自建房火災致因網絡拓撲特征及脆弱性研究

邢艷冬, 孟文靜, 周建亮, 薛樹國

(1.中國礦業大學力學與土木工程學院,江蘇 徐州 221116;2.湖南工業大學城市與環境學院,湖南 株洲 412007;3.中建交通建設集團有限公司,北京 100142)

0 引言

2021年,中共中央、國務院發布《關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》,明確提出要“加強縣鄉村應急管理和消防安全體系建設”,可見消防安全是助推鄉村振興的重要保障[1]。然而,隨著近年來我國城鄉建設的快速發展,自建房不斷增多且連片建設,造成大量區域性消防安全問題,尤其鄉鎮地區屢屢發生自建房“小火亡人”事故[2]。據國家消防救援局統計,2021年發生自建住宅火災15.6萬起、死亡848人,2022年17萬起、死亡804人,比2021年增加1.4萬起,特別是發生較大火災31起,比2021年增加9起[3-4]。因此,開展自建房火災事故致因研究,對預防自建房火災事故和鄉村振興具有重要意義。

目前,國內學者已開展自建房火災相關研究,研究成果主要集中在自建房樓梯—走道組合結構中的火災煙氣運動規律數值模擬[5]、多層經營性自建房火災動力學模擬分析[6]、自建出租房火災數值模擬和人員疏散模擬[7]、自建房實體火災模擬試驗分析[8]、自建房式出租屋消防安全管理中存在的問題及其成因分析[9]、自建房火災致因因素間的對抗層級拓撲模型構建及分析[10]等方面,這些研究缺少從微觀層面定量揭示自建房火災事故致因因素間的結構特征及復雜作用關系,且未考慮網絡特征在自建房火災風險演化中的作用。自建房火災事故是多致因因素耦合作用的結果,致因因素間的交互作用使其風險呈現出非線性變化的特征。復雜網絡理論在分析復雜因素相互作用及其演化過程方面和揭示關鍵節點及節點間的結構特性方面具有較大優勢[11-12]。目前,該理論已在建筑火災事故領域得到應用,主要體現在建筑群火災蔓延節點重要性評估[13-14]、城市綜合體建筑災害鏈風險分析[15]、密室逃脫類場所火災風險評估[16]、火災室內通行網絡脆弱性分析[17]等方面。已有研究成果為從網絡視角分析自建房火災致因因素間的拓撲結構特征和結構脆弱性提供理論依據和基礎。

鑒于此,本文以具有住宿功能的自建房火災事故致因研究為主題,采用事故致因“2-4”模型(24Model)分析自建房火災事故調查報告文本,識別并編碼得到事故致因因素及因素間的致因關系,基于復雜網絡理論,構建自建房火災致因網絡拓撲結構模型并分析其拓撲特征,采用Python編程仿真分析在單節點攻擊策略下和累積節點攻擊策略下網絡的脆弱性,對比分析累積節點攻擊策略下的隨機攻擊、入度攻擊、出度攻擊、度攻擊、介數攻擊及接近中心性攻擊的脆弱性效果,得到網絡關鍵致因因素節點,并提出防災措施及建議,以期在理論上豐富自建房火災致因的相關研究,彌補現有研究的不足,在實踐上為自建房消防安全管理工作提供思路。

1 自建房火災致因網絡構建

1.1 數據收集

為保證數據的可靠性和準確性,本文從各級政府應急管理部門官方網站獲取自建房火災事故調查報告文本,篩選出設置住宿功能的自建房火災案例39起。事故的發生年份、地點、死亡人數和受傷人數分布,如圖1。發生時間顯示,2020、2021和2022年的事故較多;發生地顯示,發生在阜陽市的事故較多;死亡人數顯示,死亡1人和5人的事故較多。事故等級統計獲得:重大事故1起、較大事故24起、一般事故14起,共造成153人死亡,78人受傷。

