基于層次分析法的林業火險評估與預報研究

辛永振

(山東省濟寧市公安消防支隊市中區大隊，山東 濟寧 272000)

2013-03-21

辛永振(1982-)，男，助理工程師，主要從事消防監督管理工作。

基于層次分析法的林業火險評估與預報研究

辛永振

(山東省濟寧市公安消防支隊市中區大隊，山東 濟寧 272000)

應用層次分析法的相關理論，構建了林業火險評估與預報層次結構模型，建立了定量指標體系和定性指標體系。通過判斷矩陣確定各層次元素的重要程度,由隸屬函數計算出隸屬度，得到林業火險評估結論和火險預報。并以山東省濟寧市為例，對該層次分析方法進行檢驗，得到結果與實際情況相符。

山林火險;層次分析法;致災因子;預報

火災是對社會、環境及經濟發展影響范圍最廣和破壞性最大的一種自然災害。而近年來，人類活動對山林影響的加劇，更是提高了山林火災發生的可能性。當山林火災發生時，如何及時掌握火點周圍基本情況，采取科學有效的方法安全快速地撲滅林火，把火災所帶來的損失減少到最低程度，已成為當今山林防火領域的一個研究熱點。

目前，世界山林火災主要呈現以下特點：災難性森林火災較多，造成損失慘重，污染環境嚴重，燃燒排碳增加溫室效應；山林火災發生次數總體呈上升趨勢，燒毀山林面積增大；山林(森林)資源豐富的國家，其山林火災也比較嚴重；世界各地山林(森林)火災分布不均；火災隨氣候的變化而波動，受異常的高溫干旱天氣影響嚴重；特大森林火災難以控制；給社會和國家造成非常大的經濟和資源損失。

美國和加拿大在林火行為研究、火災預防、監測和撲救方面，一直走在世界前列[1]。目前美、加、澳、日等國均在火險季節發布中、長、短期的火險預報[2]。同時美、加率先建成2個火險預報系統，一個是全國性的火險預報系統，由氣象局主持，結合天氣雷暴預報等編制火險指標，并預防可能出現雷暴的地帶;另一個是地方性的火險預報系統。2個系統可及時、統一地發布全國范圍的火險預報和更方便、快速調配撲火經費及力量[3]。我國從20世紀50年代才開始進行林火的預防與檢測。1987年5月6日的大興安嶺特大火災，使得我國對火險的評估與預報有了足夠的重視。對林火的發生、發展不斷進行探索與總結，研究林火行為的特點，有針對性地加強林火管理，控制山林火災的能力得以不斷提高。周俊平[4]應用PID算法技術對包括林火自動報警、林區自動監控、指揮撲救預案等功能融合的應用系統進行了構建，實現了林區火情實時的數字化的監控。龐麗峰等[5]通過自主研發的林業GIS組件，構建了南寧市森林防火WebGIS系統，在火災應急指揮中發揮了重要作用。溫作民等[6]在對森林火災現狀和原因分析的基礎上，實現了對江蘇現行森林防火措施的評價，并提出了制定綠色防火規劃、農戶森林防火責任體系、森林火災保險、森林防火現代監測等構成的一體化體系。杜永勝[7]指出要加大宣傳教育、預警響應、火源管控、火案查處等工作力度，提升了森林防火科學管理水平。段永清[8]指出林火監測也逐漸由原來的地面林火監測發展為高空航天遙感等林火監測。王秋華等[9]指出可燃物是林業火災的物質基礎，在研究火災發生環境的同時，也要更深入地研究可燃物的相關屬性。這些研究主要針對山林火險的監控與檢測，很少涉及林業火險的評估與預報，即使涉及到林業火險的預報，其考慮的因素也不夠全面。

