基于Logistic回归的烟头点燃红松松针概率研究

张运林，张 恒，金 森

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

基于Logistic回归的烟头点燃红松松针概率研究

张运林，张 恒，金 森

（东北林业大学 林学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

利用长度为1 cm未熄灭的烟头点燃红松松针，在室内构造可燃物床层模拟野外情况，以不同的可燃物含水率、压缩比和风速为分类条件，在每种情况下进行20次点燃重复实验，共进行1 440次实验，记录松针被烟头点燃出现明火的概率。结果表明：当红松松针的含水率≤10%且风速≥2 m·s-1时，松针可以被点燃；其中含水率、风速对烟头点燃松针概率的影响极显著，压缩比对烟头点燃红松松针概率的影响显著，压缩比、含水率、风速各因子间的交叉作用对烟头点燃红松松针概率的影响不显著；烟头点燃红松松针的Logistic预测模型准确率达到80%，误报率仅为20%。

红松松针；烟头点燃；点燃概率分析；含水率；风速；压缩比；阴燃；明火

森林火灾的发生往往是因林内地表细小可燃物（枯枝、落叶）最先被点燃，随后蔓延成为森林火灾。点燃地表细小可燃物的火源可分为两大类，其中人为火源占到绝大多数，而未熄灭的烟头是人为火源中最主要的一部分。2009年2月12日，双牌县村民因随手将一支未熄灭的烟头扔进杂草酿成森林火灾；2011年4月，仪陇县村民将烟头扔入草丛，烧毁百亩森林，造成巨大损失。因此，对烟头引燃细小可燃物的研究，为森林火灾预防和森林防火管理提供意见。

当前，国内外对烟头点燃可燃物的研究较少。金森等[1]在室内模拟不同压缩比、风速和含水率的蒙古栎叶片床层，用未熄灭烟头点燃900余次实验，进行了烟头点燃蒙古栎叶片的概率研究；杨美和等[2]利用烟头引燃地表细小可燃物，测定可燃物的引燃时间；王刚等[3]用火柴、纸片、烟头点燃可燃物，结果表明风速、含水率等对烟头点燃可燃物的影响很大；杨屹茂等[4]以烟头点燃瓦楞纸包装箱，得出烟头放置位置和长度对阴燃有很大影响；涂建新[5]利用香烟火和打火机接触化纤维，得出阴燃向有焰燃烧需要一定的条件；Ortiz-Molina[6]通过实验得出，纤维材料从阴燃到明火的转变需要很大的氧气浓度才可以；路长等[7]发现是否有通风条件对阴燃能否向明火转变产生了决定性影响。Ganteaume[8]将阴燃着的木块放入细小可燃物中，并通过Logistic回归建立可燃物被木块点燃的概率模型。

本实验综合考虑了红松松针含水率、压缩比、风速这些条件对点燃概率的影响，并且考虑了这3种因子之间相互的交叉作用，更加符合野外的真实条件，对寻求某一特定红松林分中，烟头点燃地表细小松针的研究有重要意义。红松Pinus koraiensis是我国东北地区典型的温带森林生态系统的主要树种[9]，其发生森林火灾的危害性较大。本研究以红松林下地表细小可燃物为研究对象，用未熄灭烟头点燃松针进行全面系统的研究，得出其被烟头点燃的概率情况，为我国林火预防提供一定的指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

东北林业大学帽儿山实验林场（N45°20′～45°25′，E127°30′～ 127°34′）位于黑龙江省南部尚志市帽儿山镇，属于张广才岭西坡，最高海拔805 m，平均海拔300 m。全年年平均气温2.8 ℃，年降水量723.8 mm，主要集中在7～8月份。林分类型主要是原始林被破坏后形成的天然次生林，是我国温带典型的阔叶红松林的分布区，植被分布主要包括蒙古栎Quercus mongolica、红松、山杨Populus davidiana、枫桦Batula costata、白桦Betula platyphylla、黄波罗Phellodendron amurense等。

1.2 材料采集与实验设计

于2014年5月份在帽儿山实验林场红松林分采集红松松针。在东北林业大学森林防火实验室进行室内模拟实验，利用水平放置的长、宽、高分别为17、17、5 cm的无顶盖铁框作为燃烧床。由于林内风速一般不超过5 m·s-1，因此风速设定6 个水平（0、1、2、3、4、5 m·s-1）。因红松松针叶片细长，压缩比可以很大，因而压缩比设置4个水平（0.054 9、0.091 4、0.128 0、0.164 6）。

