范維澄：我國安全學科“十四五”發展戰略研究

我國安全科學與工程學科“十四五”發展戰略研究

范維澄¹ 苗鴻雁² 袁 亮^{3, 4} 周福寶^4* 張來斌⁵ 劉乃安⁶ 鐘茂華¹

1. 清華大學 公共安全研究院，北京

2. 國家自然科學基金委員會 工程與材料科學部，北京

3. 安徽理工大學 安全科學與工程學院，淮南

4. 中國礦業大學 安全工程學院，徐州

5. 中國石油大學（北京） 安全與海洋工程學院，北京

6. 中國科學技術大學 火災科學國家重點實驗室，合肥

范維澄 中國工程院院士，清華大學公共安全研究院院長。國家減災委專家委委員、國務院學位委員會“安全科學與工程”一級學科首屆評議組召集人、國家中長期科技發展規劃（2021—2035）戰略研究公共安全專題專家組組長、十三五科技部重點研發計劃重點專項“公共安全風險防控與應急技術裝備”和“科技冬奧”專家組組長、住建部城市安全與防災減災專業委員會主任、工信部安全產業聯盟理事長、全國公共安全基礎標準化技術委員會主任委員。主要研究領域：公共安全動力學演化、風險評估、監測監控、預測預警與應急管理的理論、技術及其綜合集成；火災動力學與防治技術。獲國家科技進步獎一等獎1次，二等獎2次；國家級教學成果一、二等獎各1次；全國五一勞動獎章、亞澳火災科學技術學會首屆終身成就獎、2018年度國際埃蒙斯獎。

周福寶 中國礦業大學教授、博士生導師。長江學者特聘教授、國家杰出青年科學基金獲得者，國務院學位委員會“安全科學與工程”一級學科第八屆評議組聯合召集人，“煤礦瓦斯與煤自燃防治”教育部創新團隊帶頭人。主要從事工礦安全與職業健康方向研究。承擔國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金多項課題，獲國家科技成果獎二等獎4項，第一完成人授權發明ZL58件，以第一/通訊作者發表論文100余篇，獲中國工程院光華工程青年獎、騰訊科學探索獎、國家有突出貢獻的中青年專家等。

摘 要

在安全科學與工程學科發展現狀與發展布局的基礎上，根據學科發展規律與發展態勢，結合學科發展的自身特點和未來五年我國經濟社會發展的需求，提出了“十四五”期間安全科學與工程學科向公共安全“大安全格局”發展的目標，梳理出7項應加強的優勢方向、7項需培育的發展方向、5項應促進的前沿方向、6項鼓勵交叉的研究方向，并凝練出5項“十四五”優先發展領域和4項“中長期”（2035）優先發展領域。具體給出了安全科學與工程學科交叉發展與國際合作前沿的具體方向。

關鍵詞：安全科學與工程學科；發展戰略；“十四五”；學科交叉

安全科學與工程學科（以下簡稱“安全學科”）是研究人類生產及生活過程中事故、災難的發展機理和規律及其預防與應對的科學體系。研究對象為工業生產、自然環境、社會生活等領域的各種事故、災難。研究內容主要包括事故、災難的孕育、發生、發展的機理和規律，預防、控制、應急等技術原理和方法，后果及其影響分析、防控方法優化等^［1］。安全學科綜合性強，應用領域廣（礦業、冶金、化工等），和其他相關學科間存在明顯的相互交叉、相互支撐和促進特征，涵蓋了公共安全、礦業安全、工業安全、火災安全、爆炸安全、建筑安全、石油安全、化工安全、交通安全、航空安全、城市安全、安全技術等領域，包含了礦山災害動力學理論與防控方法、職業危害機制、個體防護與災害醫學、工業爆炸與防治、風險評估與災害模擬、安全監測預警、災害綜合應急、城市公共安全、地下空間安全、隧道火災與爆炸等多科學與工程方向^{［2, 3］}。