層次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP)是指將一個復雜的目標問題作為一個系統，并深入分析該系統的各組成元素，同時，研究各組成元素的特性及其之間的相互關系。通過設定可以定量計算的指標，將復雜問題轉化為數學問題進行簡單計算，進而解決復雜問題的方法。該方法將半定性、半定量問題轉化為定量問題，并將各種相關因素按照一定的規則層次化。通過逐層比較各相關因素的重要程度，借助于定量計算，分析得出所對應目標的結果[10]。因此，將層次分析法應用到復雜的山林火險的預報是非常合適的。

基于現場實際調研和專家咨詢，建立林業火災風險評估與預報體系。通過對山林火災致災因子的分析，本文開展了基于層次分析法的林業火險評估與預報方法的研究。該方法的實施，有效減少了火災的發生率，具有重要的經濟和社會效益。

1 林業火險評估與預報方法的建立

1.1 林業火險評估與預報層次結構模型的構建

圖1 林業防火評估與預報的定量體系

圖2 林業防火評估與預報的定性體系

建立評價系統層次結構模型最重要的一步是確定各指標層元素，也是層析分析法運用的關鍵。對于林業火險評估與預報，其定量指標體系(圖1)和定性指標體系(圖2)均通過3個層次結構進行描述。圖1～2中，通過A、Bi(i=1、2、3)和Cij(i=1、2、3,j=1、2、……、6)，分別表示處于層次結構最上層的目標層、一級指標層和二級指標層。

1.2 林業防火比較判斷矩陣的構建

采用1～9標度法(表1)構建林業防火指標評價體系的判斷矩陣，判斷矩陣元素的值不同，體現了不同的判斷者對各因素相對重要性的認識不同。由不同的專家分別對各層次中各元素的相對重要性做出比較判斷，每位專家一共需要填寫7個不同的表格(其中，定量指標體系中4個，分別為B1、B2、B3和A；定性指標體系中3個)。最后，需要將各個專家打分的結果，進行平均后得到最終的7個判斷矩陣的結果。表2所建立的各一級指標層對應的二級指標層中各指標的判斷矩陣。

表1 1～9標度法(i=1、2、3)1表示兩元素相比，具有同等重要性3表示一個元素比另一個元素稍微重要5表示一個元素比另一個元素明顯重要7表示一個元素比另一個元素非常重要9表示一個元素比另一個元素極端重要2、4、6、8上述相鄰判斷的中值表2 判斷矩陣Yi-CYiC1C2C3…CnC1c11c12C13…c1nC2C21C22C23…C2n………………CnCn1Cn2Cn3…Cnn

1.3 層次單排序

通過上述各個判斷矩陣對應的特征向量的計算，可以確定出某一級指標對該體系中上一級指標的重要程度，按照指標值的大小依次給出順序，各指標的權重值就是相應位置特征向量的值。

將CR定義為隨機一致性比率，當CR=CI/RI<0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性。其中，

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

式中，CI稱為判斷矩陣的一致性指標；RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標，1～9階判斷矩陣的RI值如表3所示；n為一級指標的個數。

表3 1～9階判斷矩陣值

在層次分析法中,一致性檢驗是每一個判斷矩陣都必須要進行的,通過一致性檢驗可以最終保證評估結果的正確性。指標評價體系中某級指標的指標權重判斷矩陣及一致性檢驗如表4所示。

表4 某級指標權重判斷矩陣及一致性檢驗結果

通過運算，得到以下結果：λmax=5.20，CI=0.0700，CR=0.0630。

經一致性檢驗后確定各級指標的相應的權重，從而得到定量指標體系和定性指標體系的權重一覽表，見表5、6。

表5 定量指標權重一覽表

表6 定性指標權重一覽表

1.4 林業火險評估與預報的隸屬函數、基準值的確定

通過隸屬函數計算隸屬度。本研究中定量指標采用的隸屬函數為升、降半梯形分布函數，定性指標的隸屬函數用升、降半矩形分布函數表示[11]。

1.4.1 定量指標隸屬函數、基準值的確定

下述評語集中4個級別的隸屬函數及其圖例(圖3)表示那些取值越大，對林業火險評估與預報負效應越大的評價因子。

(2)

