然文獻發(fā)表數(shù)量有小幅度減少，但每年仍保持在100篇以上，表明數(shù)值模擬方法在經(jīng)過多年的高速發(fā)展之后，仍不斷被應用于新的火災問題研究當中。

（2）使用數(shù)值模擬進行火災研究的機構中，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室發(fā)表相關文獻數(shù)量最多，達到71篇，在應用性研究和理論性研究中均有使用，并且與發(fā)文數(shù)量第二的中國礦業(yè)大學安全工程學院有一定合作，而后者則主要將數(shù)值模擬用于應用性研究。

（3）我國學者使用數(shù)值模擬方法進行的火災研究方向非常廣泛，以幾位發(fā)表文獻量排名較高的學者為例，如朱國慶，周汝等，將數(shù)值模擬方法應用于各自不同的研究方向，體現(xiàn)了火災研究中數(shù)值模擬方法的適用性廣的特點。

（4）對火災數(shù)值模擬文獻中的關鍵詞進行分析，發(fā)現(xiàn)火災數(shù)值模擬主要應用于大體量火災場景，用于取得實體實驗難以監(jiān)測的數(shù)據(jù)，使用最廣泛的火災數(shù)值模擬軟件為FDS。2010年以前，數(shù)值模擬方法主要被應用于基礎性的建筑火災、地鐵火災研究，近5年不斷發(fā)展成熟，被應用于安全疏散、空氣幕等新興火災研究方向以及溫度分布、熱釋放速率、能見度等微觀問題。