習近平總書記在中央政治局第二十六次集體學習時強調，堅持系統思維，構建大安全格局。安全學科逐步面向公共安全的大學科發展，概括了自然災害、事故災難、公共衛生事件、社會安全事件等各個方面。突發事件的發生有孕育、發展、突變、成災的過程，需要精準把握突發事件發生發展的機理和規律，并以此為依據，進行風險評估與預防、監測預測預警、應急處置與救援、恢復與重建，實現有效防災減災。因此，需要健全公共安全體系，織密公共安全防護網^［4］。

在科技上，發展公共安全綜合風險評估、綜合防災和安全規劃等技術，研究重大基礎設施風險管控等理論方法體系和技術標準，構建全方位、立體化、多維度的災害綜合治理一體化安全網，提升公共安全的風險預防和管控能力。在管理上，需要推動公共安全領域的相關部門協同管理、相互配合，提高預警和聯動響應、應急處置能力；提升人民群眾的安全意識，將國家的公共安全決策轉化為全民維護公共安全的實際行動^［4-7］。

目前，我國社會正處于高速發展期，工業化、城市化進程快速推進，產業不斷轉型升級，安全學科向公共安全的新發展更加顯著，新的安全事故、災難易發領域及職業危害增加，且伴隨全球科技化、數據化和智能化深入推進，多學科與技術變革融合成為必然趨勢^［8-11］，在大安全格局下快速發展公共安全領域，致使安全學科不斷突破傳統學科的局限，進入了全新的發展階段。在我國“十四五”發展階段初期，積極探討安全學科的發展方向和發展重點，尤其圍繞建設公共安全體系和防護網的核心內容，確定符合我國國情的安全科學與工程學科的“十四五”發展戰略，對促進我國安全科學與工程學科更快、更好的發展具有重要意義。

1 安全學科的發展特點和趨勢

安全科學與工程學科雖然是一門新興的綜合性交叉學科，但我國在事故、災難致災機理、發展規律及其防治等方面的研究隨著國家科技水平的提高越來越得到重視和發展。截至2020年，我國開設過“安全科學與工程”類本科專業的高校已有180多所，全國有碩士點66個、博士點27個（圖1），每年招收本科生、碩士生、博士生分別約為6000名、1200名和220名，高層次專業化人才隊伍已具規模。特別是近年來，我國在一些典型行業事故、災難的發生、發展規律和致災機理等方面取得了較為系統深入的研究成果。如在煤礦、建筑和石油等行業、火災和爆炸等事故防治方面的研究，處于國際先進或領先水平，并引領若干研究方向。目前，我國建有安全領域直接相關的國家重點實驗室共9個：中國礦業大學“煤炭資源與安全開采國家重點實驗室”、中國科技大學“火災科學國家重點實驗室”、北京理工大學“爆炸科學與技術國家重點實驗室”、重慶大學“煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室、北京交通大學軌道交通控制與安全國家重點實驗室、中煤科工集團沈陽研究院煤礦安全技術國家重點實驗室”、安徽理工大學“深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室”、中國石化青島安全工程研究院“化學品安全控制國家重點實驗室”、中煤科工集團重慶研究院“瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室”。此外，還包括中國安全生產科學研究院、清華大學公共安全研究院、中鋼集團武漢安全環保研究院、徐州國家安全科技產業園、安全與應急國家技術創新中心（籌）等多個研究院所。另有多個省部級、校級重點實驗室或研究中心等，共同構成了安全科學與工程的研究體系。

圖1 安全學科博碩學位授予點數變化規律

安全科學與工程學科既不單純屬于自然科學領域，也不單純屬于社會科學領域，其具有很強的學科綜合交叉性^［12］。安全科學與工程的應用領域涉及到社會文化、公共衛生、行政管理、檢驗檢疫、能源、消防、冶金、礦業、石油、土木、交通、運輸、航空、機電、食品、生物、農業、林業等多個行業乃至人類生產和生活的各個領域^［13］，并且與上述各學科相互交叉。具體單從自然科學范疇來看，本學科應歸屬于礦業、冶金與安全領域，和其他與安全相關的學科之間亦存在明顯的相互交叉、相互支撐和促進特征。

