層次聚類方法在消防投入分類中的應(yīng)用

●黃俊山

(大慶市消防支隊(duì)，黑龍江大慶 163311)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，我國(guó)城市人口和財(cái)富不斷聚集，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，由此造成的火災(zāi)損失也相應(yīng)的增大。城市消防基礎(chǔ)設(shè)施和消防裝備的建設(shè)情況直接關(guān)系到城市自身消災(zāi)減災(zāi)的能力。完善的消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能夠很好的防止火災(zāi)發(fā)生，減少火災(zāi)發(fā)生的幾率和危害程度，保障經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定快速的發(fā)展。而當(dāng)前我國(guó)各省市消防基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)滯后與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾日益突出，特別是城市公共消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)欠賬較多，消防隊(duì)(站)偏少，消防裝備量少質(zhì)差的問(wèn)題十分突出，火災(zāi)事故頻發(fā)，損失和傷亡慘重，直接影響到我國(guó)各省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的穩(wěn)定。

1 層次聚類方法簡(jiǎn)介

聚類分析是統(tǒng)計(jì)學(xué)中研究“物以類聚”問(wèn)題的多元統(tǒng)計(jì)分析方法。層次聚類方法又稱為樹(shù)聚類算法，是直接比較各事物之間的性質(zhì)，將性質(zhì)相近的歸為一類，將性質(zhì)差別較大的歸入不同的類的分析技術(shù)。它使用數(shù)據(jù)的聯(lián)接規(guī)則，透過(guò)一種層次架構(gòu)方式，反復(fù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分裂或聚合，以形成一個(gè)層次序列的聚類問(wèn)題解。層次聚類有兩種類型，分別為Q型聚類和R型聚類;層次聚類的聚類方式又分為兩種，分別是凝聚方式聚類和分解方式聚類。其分析表達(dá)數(shù)據(jù)的方法主要有:(1)通過(guò)一系列的檢測(cè)將待測(cè)的一組基因的變異標(biāo)準(zhǔn)化，然后成對(duì)比較線性協(xié)方差。(2)通過(guò)用最緊密關(guān)聯(lián)的譜來(lái)對(duì)基因進(jìn)行樣本聚類，例如用簡(jiǎn)單的層級(jí)聚類(hierarchical clustering)方法。這種聚類亦可擴(kuò)展到每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本，利用一組基因總的線性相關(guān)進(jìn)行聚類。(3)多維等級(jí)分析(multidimensional scaling analysis，MDS)是一種在二維Euclidean“距離”中顯示實(shí)驗(yàn)樣本相關(guān)的大約程度。(4)K－means方法聚類，通過(guò)重復(fù)再分配類成員來(lái)使“類”內(nèi)分散度最小化的方法。

聚類方法有兩個(gè)顯著的局限:第一，聚類結(jié)果要明確就需分離度很好(well－separated)的數(shù)據(jù)。幾乎所有現(xiàn)存的算法都是從互相區(qū)別的不重疊的類數(shù)據(jù)中產(chǎn)生同樣的聚類。但是，如果類是擴(kuò)散且互相滲透，那么每種算法的結(jié)果將有不同。結(jié)果，每種算法界定的邊界不清，每種聚類算法得到各自的最適結(jié)果，每個(gè)數(shù)據(jù)部分將產(chǎn)生單一的信息。為解釋因不同算法使同樣數(shù)據(jù)產(chǎn)生不同結(jié)果，必須注意判斷不同的方式。最終，將需要經(jīng)驗(yàn)可信度通過(guò)序列比較來(lái)指導(dǎo)聚類解釋。第二個(gè)局限由線性相關(guān)產(chǎn)生。上述的所有聚類方法分析的僅是簡(jiǎn)單的一對(duì)一的關(guān)系。因?yàn)橹皇浅蓪?duì)的線性比較，大大減少發(fā)現(xiàn)表達(dá)類型關(guān)系的計(jì)算量，但忽視了生物系統(tǒng)多因素和非線性的特點(diǎn)。

