面向城市消防站選址規(guī)劃的時(shí)空動(dòng)態(tài)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)建模分析.pdf

1、當(dāng)前，中國的城鎮(zhèn)化建設(shè)處于高速發(fā)展的階段，與此同時(shí)，城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)居高不下。我國城市的消防規(guī)劃相對(duì)滯后于城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，特別對(duì)于城市的未來發(fā)展以及對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展考慮得不夠全面，同時(shí)，考慮時(shí)空動(dòng)態(tài)分布的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響下的消防資源布局方面的研究也較少。本文通過引入相關(guān)數(shù)學(xué)模型來綜合考慮時(shí)空變化對(duì)城市火災(zāi)發(fā)生的影響，充分考慮火災(zāi)發(fā)生的時(shí)空變化特征，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展一種與城市發(fā)展相適應(yīng)的、動(dòng)態(tài)的消防站選址規(guī)劃模型，可為提高城市消防規(guī)劃的科學(xué)性提

2、供理論支撐。主要工作如下:
　　1.城市尺度火災(zāi)發(fā)生的空間分布研究
　　通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法和空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型對(duì)市域尺度的城市火災(zāi)的發(fā)生進(jìn)行空間建模，從而預(yù)測或者解釋火災(zāi)發(fā)生的空間分布。
　　首先，我們使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行分析。針對(duì)特征選擇得到的重采樣結(jié)果顯示，在訓(xùn)練集中，四種機(jī)器學(xué)習(xí)算法中隨機(jī)森林模型（RF）的預(yù)測精度最高。樣本點(diǎn)距離消防站的距離、人口的分布、企業(yè)工廠的分布、道路密度、溫度的分布以及海拔是選入RF中

3、的自變量，說明這些變量對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)度最大。同時(shí)隨機(jī)森林算法在訓(xùn)練集和測試集上均預(yù)測效果較好，差別不大，說明其較為穩(wěn)健。
　　之后，通過對(duì)空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型進(jìn)行分析，結(jié)果顯示空間通用模型(SAC)的赤池信息準(zhǔn)則(AIC)值最小，也即擬合效果最好。結(jié)果顯示道路密度對(duì)火災(zāi)密度有正相關(guān)的關(guān)系，而溫度、海拔以及距離消防站的距離這三個(gè)變量均與火災(zāi)密度呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。結(jié)果說明人類的活動(dòng)對(duì)于火災(zāi)發(fā)生有著相當(dāng)重要的作用，同時(shí)也對(duì)空間回歸模型的貢

4、獻(xiàn)度相對(duì)較大。同時(shí)，SAC模型在訓(xùn)練集上均表現(xiàn)良好，但在測試集上均與訓(xùn)練集的預(yù)測效果相差較大。這說明空間通用模型更適合對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行解釋。
　　總之，在模型的適用性方面，我們發(fā)現(xiàn)RF能夠表現(xiàn)出更穩(wěn)健的預(yù)測能力，魯棒性較強(qiáng)。而對(duì)于空間計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)模型，它們則能夠從特定數(shù)據(jù)集（訓(xùn)練集）中隱藏的空間分布規(guī)律和聚類特征入手，采用空間權(quán)重矩陣準(zhǔn)確地刻畫市域尺度下城市火災(zāi)發(fā)生的空間規(guī)律與影響較大的自變量，更適合于解釋火災(zāi)的發(fā)生，但總體上要強(qiáng)于隨

5、機(jī)森林算法。同時(shí)，通過對(duì)最終得到的SAC與RF模型在整個(gè)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示，SAC在總體上要優(yōu)于RF。進(jìn)一步通過對(duì)模型的殘差進(jìn)行分析和可視化，結(jié)果顯示SAC比RF更能解釋火災(zāi)發(fā)生的空間結(jié)構(gòu)。
　　2.城市尺度火災(zāi)發(fā)生的時(shí)間分布研究
　　通過使用小波變換的方法對(duì)火災(zāi)與氣象因素的時(shí)間序列進(jìn)行分析，進(jìn)而揭示時(shí)間序列中存在的潛在規(guī)律與變化共性，之后使用經(jīng)典的自回歸移動(dòng)平均模型與MCMC對(duì)火災(zāi)頻次的時(shí)間序列進(jìn)行擬合，最終得到時(shí)

