用科技“智”服火灾——记香港理工大学助理教授黄鑫炎

王艳敏

黄鑫炎

数十万年前，猿人就学会以火来狩猎、取暖、制作熟食。而刀耕火种和冶炼技术开启了人类文明。到18世纪的工业革命时期，火点燃煤炭，带动了蒸汽机。今天，火的使用遍布能源、化工、航天等各个领域。然而，当用火发生失控，就会造成火灾；“灾”字中的“火”，就反映了人们对火的天然恐惧。仅2021年，我国就发生各类火灾约75万起，造成近2000人遇难、直接财产损失超过67亿元。全球每年的消防开支和火灾损失平均要占到GDP的1%。因此，探索火灾科学，至关重要。

来自香港理工大学（以下简称“港理工”）的黄鑫炎从小就是村里带头玩火的顽童，对火有着无限的热情。自海外求学十余年来，他的研究涉及火灾动力学，林火生态学、智能消防和能源安全等多个领域。他直面火灾中最复杂的交叉科学问题，积极应用人工智能和数字孪生等最新技术，推动消防工程的产学研合作，合著了百余篇《科学引文索引》（SCI）论文，获得国际燃烧学会、国际火灾安全学会、国际消防工程师学会的杰出青年科学家奖等多项荣誉；他富有社会责任感，充满服务精神，担任消防部门和高等法院的顾问，常年为政府、企业和市民提供科学专业的建议；同时担任多本学术期刊的副主编，更是学界公认的“积极、细心、有责任心的审稿人”。对黄鑫炎来说，无论是研究火灾科学，还是教书育人，他都在追求创新和卓越的过程中燃烧自己。

名师引导，薪火相传

黄鑫炎从小就喜欢物理，高中时受班主任蒋杰老师的鼓励，参加物理竞赛，自学了大学物理，因为痴迷热学，报考了东南大学的热能工程专业。大三那年，他参加学校的本科生科研计划，与舍友一起研究太阳能光热发电，发表了两篇SCI论文，展示出非凡的科研潜力。“考上大学后我曾陷入迷茫，混社团混日子，挂过科。而科研的机会再次激发了我的学习热情，把专业课翻出来重学，苦练英语，申请留学。”浪子回头，毕业后黄鑫炎进入美国加州大学圣地亚哥分校（UCSD），机缘巧合成了燃烧学泰斗福尔曼·威廉斯（Forman Williams）院士的最后一名硕士生，开始研究燃烧和火灾。

在阳光充沛、气候宜人的南加州，黄鑫炎度过了一段毕生难忘的科研时光。两年时间里，他每天跟着师兄迈克尔·高尔纳（Michael Gollner）——现加州大学伯克利分校教授做实验，而实验室对面就是Williams教授的办公室，师兄弟俩每天都可以和导师喝下午茶，问各种傻问题。“可能是被国内浮躁的心态影响，原本我留学是想搞点速成的技术，比较功利。出国了才发现做科研可以这么纯粹。”80岁的Williams教授依然保持着像孩童一样的好奇心，不断提出新的方法和理念。他每日清晨8点就准时坐在书桌前，比许多学生都勤奋。徜徉在这种纯粹的科研氛围中，黄鑫炎忘却了此前不成熟的想法，开始静下心来踏踏实实做基础研究。

2012年硕士毕业后，在老师和师兄的推荐下，黄鑫炎前往英国帝国理工大学攻读博士学位，师从年轻的吉尔莫·瑞因（Guillermo Rein）教授，研究燃烧学和林学的交叉领域——阴燃林火。阴燃，一种低温无焰的缓慢燃烧，如生活中常见的香烟、线香和木炭的燃烧，大部分火灾也都始于阴燃。“以森林中的泥炭火为例，阴燃火会在地下土层中蔓延，持续燃烧数月甚至数年，每年产生的碳排放，相当于欧洲所有的碳排放，并形成雾霾，危害公众安全和健康。”黄鑫炎对自己在英国的研究经历感触很深。“英国的科研极具全球视野，政府会资助科学家研究东南亚的森林火灾，因为这些火灾造成的碳排放会加速气候变化，是全人类面临的共同挑战。”

