辛永振

(山东省济宁市公安消防支队市中区大队，山东 济宁 272000)

2013-03-21

辛永振(1982-)，男，助理工程师，主要从事消防监督管理工作。

基于层次分析法的林业火险评估与预报研究

辛永振

(山东省济宁市公安消防支队市中区大队，山东 济宁 272000)

应用层次分析法的相关理论，构建了林业火险评估与预报层次结构模型，建立了定量指标体系和定性指标体系。通过判断矩阵确定各层次元素的重要程度,由隶属函数计算出隶属度，得到林业火险评估结论和火险预报。并以山东省济宁市为例，对该层次分析方法进行检验，得到结果与实际情况相符。

山林火险;层次分析法;致灾因子;预报

火灾是对社会、环境及经济发展影响范围最广和破坏性最大的一种自然灾害。而近年来，人类活动对山林影响的加剧，更是提高了山林火灾发生的可能性。当山林火灾发生时，如何及时掌握火点周围基本情况，采取科学有效的方法安全快速地扑灭林火，把火灾所带来的损失减少到最低程度，已成为当今山林防火领域的一个研究热点。

目前，世界山林火灾主要呈现以下特点：灾难性森林火灾较多，造成损失惨重，污染环境严重，燃烧排碳增加温室效应；山林火灾发生次数总体呈上升趋势，烧毁山林面积增大；山林(森林)资源丰富的国家，其山林火灾也比较严重；世界各地山林(森林)火灾分布不均；火灾随气候的变化而波动，受异常的高温干旱天气影响严重；特大森林火灾难以控制；给社会和国家造成非常大的经济和资源损失。

美国和加拿大在林火行为研究、火灾预防、监测和扑救方面，一直走在世界前列[1]。目前美、加、澳、日等国均在火险季节发布中、长、短期的火险预报[2]。同时美、加率先建成2个火险预报系统，一个是全国性的火险预报系统，由气象局主持，结合天气雷暴预报等编制火险指标，并预防可能出现雷暴的地带;另一个是地方性的火险预报系统。2个系统可及时、统一地发布全国范围的火险预报和更方便、快速调配扑火经费及力量[3]。我国从20世纪50年代才开始进行林火的预防与检测。1987年5月6日的大兴安岭特大火灾，使得我国对火险的评估与预报有了足够的重视。对林火的发生、发展不断进行探索与总结，研究林火行为的特点，有针对性地加强林火管理，控制山林火灾的能力得以不断提高。周俊平[4]应用PID算法技术对包括林火自动报警、林区自动监控、指挥扑救预案等功能融合的应用系统进行了构建，实现了林区火情实时的数字化的监控。庞丽峰等[5]通过自主研发的林业GIS组件，构建了南宁市森林防火WebGIS系统，在火灾应急指挥中发挥了重要作用。温作民等[6]在对森林火灾现状和原因分析的基础上，实现了对江苏现行森林防火措施的评价，并提出了制定绿色防火规划、农户森林防火责任体系、森林火灾保险、森林防火现代监测等构成的一体化体系。杜永胜[7]指出要加大宣传教育、预警响应、火源管控、火案查处等工作力度，提升了森林防火科学管理水平。段永清[8]指出林火监测也逐渐由原来的地面林火监测发展为高空航天遥感等林火监测。王秋华等[9]指出可燃物是林业火灾的物质基础，在研究火灾发生环境的同时，也要更深入地研究可燃物的相关属性。这些研究主要针对山林火险的监控与检测，很少涉及林业火险的评估与预报，即使涉及到林业火险的预报，其考虑的因素也不够全面。

层次分析法(AnalyticHierarchyProcess,AHP)是指将一个复杂的目标问题作为一个系统，并深入分析该系统的各组成元素，同时，研究各组成元素的特性及其之间的相互关系。通过设定可以定量计算的指标，将复杂问题转化为数学问题进行简单计算，进而解决复杂问题的方法。该方法将半定性、半定量问题转化为定量问题，并将各种相关因素按照一定的规则层次化。通过逐层比较各相关因素的重要程度，借助于定量计算，分析得出所对应目标的结果[10]。因此，将层次分析法应用到复杂的山林火险的预报是非常合适的。

基于现场实际调研和专家咨询，建立林业火灾风险评估与预报体系。通过对山林火灾致灾因子的分析，本文开展了基于层次分析法的林业火险评估与预报方法的研究。该方法的实施，有效减少了火灾的发生率，具有重要的经济和社会效益。

1 林业火险评估与预报方法的建立

1.1 林业火险评估与预报层次结构模型的构建

图1 林业防火评估与预报的定量体系

图2 林业防火评估与预报的定性体系

建立评价系统层次结构模型最重要的一步是确定各指标层元素，也是层析分析法运用的关键。对于林业火险评估与预报，其定量指标体系(图1)和定性指标体系(图2)均通过3个层次结构进行描述。图1～2中，通过A、Bi(i=1、2、3)和Cij(i=1、2、3,j=1、2、……、6)，分别表示处于层次结构最上层的目标层、一级指标层和二级指标层。

