基于分形和自组织理论的城市火灾系统行为规律及预测研究

目前，世界各国包括我国在内的城市火灾数量众多，损失严重，研究城市火灾的发生规律，进而预测城市火灾发生，可以为城市灾害防治提供科学的管理和治理依据。当前对于火灾系统演化规律的研究主要集中在森林火灾系统自组织临界性上，主要针对火灾的空间尺度幂律分布开展；而对于相对更加复杂的城市火灾系统的研究还很少，特别是城市火灾的潜在发生规律目前尚未研究清楚，城市火灾系统行为及预测模型和方法研究还处于初期阶段，而分形和自组织临界性理论的发展为城市火灾研究、预测和防治提供了一种可能的方法。本项目拟基于自组织临界性及分形几何理论的方法，利用多种统计分析手段开展研究，详细分析城市火灾发生的时间、空间内部演化规律以及两者之间的内在联系和相互影响；在此基础上，进一步综合考虑多种影响因子，建立城市火灾预测模型和方法，从而为进一步建立城市火灾预测预警平台提供基础研究依据。

近年来随着国民经济的快速发展，我国城市化率快速飙升，城镇数量逐年增加，规模不断扩大、社会财富日益聚集。城市火灾影响因素复杂，特别是人类活动的随机性及不可预见性，更是增加了城市火灾的研究难度。而研究城市火灾系统内部的演化规律，有助于深入了解火灾发生的机理，有助于实现对城市火灾的预警和预防。因此本项目主要研究城市火灾系统的内部规律性，进而构建预警模型。. 为了探索城市火灾的时间分布特征，首先应用变异系数、法诺因子及阿伦因子的统计分析方法，对城市火灾的时间分布特征进行分析。研究发现，城市火灾时间序列存在标度行为，且火灾时间序列存在普遍的长程相关性特征。. 其次，由于城市火灾是一个涉及多种因素的复杂系统，本项目从规律普适性、观测时间总长度、时间窗口增量三个方面，研究了城市火灾时间序列分形特征的稳定性。研究发现，城市火灾在较大时间范围内的具有稳定的分形自相似性特征。. 另外，城市火灾时间序列是一个非平稳序列，在非平稳序列的研究中，数据的非平稳性往往可能导致“虚假回归”。为了解决这一问题，应用去趋势波动分析法对城市火灾进行了进一步的研究，研究结果显示，城市火灾时间间隔序列具有长程幂律负相关性，呈现出反持久性的状态。. 最后，通过设置火灾损失阈值研究了火灾记录完备性对城市火灾时间分布规律的影响。发现我国城市火灾损失的Zipf 图存在一些共性特征。在损失大于500 元的区间内城市火灾损失-排名之间满足良好的幂律关系，且城市火灾的发生频率随着火灾损失的增大而减小。对不同损失阈值下的火灾序列分析发现，随着损失阈值的增加，城市火灾时间序列的标度律指数逐渐降低，特大火灾的时间分布趋向于随机分布。. 本项目所发现的规律，将为搭建城市火灾预测预警平台提供理论依据，同时也可为城市火灾预警平台的准确性提供一个检验标准，用以验证预测模型是否有效。