（安全技术及工程专业论文）基于金相分析与烟熏图痕数值重构的火灾调查研究.pdf

摘要 本文第六章以实际发生的某古民居电气火灾事故为研究对象，借助第二章研 究方法，分析研究现场提取铜导线残留物的金相图，确定火灾原因为电热作用引 起，排除了电路短路的可能性。继而，采用计算机模拟手段，对火灾过程进行数 值重构，重现了火灾过程，得到了现场勘测所无法得到的诸多信息。分析和研究 了火场中关键部位温度、烟气浓度及f i d 指数等参数的发展变化趋势，经与证人 证言的对比，证明重构结果与实际火灾场景相符，同时，提出针对该类建筑的消 防改进方案，并对改进后的方案进行火灾预测，将预测结果与实际火灾过程进行 对比，证实了改进方案的有效性和可行性，完善和拓展了火灾调查结论。 关键词：火灾调查金相分析数字图像处理聚类分析烟熏图痕黏附 临界逃逸速度火灾重构水喷淋 a b s t r a c t a b s t r a c t i t i si m p o r r t a n tt oc o n d u c tf i r ei n v e s t i g a t i o nr e s e a r c hs i n c ef i r ec o s tm o r ea n d m o r ed 锄a g e i ti su n l u c k yt h a tm o s ti n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i sm e t l l o d sa r es t i l l e x d e r i e n c eb a s e dw h i c hm e a n st 1 1 a tt 1 1 e r ei sl i 砌es t a l l d a r df o rju d g m e n t d i f f e r e n t i n v e s t i g a t o r sm a ym a k ed i f 艳r e n tc o n c l u s i o n so nt h es 锄ef i r e a tt h es a m et i m e ， i m p r o v e m e n t so f1 e g a la w a r e n e s sa n di d e ao ft h ep u b l i ca l s oa s kf o rp r e c i s i o na n d c l a r 时o ft h ef i r ei n v e s t i g a t i o n i ti si m p o r t a n tt oi m p r o v et e c h u l o l o g ya n dm e t h o do f f hi r l v e s t i g a t i o na i l df i n dn e ww a yt om a k ec o r r e c tc o n c l u s i o nb a s e do nat i 曲t e r 、o r k t oi m p r o v em e t a l l o 鲈a p h i ca n a l y s i si ne l e c t r i c a lf i r ei n v e s t i g a t i o n ，d i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n gm e t h o d sa r ea d o p t e d ah u m a n c o i 工 【p u t e r i n t e r a c t i o na l g o r i t h i l lw h i c h n a m ei sl i v e w i r ei su s e da j l di m p r o v e da n dw i t hm i sw o r k ，c r y s t a lo u t l i n e sa r e c a p t u r e d t oe l i m i n a t eo f fr e d u n d a n c yi n 如r m a t i o na n dd i g i t a ld a t e 矗o mt h e m e t a l l o 酽a p h i ci m a g e ，d i g i t a lm o r p h o l o g ym e t h o d sa r ea d o p t e da n ds ot h ep r e c i s e o “i n eo fc r y s t a l sa r ec a p t u r e d t h e n ，e f f b c t so fs e v e r a ls e g m e n td e s c r i p t o r so nc r y s t