基于指数平滑法的我国春节期间火灾特征研究

张 恒，刘鑫晔，董川成，周 梅

(内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

在春节期间，火灾发生频率及造成的伤亡损失逐年上升。为降低火灾损失，要对春节时期火灾发生规律进行实际的研究、预测。火灾实质是一种随机事件，但往往偶然事件中蕴藏着必然的规律[1]，因此，关于火灾预测的研究越来越多。张栋楠等提出灰色神经网络模型组合，对火灾进行预测[2]；姜学鹏等根据模糊马尔柯夫理论和方法，建立我国火灾相对变动模糊马尔柯夫预测模型[3]；施式亮等针对某城市建筑火灾非线性时间序列，建立了小波神经网络(WNN)预测模型[4]。与之相比，本文采用的指数平滑法成本低、应用广泛、实用性强，对历史数据利用率高，适用于模拟非线性变化趋势，且操作方法简单易行，因而更为优越[5]。

火灾数据可以当作是一组时间序列的组合[6]，对春节期间各项火灾参数进行统计，采用指数平滑法对未来可能发生的火灾进行定量预测，根据不同的火灾隐患、火灾风险等级，采取相应的处理措施，对消防工作具有重要实用价值[7-8]。

1 研究方法

指数平滑法是对事件进行预测的常见方法之一[9]，包含全期平均法利用已有全部数据的特点、移动平均法不对较远期的数据进行考虑、加权移动平均法对较近期数据赋予较大权重的特点。通过计算指数平滑值，配合预测模型对未来发生事件的趋势加以预测。其原理为对指数平滑值从本期实际观察值与前一期指数平滑值的加权平均，简单说就是对离预测期近的数据赋予较大权数，而对离预测期远的数据赋予较小权数，权数由近到远规律递减[9]。

1.1 平滑系数的选择

指数平滑法的精确性取决于平滑系数[10]，通过Excel工作表函数进行指数平滑预测，参照线性回归的方法，求得0.1～0.9之间不同平滑系数所得到的实际值与预测值的残差平方和，规划求解，得到最优平滑系数[11]。本文选择春节期间火灾的四个参数指标，分别是火灾总起数、烟花爆竹火灾、直接经济损失和死亡人数，根据不同火灾参数的平稳性，选择了具体的平滑系数，分别为0.6，0.7，0.8，0.8。

1.2 初始值的确定

1.3 数据处理

已知时间序列为X1，X2，X3，…，Xn，时间序列总期数n，公式为：

St=αX1+(1-α)St-1

(1)

式中，St为第t期的平滑值；St-1为第t-1期的平滑值；α为平滑系数(加权系数)。

指数平滑的线性趋势预测模型为：

(2)

利用公式(3)、(4)求得追溯预测值：

(3)

(4)

将斜率、截距代入线性趋势模型，求得追溯预测计算公式：

(5)

计算数据误差：

(6)

选取参数为2008—2015年火灾的起数、经济损失、伤亡人数以及起火原因，数据采用Excel 2010进行统计分析，采用Origin 2017 64Bit作图。

2 结果分析

2.1 春节期间我国火灾基本情况

为了解我国春节期间火灾状况，笔者对2009—2016《中国消防年鉴》相关数据进行统计分析，选择统计参数为火灾起数、造成的直接经济损失及伤亡人数，见图1。2008—2015年共发生火灾82 650起，直接经济损失达62 506.5万元，造成人员伤318人，亡132人。2009—2015年发生火灾起数相比上年增长率分别为6.4%，-16.7%，30.4%，-46.5%，149.4%，90.4%和-83.3%。2014年、2012年火灾起数呈现最高和最低值，分别为21 984起、4 628起。2013年同比增长率则达到最大。结果表明：我国春节期间火灾起数波动明显，整体趋于上升趋势。相关部门应提高对火灾的重视程度，对火灾的研究、预防工作也迫在眉睫。

图1 全国春节火灾参数统计图

2.2 火灾发生原因统计

引发春节期间火灾的因素众多，可将其归结为9大类，见表1。2008—2012年不同原因引起的火灾次数波动微小，整体趋于平稳。以2013年为界，之后3年较前5年出现骤然上升。这表明由于我国经济及人口的高度集中以及城市建设与经济飞速发展，同等规模的火灾造成的经济损失与人员伤亡急剧上升。