来自西班牙的Rein教授有着南欧人特有的豪爽和激情，这份乐观到今天也深深地影响着黄鑫炎的科研日常。在帝国理工大学，刚开始研究阴燃火灾时并不顺利。“博一时，我的实验数据违背‘常理’——燃料越潮湿反而烧得越快。我怀疑自己做错了，于是着了魔似地没日没夜重复实验，最后老师发现了我的异常。” Rein教授了解情况后，禁止黄鑫炎进入实验室3个月，并要求他出去访问交流，换换心情，回来再思考。

后来，黄鑫炎去了新加坡国立大学和中国科学技术大学访学，回到英国后，虽然依然无法解释自己的实验，但是能淡定地从新的角度推进自己的博士研究，开发了首个可以准确描述阴燃林火的数值模型。“博士毕业两年后，再回头看那些实验，我才想明白其中的科学原理，而这已经是5年后的事情了。我后来把这些实验和机理写出来，意外拿到了英国物理学会的最佳燃烧学论文奖。”让子弹飞一会儿，不要太着急，尤其是基础研究，并非一朝一夕之功，思路不顺的时候不要钻牛角尖，这是Rein教授对他的忠告。现在，黄鑫炎也这样教导自己的学生，“在港理工，我的博士生基本都是几个项目穿插着做，经常出去交流开会，这样有助于激发新的思维”。

前排左起黄鑫炎、Rein教授、Pello教授、Williams教授

在英国，黄鑫炎经历了更完善的科研训练，特别是认识到了宣传和转化科研成果的重要性。他的博士研究成果在《燃烧和火焰》（Combustion and Flame）、《国际野火期刊》（Int J Wildland Fire）等知名期刊发表，获得了国家优秀自费留学生奖、英国帝国理工大学最佳热流体博士论文奖、卡塔尔石油优秀博士研究奖、英国燃烧学会最佳论文奖，以及多次国际会议最佳展板奖和科普作品奖。2015年在习近平总书记访问英国期间，黄鑫炎作为留学生代表，受邀参加了英女王举行的欢迎阅兵仪式。

2015年年底，黄鑫炎前往加州大学伯克利分校卡洛斯·费尔南德斯-佩洛（Carlos Fernandez-Pello）教授课题组继续博士后研究，和美国国家航空航天局合作研究太空微重力环境下的燃烧实验和国际空间站的消防设计。如今回到祖国，他也积极参与中国的太空燃烧实验，并向天宫空间站提出新的实验方案。“当年是赶上了中美科研合作最后的蜜月期，如今的美国完全禁止了中国学者接触任何太空项目。”美国国家航空航天局富于开拓精神，敢于尝试各种新创意，更能连续30年支持一个科研方向，黄鑫炎对此甚为感慨。2017年的一天，原本计划继续留在美国深造的他，突然收到8位教授内容相同的邮件——“香港理工大学在招火灾方向的老师，你是最合适的人选。”港理工是亚洲最早开展火灾研究的机构之一，研究实力雄厚，从未去过香港的他，由此回国开启了一段新的科研征程。

立足香港，面向全球：做中国最国际化的火灾研究

香港是全球人口密度最高的地区之一，土地稀缺、人口稠密，造就了高楼林立的城市景观，对建筑消防研究的需求十分强烈。随着智慧建筑、人工智能、机器人和物联网的发展，“智慧消防”的概念逐渐成型。加入港理工建筑环境及能源工程学系，黄鑫炎很快和本地的建造业和消防部门合作，开发基于人工智能物联网的智慧消防系统，目前他的团队已经是相关领域全球的领头羊。“火灾研究大部分都在考虑保护建筑和内部人员的疏散，很少考虑消防救援人员，我想为那些进入火海的英雄做点事。”在香港主题研发计划的支持下，他的团队正在开发最新的火灾数字孪生系统、火场预测系统以及智能消防机器人，以期为那些冒着生命危险进入火场的消防人员，提供重要的信息和额外的保护。