a l c a t e g o r i e sc l a s s i f i c a t i o n a r ea n a l y s i sa n dd i s c u s s e d w i t l lt h eh e l po fp r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ， k e ys e g m e n td e s c r i p t o r s s u c ha s e c c e n t r i c i t y ，d e g r e eo f c i r c u l a r i t ya j l dv a r i a n c eo fc r y s t a lc h e c k m a r k sa r ed e t e r m i n e dt ob eu s e da st h ef i n a l p a r a m e t e r so ft h ea u t o m a t i cc l a s s i f i c a t i o n c l u s t e ra n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tm o s t c r y s t 2 l l sa r ed i g e s t e dc o r r e c t l yw h i c h 妣r ea r e s t i l l l i t t l ep r o b l e m si nm ec l a s s i f l c a t i o n s o m ec r y s t a l sa r em i s c l a s s i f i c a t i o n e d t oi m p r o v et h er e s u l t s ，f i s h e rd i s c r i m i n a t i o n m e m o di sa d o p t e da n dt l l er e s u l t ss h o wt h a tc y l i n d r i c a lc r y s t a l sa i l da f t e r b i r t h l i k e c r y s t a l si nt 、od i f l 研e n tm e t a l l o 伊a p h i ci m a g e sa r ed i s t i n g u i s h e dc o r r e c t l y t oi m p r o v em e o r e t i c a la i l dt h ef o 啪a t i o nm e c h a n i s m so fs m o k ep a t t e mi n6 r e i n v e s t i g a t i o n ，t h ef o u r t hc h a p t e r c o n d u c t sr e s e a r c hi nt h e1 i g h to fm e c h a n i c a lm o d e lo f as i n g l es m o k ep a n i c l e t h ek i n e m a t i c a lm o d e lo fs m o k ep a n i c l ei sg i v e n t h i s c h a p t e ra l s oo f f e r s ac o n c e p t i o no fc r i t i c a le s c a p ev e l o c i t yo ft h es m o k ep a i r t i c l e w h i l e 也ev e l o c i 西o ft h es m o k ep a n i c l ea r e rt h ec o l l i s i o nw i t ht h ew a l li s 铲e a t e r t h a nt h ec r i t i c a lv e l o c i t y ，t h ep a r t i c l ew i l le s c 印e ；w h i l et l l ec r i t i c a lv e l o c i t yi sg r e a t e r ， t h ep a n i c l ew i l ls t a yo nt h ew a l l t h ef i f d lc h a p t e rd e s i g i l e dv a l i d a t i o na n du s a b i l i t y e x d e r i m e n t s t h er e s u l t ss h o wm a ta st h ehrra n dc o m b u s t i