被烟头引燃时松针最大含水率的确定：因为可燃物含水率超过35%时就很难被点燃，没有研究意义[10]。因而含水率从35%时以5%的梯度递减，在不同风速和压缩比时，用烟头点燃红松松针，每种条件下重复20次，每种组合条件时至少出现一次烟头引燃可燃物的现象，即为该条件时烟头能引燃红松松针的最大含水率。其中香烟品牌为中南海（8 mg），落入可燃物中时过滤嘴前方长度为1 cm，红色阴燃状态。

根据烟头可引燃的最大含水率确定实验得到红松松针的可点燃最大含水率为10%，含水率设置3个水平（0%、5%、10%）。将烟头放入可燃物床层中，以含水率、风速、压缩比为分类条件，每种条件下进行20次重复，故红松松针进行1 440次实验。观察可燃物能否被烟头点燃出现明火，并用摄像机记录全部过程。

1.3 研究方法

利用Excel（2013）整理处理数据，得到可燃物在不同风速、压缩比、含水率时的点燃概率折线图；因风速小于2 m·s-1时，红松不能被烟头点燃，因此以风速（≥2 m·s-1）、含水率、压缩比为自变量，出现明火概率为因变量进行方差分析；用statistica10.0将风速、压缩比、含水率等分为几部分，得到每个自变量对烟头引燃可燃物的影响情况图；根据Logistic回归模型要求样本数量的规律，从32个出现明火数据中选20个数据，并以1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的配比从没有出现明火的数据中抽取20、40、60、80、100个数据作为未点燃数据，使用这些数据进行Logistic回归；得到误差最小的模型配比，用VC++编程，得到模型阈值0.1～0.9变化时预测准确率的变化，并选择预报准确率最高、误报准确率相对低时的阈值为最合适的阈值选择。确定好Logistic预测模型及阈值后，将未参与建模的12组点燃数据代入模型，进行模型精度的检验，并分析误差来源。

2 结果与分析

2.1 烟头点燃可燃物概率情况

图1给出了不同含水率、风速 、压缩比时，未熄灭烟头点燃红松松针的概率折线图。从图1可以看出，随着含水率的增加，红松松针被烟头点燃的概率在下降，这是因为随着含水率的增加，烟头的热量不足以支撑松针的水分全部挥发或产生可燃性气体；随着风速的增加，松针被烟头点燃的概率在增加，因为风速增加，床层内氧气浓度增加，产生了利于燃烧的气氛；随着压缩比的增大，烟头点燃松针的概率也在增加，可能是由于压缩比增大，可燃物更加连续，而连续材料比不连续的材料更容易导致阴燃传播和明火的发生[11]。

图1 不同条件时烟头点燃红松松针的概率Fig.1 Burning probability of Korean pine needles ignited by cigarette ends at different conditions

2.2 烟头点燃松针的概率与各个因子间的关系

图2～4给出了烟头点燃松针的概率分别与压缩比、风速、含水率之间的关系。图2表示在风速和压缩比相同条件时，含水率和烟头点燃红松松针间的关系。从每个小图可以看出，当风速和压缩比在固定范围内时，随着含水率的增大，点燃红松针叶的概率在减小。风速较小时，每个小图拟合的直线斜率相似，说明当风速较小时，烟头点燃概率和含水率间的关系在不同风速和压缩比间是一致的，此时含水率对烟头点燃红松针叶的概率影响与风速和压缩比无明显关系；当风速较大时，则不然。

图2 风速和压缩比相同条件时，含水率和烟头点燃可燃物的概率间的关系Fig.2 Relationship between moisture and probability of cigarette end ignited when wind speed and compression ratio were the same

图3表示在含水率和压缩比相同条件时，风速和烟头点燃红松松针间的关系。从每个小图可以看出，当含水率和压缩比在固定范围内时，随着风速的增加，点燃概率也增加。每个小图的直线斜率差别较大，说明风速对烟头点燃红松针叶的概率影响与含水率和压缩比有明显关系。

图4表示在含水率和风速相同条件时，压缩比和烟头点燃红松松针间的关系。从每个小图可以看出，当含水率和风速在固定范围内时，随着压缩比的增加，点燃概率也增加。每个小图的直线斜率差别较大，说明压缩比对烟头点燃红松针叶的概率影响与含水率和风速有明显关系。

