基于GIS與AHP的燕郊消防站規劃

劉海東，李智慧

(1.廊坊市消防支隊； 2.武警學院 科研部，河北 廊坊　065000)

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基于GIS與AHP的燕郊消防站規劃

劉海東1，李智慧2

(1.廊坊市消防支隊； 2.武警學院 科研部，河北 廊坊065000)

在京津冀一體化建設的逐步推進過程中，位于中心地帶的燕郊鎮具有獨特的發展前景，城鎮的快速發展也給相關的配套設施提出了新的要求，大量外來人口的涌入，交通壓力增大，原有的消防站已經遠遠不能滿足城市滅火救援任務的需求。綜合運用GIS和AHP方法對燕郊鎮進行火災風險評估，在此基礎上對消防站點進行備選方案的規劃，最后對這幾個擬建站點進行對比分析評估，得出優化排序方案，為城市消防規劃提供充實的數據參考。

GIS；AHP；消防規劃

0　引言

隨著京津冀一體化建設的逐步推進，北京市政府東遷、通州行政副中心的確定等一系列政策的實質化進行，燕郊鎮作為離北京市中心最近的產業開發區之一，西距天安門30 km，北距首都機場25 km，獨特的地理位置優勢，為燕郊的發展帶來了巨大的機遇和挑戰。城鎮化的快速發展，城市各種復雜建筑、高層建筑拔地而起，城市的范圍與密度不斷加大。而燕郊鎮舊城區的消防站點卻沒有隨之增設，城鎮消防規劃已經很難滿足城區快速發展的需求。對于大多數城鎮而言，整個城鎮消防規劃是城鎮火災防控計劃最為關鍵的因素之一，而合理布局消防設施以及消防站能夠有力促進政府預防以及降低火災損失能力的提升。現階段急需突破的問題是在盡量滿足燕郊鎮消防需求的情況下，使得整個城區消防布局達到最佳優化以及最為可靠的評估方法。因此，對燕郊鎮進行消防站規劃研究意義重大。

我國早期消防站建站的主要原則是采用“畫圓法”，主要是根據街道情況，以消防車4分鐘內能達到的最遠距離來確定消防責任區[1]。近年來關于城市消防站規劃的研究方法逐漸增多，基于數學模型的方法如李峰等人借鑒了線性規劃方法對城市消防規劃進行了分析[2]、基于GIS模型的方法如周俊構建了GIS-MCE方法的城市火災風險評價指標體系并在火災風險評估基礎上進行消防站布局優化[3]。消防站規劃是典型的多標準決策分析(MCDA)問題，多標準決策分析與GIS的組合運用，既能充分體現GIS處理空間模型的優勢，也能體現復雜情況下多標準決策分析在決策模型上的優勢。層次分析法是一種定性分析與定量分析相結合的多標準決策分析方法[4]，能夠有效處理多目標、多標準、多因素、多層次等各種復雜問題[5]，因而得到了廣泛運用。

因此，本文擬針對燕郊鎮的具體情況，分析探討燕郊鎮消防站點規劃方法，提出了基于GIS與AHP的燕郊消防規劃技術方案。綜合運用地理信息系統(GIS)空間分析方法對燕郊鎮火災風險進行綜合評估，在火災風險評估的基礎上進行消防站點的規劃，最后對這些備選方案進行了優化排序，可以根據城市的經濟和社會狀況，規劃建站的先后順序。

1　研究區域

河北省三河市燕郊鎮面積105.2 km2，直線距離北京天安門僅30 km，南距天津港180 km，擁有得天獨厚的地理優勢，早在1992年就被批準為河北省級經濟開發區，之后在2010年升級為國家高新技術產業開發區。在21世紀初，燕郊鎮人口只有10萬，2013年轄區常住人口50萬(戶籍人口23萬)，2015年燕郊規劃人口達60萬[6]，現有55個行政村。受北京居高不下的房價影響，近幾年大量住宅、辦公建筑在燕郊拔地而起。燕郊城區的建筑以及人口密度的快速增長，給城鎮消防帶來不小的壓力。如圖1所示，是燕郊鎮主要交通道路圖。