o nt i m eo ft h ef i r es o u r c e v a b s t r a c t 一一一 r i s eu p ，s m o k ep a n e mc h a n g ef r o m “vp a t t e m + up a 吮m t o “vp a t t e m + 如n n e l p a t t e m ，b yt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s 、h i c hu s e dp a n i c l e a d h e s i o nm o d e la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i t c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ep a n i c l e a d h e s i o nm o d e lc a l lg i v ep r e d i c ts m o k ep a t t e m sn u m e r i c a l l ya n dt h ea c c u r a c y i s a c c 印t a b l e 1 1 1 es i x mc h a p t e rc o n d u c t e da 肌m e r i c a lr e c o n s t m c t i o no fat y p i c a lh e r i t a g e b u i l d i n gf i r ew h i c hi sc a u s e db ye l e c t r i c a lm a l f u n c t i o n b yu s i n gm e m o do ft h e s e c o n dc h a p t e r ，m e t a l l o 酽a p h i ci m a g eo fc o p p e rw i r e sw h i c hi sg a 也e r e df r o m t h e 丘r e s i t ei sp r o c e s s e da j l dt h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o w m a ti ti se l e c t r i ch e a tw h i c hi g n i t e dt h e c o m b u s t i b l e sn e a rt h es o c k e t b yu s i n gc o m p u t a t i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i 0 9m e t h o d ，a f i r er e c o n s t r u c t i o ni sc o n d u c t e d t h e 、v a yf i r ea n ds m o k es p r e a di sg i v e na n dt h e a c c u r a c vi sv a l i d a t e dw i t ht h ec o m p a r i s o nw i t ht e s t i m o n yo fw i t n e s s t e m p e r a t u r e a n ds m o k ed e n s i t yo fk e ys p o to ft h eh e r i t a g eb u i l d i n ga r eg i v e n ，a n df i dp a r a m e t e r i su s e dt oh e l pf i n do u th o wc oa n dc 0 2 k i l lp e o p l ei nt h i sf i r e i no r d e rt oi m p r o v e s 疵t v 眦de x t e n da v a i l a b l es a f ee 黟e s st i m e ，w a t e rs p r i 越e sa r es e ti nt h es e c o n d n u m e r i c 2 l lc a l s ea n di tc a nb es e e nf 如mt h er e s u l t st h a tw i t ht h ee f - f e c to fm e w a t e r s p r i n k l e s ，t e m p e r a m r e so fk e ys p o t sa r em u c hm o r el o w e f a i l ds ot h es m o k ed e n s i t