灰色系统理论在火灾预测中的应用研究

哈尔滨理工大学学士学位论文哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目：灰色系统理论在火灾预测中的应用研究 院、 系： 测通学院 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2013 年 6 月 3 哈尔滨理工大学学士学位论文目录摘要 .4Abstract.5第 1 章 绪论 .61.1.研究背景 .61.2 国内外研究现状 .61.2.1 国内研究现状 .61.2.2 国外研究现状 .81.3 研究目的和意义 .81.4 主要研究内容 .9第 2 章 灰色系统理论及模型综述 .92.1 灰色系统理论的产生与发展动态 .92.2 灰色系统理论概念、基本原理和内容 .102.2.1 灰色系统基本理论 .102.2.2 基本原理 .112.2.3 主要内容 .122.3 灰色系统理论与火灾预测的结合点 .132.4 五步建模思想 .132.5 GM(1,1)模型建模机理 .162.5.1 建模步骤 .162.5.2 GM(1,1)模型的精度检验方法 .17第 3 章 灰色系统模型在火灾预测的应用 .193.1 GM(1,1)模型在农村火灾预测中的应用 .193.1.1 GM（1,1）模型的建立 .193.1.2 精度检验 .223.1.3 预测 .243.2 城市的火灾预测 .253.2.1 GM(1,1)在城市火灾预测的应用 .253.2.2 精度检验 .273.2.3 预测 .293.3 人员密集场所的火灾预测 .293.3.1 GM(1,1)在人员密集场所的火灾预测 .293.3.2 精度检验 .313.3.3 预测 .33哈尔滨理工大学学士学位论文结论与建议 .34致谢 .35参考文献 .36附录 .39哈尔滨理工大学学士学位论文摘要作为和人类关系最为密切的灾害种类之一，火灾一直是人们关注和研究的重要对象，利用科学的方法对火灾进行预测，可以掌握火灾的未来发展状况，对火灾安全措施的可行性和实施效果进行合理评价，有效地控制各影响因素，达到减少火灾事故的目的。火灾事故系统的非线性、随机性、动态性以及不确定性特点，决定了作为火灾系统行为特征量的火灾事故的预测的复杂性，在分析现有火灾事故宏观预测模型和方法的基础上，论文研究了适应火灾系统多属性特点的火灾事故预测方法灰色系统理论。论文主要全面详细的介绍了灰色系统理论的产生、发展、原理以及建模思想，搜集了 2004 年以来全国农村、城市、人员密集场所的火灾数据，在此基础上，通过建立 GM(1,1)模型，对它们的火灾状况进行了研究、预测。预测了 2011 年全国农村、城市、人员密集场所的火灾状况。结果表明：全国农村、城市和人员密集场所的火灾的火灾形势均呈下降趋势，与 2011年实际数据比较，准确率均达到 98%以上，预测结果与基本情况吻合，为消防安全管理部门探究火灾发展规律提供必要的理论支持。关键词：灰色系统理论 火灾 预测 GM(1,1)模型哈尔滨理工大学学士学位论文AbstractAs the human relations and one of the most kinds of disasters close, fire has been an important object of attention and research, to predict the fire using the scientific method, the future development of the situation can control fire, feasibility and implementation effect of fire safety measures are reasonable, effective control of each influence factor, reduce the fire the aim of accidents. Nonlinear, fire system stochastic, dynamic and uncertain characteristics, determine the complexity of fire as fire accident forecast system behavior characteristics of the fire accident, based on analyzing the current macroeconomic forecasting model and method, the multiple