本文主要運(yùn)用層次Q型聚類，即對(duì)樣本進(jìn)行聚類，使具有相似特征的樣本聚集在一起，使差異性大的樣本分離開(kāi)來(lái)。

2 層次聚類法算例

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

根據(jù)2005年全國(guó)城市消防規(guī)劃和城市公共消防設(shè)施建設(shè)情況的統(tǒng)計(jì)資料，由于各省經(jīng)濟(jì)、地區(qū)大小等差異，消防建設(shè)優(yōu)劣不能簡(jiǎn)單以其數(shù)量進(jìn)行對(duì)比，因此對(duì)實(shí)有(表示2005年底的消防數(shù)量，等于年初數(shù)量加當(dāng)年新增數(shù)量)設(shè)施和應(yīng)有的消防設(shè)施數(shù)量進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比處理，以表示該地區(qū)的消防設(shè)施滿足程度，得到如表1所示的關(guān)于2005年全國(guó)各省消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)基本情況表。

表1 2005年全國(guó)城市公共消防設(shè)施建設(shè)情況

2.2 數(shù)據(jù)分析過(guò)程

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行層次Q型聚類，其中個(gè)體距離采用平方歐式距離，類間距離采用平均組間連鎖距離(本例由于樣本太多，樣本間的歐式距離表過(guò)大，此處略去)，統(tǒng)計(jì)分析變量采用表1中的消火栓實(shí)有/應(yīng)有與消防站實(shí)有/應(yīng)有兩個(gè)變量，由于數(shù)據(jù)不存在數(shù)量級(jí)上的差異，因此無(wú)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。得到表2所示的凝聚狀態(tài)表，表中第1列表示聚類分析的第幾步;第2、3列表示本步聚類中哪兩個(gè)樣本或小類聚成一類;第4列是個(gè)體距離或小類距離;第5、6列表示本步聚類中參與聚類的是個(gè)體還是小類，0表示樣本，非0表示由第n步聚類生成的小類參與本步聚類;第7列表示本步聚類的結(jié)果將在以下第幾步中用到。

表2 層次聚類的凝聚狀態(tài)

2.3 分析結(jié)果

表3是層次聚類分析中的類成員示意表，從表中可以看出，當(dāng)聚成4類時(shí)，廣東、浙江兩省為第一類，這一類都是消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)非常好，實(shí)際的消防設(shè)施建設(shè)量超過(guò)了其應(yīng)有的數(shù)量。山東、江蘇、河南、四川、北京、福建、湖北、湖南、廣西、內(nèi)蒙古、山西、江西、陜西、云南、重慶、貴州、甘肅、海南、寧夏為一類，這一類的消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)水平良好。第三類是河北、上海、遼寧、安徽、新疆、青海，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況中等偏下。第四類是黑龍江、天津、吉林，消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足。若分為5類，見(jiàn)表3第2列。

表3 類成員示意表

3 結(jié)論

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，得到2005年全國(guó)城市公共消防設(shè)施建設(shè)情況分類結(jié)果如表3，可以看出，分類結(jié)果能夠較好的符合各省的實(shí)際情況。假設(shè)分為4類，對(duì)于前兩類，其消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能夠很好或基本滿足防災(zāi)、抗災(zāi)的能力;對(duì)于后兩類，消防基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)滯后，不能滿足日常防火需要，必須根據(jù)情況加大消防基礎(chǔ)設(shè)施投資力度，更好的做好消防工作，保障當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)穩(wěn)定快速的發(fā)展。

[1]薛薇.統(tǒng)計(jì)分析方法及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[2]公安部消防局.中國(guó)火災(zāi)統(tǒng)計(jì)年鑒2006[M].北京:中國(guó)人事出版社，2006.

[3]馬詠真.模糊聚類分析在中國(guó)火災(zāi)危害分類中的應(yīng)用[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2006，(4).