早在读本科时，黄鑫炎就有一些不成熟的创业想法。经过在基础科研领域的多年沉淀，如今的他更有信心开展产学研合作。“我一直鼓励应用实验室的新技术去创业，做出新产品去改变世界。”2021年，他指导的博士生黄灏贤就基于实验室中最新的智慧消防物联网系统，开发了“智慧动态应急逃生指示牌”。跟普通指示牌相比，这项产品的亮点在于，当发生火灾时，指示牌可以根据人工智能对火灾发展的预测，动态显示最快最安全的逃生路线。目前，这项技术已收到了天使投资，在做示范工程，很有市场前景。黄鑫炎期待未来所有的新楼中都安装上智慧消防系统，进一步降低火灾中的人员伤亡。

“我有一个在职博士生是外企的消防工程师，工作繁忙经常加班。后来我发现，她的工作很多都是重复性的，如果利用人工智能的方式将其自动化，就可以节省时间做更有创造性的工作。”于是，黄鑫炎指导这名学生一起开发了智慧消防设计，以此快速判断建筑是否达到消防要求。“消防工程其实是一个很保守的行业，涉及安全问题，每一步都走得比较谨慎。面对高新科技，它更追求可靠性，许多成果要很多年之后才能应用。”但是黄鑫炎相信，随着人工智能时代的到来，即使是保守的消防领域也将迎来翻天覆地的变化。“我相信方向是对的，虽然目前智能工程设计还处在初步阶段，但是普及之后，对减轻工程师的负担，提高建设进展和消防安全十分有意义。”

随着中国近年来基础设施建设的突飞猛进，消防安全也面临巨大的挑战和机遇。“我国的工程师都极具创造性，再复杂的基建都能解决消防问题，但这些重要的经验并没有被转化成新的国际标准。”黄鑫炎时常感叹大部分的火灾测试标准和消防法规都被英国和美国垄断，简单地翻译和抄录过来是知其然而不知其所以然。“这些差距不是靠论文灌水就能追赶的，需要全国的同行一起努力，抓住全球产业升级和‘一带一路’的基建机遇，推进中国的消防标准成为国际标准。”回国的这几年，黄鑫炎基于香港国际化的独特优势，与美国消防协会合作梳理全球的消防法规，和内地消防机构探究大湾区协同的消防法规，合作制定电池热安全的国际标准，努力向全球推广中国主导的工程新标准。

相比于建筑火灾，在森林火灾的研究方面，我国和世界最前沿的差距更大。“十年来参加了不少顶尖的森林火灾国际会议，我基本上都是会场上唯一的亚洲面孔，挺孤独的，中国的研究完全没有存在感。”自2021年起，黄鑫炎成为国际林火学会中唯一来自亚洲的理事。“目前，基本没有重要的国际林火会议在亚洲召开，理事会的例会都安排在北京时间凌晨5点，现在我们没有话语权，需要大家一起努力。”他一直鼓励国内同行多开展国际合作，积极对外宣传我国林火研究的成果。

2017年，黄鑫炎回国后，第一时间开始关注我国林区的阴燃火灾现象，近年来北方林区发生的越境火、西南林区导致很多消防员牺牲的“爆发火”都和阴燃有密切的关系。他主持的第一项国家自然科学基金面上项目就是借鉴恩师Williams教授在20世纪80年代提出的经典燃烧理论，改进并发展了阴燃点火和熄火的两个基本准则。北方林区人烟稀少，地下的阴燃火灾难以被发现和扑灭。在一项最新的研究中，黄鑫炎和团队揭示了近年来北极高频的林火与全球变暖的相关性，发现了冻土阴燃导致的碳排放接近全人类碳排放的2%，相关成果已经被加拿大林业局的标准林火模型采用。此研究既是为了警示少有人关注的北方林区阴燃火，也是为了致敬几位恩师多年的教导。

此外，黄鑫炎还在积极推动智慧消防系统在森林火灾中的应用，并和国内外的科研机构共同研发林火的数字孪生系统。“我希望能够为中国的林区建立完善的火灾监测网络。这是一个包括地面的监测站、飞机、无人机，以及卫星等不同层次的监测网。这也许很难，但是坚持10年、20年，一定会建成。”