attribute characteristic of fire accident of fire system adaptive prediction method, grey system theory.Thesis detailed introduces the grey system theory, development, principle and modeling, collect the fire data since 2004, the National Rural City, crowded places, on this basis, through the establishment of GM (1,1) model, were studied, to predict their fire condition.The fire of 2011, the National Rural City, crowded places prediction. The results show that: the national rural fire situation, city and crowded places fire decreased, compared with the 2011 data, the accuracy rate reaches above 98%, forecast result accords with the basic conditions, to provide the necessary theoretical support for the fire safety management on the development law of fire.Keywords: grey system theory fire forecast (1,1) model哈尔滨理工大学学士学位论文第 1 章 绪论1.1.研究背景火灾是当今世界上严重威肋、人类生存和发展的常发性灾害之一，具有发生频率高、时空跨度大、造成的损失与危害严重等特点。据不完全统计，全球每年发生火灾 600 万一 700 万起，火灾经济损失可以达到全球社会生产总值的 0. 2%，死亡人数高达 10 万人 1。近些年来， 随着经济的不断发展，城市规模的不断扩大，火灾给人类带来的损失越来越大，而不同区域或方面的火灾情况，具有不同的火灾特点，人们望能对火灾不同方面进行预测，从而防患于未然。对于农村和人员聚居地就具有不同的特点，农村的火灾，由于历史原因很长时间内被忽略，而人员聚居场所的火灾危险性更大。可以用预测理论根据其发展的趋势，通过建立预测模型进行预测。又由于火灾发生包含着一定的已知因素和未知因素，因此，灰色系统理论中的灾变预测可以对火灾的发生进行预测。灰色预测法就是一种以事故的历史和现状为出发点，以调查研究资料和统计数据资料为依据，在对事物发展进行深入的定性分析和严密的定量计算的基础上，研究并认识事物的发展规律，进而对事物的未来变化预先作出科学的推测。灰色预测对分析当前或者未来一段时间在现有条件下的事故发展趋势，同时合理制定以后火灾事故措施具有重要意义。预测未来事故发生的趋向，把火灾事故管理的“被动”管理变为“主动”安全管理，针对性的采取预防措施，以便减少事故的发生率，这就是本文中提出的火灾事故预测模型需要解决的问题。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状1982 年，邓聚龙教授创立了灰色系统理论，以少数据、贫信息不确定问题为研究对象 2。灰色系统理论主要是对“部分”已知信息的生成、开发，提取有价值信息，实现对系统运行行为、演化规律的正确描述和有效监控 3 。周爱桃和景国勋等人在改进灰色预测模型在火灾事故预测中的应用哈尔滨理工大学学士学位论文中主要研究了 GM (1,1)模型预测事故模型的改进方法，并用 Matlab 语言编程的方法对数据做了处理，结果表明用该方法预测得到的数据与实际数据非常接近 4。刘小舟在灰色系统理论在火灾预测中的应用中阐述了灰色理论中灾变预测的特点和其建设过程，并将其用于火灾预测之中 5。刘思峰和岳洪江在灰色系统理论的发展、应用与扩散特征研究中通过采集中国期刊网数据库题目中含有灰色系统的文献，对 20 世纪 80 年代初以来灰色系统研究成果的规模和增长态势、主要研究机构、期刊、主题和学科分布结构，文献的产生方式、高被引成果等进行分析，揭示了我国灰色系统的产生、发展、扩散特征以及存在的问题 6。贾水库和温晓虎等人在灰色系统理论在城市火灾事故预测中的应用中针对城市火灾事故发生的特点，根据灰色理论的基本原理和特性，建立了城市火灾事故灰色理论预测模型，将城市火灾事故分为了高峰期(春节)和非高峰期两个时段并分别进行精确预测城市火灾事故。