(3)

(4)

(5)

圖3 升半梯形分布函數

下面評語集中4個級別的隸屬函數及其圖例(圖4)表示那些取值越大，對林業火險評估與預報正效應越大的評價因子。

(6)

(7)

(8)

(9)

圖4 降半梯形分布函數

1.4.2 定性指標隸屬函數、基準值的確定

圖5～6為定性指標的隸屬函數，采用升、降半矩形分布函數表示。

圖5 定性指標的降半矩形分布函數

圖6 定性指標的升半矩形分布函數

其中，一級指標A1林業火險等級高，易發生火險。此項指標主要作為林業火險評估與預報結果審核時的參考，以通過比較發現當前的林業火險等級，從而尋找預防林業火險的突破口。A2表示較易發生林業火險。指標A3為通常情況下，無林業火險。四級指標A4為無林業火險。

2 林業火險評估與預報方法的實證應用

根據所建立的定量指標體系和定性指標體系，以山東省濟寧市林業火險發生次數較多的2012年3～6月份作為研究對象，對本研究所提出的層次分析方法進行檢驗。

整理后的濟寧市林業火險2012年3～6月份的數據如表7～8所示。

表7 林業火險評估與預報定量指標實際值

表8 林業火險評估與預報定性指標實際值

在分別對林業火險進行定量和定性模糊評價的基礎上，再進行綜合評價。

根據最大隸屬度原則，得到山東省濟寧市的2012年3月份、4月份、5月份、6月份的林業火險分別處于較易發生、高發、易發生和不易發生，與實際情況相符。

3 小結

本研究克服以往權重分析方法中缺乏確切的定量分析過程,采用層次分析法確定了各火險因子的權重,并在此過程中結合各火險因子與火災發生概率的關系確定各火險因子的重要性。通過對山東省濟寧市進行林業火險的評估與預報，一方面驗證了建立的林業火險的評估與預報體系及其評價方法是有效的、可行的；另一方面，從各個一級指標、二級指標的隸屬度的差異，可以得到預防林業火險發生的著眼點。因此，建議消防部門在制訂林業防火或宣傳教育時，可以側重指標較差方面，加強資金、技術、人員和設備的投入，進一步提高該地區林業的整體防火能力。

[1]舒立福,田曉瑞,李 紅.世界森林火災狀況綜述[J].世界林業研究,1998,11(6):9-14.

[2]邸雪穎.林火預測預報[M].哈爾濱:東北林業大學出版社,1993:10-11.

[3]Darek T,Moreau R,Barbara Neis.Occupational health and safety hazards in Atlantic Canadian aquaculture:Laying the ground work for prevention[J]Marine Policy,2009,(33):401-411.

[4]周俊平.基于PID算法的森林防火監控系統研究[J].科技通報,2013,(29):110-112.

[5]龐麗峰,謝陽生,唐小明.基于林業GIS組件的南寧市森林防火WebGIS系統建設[J].林業實用技術,2011,(4):62-64.

[6]溫作民,郭 梅,呂 柳.江蘇省林權制度改革后森林防火配套政策研究[J].林業經濟,2011,(5):89-93.

[7]杜永勝.認清形勢全盤謀劃努力提高森林防火科學管理水平[J].森林防火,2011,(3):5-12.

[8]段永清.森林防火技術及措施研究[J].能源與節能,2013,(2):117-119.

[9]王秋華,徐盛基,李世友,等.云南松林飛火形成的火環境研究[J].浙江農林大學學報,2013,30(2):263-268.

[10]Najmus Saqib,Muhammad Tahir Siddiqi.Aggregation of safety performance indicators to higher level indicators[J].Reliability Engineering and System Safety,2008,93:307-315.

[11]陳文明,蘇冬平,俞勝平,等.煉鋼連鑄調度計劃模糊評價方法的研究[J].冶金自動化,2006，(1):6-11.

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1673-1409(2013)11-0030-06