（1） “復雜性”成為安全學科未來發展所面臨的嚴峻挑戰

安全科學與工程學科是從礦業工程的二級學科（安全技術及工程）發展成為一級學科，因此，按照學科發展脈絡以礦山安全為起點，發展面向冶金、石油、化工、材料等工業生產為導向的生產安全、面向包括礦山安全在內的工業生產職業危害因素（如粉塵、高溫、噪音等）防治為導向的職業危害防控，并結合礦山地下工程學科優勢拓展到城市地下空間和隧道（如海底隧道、川藏鐵路等）、地鐵、城市燃氣管道、城市水源等重大基礎設施安全。此外，風險評估、監測預警和應急救援是安全科學與工程學科共性的內涵和研究基礎。上述研究領域和研究內容形成了安全科學與工程學科的縱向和橫向脈絡，系統復雜性成為安全學科發展的新挑戰（圖2）。我國安全學科在礦產資源方面已從淺部向深部開采新問題延伸，災害重心從礦井瓦斯、火向通風和職業危害偏移、從礦業安全向城市地下空間安全擴展、從事后災害治理向事先風險評估和監測預警發展（圖3）。

圖2 安全學科發展規律

圖3 安全學科發展態勢

（2） “新技術融合”成為安全學科未來發展所需解決的重要難題

當前以物聯網和智能制造、智能控制為主導的工業變革，正在深刻影響今后的全球工業產業布局。信息化、智能化、綠色化迅速向各學科領域滲透^［14］，帶動產生各種新的活動領域和合作形式。安全學科逐步呈現系統復雜性、多災種耦合性和大數據性、安全控制技術由災害治理向風險評估和監測預警前移，安全應急救援逐步呈現遠程化和智能化。因此，以信息化、智能化、綠色化為創新驅動的新技術融合發展將極大提升安全學科的原始創新力，是學科未來發展急需解決的重要難題。

（3） “多領域交叉”成為安全學科未來發展的必然趨勢

安全科學與工程學科本身是一門新興的綜合性交叉學科，涉及公共安全、礦業安全、工業安全、火災安全、爆炸安全、建筑安全、石油安全、化工安全、交通安全、航空安全、城市安全、安全技術的12個領域，在多災種耦合致災演化機制、風險評估與災害模擬、安全監測預警、災害綜合應急等關鍵理論與技術上，各領域相互重疊交叉，因此進行“多領域交叉”成為安全學科各領域未來協同發展的必然趨勢。

2 “十四五”發展目標及優先領域

根據國內外安全工程學科發展的趨勢和需要解決的科學問題，加強安全工程學科基礎理論研究，形成支撐安全工程智能化的基礎理論體系，加強相關理論、學科、技術等交叉，實現安全科學理論系統化、安全工程技術智能化、人才平臺國際化。產出一批國際領先的安全科技成果，培養成一批國際知名的安全工程學科學者、專家、學術帶頭人，建成一批國際一流的安全工程學院平臺，廣泛推進國際性學術交流，引領世界安全工程學科發展。

（1） 完善安全科學與工程學科體系，滿足社會發展的需求，形成完善的中國特色社會主義學科標準理論與人才培養體系，并逐漸被世界各國采納。進一步完善的學科知識體系、知識結構，初步建成科學合理的本科、碩士和博士培養目標和培養方案，適應我國社會發展對安全人才的需要。優化合并或新建相關的學科方向，推動安全學科的持續創新發展。建設完成安全科學、安全技術、安全系統工程、安全應急與管理、職業安全健康等方向完善的科學理論體系和成熟的學科人才培養機制。形成15~20個創新研究群體，在清華大學、中國科學技術大學、中國礦業大學、中南大學、中國石油大學（北京）以及其他科研院所形成具有一流創新能力的研發隊伍。建設完成一批適用于各行業安全相關的技術、管理標準。