教书育人，服务社会

先后在国内外多所高校学习和科研，黄鑫炎最大的体悟就是，要活到老，学到老，创新到老。“科研工作漫无止境，几十年如一日难免会疲倦，所以要保持好奇心，不断激励自己。也许回头发现自己做的大部分研究都没有人关注，短期内也不会应用。但是只要内心坚信，那是有意义的，就应该坚持做下去。”这些年，他就是怀着这样的初心做科研，并投入了很多精力在科普。黄鑫炎每年组织十多次面向公众的火灾演示实验，鼓励学生每周写科普文章，他的消防科普公众号“理大火灾安全科学”目前有近2000人关注。同时，他还要求学生每年都要参加国际会议，毕业前至少要出国交流半年。“很多中国学生喜欢埋头做实验和写文章，看着勤奋，实则懒惰，内心害怕出国交流和宣传，最后变成了‘内卷’。”黄鑫炎坚信，只有具备全球竞争力才能突破“内卷”，要去国际上争夺资源。

自学生时代起，黄鑫炎陆续担任了50余本期刊近500篇论文的审稿人，多次荣获同行评议的奖项。他对这项没有报酬的服务怀有极大的热情，一方面因为评审的过程可以提高自己的写作和见识，另一方面则因为同行评议是科研的基石，更是每个科学家的基本责任。教学科研之余，他还担任特区政府消防规范与技术顾问和高等法院火灾调查专家。“在顾问委员会，我经常会审理地标建筑的消防设计，这个过程通常十分漫长。”例如有个重要的基建项目，因为消防设计不能达成共识，工程咨询公司先后改了4轮，两年多才通过审批。“工程方想在消防方面省钱，政府公务员则怕发生火灾后被追责，所以作为第三方专家，我需要做出科学而中立的评估，提高审批效率。否则工程无限期地拖延下去，最后吃亏的还是市民。”

黄鑫炎的火灾调查经历始于一通来自法律援助部门的电话，一个纵火案，两条人命。“我第一次参与火灾调查，就遇上了重大刑事案件，法庭寄来了约2000页材料，我花了很多时间撰写调查报告，至少把我所学都用上了。”作为调查专家，他要结合间接证据和科学分析给陪审团和法庭提供一些不同的视角，他十分欣慰自己能学以致用。“我有时候想，如果因为我提供的专家证词，让一个杀人犯逃脱了制裁，我良心何安？或让一个无罪之人进了监狱，我又将如何自处？但如果害怕承担这份社会责任，这么多年学问也白做了。”他时刻谨记科研经费都是纳税人的血汗钱，知识成果都要回馈社会。

求学阶段良好的师承和科研训练，让黄鑫炎受益终身，更让他十分重视教书育人。“再伟大的研究最后也就是教科书上的一行字；作为老师，有教无类才是根本。我不希望学生变得跟我很像，每个人都有自己的个性特色，有了科学素养，做什么都有意义。”目前，他在港理工同时教授本科、硕士、博士的专业课和通识课，特别注重本科生通过科研项目来理解知识点。他指导的多名本科生，做毕业设计时发表SCI论文，获得全额奖学金在剑桥大学、加州大学伯克利分校、宾夕法尼亚大学攻读不同领域的博士。指导的博士生和博士后有的在澳洲任教，在“985”高校做博士生导师，也有的在全球顶尖名校进行博士后研究。“当我国培养的博士能去国外一流大学做老师，当全世界优秀的学生都想来中国留学，国家就真正强大了。”黄鑫炎深感这个目标的实现道阻且长。

黄鑫炎（左四）和学生参加香港工程师协会的颁奖晚宴

目前，黄鑫炎团队有博士生、博士后和研究助理约20人，探索与火灾相关的不同方向。“我带团队的风格，一般是让所有人都有自己独立的研究课题。有新想法时，几个人可以自由组队，随时做全新的研究。团队成员彼此独立又相互支持，共同进步。”为了促进学生与学术圈的交流，他鼓励学生创建了国际消防工程师协会的香港学生分会，是此协会的第一个亚洲学生分会。“学生每个月都会组织国内外的专家讲座和学术沙龙，因为表现突出，已经连续两年获得优秀分会金奖了。我为他们骄傲。”

未来，黄鑫炎希望继续带领团队深耕火灾中的交叉科学和产学研合作。同时，联合学界业界一起推广新的消防理念和技术，推动中国制定的国际标准。“在火灾科学和消防工程领域，我们还与国外有较大的差距，很多人习惯性地跟随国外，不敢创造。希望经过我们这一代人的努力，逐步改变这种局面，让下一代人有更淡然的心，去引领世界的变革。”