y ， p e o p l eh a v em o r et i m et oe g r e s s k e y w o r d s ：6 r ei n v e s t i g a t i o n ，m e t a l l o g r a p h i ca n a l y s i s ，d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g ； c l u s t e ra n a l y s i s ， s m o k ep a t t e m ， s m o k ea d h e s i o n ， c r i t i c a le s c a p ev e i o c i t y ， f i r e r e c o n s t r u c t i o n v i 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 火灾是个非常复杂的物理化学过程【l 】，是一种失去控制的由燃烧造成的灾害 【2 】，造成了巨大的经济财产损失，同时夺取了众多人的生命。根据世界火灾统计 中心以及欧洲共同体的研究结果，近年来，许多发达国家每年火灾直接损失占国 民生产总值的o 2 左右，而整个火灾成本( 包括火灾造成的直接与间接经济损失、 人员伤亡损失、消防费用、保险管理费用以及投入的灾害防护工程费用) 约占国 民经济总值的1 左右，人员死亡率在十万分之二左右1 3 一，同时，火灾还对环境 和生态系统造成不同程度的破坏，给社会带来不安定因素。世界火灾统计中心对 中国、印度、美国、俄罗斯、日本、德国、英国、法国、澳大利亚、爱尔兰等十 国在九十年代中期的火灾状况进行统计后发现，这十个国家每年发生火灾的次数 约占世界火灾总数的5 8 ，每年火灾死亡人数约占世界每年火灾死亡总人数的 6 3 【5 1 ，如表1 1 所示，在中国，随着近几年经济的高速增长，我国的火灾形势 也持续严峻【6 j 。 表1 - 1 近年来我国火灾的形势 年份火灾起数死亡人数伤人数损失( 亿元) 2 0 0 22 5 8 3 1 52 3 9 33 4 1 41 5 4 2 0 0 32 5 3 9 3 22 4 8 23 0 8 71 5 9 2 0 0 4 2 5 2 8 0 4 2 5 6 32 9 6 91 6 7 2 0 0 52 3 5 9 4 l2 5 0 02 5 0 81 3 7 2 0 0 6 2 3 1 8 8 1 1 7 2 01 5 6 58 7 由此可以看出，火灾会对人类造成巨大的威胁。火灾作为人们最常见的灾害 已经成为发生频率最高、破坏性最强、影响最大的灾种之一【7 8 】，查清它的起因 有着十分重要的意义。 1 2 火灾调查概要 第一章绪论 世界各国已对火灾的探测、逃生、扑救、材料阻燃等研究给予了极大的关注， 取得了许多重要的成果，并已形成了相对较为完整的理论体系睁h 1 。但是，随着经 济的发展和各项技术的进步，人们生活生产活动中使用的材料种类越来越丰富， 建筑类型越来越多样化，纵火等行为逐渐多样化n 1 6 1 ，火灾类型也逐渐变得多样 化和复杂化n 7 。捌。火灾本身是个非常复杂的化学反应过程，其中同时牵涉到湍流 燃烧、热传递、空气动力学、人员疏散与逃生等方面的诸多因素，因此，火灾调 查人员需要了解和认识到这其中的复杂性。根据中华人民共和国第三十九条 规定：“火灾扑灭以后，公安消防部门有权根据需要封闭火灾现场，负责调查、 认定火灾原因，核定火灾损失，查明火灾事故责任”【2 1 。2 2 1 。 火灾现场不同于其它刑事案件现场【2 3 j 。火灾后，现场通常遭到不同程度的破 坏，这是由于，在火灾过程中，通常伴有人员逃生【2 4 - 2 5 】，抢救人员、抢救财产等 多种群众自发性活动，由于非专业性的限制，群众的这些活动，在抢救的同时， 极有可能对火灾蔓延造成影响；同样，公安消防队在火灾扑救过程中，往往使用 多种灭火器材和灭火手段以尽量减少财产损失和人员伤亡，水、多种灭火剂以及 强行破门破窗等行为往往将会严重破坏火灾现场未燃物、已燃物、壁面图痕等的 分布情况，而这些分布规律却是火灾现场调查的重要信息来源，这就使得火灾调 查变得更加复杂。同时，现代建筑结构纷繁复杂，建筑材料和装修材料也多种多 样，火场中多种可燃材料和不可燃材料的属性、数量和分布不尽相同，这也使得 每个火灾调查都是唯一的，火灾案例的不重复性也使得火灾调查变得更加复杂【2 6 1 。 火灾现场的天气气候情况【27 1 ，如风力、晴雨情况、大气压力以及氧气浓度等等， 甚至，如果火灾已经涉及到纵火的话，犯罪嫌疑人为纵火而对加速火灾蔓延或者 蓄意致使人员伤亡所采取行为，比如，助燃剂的种类，添加助燃剂的手段，点火 方式及其他为逃避责任而才采取的误导性措施，也都会增加火灾调查的复杂性。 