准确度很高。 7张云龙和刘茂在灰色 GM(1,1)模型在火灾事故预测中的应用中针对全国火灾事故的统计数据，利用灰色系统理论在不确定因素预测领域的优势，建立了一个火灾事故预测的 GM(11)模型.论述了模型的建立和求解过程，用实例阐述了灰色预测模型的应用和局限性.结果表明，模型比较合理地反应灾害事物的发展趋势，为分析火灾事故规律和有效预测提供了科学的方法 8。丁敏和崔琳在基于灰色层次分析的高层建筑火灾隐患评估中分析高层建筑的火灭隐患，采用层次分析方法确定高层建筑火灭危险评价指标体系，并计算各影响因素的权重。提出将灰色系统理论与层次分析法相结合的分析方法，根据专家对评价指标的打分分值，确定了各评价指标的灰色评价权向量和权矩阵。证明此方法在高层火灾安全评价领域具有可行性9。刘海生和张鑫磊等人在基于统计数据的全国火灾形势综合评价与预测中运用多元统计分析方法，借助统计软件，对火灾数据进行深层次的分析和研究。同时，针对火灾事故的特点，根据灰色理论的原理和特性，建立了火灾事故灰色系统预测模型，能够对全国的火灾形势进行综合评价，为消防安全管理部门探究火灾规律提供必要的理论支持 10。刘洪义等人在基于灰色系统理论的加油站火灾事故预测中通过对加油站的火灾预测以及发展趋势，为相关部门预测加油站火灾规律提供理论依据 11。同时，还有一批国内学者对火灾事故评价进行了多方面的研究，得到了诸多有意义的成果 12-17。哈尔滨理工大学学士学位论文1.2.2 国外研究现状罗森鲍姆运用灰色系统方法研究影响边坡失稳的因素之间的相互作用，说明运用灰色系统方法方法来预测边坡稳定状态中的应用是成功的 18。柯克（ T.B. Kirk）运用灰色系统理论解决机器状态监测磨粒识别分析费时的问题。通过设定不同的参数权重，确定研究的权重因子，模糊逻辑已经被应用。这项研究表明，一个灰色系统的运用可以用来使分类的磨损颗粒满意 19。潘特纳加用灰色系统理论提出了探讨输入输出关系不清，不确定的机制和信息不足。收集了恰尔肯德邦的提莱雅坝流域 1993 年 1997 已被用于与微分水文灰色预测模型的开发的数据。模型的性能已经通过定性和定量评价统计指标。较低的各种误差指标值和较高的相关指标值确定的模型预测研究区暴雨径流与合理的准确率 20。1.3 研究目的和意义为了尽可能减少人员聚集场所和农村火灾发生的概率，降低火灾发生后的伤亡后果、财产损失及社会影响，本文把研究对象定为农村、城市、人员聚集场所的人口火灾发生率。防止出现恶性事故，保障人民生命财产安全，便成为本文开展研究分析的主线。我国的消防方针是“预防为主，防消结合” ，消防的重点在“防” 。无论是消防薄弱的农村，还是人员密集的城市，还是人员聚集场所自身，都可以通过评估了解并掌握此类场所数据，确定人口火灾发生率，为预防和控制火灾的发生增加消防安全水平提供科学的依据，同时防止执法部门工作的盲目性，减少公共娱乐场所管理者决策过程中的主观性。现阶段我国正处在构建和谐社会，推动经济又好又快发展的关键时期，火灾必将被作为一种不容忽视的灾害加以杜绝。人员聚集场所容易发生火灾、灾后伤亡损失严重，而建设新农村，更是把农村建设提升到国家的高度。本文当前的火灾形式进行预测和分析，为降低火灾损失作出应有的贡献哈尔滨理工大学学士学位论文1.4 主要研究内容论文在以往火灾事故预测分析方法的基础上，根据火灾事故发生的特点，对全国的人员聚集场所、城市和农村的火灾数据进行分析和处理，运用灰色预测模型对人员聚集场所和农村人口火灾发生率进行预测及分析，为火灾事故管理提供了有力的理论依据及参考数据，同时也将灰系统理论的应用拓展到新的领域。本论文主要开展以下几个方面的理论研究与实际工作:（1 了解灰色系统理论的发展状况及其在火灾事故预测中的应用情况（2 了解灰色系统的基本理论，灰色预测模型五步建模思想及过程。 （3）对全国人员聚集场所。城市和农村火灾事故起数、死亡人数、伤亡人数及其它统计资料进行收集整理及分析。（4）结合全国人员聚集场所、城市和农村的具体数据，运用灰色系统理论中的灰色 GM(l,l)模型预测全国人员聚集场所、城市和农村人口火灾发生率。哈尔滨理工大学学士学位论文第 2 章 灰色系统理论及模型综述2.1 灰色系统理论的产生与发展动态1982 年，北荷兰出版公司出版的“Systems & Control Letters”(系统与控制通讯)期刊上发表了我国学者邓聚龙教授的第一篇灰色系统理论论文“灰色系统的控制问题” （The Control Problems of Grey Systems ）,1982年华中工学院学报第三期上发表了邓聚龙教授的第一篇灰色系统