（2） 產出一批重大科研成果，原始創新能力大幅度提升。從風險評估、監測預警、綜合應急、安全防護上，在地下空間生產與利用、生產安全、重大基礎設施安全保障等方面形成成熟的科學理論和技術體系，產出對安全科學與工程學科發展具有推動作用的重大科研成果：建立跨區域大尺度火災動力學理論與防控方法，形成公共安全綜合保障的關鍵理論及技術，建設國際一流的生產過程安全綜合保障技術平臺，形成公共安全智能防控理論與技術^［4-7］。在風險評估與預防技術、監測預測預警技術、應急處置與救援技術、綜合保障技術等方面取得重大突破，構建安全技術體系^［15-17］，建立突發事件條件下地下空間災害演化平臺，形成公共安全生命線安全保障技術體系，城市公共安全防護與應急進入智慧化階段^{［18, 19］}。

（3） 培養一批優秀人才，國際影響力顯著提升。加強安全科學與工程人才培養力度，培養30~50名在國際上有影響力的科學家。加強人才的國際合作與交流，提升我國科學家的國際影響力。

（4） 建設國際一流的研究基地，科研條件顯著改善。充分發揮國家重點實驗室、高校和研究院所在基礎研究方面的優勢，加強研究平臺建設，建立 8~10 個具有國際影響力水平的安全科學與工程研究基地，開展國際交流與合作。另外，我國目前安全科學的研究已走向跨部門、跨專業、跨地區的聯合模式，加強科技資源的整合，提高安全科學領域組織重大科技活動的能力。

在安全學科發展現狀與發展布局的基礎上^［20］，根據安全學科發展規律與發展態勢，結合安全學科發展的自身特點和未來五年我國經濟社會發展的需求，提出了“十四五”期間安全學科發展目標。根據礦業與冶金學部中安全學科的發展特點，在礦山瓦斯、煤巖動力災害、礦井火災與水害、監測預警，地鐵火災與化學品安全防控方面提煉了7項優勢方向；根據我國安全學科發展不足，提煉出地下空間智能通風與災害精準預警理論與技術等7項薄弱方向；根據我國安全學科發展趨勢和社會經濟需求，提煉出多災種耦合孕災演化機制及智能防控理論等5項前沿方向；根據我國安全學科發展需求，提煉出地下空間重大事故防控理論與技術等6項交叉方向（圖4～圖7）。

圖4 “十四五”期間我國安全學科應加強的優勢方向

圖5 “十四五”期間我國安全學科應扶持的薄弱方向

圖6 “十四五”期間我國安全學科應促進的前沿方向

圖7 “十四五”期間我國安全學科鼓勵交叉的研究方向

根據未來5～15年我國經濟社會發展需求層次和科技發展水平，從上述發展方向中，凝練出5項“十四五”優先發展領域和4項“中長期”（2035）優先發展領域,如圖8、圖9所示。

圖8 “十四五”優先發展領域

圖9 “中長期”優先發展領域

3 安全學科交叉發展與國際合作前沿

3.1 地下空間重大事故防控理論與技術

隨著世界經濟的持續發展，地下工程（城市地下空間開發與利用、礦山資源深部開采）已成為未來世界工程建設的重點和發展趨勢^{［21, 22］}。在這些地下空間工程建設中，由于建設規模大、地質條件復雜，巖爆、突水、地表沉陷、沖擊地壓、熱動力災害（火災與爆炸）等災害事故頻發，造成重大人員傷亡和經濟損失。地下工程重大災害孕育演化規律與成災機制、監測預警技術、關鍵控制理論與技術等已成為地下工程面臨的關鍵科學與技術難題。通過多學科交叉與融合探究地下工程重大事故防控理論與技術，對于推動我國乃至世界地下空間風險評估、災害預測預報、安全防控的新理論、新方法、新技術的創新與突破具有重要戰略意義。