尤其对于电气火灾而言，火灾过程中电气设备与火灾之间的相互影响，这些都需 要火灾调查人员在开展工作的过程中给予充分的重视，众多复杂因素的存在，也 对火灾调查研究提出了更高的要求。 火灾现场本身就具有暴露性与破坏性、复杂性和因果关系的隐蔽性瞳8 l ，所以 一般火灾事故的调查难度都很大，不经过一番科学和细致的调查是难以准确查明 火灾原因和火灾责任的。但是，对于那些现场痕迹物证破坏严重的火灾事故、现 场难以找到起火点和起火源的火灾事故、现代科学技术未研究到的火灾事故、人 为故意破坏现场痕迹物证的火灾事故、放火案件等，调查的难度更大，有时虽经 过调查组几十天的工作，也未能查明火灾原因，例如1 9 9 6 年4 月2 日沈阳商业城特 大火灾事故，直接财产损失达5 5 1 8 2 万元，由于现场破坏严重，能证明火灾原 因和火灾责任的证据缺乏，未能查明火灾原因，最后仅认定为放火嫌疑乜9 1 。所 第一章绪论 以，火灾事故研究调查原因复杂、难度大，研究其理论和方法对于提高火灾调查 人员的技术水平，查明大案要案有着重要的意义，大胆地揭开火灾现场的表面假 象火灾本身存在着复杂性和因果关系的隐蔽性，有些火灾形成的现场又经过二次 火流的破坏而留下二次火流的痕迹物证，有些火灾现场在灭火的过程中遭到了严 重的破坏而面目全非，有的火灾现场被火灾责任者故意伪装，有的不同原因形成 的火灾现场面貌特征非常相似等等。火灾调查人员容易被火灾现场的假象所“蒙 蔽”，对假象大加调查，甚至得出错误的结论，下面的案例正说明了这问题。 2 0 0 1 年4 月2 日济南市月光酒店发生重大火灾事故，造成5 人死亡。根据初步 调查所掌握的证据，调查组认为该场火灾有如下特征：通过现场勘查，发现现 场烧毁严重，有多个起火点，虽然发现有多处短路痕迹，但是经鉴定不具有一次 短路痕迹特征，从而排除了电气火灾的可能性；有证据证明，可排除吸烟和自 燃等原因引起火灾的可能性；现场勘查发现，整个歌舞厅烧毁比较均匀，具有 多点同时起火的痕迹特征，人为放火的可能性很大；通过了解知次火灾从初起 阶段到猛烈阶段时间较短，大约1 0 分钟左右，对于歌舞厅等公共场所一般原因引 起火灾来说是不正常的，对于用易燃液体多点引燃导致火灾来说是符合情理的。 根据上述调查和分析，当时调查组认为该起火灾是放火造成的，所以在现场的重 点部位寻找放火证据。但是对现场进行了反复勘查后，未发现起火前进出现场的 痕迹和放火器具残体，现场提取的可疑痕迹也未检出能引燃的易燃液体，也未发 现放火嫌疑人。根据调查事实和证据，否定了放火的可能性，进而改变了调查方 向，重新进行现场勘查和询问证人。通过询问证人偶然发现了一条重要线索，4 月2 日上午9 时左右，有四名电工在更换室外电线，大约1 0 时1 5 分更换完毕后，到 总配电室合上电闸开始送电，工作完成后他们来到室外自来水旁洗手，这时一名 电工突然发现歌舞厅着火，并立即报了警。从合闸完成到发现起火大约相隔1 0 m i n 左右。他们对此线索非常重视，同时又研究了与此有关的询问材料，决定从电气 设备调查入手。从电工证言证实，在接线时他们没有验证哪根线是零线哪根线是 火线，就将线路接好。通过现场检查对比，实际上电工将室外一相火线接到了室 内零线上，将室外零线接到室内一相火线上。当线路接错后，室内一些额定电压 为2 2 0 v 的线路和用电器具，电压则立即升到3 8 0 v ，造成线路和用电器具突然过电 压而升温，很快将绝缘烧毁，造成多处短路，整个歌舞厅几乎同时起火，起火快、 火势猛、蔓延迅速，火灾扑灭后呈现现场烧毁均匀的特征，同时现场还出现了多 个起火点，多处发生短路，从表面上看很容易怀疑为放火导致火灾啪3 。 随着社会主义民主和法制的健全，公民法律意识的提高，火灾原因认定、鉴 定引起的争议或诉讼案件时有发生，火灾原因鉴定工作的任务越来越重，火灾原 因已成为社会关注的焦点。火灾调查目前仍停留在经验、半经验的水平上，火灾 第一章绪论 调查的一些方法尚缺乏基础理论的支撑，还没有达到用数学方法对火灾调查进行 量化研究的水平口卜3 2 1 ，火灾调查尚未形成完整的体系。火灾调查的效率和技术手 段仍需要大幅提高。 美国国家标准和技术协会n i s t 在2 0 0 1 年指出：火灾灾后调查是社会发展的 迫切问题，建立严格的科学体系已经成为迫切需要，幸运的是，联邦政府的支持 以及相关科学家的努力已经开始弥补这方面的缺口。 火灾事故调查是法律赋予公安消防机构的权力，但同时也是其不可回避的法 定职责。随着国家法制的健全，社会法制观念的提高，火灾事故调查纳入法制轨 道是历史的必然。只要在火灾事故调查中掌握充分的证据，正确适用法律、法规， 完全依照法定程序办事，即使当事人对火灾事故调查的结果有不同看法，甚至提 起行政诉讼，公安消防机构也不会处于尴尬的境地。 同时，公民法制意识的不断提升，依法维护自身权益不受侵犯的意识不断增 强，媒体的持续关注，人民群众的监督，都要求提升火灾调查水平。