圖1 自建房火災事故基本信息圖譜

1.2 事故致因模型

運用事故致因“2-4”模型(24Model)識別自建房火災事故調查報告中的風險因素及事件,并對風險因素和風險事件及其之間的風險傳遞關系進行編碼。24Model是國內學者傅貴等[18-19]在系統梳理和分析國內外各個時期的事故致因理論研究成果的基礎上,運用因果關系,綜合事故案例分析,提出的事故致因模型,該模型可體現事故致因因素的劃分及因果邏輯關系,如圖2。

圖2 事故致因“2-4”模型

1.3 自建房火災致因因素識別

基于24Model對39份事故調查報告進行分析并編碼,得到48個致因因素及事件,如圖3。利用質性分析軟件NVivo 14比較參與本研究的2位成員的編碼結果,得到用于一致性檢驗的指標Kappa系數均大于0.75,說明編碼結果的一致性程度在可接受范圍內。

圖3 自建房火災致因因素及事件編碼

1.4 自建房火災致因網絡拓撲結構模型

復雜網絡來源于圖論和拓撲學,是將復雜系統中的元素抽象為節點,元素間的關系抽象成邊,研究復雜系統中個體間相互作用的網絡拓撲結構模型?；?4Model中因素間的因果邏輯關系并結合事故調查報告原文語義,編碼得到48個致因因素及事件間的128條致因關系,構建自建房火災致因網絡拓撲結構,如圖4。圖4中以致因因素及事件映射為節點,以致因關系映射為有向邊。

圖4 自建房火災致因網絡拓撲結構模型

2 自建房火災網絡拓撲特征分析

2.1 小世界特性

網絡的平均路徑長度(平均距離)是網絡中所有節點對之間最短路徑長度(距離)的均值,平均集聚系數是網絡中所有節點聚類系數的均值[11]。根據復雜網絡理論對小世界網絡的解釋,如果一個網絡與相同規模的隨機網絡相比,其平均路徑長度較小、平均集聚系數較大,則可以理解該網絡具有小世界效應[20]。由表1可知,與規模相近的隨機網絡相比,自建房火災致因網絡的平均路徑長度較短,平均集聚系數較高,證明自建房火災致因網絡具有小世界特性,表明大多數致因因素彼此間不存在直接關系,但可以通過較短路徑影響其他致因因素。這也說明自建房火災致因網絡連通性較好,致因因素的傳播速度較快,解釋了自建房火災中風險事件較為快速發生的原因。

表1 自建房火災致因網絡與隨機網絡的特征參數對比

2.2 度分布特征

2.2.1 無標度特性

度分布(即對復雜網絡中節點度數的總體描述)服從或者接近冪律分布的復雜網絡稱為無標度網絡(scale-free network)[21]。本文通過網絡的互補累積度分布判斷自建房火災致因網絡是否具有無標度特征,如圖5。橫坐標為網絡節點度k,縱坐標為互補累積度分布函數pk。

由圖5(a)可知,自建房火災致因網絡的互補累積度分布函數的擬合曲線服從冪律模型(擬合判定系數R2=0.89659),由圖5(b)可知,在雙對數坐標下,自建房火災致因網絡的互補累積度分布函數的擬合曲線服從直線模型(R2=0.89762),說明自建房火災致因網絡的度分布服從冪律分布,是一個無標度網絡。無標度網絡具有異質性,少數關鍵節點與大多數節點相連,使得在自建房火災致因網絡的演化過程中,新的致因因素更有可能與關鍵致因因素相關聯,為預防自建房火災事故提供思路。

2.2.2 節點的入度、出度和度分布

節點的度是網絡中該節點與其他節點之間存在的鏈接數目,反映該節點在網絡中的重要程度,在有向網絡中,節點的度等于其入度和出度之和[11]。自建房火災致因網絡節點的入度、出度和度分布情況,如圖6。由圖6(a)可知,入度前6位節點為E04、E02、E01、UA01、UC01、HUB07、UC04和UC10(其中,HUB07、UC04、UC10并列第6位),表明影響這些因素的途徑較多,控制難度較大;出度前6位節點為HUB06、HUB07、UA07、UA10、UA04和HUB02,表明這些因素對后續因素的影響程度較大;度前6位節點為HUB06、HUB07、UA07、UA10、E04和E02,表明這些節點是自建房火災致因網絡中的中心節點,是事故中的關鍵因素。

