基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈分析及應(yīng)急管理決策研究*

吳書強(qiáng),邵必林,邊根慶,張志霞

(1.西安建筑科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710055；2.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710021；3.西安建筑科技大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

近年來高?；馂?zāi)事故頻頻發(fā)生，這對(duì)保障廣大師生生命財(cái)產(chǎn)安全和維護(hù)學(xué)校正常教學(xué)秩序帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。加強(qiáng)高?；馂?zāi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究，對(duì)防范化解高?；馂?zāi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)、保障廣大師生生命安全、維護(hù)高校安全穩(wěn)定具有重大意義。目前，學(xué)者對(duì)高?；馂?zāi)災(zāi)害研究多集中在高?；馂?zāi)應(yīng)急疏散[1-3]、高?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[4-5]、高校消防安全管理[6-7]等方面，其研究方法主要有風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]、安全檢查表[9]、事故樹[10]等，研究對(duì)象主要包括高校宿舍火災(zāi)[11-15]、實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)[16-18]、圖書館火災(zāi)[19]、其他建筑火災(zāi)[20-21]等。在現(xiàn)有的高?；馂?zāi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及應(yīng)急管理研究中，很少有學(xué)者基于災(zāi)害鏈視角，系統(tǒng)分析高校火災(zāi)導(dǎo)致的一系列次生、衍生災(zāi)害事件的整體風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合實(shí)際需要，基于災(zāi)害鏈演化機(jī)理[22]和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，對(duì)高?；馂?zāi)災(zāi)害事件開展定量研究，計(jì)算出高校火災(zāi)災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲忻織l鏈的風(fēng)險(xiǎn)值，并按大小進(jìn)行排序，篩選出災(zāi)害鏈中風(fēng)險(xiǎn)較大的事件節(jié)點(diǎn)，并以南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃事件為例開展實(shí)例仿真，驗(yàn)證模型的有效性。結(jié)果表明，對(duì)高校火災(zāi)災(zāi)害鏈中的關(guān)鍵事件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和介入，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)值較高的邊及時(shí)采取斷鏈措施，能夠有效減少高?；馂?zāi)災(zāi)害事件造成的損失及不利影響。

1 高?；馂?zāi)災(zāi)害演化分析

1.1 高?；馂?zāi)災(zāi)害事件組成及獲取

對(duì)已有高?；馂?zāi)災(zāi)害事件相關(guān)資料進(jìn)行分析、查閱，在梳理的132起國內(nèi)外高?；馂?zāi)災(zāi)害事件的基礎(chǔ)上，結(jié)合專家建議和案例的普適性，精簡(jiǎn)整理出102起國內(nèi)外高校火災(zāi)災(zāi)害事件(表1)。通過專家評(píng)價(jià)和文獻(xiàn)梳理得到高?；馂?zāi)一系列次生衍生災(zāi)害事件，建立高?；馂?zāi)災(zāi)害事件集。具體實(shí)施流程如下。

表1 國內(nèi)外高?；馂?zāi)案例匯總

(1)系統(tǒng)整理火災(zāi)案例。通過文獻(xiàn)查閱、網(wǎng)絡(luò)檢索，收集整理132起國內(nèi)外高?；馂?zāi)案例，整理出高校火災(zāi)導(dǎo)致的次生衍生事件。

(2)合并精簡(jiǎn)高?；馂?zāi)災(zāi)害事件集。系統(tǒng)整理近20年國內(nèi)外高?；馂?zāi)事故次生衍生災(zāi)害事件，進(jìn)一步篩選整理精簡(jiǎn)，初步得到102起高?；馂?zāi)災(zāi)害事件，部分典型事件集。

(3)成立專家評(píng)價(jià)組。專家評(píng)價(jià)組成員包括高校安全管理、應(yīng)急管理、紅十字急救、應(yīng)急消防救援等相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，他們長(zhǎng)期從事火災(zāi)災(zāi)害事件研究，具備豐富的理論實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠合理地評(píng)估高校火災(zāi)事故。

(4)構(gòu)建高?；馂?zāi)災(zāi)害集。以南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃事件為基礎(chǔ)，結(jié)合國內(nèi)外高?；馂?zāi)災(zāi)害事件以及專家評(píng)議意見，最終確定南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害事件集(表2)。