由于地下工程中的復雜地質特征，地下工程中的重大事故災害防控理論與技術是世界各國必須共同面對的重大問題。發達國家高度重視并不斷加強地下工程重大事故災害風險防控科技創新能力建設，主要表現在：負責地質條件下事故災害風險識別評估與預警理論模型持續發展，地下工程建設與生產智能化能力不斷提高；事故災害全過程信息感知技術不斷完善，高精度、多維動態數據獲取能力持續提升；重大事故災害防控技術裝備不斷發展。目前，我國在地下工程建設和安全保障技術方面位居世界前列，當前我國在地下工程建設與生產中重大事故的防治與應急管理、風險評估、預測預報等安全科技得到了快速發展，應急處置能力不斷提升。

在地下空間風險評估方面：與發達國家相比，我國尚需在多災種致災理論、多技術協同防災及其影響機制等方面開展系統、深入的研究^［23］。目前，國內外學者對于事故、災難的研究大都局限于單個災種，對多災種共同作用導致的事故、災難的發生機理、發展規律及其預測預報、風險評估理論等方面的研究甚少，尚缺乏系統的知識結構和完整的理論體系；單個災種的信息數據庫及其背景數據庫比較完善，但多個數據庫數據共享、信息融合，特別是大數據挖掘分析等方面的研究開展較少，尚缺乏數據共享機制及信息融合與分析方法等。此外，多參數耦合作用下事故、災難的致災機理和發展規律等方面的研究亦需得到重視。我國社會經濟發展面臨的安全問題不但涉及面廣、影響因素復雜，且仍會有新問題不斷出現，這就要求該學科必須面向我國社會經濟發展的主戰場，進一步加強學科建設，培養更多亟需的高層次人才；持續銳意創新，深化認識各類事故、災難的致災機理和發展規律，完善相關理論和模型，特別是重視新問題、新情況的研究。

在城市地下空間開發利用方面：我國城市地下空間開發系統性仍舊不足^［24-28］，且目前主要集中于淺表層地下空間，對于地下空間的豎向分層規劃尚無明確思路，導致整體空間利用效率低，嚴重影響城市未來地下空間開發潛力。目前，上海、北京，提出了開發利用深層地下空間的需求，城市深地空間利用面臨復雜地質條件帶來的各類安全和污染難題，因此開展城市深地空間利用安全關鍵技術研究是我國大城市立體空間綜合利用的關鍵，具有很重要戰略價值。

地下空間重大事故防控理論與技術的主要目標是闡明城市地下工程建設與礦山深部資源開采的重大事故災害耦合成災機制，推進復雜地質條件下災情隱患超前識別、災中快速準確預測預警和高效應急處置技術發展，建立城市燃氣管道等地下重大基礎設施安全防控平臺，形成深部資源開采的復合動力災害、熱動力災害的防控體系。培養一批高素質地下空間重大事故防控研究隊伍，建設一定數量的地下空間重大事故防控理論與技術研發平臺。主要包括以下5個主體方向。

（1） 地下有限空間次生—衍生與多災種耦合致災機理和動力學演化；

（2） 多災害（火災、水災、地震等）作用下，深層地下空間的結構安全與人員逃生；

（3） 地下空間的智能化預防監控、災害預警、快速反應、應急決策與快速救援關鍵理論；

（4） 城市地下空間基礎設施（城市燃氣管道等）風險評估、安全運行與安全保障理論；

（5） 城市深地空間生命線安全保障技術。

3.2 事故災害大尺度模擬與仿真理論

安全事故的模擬與仿真可以解決復雜大系統問題及安全隱患^［29］。在安全專業涉及模擬與仿真的領域主要有火災模擬、爆炸模擬、泄漏模擬、擴散模擬及設計模擬。安全模擬與仿真學科發展前景廣闊，尤其伴隨著數字孿生，在未來的感知研究、人機交互界面、高效軟件和算法、廉價模擬仿真硬件系統以及智能虛擬人—機—環境都有廣闊的發展前景。

重大災害大尺度仿真與應急理論研究通過計算機、多媒體GIS等技術對各類重大災害發生過程、演化機制、影響因素和危害程度以及應急控制措施進行分析和評估。重大災害大尺度仿真與應急理論研究有利于對重大災害的監測監控、制定減災戰略、優化救災和重建資源的分配，科學決策抗災救災，對保護人民群眾的生命和財產安全具有重要意義。主要包括以下6個主要研究方向。