图3 压缩比和含水率相同条件时风速和烟头点燃可燃物的概率间的关系Fig.3 Relationship between wind speed and probability of cigarette end ignited, when compression ratio and moisture content were the same

图4 风速和含水率相同条件时压缩比和烟头点燃可燃物的概率间的关系Fig.4 Relationship between and probability of cigarette end ignited and compression ratio when moisture and wind speed were the same

2.3 红松松针被烟头引燃的概率影响因子分析

利用statistica10.0进行方差分析，表1给出了红松松针被烟头点燃的方差分析结果。从表1可以看出，风速和含水率对烟头点燃红松松针概率的影响极显著，压缩比对烟头点燃红松松针概率的影响极显著，压缩比×风速、压缩比×含水率、风速×含水率对烟头点燃松针的概率无影响。

2.4 Logistic回归及检验

2.4.1 Logistic模型样本选择

逻辑斯蒂回归是广义线性回归中的一种，对与结果只是两类的发生概率建立模型时，可以使用Logistic回归[12]。根据Logistic回归模型数据的选择规律，从32个点燃红松松针的数据中随机选择20个数据，为使结果更具说服性，以1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的配比从未点燃数据中随机选择20、40、60、80、100个数据，重新构成5组数据。将点燃松针数据赋值为1，未点燃松针数据赋值为0，进行Logistic回归，得到预测模型。

表1 含水率、风速、压缩比及交互作用对点燃概率的方差分析†Table 1 Variance analysis on effects of moisture, wind speed, compression ratio and their interactions on ignition probability

2.4.2 不同配比数据的Logistic模型结果

利用statistica10.0对5组数据进行二元Logistic回归，每个配比的结果汇总见表2。从表2可以看出，Logistic预测烟头点燃红松松针模型中，1∶5配比时的总预测准确率最高，但是预报点燃准确率最低，综合来看，1∶1配比时，模型的总预测准确率较高，并且预报点着的准确率最大，误报率仅为20%，是模型中最好的，因此选择配比为1∶1时的数据进行拟合模型。

表2 配比样本预测结果汇总Table 2 Prediction results summary of matched samples

2.4.3 烟头点燃松针Logistic预测模型

根据2.4.2推断得到1∶1数据配比时烟头点燃红松松针的预测模型如下。

风速≥2 m·s-1时点燃概率模型为：

结合风速＜2 m·s-1时的点燃结果,得到风速≤5 m·s-1的全部点燃概率方程：

2.4.2中表2的准确率是当模型的阈值为0.5时确定的，改变预测模型阈值，使阈值从0.1变化到0.9，模型准确率随阈值变化见图5。从图5可以看出，随着阈值的增大，误报率和准确率都是在减小，总预测准确率也是在减小。当阈值选为0.5时，此时误报率为20%，预测准确率和总准确率都为80%，因此依旧选择阈值为0.5。

将红松松针被烟头点燃的数据中未参与建模的12组数据代入预测模型（结果如表3）中，并以0.5为阈值，即P值在0.5以上即认为预测为点着，预报准确。可以看出，12组数据中有10组的预测值在0.5以上，因此认为烟头点燃松针概率Logistic精度大于80%。

图5不同阈值时模型预测准确率Fig.5 Model prediction accuracy rate of different threshold values

表3 烟头点燃松针概率Logistic精度检验结果Table 3 Logistic testing accuracy of probability of pine needles lighted by burned cigarette end

Logistic预测烟头点燃松针概率的模型出现误差是因为在某一特定条件（例可燃物压缩比为0.054 9）下，即能出现被点燃的情况，又能出现不可以被点燃的情况，当这两部分差别不大时，Logistic模型则容易出现误差。图6给出了含水率、风速、压缩比条件时烟头能否点燃松针的情况柱状图。从图6可以看出：含水率和风速固定条件下，点燃数和未点燃数差距明显，而随着压缩比的变化，点燃数和未点燃数有稍微差别，重合部分多，因而认为Logistic预测模型的误差主要来自压缩比。

图6 不同条件时，烟头点燃和未点燃红松松针床层的数量Fig.6 Numbers of pine needles beds ignited by cigarette ends and un-ignited under different conditions