1.2 林业防火比较判断矩阵的构建

采用1～9标度法(表1)构建林业防火指标评价体系的判断矩阵，判断矩阵元素的值不同，体现了不同的判断者对各因素相对重要性的认识不同。由不同的专家分别对各层次中各元素的相对重要性做出比较判断，每位专家一共需要填写7个不同的表格(其中，定量指标体系中4个，分别为B1、B2、B3和A；定性指标体系中3个)。最后，需要将各个专家打分的结果，进行平均后得到最终的7个判断矩阵的结果。表2所建立的各一级指标层对应的二级指标层中各指标的判断矩阵。

表1 1～9标度法(i=1、2、3)1表示两元素相比，具有同等重要性3表示一个元素比另一个元素稍微重要5表示一个元素比另一个元素明显重要7表示一个元素比另一个元素非常重要9表示一个元素比另一个元素极端重要2、4、6、8上述相邻判断的中值表2 判断矩阵Yi-CYiC1C2C3…CnC1c11c12C13…c1nC2C21C22C23…C2n………………CnCn1Cn2Cn3…Cnn

1.3 层次单排序

通过上述各个判断矩阵对应的特征向量的计算，可以确定出某一级指标对该体系中上一级指标的重要程度，按照指标值的大小依次给出顺序，各指标的权重值就是相应位置特征向量的值。

将CR定义为随机一致性比率，当CR=CI/RI<0.10时，即认为判断矩阵具有满意的一致性。其中，

CI=(λmax-n)/(n-1)

(1)

式中，CI称为判断矩阵的一致性指标；RI为判断矩阵的平均随机一致性指标，1～9阶判断矩阵的RI值如表3所示；n为一级指标的个数。

表3 1～9阶判断矩阵值

在层次分析法中,一致性检验是每一个判断矩阵都必须要进行的,通过一致性检验可以最终保证评估结果的正确性。指标评价体系中某级指标的指标权重判断矩阵及一致性检验如表4所示。

表4 某级指标权重判断矩阵及一致性检验结果

通过运算，得到以下结果：λmax=5.20，CI=0.0700，CR=0.0630。

经一致性检验后确定各级指标的相应的权重，从而得到定量指标体系和定性指标体系的权重一览表，见表5、6。

表5 定量指标权重一览表

表6 定性指标权重一览表

1.4 林业火险评估与预报的隶属函数、基准值的确定

通过隶属函数计算隶属度。本研究中定量指标采用的隶属函数为升、降半梯形分布函数，定性指标的隶属函数用升、降半矩形分布函数表示[11]。

1.4.1 定量指标隶属函数、基准值的确定

下述评语集中4个级别的隶属函数及其图例(图3)表示那些取值越大，对林业火险评估与预报负效应越大的评价因子。

(2)

(3)

(4)

(5)

图3 升半梯形分布函数

下面评语集中4个级别的隶属函数及其图例(图4)表示那些取值越大，对林业火险评估与预报正效应越大的评价因子。

(6)

(7)

(8)

(9)

图4 降半梯形分布函数

1.4.2 定性指标隶属函数、基准值的确定

图5～6为定性指标的隶属函数，采用升、降半矩形分布函数表示。

图5 定性指标的降半矩形分布函数

图6 定性指标的升半矩形分布函数

其中，一级指标A1林业火险等级高，易发生火险。此项指标主要作为林业火险评估与预报结果审核时的参考，以通过比较发现当前的林业火险等级，从而寻找预防林业火险的突破口。A2表示较易发生林业火险。指标A3为通常情况下，无林业火险。四级指标A4为无林业火险。

2 林业火险评估与预报方法的实证应用

根据所建立的定量指标体系和定性指标体系，以山东省济宁市林业火险发生次数较多的2012年3～6月份作为研究对象，对本研究所提出的层次分析方法进行检验。

整理后的济宁市林业火险2012年3～6月份的数据如表7～8所示。

表7 林业火险评估与预报定量指标实际值

表8 林业火险评估与预报定性指标实际值

在分别对林业火险进行定量和定性模糊评价的基础上，再进行综合评价。

根据最大隶属度原则，得到山东省济宁市的2012年3月份、4月份、5月份、6月份的林业火险分别处于较易发生、高发、易发生和不易发生，与实际情况相符。

3 小结

本研究克服以往权重分析方法中缺乏确切的定量分析过程,采用层次分析法确定了各火险因子的权重,并在此过程中结合各火险因子与火灾发生概率的关系确定各火险因子的重要性。通过对山东省济宁市进行林业火险的评估与预报，一方面验证了建立的林业火险的评估与预报体系及其评价方法是有效的、可行的；另一方面，从各个一级指标、二级指标的隶属度的差异，可以得到预防林业火险发生的着眼点。因此，建议消防部门在制订林业防火或宣传教育时，可以侧重指标较差方面，加强资金、技术、人员和设备的投入，进一步提高该地区林业的整体防火能力。

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