当前的火灾 调查中，在确定起火部位等工作中很大程度上依靠经验进行判断，缺乏相应的技 术手段，当前火灾调查过程中的一些方法和手段尚缺乏理论基础的支撑，远没有 达到运用科学方法进行定量研究的水平，物证鉴定技术的范围和手段尚不能满足 原因认定的需要，多种分析检测设备等硬件设置也亟需改善。众多火灾纷繁复杂， 这就要求火调工作人员有较高的综合素质，除了要求掌握火灾动力学知识之外， 还要求火灾调查人员熟悉了解与火灾案例可能相关的诸多领域的知识，如保险 【3 4 3 5 1 、法医鉴定【3 6 】、犯罪心理学【3 7 】、灾后建筑安全性认定等 3 8 越】。这就使得火 灾调查组往往需要求助于其他政府部门或者社会部门，实现多部门间相互合作， 完成调查。同时，在火灾调查组内部，也需要互相交流，发挥各组员优势，合作 完成火灾调查工作。值得注意的是，火灾调查在经验方面也存在的误区。总之， 火灾调查的效率和技术手段亟需大幅度提高，系统深入地开展火灾调查研究已经 迫在眉睫。 火灾调查不应该仅仅是“查清事实”，还需要做到“总结经验教训”【4 3 4 5 1 初步完成案例火灾重构之后，需针对该案例开展详细研究 4 6 4 7 】，拓展研究区域， 提取该案例所反映出来的多种科学问题及在实际消防工作中有重要影响的问题， 包括：以目标案例为原本，分析研究不同消防设置和消防预案对火灾过程的影响， 优化性能化设计方案；以目标案例为原本，分析研究不同火灾扑救方案对火灾过 程的影响【4 8 】，总结经验，提出改进，得出最优化扑救方案【4 9 _ 5 0 1 ，以及扑救过程中 消防队员的自我防护【5 ，为日后的火灾扑救工作提供经验和技术上的支持；将目 标火灾案例情况假设到与之结构相似或功能相似的建筑等上，研究讨论可能发生 的情况p 引，进行火灾预调查，开展“找茬式”研究，并针对遇到的问题提出消防、 4 第一章绪论 管理等方面的改进方案。例如通过对矿井火灾特性、自然火灾的预测预报、火源 位置的判断等方面的分析，以便能更科学，更迅速地制定出减灾、抗灾的决策措 施，减少矿井火灾带来的损失。认真总结经验，分析火灾的特性及认真研究自燃 火灾的预测预报，分析判断火源位置等。就能做到更科学、更有效地制定减灾、 抗灾的决策措施。使损失降低到尽可能小的程度【5 3 】。 火灾事故发生以后，火灾事故的受害者希望公安消防部门能够准确、迅速地 完成火灾调查，给出火灾调查结论。同时，在由火灾引起的民事诉讼和行政诉讼 中，火灾调查过程及结论也往往会成为争议的焦点。做好火灾调查工作，提炼相 关证物，给出准确合理的结论，为司法在确定火灾责任人，确定责任人过失等工 作提供最直接的技术和证据支持。同时，能否正确开展火灾调查，找出火灾发生 原因，确定火灾责任，将直接影响到消防部门在公众心中的形象【5 4 1 ，正确开展火 灾调查研究工作，对消防法律法规和技术规范的制定也具有重要的意义。“眼看、 手摸、鼻子闻”的经验型的火灾原因认定已不能满足当前形势下的火灾调查工作 的需要，火灾事故调查工作的地位日趋突出。火灾事故调查的准确与否，也往往 会成为火灾事故引起的民事诉讼和行政诉讼中争议的焦点。这就对火灾事故调查 工作提出了更高的要求，应该建立起一套完整、科学的火场勘查和技术鉴定的火 灾原因调查体系拍朝火灾后利用技术手段对火灾进行重构，认定火灾原因，重现火 灾场景，明确事故责任，无疑对国家安全、社会稳定、相关法律法规的指定和同 类灾害的防治均具有重要的意义，是火灾研究工作者们必须面临的重要课题之一。 1 3 国内外研究进展 火灾物证的实验室分析鉴定火灾调查中的一个重要组成部分，是根据火灾的 特点和规律，采用各种分析方法和技术手段，对火灾物证进行物理、化学、光学、 机械、结构、形态等方面的检测，根据对检验结果的分析和判断，得到证明火灾原 因、引火物种类、起火方式、火灾温度等有关信息的直接或间接证据的分析。在 火灾调查中，只有经过分析鉴定，具有证明作用的物证才能作为认定火灾原因、火 灾性质和处理火灾责任者的依据和司法诉讼的证据。 火灾物证分析鉴定目前主要方法有化学分析鉴定，金相法，热分析，剩磁检 测，炭化导电测量，法医检测，力学性能测定等方法。在借助分析仪器来对火灾 现场物证分析的这个问题上，各种方法都有着自身的特点，同时火灾的种类也名 目繁多，各种火灾发生后现场的残余物也是各有个的特点。所以需要根据特定的 火灾现场来选择不同的分析方法。 第一章绪论 1 、金相分析技术是依据同一种金属在经过不同的加热、保温、冷却等一系 列热处理后形成的不同金相显微组织状态，鉴别出熔化性质的分析方法。除了通 过可以金相分析来鉴定电气火灾【5 6 - 5 7 】外，同样也可以利用金相法对矿井底的金属 结构的分析来调查矿井火灾【5 8 】。e u i p y e o n gl e e 等人，采用x 射线色散分析和 电子扫描显微镜，分析电器线路上的碳化残留物物质结构，证明了，短路引起的 火灾及其碳化物结构为石墨化碳和非晶碳，而非火源电线上碳化物仅包含非晶碳。 