表1 2008—2015年我国春节期间火灾原因统计表

玩火引发春节期间火灾占举足轻重的位置，其次是其他原因、电气引发火灾，分别为26 371，16 943，14 431起，分别占到31.91%，20.50%，17.46%。而玩火诱因中燃放烟花爆竹的曲线突出明显(见图2)。结果表明：春节期间燃放烟花爆竹是引发火灾的关键，儿童缺乏安全教育及生活经验，致使火灾发生[13]。因此，必须要重视儿童消防安全教育，控制儿童接触火源可避免酿成火灾。

图2 火灾原因条形图

2.3 春节火灾预测分析

采用指数平滑法对春节期间燃放烟花爆竹火灾起数、春节期间火灾发生总起数、死亡人数以及火灾造成的直接经济损失进行分析预测。以2008—2015年春节燃放烟花爆竹火灾起数为例，总期数n=8，初始值为前三组数据的平均值S0=2 973。根据火灾参数的平稳性，对指数平滑系数α∈(0.1，0.9)进行选取。经过计算，α值为0.7时，产生预测误差最低，预测模型精度最高。对春节燃放烟花爆竹火灾起数数据进行两次指数平滑，对第一次指数平滑所得数据再次平滑，能一定程度弥补数据预测误差，使预测结果较为准确。

令t=1，α=0.7代入公式(5)求得：

(7)

令t=1，2，3，…代入公式(7)求得全部追溯预测值。以上计算结果见表2。

表2 春节期间烟花爆竹火灾起数二次指数平滑法计算表

影响火灾发生的相关致灾环境因子极其复杂，除自然因素外，人为、社会因素都是影响火灾发生概率的重要因素[14]。2012—2013年误差过高(见表2)，是因当年提倡勤俭简约、反对铺张浪费，春节期间购买烟花爆竹总量骤降所造成。但随着人们精神、物质需求的提升，春节期间烟花爆竹的购买量日趋上升，表2中平均绝对误差波动幅度降低。

对春节期间火灾数据进行二次指数平滑预测，所得结果见表3。2016年春节全国实际发生的火灾为13 796起，死亡39人，直接经济损失4 463万元，

图3 烟花爆竹火灾预测值和实际值对照图

图4 火灾总数预测值和实际值对照图

图5 直接经济损失预测值和实际值对照图

同比下降分别为11.8%，26.4%，54.1%。未发生一次死亡5人以上火灾，大型活动场所未发生火灾事故。造成与预测结果相差较大的原因为：2016年为火灾预防模范年，在节日期间，各地公安机关组织多警联勤联动，强化对人员密集的易燃易爆场所、文物建筑、大型商场市场、烟花爆竹燃放、各种庙会的消防检查，发动各单位对居民楼院开展检查，切实加大了执法力度。

图6 死亡人数预测值和实际值对照图

年份火灾总起数/起烟花火灾/起死亡人数直接经济损失/万201628 6333 5485512 759201733 0263 6186214 241201837 4203 6886915 723

3 结论

3.1 2008—2011年春节火灾起数起伏波动，上升缓慢，2012—2014年火灾数量出现跳跃式的增长。儿童玩火引发春节火灾可能性最大，其次为电气火灾。当前我国经济飞速发展、人民生活水平提高，而人员消防安全素质、消防安全教育和消防基础设施建设处于滞后状态，致使火灾频繁发生。警示人们要重视消防安全教育和对火灾的预防工作。

3.2 采用指数平滑法对我国春节期间各项火灾指标参数进行预测并论证预测结果的可行性。结果表明：我国春节期间火灾发生各项参数仍处于上升趋势，2016—2018年预测火灾起数分别达到28 633起、33 026起、37 420起，火灾形势依旧严峻，应保持足够的重视程度。

指数平滑法虽简单易行，但当数据较少、平滑系数较小时，采用最远数据代替S0，则最远数据的权重将明显大于最近期数据的权重[5]。并且，指数平滑法对远期预测精度较差，今后应开展对于权重平衡以及时间尺度的研究。火灾预测结果反映的只是火灾发生的趋势，并不是某年火灾所发生的具体数据[16]，但可从趋势中找到问题，开展针对性工作，加强火灾防范措施，对于降低春节火灾造成的伤亡与损失具有重要的意义[17]。