（1） 災害鏈的時空尺度演化與量化表征。

（2） 工業生產系統點、線、面災害事故情景構建方法。

（3） 重大災害演化、基礎設施風險評估與安全保障理論。

（4） 城市/城市群關聯基礎設施系統的相互關聯關系、級聯失效機理和大尺度仿真技術。

（5） 多災種綜合風險評估框架及災情風險評估指標體系。

（6） 多災種動態演化的災害仿真方法及平臺。

3.3 重大安全事故綜合應急響應理論與處置方法

隨著經濟發展和人類活動增加，重大事故風險加劇，災害損失呈現上升趨勢。國內外實例表明，快速、高效的應急響應體系和科學的應急處置技術是降低人員傷亡和財產損失的有效途徑。隨著我國社會、經濟、文化、政治的不斷發展，防災減災越來越成為民生改善、社會和諧的重要保障。在全球變化背景下，重大事故風險加劇，開展應急響應體系及處置技術是減少事故損失的關鍵，是構建國家公共發展戰略需要^{［1, 3, 4］}。國外對重大事故應急響應已有顯著成果。美國、澳大利亞、日本等建立不同等級的應急響應聯動體系，應急資源信息系統，快速、高效的應急響應系統為應急救援與現場處置、應急資源調配提供了技術支撐。

重大事故應急響應研究的關鍵科學問題是重大事故應急救援動態響應體系、多層次應急資源統籌優化配置、重大事故應急響應輔助決策等關鍵科學；應急管理理論與快速響應機制；重大災害事故跨部門、跨區域綜合協同聯動應急與疏散保障基礎理論；重大事故應急保障能力評價理論與方法；信息化和智能化預防監控、快速反應和應急決策方法等。其主要研究內容如下。

（1） 重大事故應急救援動態響應理論與方法：重大事故應急規劃與預案設計方法；重大事故優化處理邏輯方法；重大事故跨部門、跨區域應急協同聯動機制；重大事故急救援數據庫及信息動態管理系統。

（2） 多層次應急資源統籌優化配置理論與方法：多災種耦合應急資源需求預測；多層次應急資源統籌優化配置理論、模式和智能優化算法。

（3） 重大事故應急響應輔助決策系統：重大事故應急響應動態信息采集技術；重大事故應急響應勢態評估理論與方法；不完全信息下重大事故應急資源動態調度理論與方法；重大事故應急保障能力評價理論與方法。

4 主要結論

根據安全學科發展特點和國內外安全學科發展趨勢，可以得出以下幾點結論：

（1） 安全學科包含了礦山災害動力學理論與防控方法、職業危害機制、個體防護與災害醫學、工業爆炸與防治、風險評估與災害模擬、安全監測預警、災害綜合應急、城市公共安全、地下空間安全、隧道火災與爆炸等多科學與工程方向。

（2） 我國安全學科在礦產資源方面已從淺部向深部開采新問題延伸、從礦井瓦斯、火等災害向通風和執業危害偏移、從礦業安全向城市地下空間安全擴展、從災害治理向風險評估和監測預警發展。

（3） 安全學科逐步呈現系統復雜性、多災種耦合性和大數據性、安全控制技術由災害治理向風險評估和監測預警前移，安全應急救援逐步呈現遠程化和智能化。在多災種耦合致災演化機制、風險評估與災害模擬、安全監測預警、災害綜合應急等關鍵理論與技術上，各領域相互重疊交叉。信息化、智能化等新技術融合和多領域交叉成為安全學科發展和原始創新力提升的必然趨勢。

（4） 地下空間重大事故防控理論與技術是學科交叉融合的一個具體方向，是提升我國工業及城市化進程安全的重要保障。事故災害大尺度模擬與仿真理論、重大安全事故綜合應急響應理論與處置方法是促進我國建設“世界一流安全學科”重要的國際合作前沿方向。

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