圖1　燕郊交通道路圖

2　層次分析法

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)最早由20世紀70年代Saaty等人[7]提出，由于層次分析法簡單易用，而且可擴展性強，因此在教育、工業企業、政府管理等領域都有大量成功案例。層次分析法在多要素綜合評估過程中具有獨特的優勢，但是該方法并沒有考慮到評估對象的空間位置關系，而GIS技術具有強大的空間分析特點，恰好可以彌補這一缺陷。因此，GIS與AHP兩種方法的綜合運用近年來被廣泛采納進與地理位置相關的多要素評估問題中[8-10]。

AHP方法的步驟主要包含六步：(1)確立需要解決的目標問題；(2)將目標問題相關的多種因素進行分層歸類；(3)根據“分組兩兩比較”的方法確定各因素的影響因子；(4)采用AHP方法計算均一化的影響因子的權重指數，完成定性與定量的統一；(5)檢查數據的一致性；(6)綜合權重指數得出最優決策。

在AHP的分組兩兩比較法中，將影響力分級標度為1～9級。如果A與B相比，A因子的影響力較強，就按1～9的等級進行分級處理，如果A因子與B因子相比，A因子的影響力較弱，就按照1～9的倒數來分級處理(從1/2到1/9)，見表1。

表1　AHP的分組兩兩比較法

根據對比的結果建立影響力矩陣為：

(1)

式中，rij即為兩因子相比較的結果值，rij>0。

3　消防站規劃方法

對燕郊鎮消防站的布局進行科學合理優化，主要是為了提高消防部門滅火救援行動的效率，最大限度地保障人民生命財產安全。本文所采取的思路建立在對城鎮火災風險評估的基礎之上，根據燕郊鎮火災風險評估的結果，首先找出風險等級最高的危險區域，其次根據危險區域選出幾個擬建消防站的備選方案，然后根據已有的消防站4分鐘消防的責任圈，檢查是否存在責任區疊加，最后根據人工經驗判斷擬建消防站是否保留。

3.1火災風險指標體系

根據城鎮的火災形成機理，可以將城鎮火災的風險性指標分為火災危險性、城鎮脆弱性、防災減災能力三個因子。火災危險性是指燕郊鎮內發生火災的可能性，包括歷史火災發生頻率、城鎮建筑特征等。城鎮脆弱性是指燕郊鎮內發生火災后容易受到火災影響的損失程度，由于燕郊又別稱為北京的“睡城”，即很多人在北京打工而居住在燕郊，也就是說燕郊外來人口占一定比例，因此外來人口比例也應當歸納到城鎮脆弱性中。防災減災能力包括消防水源、消防力量等。具體指標體系見表2(表中的權重系數按照AHP的分組兩兩比較法來確定)。

表2　燕郊鎮火災風險指標體系

3.2GIS綜合應用處理方法

對于空間數據的處理都是在GIS平臺上完成，本文主要采用的GIS平臺是ArcGIS10.2地理信息系統軟件。在進行GIS與AHP方法結合過程中大致要經歷以下幾個重要步驟：

3.2.1城鎮火災風險指標體系中的各影響因子數據整理，以矢量數據結構(.shp文件)分層存儲在數據庫中。根據指標體系中提出的重要的影響因素，收集了燕郊鎮的加油加氣站、大型新建高層建筑群、危舊建筑的分布等情況，還整理了燕郊鎮近三年來的歷史火災數據、消防重點單位、重大危險源等檔案資料，對這些數據資料進行數字化處理，分層存儲在地理數據庫中。圖2是根據燕郊鎮近三年的火災歷史數據整理而成的火災密度圖，其中顏色灰度值由深到淺表示的是該地區火災發生的密度由大到小。

圖2　燕郊鎮近三年火災密度圖

3.2.2各矢量層數據權重賦值。根據AHP方法對各級影響因子計算權重值，然后賦值到各層的屬性值中。以城鎮脆弱性各因子為例，計算其權重值，結果見表3。

表3　城鎮脆弱性各因子的權重值計算

在AHP分組兩兩比較方法中的基礎數據指數值是根據專家打分或者是火災調查問卷得出，本文采取火災調查問卷的方式確定，打分的標準參考表1。其他的影響因子打分也遵循同樣的方法，進行歸一化的權重值在表2中顯示。歸一化權重的計算方法如下：