表2 南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害事件集合

1.2 高校火災(zāi)災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是一種具備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性的網(wǎng)絡(luò)模型，應(yīng)用場(chǎng)景較多，尤其在工程科學(xué)、信息科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)等眾多行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[23]。災(zāi)害鏈在一定程度上可看作為一個(gè)災(zāi)害復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，因此可將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型運(yùn)用到災(zāi)害演變過程，探究其內(nèi)在聯(lián)系與外在邏輯。

高?；馂?zāi)通常會(huì)導(dǎo)致一系列次生衍生事件，可將高?；馂?zāi)中的相關(guān)事件等價(jià)轉(zhuǎn)化為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的“節(jié)點(diǎn)”，災(zāi)害鏈中事件間的內(nèi)在邏輯可等價(jià)為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中的連接邊，事件損失度可用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型中節(jié)點(diǎn)的出入度之和來表示，網(wǎng)絡(luò)中各條邊連接各個(gè)災(zāi)害事件節(jié)點(diǎn)，以此構(gòu)成高?；馂?zāi)災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。本文以南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃為實(shí)例開展風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，通過大量搜集網(wǎng)絡(luò)報(bào)道及相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害場(chǎng)景，并結(jié)合梳理的102起國內(nèi)外高?；馂?zāi)案例，分析提取災(zāi)害事件集，構(gòu)建京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖(圖 1) 。

圖1 南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)

2 高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

2.1 災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)概率分析

災(zāi)害事件A引起災(zāi)害事件B的概率指的是，在災(zāi)害鏈演化過程中一個(gè)事件導(dǎo)致其他事件發(fā)生的概率，也被稱作為兩災(zāi)害事件AB的“致災(zāi)率”。其計(jì)算方法是用Jaccard指數(shù)來表示：

(1)

式中：Jab表示災(zāi)害事件a引起災(zāi)害事件b的致災(zāi)率，且0≤Jab≤1；Cab表示災(zāi)害事件a和災(zāi)害事件b共現(xiàn)的頻次；Ca、Cb分別表示的是災(zāi)害事件a、災(zāi)害事件b出現(xiàn)的頻次。

2.2 災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)損失分析

本研究基于復(fù)雜網(wǎng)路理論，將高校火災(zāi)災(zāi)害鏈抽象為一個(gè)無權(quán)有向?yàn)?zāi)害網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)表示高校火災(zāi)災(zāi)害鏈中的相應(yīng)事件，節(jié)點(diǎn)的度代表災(zāi)害事件的損失程度，其等于該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)的出度入度之和。

L=Kb。

(2)

式中：L表示高?；馂?zāi)災(zāi)害節(jié)點(diǎn)的損失；Kb表示災(zāi)害事件b在其所對(duì)應(yīng)災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中的度。

2.3 災(zāi)害鏈連街邊脆弱度分析

邊的脆弱度表示除去災(zāi)害鏈拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的某條邊后，其對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響程度。在高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，脆弱度越大的邊，其產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)就越大。本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論，立足高?；馂?zāi)災(zāi)害事件的現(xiàn)實(shí)情景，計(jì)算出災(zāi)害鏈中邊的脆弱度，具體計(jì)算公式為：

(3)

式中：i指的是第i條邊；k指的是災(zāi)害鏈總共的邊數(shù)；Bi指的是第i條邊的邊介數(shù)；Li指的是移除第i條邊后該網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度；Hi指的是移除第i條邊后復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的連通度。

(1)邊介數(shù)。指的是災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中經(jīng)過這條邊的最短路徑數(shù)目之和，表達(dá)式為：

(4)

式中：v為災(zāi)害鏈中所有的節(jié)點(diǎn)；njk(i)為節(jié)點(diǎn)j、k間最短路徑經(jīng)過邊i的次數(shù)。

(2)平均路徑長(zhǎng)度。指的是網(wǎng)絡(luò)中移除邊后，初始災(zāi)害事件所在節(jié)點(diǎn)與其他網(wǎng)絡(luò)事件節(jié)點(diǎn)間最短路徑長(zhǎng)度的平均值，計(jì)算公式為：

(5)

式中：Li為移除邊i后該網(wǎng)絡(luò)的平均路徑長(zhǎng)度；N為該網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)總數(shù)，V為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集；dtk為網(wǎng)絡(luò)中初始災(zāi)害事件所在節(jié)點(diǎn)t到節(jié)點(diǎn)k之間的最短路徑長(zhǎng)度。

(3)連通度。在有向?yàn)?zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中移除邊i后可以連通的節(jié)點(diǎn)數(shù)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲锌偣?jié)點(diǎn)數(shù)的比值，計(jì)算公式為：

(6)