2 、热分析是测定物质的任意物性参数对温度的依赖性的一类有关技术，统 称为热分析，热分析记录称为曲线【5 9 】。其中，应用最广泛的是热重法( t g ) 、差热分 析( d t a ) 和差示扫描量热法( d s c ) ，这三种方法构成了热分析方法的主体【6 。通过 热分析可以判定火灾现场残留物的受热温度，可以测定火场的温度分布，继而可 以判断火源的位置。该方法可用于火灾现场残留的固体，如水泥，钢筋混凝土【6 卜6 3 j 等等。另外热分析还可用于火场中常出现的高分子聚合物m 舶】等，中国科学技术 大学火灾科学国家重点实验室的时虎，赵华伟，胡源等人研究了超薄型钢结构防 火涂料对钢结构在受热情况下的情况，并与裸钢的情况相比较，指出了钢结构的 防火的重要性峥。 3 、其他的火灾物证鉴定方法在应用方面也有着初步的研究，如广西玉林市 公安消防支队的王小勇利用剩磁检测技术在电气短路火灾鉴定上的应用，论述了 剩磁检测技术在电气短路火灾鉴定中的运用范围、判断标准、操作方法等，为电 气短路火灾的鉴定提供了依据【6 8 】；中国人民武装警察部队学院的任松发和济南市 消防支队的任汉信探讨了在火灾中形成的塑钢炭化物和木炭的导电性能，揭示了 其随着受热温度的升高和受热时间的增长而增强的规律，为火灾调查人员利用测 定火灾中塑钢碳化物的电阻值来分析火灾现场温度和判断或是蔓延方向、起火部 位、起火点提供了一种实用的方法【6 9 7 0 j 。 1 4 研究思路和目标 火灾调查中可研究和待改进的地方很多，本文尝试从金相分析、烟熏图痕和 火灾数值重构方面开展探索性研究。本文的研究目标是，通过调研，找出当前火 灾调查工作中存在的问题，找出其中亟须解决的关键问题，利用多种研究手段， 对电气火灾中的金相分析方法作出改进，同时，分析研究火灾图痕的形成机理以 及形成规律，并建立相关数值预测模型，开展相关实验研究，并将模拟结果与实 验结果进行对比，以确保所建立数值模型的正确性和实用性。 根据以上目标，本文的研究思路如下： 6 第一章绪论 1 对电气火灾及相关金相分析研究进行调研，并对数字图像处理技术进行 研究，找出适合用于提取金相图中晶格边界的图像分割方法，并结合相关的数字 形态学方法，过滤冗余信息，提取出金相图中每个晶格的结构特征。 2 采用主成分分析法对多种描述子的重要性进行筛选，找出影响晶格自动 分类的关键描述子，并对其进行聚类分析及f i s h e r 判别，以实现对品格的高准确 率的分类。 3 从理论角度分析火场中的烟气颗粒受力模型，继而得出其运动学特征， 研究壁面黏附机理，提出和建立烟气颗粒壁面黏附模型。 4 开展相关实验研究，改变火源功率等边界条件，研究壁面痕迹随这些因 素的变化规律，并针对实验工况，利用建立的烟气颗粒黏附模型进行数值模拟， 并将模拟结果与实验结果进行分析和对比，以验证模型的有效性和适用性。 5 针对某真实发生的火灾案例，引用改进后的金相分析技术，帮助确定火 灾原因。采用计算机数值模拟方法，对火灾过程进行重构，将重构结果与证人证 言进行分析比对，以验证火灾重构的正确性。同时，根据计算结果，改进建筑防 火方案，并对改进后的方案进行火灾预测，验证改进方案的有效性。同时，为该 类建筑的防火方案和火灾扑救方案提供参考和指导。 1 5 本文章节安排 根据研究内容和方法，论文的安排如下： 首先是绪论部分。包括本文的研究背景，当前火灾形式分析，火灾调查的若 干主要特征，以及国内外的相关研究现状。 第二章针对电气火灾以及金相分析方法，指出当前金相分析方法的弊端。采 用适当的图像分割方法，获取金相图中晶格结构，并采用合适的数字形态学手段， 对金相图中的冗余信息进行剔除。第三章采用主成分分析法、聚类分析和其他相 关方法对晶格实现自动分类。 第四章从理论角度出发，分析火灾场景中的烟气颗粒受力模型，并根据受力 模型提出相应的烟气颗粒壁面碰撞规律，提出颗粒黏附判据，建立相关模型，以 利于烟熏图痕的计算机数值预测。 第五章将开展相关实验研究，研究变边界条件对烟熏图痕的结构特征的影响， 同时，将实验结果与模拟结果进行分析比对，以验证烟熏预测模型的f 确性和有 效性。 7 第一章绪论 第六章将采用第二章的结果，对某实际发生的电气火灾进行原因认定和数值 重构，针对计算结果，提出改进方案，并对改进方案的有效性进行数值预测。 第七章是本文的总结与展望。 。 最后是攻读博士学位期间发表的论文。 