3 结论与讨论

对于红松松针，只能在某些特定的条件下才可以被未熄灭的烟头点燃。当红松松针的含水率≤10%且风速≥2 m·s-1时，未熄灭的烟头可以点燃红松松针。其中含水率、风速对烟头点燃松针概率的影响是极显著的，压缩比对烟头点燃红松松针概率的影响是显著的，压缩比、含水率、风速各因子间的交叉作用对烟头点燃红松松针概率的影响不显著。烟头点燃红松松针的Logistic预测模型准确率达到80%，误报率仅为20%。

很多固体物质在堆积起来时，都有可能发生阴燃[13]。可燃物被烟头点燃，往往是由可燃物先发生阴燃，后在一定条件下阴燃转化为明火。笔者详细观看了烟头点燃松针的实验记录视频发现，松针被点燃的情况中往往是由于烟头从松针间隙中向下插入，并且将下方松针碳化，松针在持续阴燃一段时间后，转化为明火。烟头最开始水平放置时，没有覆盖，散热条件好，热量和分散出的可燃性气体不好积累，温度不容易升高[14]。但是当其落入松针下层，烟头被覆盖，下层可燃物被烟头引燃，随着温度和可燃性气体浓度的积累，即有可能从阴燃转化为明火。因而，烟头能否点燃可燃物的关键是在于其是否能落入可燃物内部，并且内部可燃物能否持续阴燃，这样才能由未熄灭烟头点燃可燃物。

可燃物在受热过程中延缓了可燃物的点燃时间，但是不会影响可燃物的热解和可燃性气体的析出[15]。本实验所用的未熄灭烟头长度是1 cm，在红松松针含水率较高时，烟头燃烧的持续时间、释放出的热量不足以维持可燃物的全部水分的蒸发。因而，可以预测当烟头长度较长时，可燃物的最高可点燃含水率还会升高。

可以看出，烟头点燃红松松针的概率很小，对风速、可燃物含水率、可燃物压缩比都有很苛刻的要求。根据实验结果可以对林内烟头的火源管理提供指导性意见：对于郁闭度高的林分，林内阳光直射少，风速小，地表可燃物含水率高，不容易被点燃；在郁闭度低的林分中，阳光强烈，风速大，容易被点燃。因而，要根据不同郁闭度的林分进行火源管理，因林防火，减少烟头引起的森林火灾。

由于本实验是在室内进行的，人为模拟的风速、可燃物压缩比和含水率与野外森林中的自然情况还是有一定的差别。而且由于风的作用，松针的含水率在实验过程中会有细微的变化。但是，本实验综合考虑了压缩比、风速、含水率各个因子与可燃物由阴燃转为明火的条件，对这类问题的深入探讨提供借鉴。今后应该增加烟头点燃其他可燃物种类的研究，建立更全面的烟头引燃森林可燃物的模型，为林火预报提供数据，对森林保护提供技术指导。

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Study on probability ofPinus koraiensisneedles fire lighted by burning cigarette end based on Logistic regression

ZHANG Yun-lin, ZHANG Heng, JIN Sen
(College of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

In order to simulate the field lighting conditions ofPinus koraiensisneedles, fuel-bed was constructed by lighting Korean pine needles with a 1cm length burning cigarette end.With inflammable matter moisture, compression ratio and wind speed as the classification conditions, twenty times pine needles lighting repeated trials under conditions have been carried out, one thousand four hundred and forty times lighting trials were conducted.according to the recorded data, the open flame probability of Korean pine needles burned by burning cigarette end were calculated.The results show that Korean pine needles can be ignited when fuel moisture is ≤10%and wind speed ≥ 2 m·s-1; Of them, fuel moisture and wind speed had extremely significant effects on needle ignition, and compression ratio had appreciable impact on the probability ofP.koraiensisneedles lighted by burning cigarette end; The interactions among fuel moisture, wind-speed and compression ratio etc.did not significantly affected to the probability; A logistic model for predicting ignition rate was established with accuracy of 80%, the misreport rate was only 20%.

Pinus koraiensis; needles fire lighted by burning cigarette end; lighted probability analysis; moisture content; wind speed;compression ratio; smoldering; open flame

S762

A

1673-923X(2015)09-0045-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.09.008

2015-03-10

“十二五”农村领域国家科技计划课题 （2011BAD37B00）

张运林，硕士研究生 通讯作者：金 森，教授，博士；E-mail：jinsen2005@126.com

张运林，张 恒，金 森.基于Logistic回归的烟头点燃红松松针概率的研究[J].中南林业科技大学学报，2015, 35(9):45-51, 64.

[本文编校：谢荣秀]