式中：H為移除邊i后該網(wǎng)絡(luò)的連通度；Ni移除邊i后能夠連通的節(jié)點(diǎn)數(shù)；N為原始網(wǎng)絡(luò)的總節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.4 災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)值分析

災(zāi)害鏈中某一邊的風(fēng)險(xiǎn)度等于該邊的概率、節(jié)點(diǎn)損失度與該邊脆弱度的乘積。高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈中某條邊的風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算方法為：

Rab=PLV=JabKbVab。

(7)

式中：Rab表示災(zāi)害事件a引起事件b的風(fēng)險(xiǎn)；Jab表示災(zāi)害事件a導(dǎo)致事件b發(fā)生的概率；Kb為災(zāi)害事件b的損失；Vab為災(zāi)害鏈中ab邊的脆弱性。當(dāng)災(zāi)害事件為源發(fā)災(zāi)害時(shí)，其Pa=1，Va=max(Vi)。災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中某一條災(zāi)害鏈的風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算公式為：

(8)

3 實(shí)例仿真

2021年10月24日，南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆燃，現(xiàn)場(chǎng)升起白色蘑菇云，該事件造成2人死亡，9人受傷。本文以該高校實(shí)驗(yàn)室爆燃火災(zāi)災(zāi)害事故進(jìn)行仿真，以此來驗(yàn)證本文提出的高校火災(zāi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的有效性。

3.1 災(zāi)害鏈邊的概率

梳理國內(nèi)外高?；馂?zāi)災(zāi)害事件網(wǎng)絡(luò)報(bào)道和文獻(xiàn)資料，對(duì)102起高?；馂?zāi)災(zāi)害事件進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)分析，再根據(jù)專家評(píng)議意見，得到了高校火災(zāi)災(zāi)害鏈中災(zāi)害事件間的致災(zāi)率P。評(píng)價(jià)組由高校安全管理、紅十字急救、應(yīng)急管理、應(yīng)急消防救援等相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜医M成，評(píng)價(jià)組成員擁有豐富的火災(zāi)應(yīng)急管理及救援經(jīng)驗(yàn)，能比較科學(xué)精準(zhǔn)地對(duì)高?；馂?zāi)次生衍生事件進(jìn)行客觀分類評(píng)估。運(yùn)用jaccard指數(shù)公式，得出高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈?zhǔn)录g的致災(zāi)率(表3)。

3.2 災(zāi)害鏈節(jié)點(diǎn)損失

依據(jù)南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，對(duì)火災(zāi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算出南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈節(jié)點(diǎn)的出度和入度，根據(jù)高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈節(jié)點(diǎn)損失計(jì)算公式，計(jì)算各網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的損失程度。由表4可知，V1(火災(zāi))事件節(jié)點(diǎn)的損失度最大，火災(zāi)作為高?；馂?zāi)災(zāi)害原始事件，其損失度最大，產(chǎn)生的影響也最大。V2(爆炸)、V5(人員傷亡)、V8(網(wǎng)絡(luò)輿情)等損失度較大，說明其發(fā)生后造成的影響也較大，該結(jié)果與實(shí)際情況比較吻合。高校管理者要加強(qiáng)對(duì)上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的重視，制定切實(shí)可行的應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性。

表3 各災(zāi)害事件之間的致災(zāi)率

表4 災(zāi)害鏈節(jié)點(diǎn)損失

3.3 災(zāi)害鏈邊的脆弱度

根據(jù)式(3)計(jì)算災(zāi)害鏈邊的脆弱度需要分別計(jì)算出南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃事件災(zāi)害鏈邊介數(shù)、平均路徑長(zhǎng)度和連通度。

(1)介數(shù)。根據(jù)式(4)計(jì)算出災(zāi)害鏈邊介數(shù)矩陣。

(9)

(2)平均路徑長(zhǎng)度L。根據(jù)式(5)計(jì)算出其平均路徑長(zhǎng)度矩陣。

(10)

(3)連通度H。根據(jù)式(6)計(jì)算出連通度矩陣。

(11)

(4)根據(jù)式(3)計(jì)算出南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈中邊的脆弱度?？梢钥闯?，“(V8)網(wǎng)絡(luò)輿情→(V9)社會(huì)影響”的脆弱度最高，其產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)也越大，高校管理者應(yīng)強(qiáng)化應(yīng)急管理意識(shí)，加強(qiáng)高校火災(zāi)事件的網(wǎng)絡(luò)輿情監(jiān)管，制定相應(yīng)的輿情應(yīng)急預(yù)案，確保網(wǎng)絡(luò)輿論更加理性平和。