参考文献 fl 】 f e d e r a le m e r g e n c ym a n a g e m e n ta g e n c y f i r ea r s o ni n v e s t i g a t i o nm a n u a l m n a t i o n a i e m e 唱e n c yt r a i n i n gc e n t e r 2 0 0 2 【2 】范维澄，王清安，姜冯辉等火灾学简明教程 m 】合肥：中国科学技术大学出版社1 9 9 5 【3 】 w i l m o tr t d i n f o n n a t i o nb u l l e t i no f t h ew o r l df i r es t a t i s t i c s z 】g e n e v a ：t h eg e n e v a a s s o c i a t i o n 2 0 0 2 f 4 r a m a c h a n d r a j lg t h ee c o n o m i c so ff i r ep r o t e c t i o n m 】l o n d o n ：e & f ns p o n ；19 9 8 【5 】 g c o x f i r er e s e a r c hi nt h e2ls tc e n t u 叮【j 】，f i r es a f e t yj o u m a l ，19 9 9 3 2 ：2 0 3 219 【6 】全国火灾统计年鉴2 0 0 0 2 0 0 1 2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 2 0 0 5 2 0 0 6 【7 】范维澄，孙金华，陆守香等火灾风险评估方法学【m 】，北京：科学出版社2 0 0 4 【8 】姜文源建筑灭火设计手册【s 】北京：中国建筑工业出版社1 9 9 7 【9 】 b u k o w s k ir w h i s t o 巧o f n b s n i s tr e s e a r c ho n ：f i r ed e t e c t o r s ，1 2 t h i n t e r n a t i o n a i c o n f e r e n c eo na u t o m a t i cf j r ed e t e c t j o n ，m a f c h 2 5 _ 2 8 ，2 0 01 ，n a t i o n a l j n s t j t u t eo fs t a n d a r d s a i l dt e c h n o l o g ) ，g a i t h e r s b u r g ，m a r y l a n du s a 10 】n o t a k eh ，e b i h a r ama n dy a s h i r oy a s s e s s m e n to fl e g i b i l i 锣o fe 目e s sr o u t ei nab u i l d i n g n o mt i ：i ev i e w p o i n to f e v a c u a t i o nb e h a v i o r s a f 色t ys c i e n c e 2 0 0 1 3 8 ( 2 ) ：1 2 7 1 3 8 【11 】j o n e sa ，n o l a npf d i s c u s s i o n so nt h eu s eo ff i n ew a t e rs p r a y 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ec y c l e ：ac o m p u t a t i o n a lp e r s p e c t i v e e c o l o g i c a l m o d e l i n g ，2 0 0 2 1 5 4 ( 1 - 2 ) ：1 0 3 一1 2 0 【l8 】h o l b o m apg ，n o l a n apf ，g o i t bja n dt o w n s e n d bn f i r e si nw o r k p l a c ep r e m i s e s ：r i s kd a t a f i r es a f e t ) ，j o u m a l ，2 0 0 2 3 7 ( 3 ) ：3 0 3 3 2 7 【l9 】h o l b o m ap g ，n o l a n ap f a n dg 0 1 t bj a na n a l y s i so ff a t a iu n i n t e n t i o n a ld w e i l i n g 矗r e s i n v e s t i g a t e d b yl o n d o nf l r eb r i g a d eb e t w e e nl9 9 6a n d2 0 0 0 f i r es a f e t y j o 啪a l ，2 0 0 3 3 8 ( 1 ) ：1 - 4 2 【2 0 】l i z l o n gy ，x i a o d o n gz ，z h