6、間維上的城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展趨勢。
　　首先，通過小波變換來分析火災(zāi)頻次的時(shí)間序列，結(jié)果顯示存在四個(gè)特征時(shí)間尺度，分別為4，18，34，56個(gè)月，火災(zāi)頻次的周期性波動(dòng)在56個(gè)月（4-5年）這樣的時(shí)間尺度上周期性最強(qiáng)，適合于在較大的年際尺度上進(jìn)行火災(zāi)周期性的研究分析。可以從定性的結(jié)果中推測在2010-2011年火災(zāi)頻次將呈現(xiàn)下降趨勢，之后將繼續(xù)上升。
　　其次，氣象因素的時(shí)間序列通過小波分析，發(fā)現(xiàn)不同的變量存在不同的特征時(shí)間尺度集

7、合。它們均包含18個(gè)月的特征時(shí)間尺度，這說明氣象因素也和火災(zāi)頻次的時(shí)間序列擁有共同的平均變化周期為12個(gè)月。
　　最后，通過使用經(jīng)典的時(shí)間序列模型對(duì)火災(zāi)頻次進(jìn)行建模，通過比較，最終選用ARIMA(0，1，1)模型來進(jìn)行建模。另一方面，我們選用MCMC模型來進(jìn)行時(shí)間序列建模，結(jié)果顯示日照時(shí)長的系數(shù)值最大，表示其對(duì)火災(zāi)發(fā)生的影響最大。同時(shí)，日照時(shí)長與相對(duì)濕度的系數(shù)值為正，表示與火災(zāi)發(fā)生的頻次正相關(guān);平均溫度與降水量的系數(shù)值為負(fù)，表示與

8、火災(zāi)發(fā)生的頻次負(fù)相關(guān)。另外，去除氣象變量后的MCMC模型與包含氣象變量的MCMC模型進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明加入氣象因素的MCMC模型的擬合度更好，更能勾勒時(shí)間序列中的波動(dòng)。
　　3.城市尺度火災(zāi)發(fā)生的時(shí)空分布研究
　　通過使用以最小二乘法(OLS)為基礎(chǔ)的全局線性回歸模型(LM)進(jìn)行分析，對(duì)比了全局模型與局部模型在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測方面的效果，最終可以得到火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布的時(shí)空模型。
　　首先，我們使用空間交叉驗(yàn)證(SCV)對(duì)自變

9、量進(jìn)行選擇。使用SCV進(jìn)行線性回歸訓(xùn)練的結(jié)果顯示，道路密度與工廠企業(yè)的空間分布是火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)建模中最重要的變量，與火災(zāi)的發(fā)生密切相關(guān)，但是前者對(duì)于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)正相關(guān)，而后者為負(fù)相關(guān)。
　　之后，我們使用選擇的自變量進(jìn)行了地理加權(quán)回歸(GWR)與時(shí)空加權(quán)回歸(GTWR)兩種局部擬合模型對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行解釋與預(yù)測。結(jié)果顯示，擬合效果GTWR＞GWR＞LM。通過提取模型中的自變量的系數(shù)并進(jìn)行可視化，結(jié)果顯示，對(duì)于相同的自變量，其系數(shù)值與顯著度水平

10、在不同時(shí)間截面的相同位置處發(fā)生了一定程度的變化。
　　最后，通過對(duì)不同區(qū)域顯著變量的數(shù)目進(jìn)行分析，結(jié)果顯示參數(shù)的空間異質(zhì)性分布規(guī)律主要集中在城市的非中心區(qū)，往往是一些人類局部活動(dòng)性較為集中的次中心地帶或者集鎮(zhèn)、縣城等地區(qū)。通過對(duì)三個(gè)模型產(chǎn)生的殘差進(jìn)行半異方差檢測，結(jié)果顯示GTWR對(duì)于火災(zāi)發(fā)生的空間結(jié)構(gòu)的解釋程度最強(qiáng)。同時(shí)，在模型的獨(dú)立測試階段，GTWR也顯示出比GWR、OLS更為準(zhǔn)確的預(yù)測能力。
　　4.基于火災(zāi)發(fā)生時(shí)空動(dòng)態(tài)

11、模型的城市消防站選址規(guī)劃模型
　　首先，在前文工作的基礎(chǔ)上，我們可以預(yù)測未來一段時(shí)間的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間分布，進(jìn)而建立改進(jìn)的城市消防站選址規(guī)劃模型。通過使用遺傳算法進(jìn)行選址模型的模擬仿真，結(jié)果顯示使用基于匹配度與多重部分覆蓋模型的選址模型更能體現(xiàn)出實(shí)際消防規(guī)劃中的“等級(jí)對(duì)應(yīng)”思想，也即不同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)和同等級(jí)的預(yù)防措施相對(duì)應(yīng)。風(fēng)險(xiǎn)越高，消防站的出動(dòng)時(shí)間應(yīng)越小，救援路徑應(yīng)越短。因此，當(dāng)目標(biāo)函數(shù)為匹配度時(shí)，我們所建立的新模型與其他經(jīng)典選址模