表5 災(zāi)害鏈邊的脆弱度

3.4 災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算與分析

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算公式(7)求出南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈邊的風(fēng)險(xiǎn)度(表6)。由表6可知，其中生活不便→網(wǎng)絡(luò)輿情、人群恐慌→網(wǎng)絡(luò)輿情、濃煙毒氣釋放→人員傷亡、建筑物破壞→人員傷亡、濃煙毒氣釋放→人群恐慌等5條邊的風(fēng)險(xiǎn)度較高。高校管理者要根據(jù)高?；馂?zāi)災(zāi)害事件的演化特征，加強(qiáng)應(yīng)急管理，采取切實(shí)有效的應(yīng)急管理決策，應(yīng)在事故發(fā)生前，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)度較高的邊，采取斷鏈措施，及時(shí)切斷火災(zāi)發(fā)展路徑，有效降低火災(zāi)造成的后果及損失，斷鏈參考措施如表7所示。根據(jù)式(8)南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)中各災(zāi)害鏈的風(fēng)險(xiǎn)度排序(見表 8)。

表6 災(zāi)害鏈邊的風(fēng)險(xiǎn)度

表7 風(fēng)險(xiǎn)度較大邊的斷鏈參考措施

表8 南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害鏈排序

從表8中可以看出，在南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害網(wǎng)絡(luò)中，“火災(zāi)→濃煙毒氣釋放→人群恐慌→網(wǎng)絡(luò)輿情→社會(huì)影響→學(xué)校聲譽(yù)下降”這條災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)值最大。在風(fēng)險(xiǎn)度較大的前6條鏈中，均包含“網(wǎng)絡(luò)輿情→社會(huì)影響→學(xué)校聲譽(yù)下降”這一鏈單元。根據(jù)歷史報(bào)道，南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆燃后，在微博引起了廣泛關(guān)注，事發(fā)當(dāng)天微博閱讀量達(dá)到4.06億，截止11月16日微博閱讀量達(dá)到了8.1億，討論次數(shù)高達(dá)12.8萬次，這一結(jié)果與本文研究發(fā)現(xiàn)一致。由此可以證明本文提出的高?；馂?zāi)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型具有較高的有效性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在高?；馂?zāi)發(fā)生前加強(qiáng)應(yīng)急管理，采取有效措施對(duì)災(zāi)害鏈重要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行積極管控，可降低火災(zāi)發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；火災(zāi)發(fā)生后對(duì)關(guān)鍵邊進(jìn)行及時(shí)斷鏈，可迅速阻斷火災(zāi)的進(jìn)一步發(fā)展和蔓延。

4 結(jié)論

(1)通過系統(tǒng)分析國內(nèi)外102起高?；馂?zāi)事故案例，結(jié)合南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃事件特征以及專家評(píng)議，最終得到南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室發(fā)生爆燃災(zāi)害事件集，具體包括12個(gè)災(zāi)害次生衍生事件。

(2)基于南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃事件及高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈演化特征，構(gòu)建了南京航空航天大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆燃災(zāi)害演化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(3)基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建高校火災(zāi)災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出火災(zāi)災(zāi)害鏈各邊的風(fēng)險(xiǎn)度，并給出了風(fēng)險(xiǎn)度最高的前5條邊的參考斷鏈措施。

(4)依據(jù)高校火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，計(jì)算出的6條風(fēng)險(xiǎn)度較高的災(zāi)害連中都包含有“網(wǎng)絡(luò)輿情→社會(huì)影響→學(xué)校聲譽(yù)下降”這一鏈單元，說明該鏈單元對(duì)高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈影響程度最大。高校管理者應(yīng)重視災(zāi)害次生衍生事件，在火災(zāi)發(fā)生后及時(shí)采取有效斷鏈措施，阻止上述事件發(fā)生，并基于高?；馂?zāi)災(zāi)害事件演化機(jī)理，提前制定發(fā)生此類事件的應(yīng)急預(yù)案。

(5)基于實(shí)例仿真發(fā)現(xiàn)，本文得出的高?；馂?zāi)災(zāi)害評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的有效性，對(duì)高?；馂?zāi)災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及應(yīng)急管理具有一定的參考價(jià)值。但由于高?；馂?zāi)災(zāi)害事件的不確定因素較多、各因素間的關(guān)系較為復(fù)雜，更為科學(xué)合理的災(zāi)害鏈風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估還需要進(jìn)一步深入研究。