圖6 網絡節點的入度、出度和度分布情況

由圖6(b)可知,入度、出度和度對應的節點數目分布,呈現出度值大的節點數目較少,度值小的節點數目較多,這與自建房火災致因網絡的無標度特性相符合。綜上所述,度值大的節點數量較少,但其具有主導地位,在自建房火災致因網絡中起著關鍵作用,這些因素更容易受到其他因素影響或導致其他因素發生,引發事故因素間的連鎖反應。因此,在自建房消防安全管理工作中應特別注意對這些因素的管控。

2.3 中介中心性和接近中心性

中介中心性是以經過某個節點的最短路徑數目來刻畫節點重要性的指標,反映該節點作為中介的重要程度[22]。自建房火災致因網絡中節點的中介中心性和接近中心性分布,如圖7。由圖7(a)可知,在自建房火災致因網絡中,介數前6位節點為HUB07、HUB06、UA07、SMS04、HUB02和E02,說明這6個節點在網絡中起到重要的“橋梁”作用,其中,消防安全隱患排查及整改不到位(HUB07)和消防安全意識淡薄(HUB06)的介數最高,表明這2個因素在整個網絡風險傳播中被多條最短路徑經過,在火災風險傳遞中起重要作用。

圖7 中介中心性和接近中心性分布

接近中心性通過計算節點與其他節點最短路徑的均值來衡量其重要程度,一個節點與網絡中其他節點的平均距離越小,該節點的接近中心性越大[13]。由圖7(b)可知,在自建房火災致因網絡中,節點的接近中心性差異很大,排名前6位的節點為E02、UC10、UC15、UC06、E03和UC14,表明這些節點在自建房火災網絡中處于相對中心位置,與其他致因因素密切相關,可以在短時間內影響其他致因因素,導致人員傷亡和財產損失的快速發生,也表明自建房火災事故中這些因素不容易被控制。因此,在自建房消防安全管理工作中,應重點排查自建房存在的以上不安全物態因素。

3 網絡脆弱性分析與防災措施

3.1 網絡脆弱性評價指標

自建房火災致因網絡脆弱性是指自建房火災致因網絡中存在關鍵節點,當其遭受隨機或蓄意攻擊失效后,導致網絡結構和性能發生變化,常用網絡連通度和全局網絡效率2個指標來量化[12]。

(1)網絡連通度。節點遭受攻擊失效后的網絡連通情況可以用最大連通子圖的節點規模來反映,即最大連通子圖節點數和網絡初始節點數的比值。有向網絡中包含最大強連通子圖和最大弱連通子圖,因此,本文選取最大強連通子圖相對大小SCC來衡量有向網絡中考慮傳遞方向的連通度,選取最大弱連通子圖相對大小WCC來衡量有向網絡基礎圖的連通度。最大強連通子圖相對大小SCC和最大弱連通子圖相對大小WCC的計算公式分別為:

(1)

(2)

式中:

nmax(S)—網絡遭到節點攻擊后最大強連通子圖的節點數,個;

nmax(W)—網絡遭到節點攻擊后最大弱連通子圖的節點數,個;

N—初始網絡節點總數,個。

(2)全局網絡效率。用網絡中所有節點間距離倒數的平均值來界定全局網絡效率,通常反映整個網絡中節點與節點之間連接的難易程度。全局網絡效率Eg計算公式為:

(3)

式中:

dij—節點i到節點j之間的最短路徑長度,若2節點間不存在最短路徑則將長度表示為無窮大,對應節點對的距離倒數為0。

3.2 單節點攻擊策略仿真分析

單節點攻擊策略是指對節點逐個單獨移除且每次攻擊在初始網絡上進行,得到單個節點失效時的最大強連通子圖相對大小、最大弱連通子圖相對大小和全局網絡效率,如圖8。

圖8 單節點攻擊策略下脆弱性指標變化

由圖8可知,單獨攻擊48個節點時,少數節點單獨失效對網絡的最大強連通子圖相對大小、最大弱連通子圖相對大小和全局網絡效率的影響較大,表明少數節點對網絡的整體連通性的影響較大,是網絡中的關鍵節點。單節點攻擊中,造成最大強連通子圖相對大小降幅明顯的節點為UA07、HUB06、HUB02和SMS04等,造成全局網絡效率降幅明顯的節點為HUB06、UA07、HUB07、HUB02和SMS04等?？梢园l現,最大強連通子圖相對大小和網絡全局效率的變化趨勢高度一致,這是由于造成最大強連通子圖相對大小和全局網絡效率降幅明顯的大部分節點位于自建房火災致因網絡的最大強連通子圖中,表明最大強連通子圖中的節點對自建房火災風險的傳遞起著重要作用。單節點攻擊中,造成最大弱連通子圖相對大小降幅明顯的節點為E04、HUB05和SMS01,表明這3個節點的單獨失效使網絡中的弱連接性(節點之間路徑的存在性)受到明顯破壞,導致有向網絡的基礎圖連通性明顯降低。在單節點攻擊策略中,以上節點對網絡的穩定性和風險傳遞起關鍵作用,針對這些節點進行有效管控可以最大程度地破壞網絡的整體結構和性能。

3.3 累積節點攻擊策略仿真分析

累積節點攻擊策略為在初始網絡上進行連續移除節點,分為隨機攻擊策略和蓄意攻擊策略。隨機攻擊策略是隨機連續移除節點,蓄意攻擊策略是分別按照節點的度、入度、出度、介數和接近中心性由大到小順序連續移除節點。累積節點攻擊策略下,網絡脆弱性評價指標的變化情況,如圖9。

圖9 累積節點攻擊策略下脆弱性指標變化

由圖9(a)可知,在蓄意攻擊(度)和蓄意攻擊(出度)策略下,最大強連通相對大小下降速度最快,表明按出度由大到小連續進行節點攻擊導致網絡的節點之間有向路徑連通性破壞最嚴重,出度大的節點處于網絡中最大強連通子圖的核心位置。然而,在蓄意攻擊(接近中心性)策略下,移除節點比例小于0.298時,最大強連通子圖相對大小無變化,表明接近中心性大的節點不處于網絡中強連通子圖的核心位置。由圖9(b)可知,在蓄意攻擊(度)策略下,最大弱連通子圖相對大小最先下降到最小值,當移除節點比例達到0.426時,降幅達到91.7%,超過其他蓄意攻擊策略,表明按節點度由大到小連續進行節點攻擊導致有向網絡的基礎圖結構破壞效果最優,網絡表現出較強的脆弱性。在隨機攻擊策略下,最大強連通子圖相對大小下降到0.0208,下降速率最慢,需要移除的節點最多,最大弱連通子圖相對大小下降速率明顯遜色于蓄意攻擊策略,表明從有向路徑結構破壞和基礎圖結構破壞2個角度考慮,隨機連續攻擊節點時網絡都表現出較強的魯棒性。

由圖9(c)可知,在蓄意攻擊(度)策略下,全局網絡效率下降最快,表明按節點度由大到小連續進行節點攻擊導致網絡的火災風險傳播效率損失最嚴重,攻擊效果最優,網絡最脆弱。在隨機攻擊策略下,全局網絡效率下降到最小值時對應的移除節點比例最大,表明隨機連續攻擊節點時,需將網絡中絕大多數節點從網絡中移除,才能使整個網絡癱瘓。從攻擊節點的順序可知,蓄意攻擊先攻擊重要節點會使網絡較快地產生很多連通子圖,網絡的拓撲結構發生快速變化,致使網絡整體連通性快速下降;而隨機攻擊時,恰好攻擊到重要節點的概率比蓄意攻擊小很多,因而隨機攻擊足夠多的節點時,才會使網絡癱瘓。

綜上所述,在累積節點攻擊策略下,自建房火災致因網絡的最大強連通子圖相對大小、最大弱連通子圖相對大小和全局效率均隨著移除節點比例的增加而降低,自建房火災致因網絡在蓄意攻擊(度)策略下表現出較高的脆弱性,在隨機攻擊策略下的魯棒性和容錯性較強,符合無標度網絡面對不同節點故障策略時的特點,為自建房消防安全管理和預防事故的發生提供思路。

3.4 防災措施及建議

根據仿真分析結果,針對自建房致因網絡中度排名靠前的節點提出以下防災措施及建議。

(1)針對消防安全意識淡薄(HUB06),提出加強消防安全知識宣傳教育,提高村民消防安全意識。在村(居)委會設立消防知識宣傳點,成立消防志愿者隊伍,駐村干部和當地青年志愿者登門入戶開展宣傳,講解消防安全知識,重點幫扶孤寡老人和留守兒童。利用村廣播、微信群和短視頻平臺,向村民宣傳消防常識,在路邊墻面繪制消防安全漫畫和標語。將消防知識與當地文化相融合,以當地歌舞為載體,傳唱消防安全知識。

(2)針對消防安全隱患排查及整改不到位(HUB07),業主未落實消防安全主體責任(UA07),提出加強治理整改,排查消防安全隱患,并督促業主落實消防安全主體責任。推動各地將消防安全納入鄉村振興有關規劃,充分發揮鄉鎮政府、村委會、派出所、專職消防隊、鄉鎮政府綜合執法隊等的職能作用,做好自建房安全隱患排查整治工作,落實消防安全整改措施。加強鄉鎮中下店上宅和前店后宅式自建房消防安全隱患的排查。向自建房業主提供關于消防安全法律法規的宣傳資料,使其了解自己的義務和責任,幫助業主制定消防計劃。

(3)針對違規擴建改造原有建筑(UA10),提出加強對擴建改造原有建筑的違規行為查處。廣大鄉村地區自建房的建設監管是一個難點,執法部門可以定期巡查鄉村地區,并提醒村民遵守規定,建立舉報機制,鼓勵村民報告違規建設,借助衛星遙感數據和圖像分析技術識別鄉村地區自建房違規改擴建。

(4)針對救援與安全撤離失敗(E04),提出加強消防應急演練,提升救援和逃生能力。結合鄉鎮消防點設置情況,各村各消防網格定期組織群眾開展應急消防演練,模擬火災場景,進行消防設施設備使用操作培訓,提升群眾消防應急能力。

(5)針對火勢蔓延擴大(E02),提出構建鄉村自建房火災智慧防控體系,預防火災發生及火勢蔓延擴大。物防層面,推廣自建房安裝智能斷電開關和獨立式煙感火災探測報警器;技防層面,借助物聯網技術,形成“點面結合、內外兼顧”防控模式;人防層面,通過監控基層消防網格員手機APP動態監管基層工作開展情況,將消防工作數字化、程序化、可視化。

4 結論

(1)運用24Model進行自建房火災事故調查報告原文語義分析,編碼得到48個致因因素和128條致因關系,基于復雜網絡理論,構建自建房火災致因網絡拓撲結構模型,分析網絡的度、介數、接近中心性等拓撲特征,得出自建房火災致因網絡具有小世界效應和無標度特性。

(2)通過仿真分析單節點攻擊策略下和累積節點攻擊策略下自建房火災致因網絡的脆弱性,得到自建房火災致因網絡在遭受單個節點攻擊時和遭受隨機連續節點故障時,魯棒性和容錯性較強,在遭受蓄意連續節點攻擊時,表現出較強的脆弱性,揭示自建房火災致因網絡結構和性能穩定性的變化規律。進一步分析得到在蓄意攻擊策略中,在蓄意攻擊(度)策略下自建房火災致因網絡表現出的脆弱性最強,得到自建房火災的關鍵致因因素,并提出相應的防災措施及建議,為預防鄉村自建房火災事故提供理論基礎。

(3)本文在探究編碼致因因素間的致因關系過程中存在一定的主觀性,在后續研究獲得大量的案例數據后將采用因果發現算法挖掘致因關系。構建的致因網絡為有向無權網絡,沒有考慮致因因素間的影響強度,下一步將構建有向加權網絡進行研究。