(2)

式中，W′為歸一化后的相對權重值。

3.2.3對矢量數據進行疊加、相交、合并、剪切等操作。矢量數據如圖3中的重點單位和重大危險源數據，因為同是塊狀矢量，因此可以方便進行疊加、相交、合并等操作。如圖所示重點單位是點狀填充標識，重大危險源以黑色填充標識。

圖3　燕郊鎮消防重點單位和重大危險源

3.2.4將矢量數據轉換成柵格數據。對矢量數據進行加權平均計算，需要先將矢量數據轉換成柵格數據。轉換成柵格數據之后，才可以在地圖上逐柵格計算。

3.2.5進行柵格計算。如圖4所示，是對各圖層進

圖4　在ArcGIS平臺中進行加權計算

行加權總和計算。這些多因子的逐個柵格加權計算就是用權重與各影響因子之間進行乘積相加。加權的公式如下：

(3)

式中，P表示城鎮的綜合火災風險指標；Wi表示第i個影響因子的權重值；Xi表示第i個影響因子的值。

W要在各級因子的相對權重值W′的基礎上進行整體上的歸一化處理，計算公式如下：

(4)

3.2.6最終得出城鎮火災風險評估等級圖。經過對燕郊鎮危舊建筑、高層建筑、易燃易爆危險區、歷史古跡、消防重點單位(幼兒園、醫院、大型百貨商場、影劇院、集市等)、現代物流倉儲區、公共綠地、公園、村落等點狀、面狀矢量要素，以及交通道路、河流等線性要素，進行空間加權疊加分析，最終得出城鎮火災風險評估等級圖，如圖5所示。從圖5可以直觀地得出燕郊鎮內各單位的火災風險等級主要分為四個級別：高風險區、中高風險區、中等風險區和低風險區。

圖5　燕郊鎮火災風險評估等級圖

3.3擬建備選消防站點

目前燕郊鎮僅有兩個消防站，一個位于億豐大街與漢王路的交口，這個是燕郊鎮內最主要出警的消防站，另一個是三河電廠企業消防站，位于京榆大街和福成路交叉口的東北方向(該消防站主要負責三河電廠內的消防安全)。圖6中顯示的深色星狀點即代表燕郊鎮現有消防站的具體位置，而淺色星狀點代表的是擬建消防站位置。根據燕郊鎮火災風險評估的結果，本文初步擬定了5個擬建消防站方案，如圖6所示，擬建消防站周圍的圓圈表示的是從消防站出發4分鐘內能到達的最遠距離。擬建消防站的位置和理由見表4。消防車在燕郊鎮城區內的行駛速度一般是40～50 km·h-1，在上下班高峰時刻，消防車的行駛速度會遠遠低于這個水平。

圖6　燕郊鎮擬建消防站備選方案

備選站點具體位置擬建理由擬建消防站1北外環以北,中軸線迎賓路邊燕郊北部有新建的京東產業園,未來幾年會有大量企業入駐,該消防站附近有兩大地塊處于中高風險區,一塊處于高火災風險區擬建消防站2燕新大街中段該地區附近有較多新建小區及高層建筑,多塊處于中高風險區擬建消防站3行宮東大街與燕高路的交口該地區交通壓力較大,重大危險源和重點消防單位較多,可緩解城鎮中心已建消防站的出勤壓力擬建消防站4思菩蘭路與通燕高速交口通燕高速直通北京,一旦發生交通事故火災,市區消防站均無法及時到達,消防站附近有一塊地區處于中高風險區擬建消防站5冶金中學南部南部農村地區沒有消防站,一旦村里發生火災事故,市區消防站無法及時到達

擬建的這5個消防站基本上覆蓋了燕郊鎮中等以上風險區域，當然在北蔡街附近還有少量地塊沒有被覆蓋到，但這塊地帶離擬建消防站2和擬建消防站4都不太遠。

3.4擬建備選消防站點評估

由于實際的消防站建站還面臨很多實際的壓力，如人口密度、經濟成本、消防站之間的重疊率、交通狀況等，因此有必要對擬建的備選消防站點進行評估，消防規劃時可以根據這幾個備選站點的最終評估結果來進行參考。

消防站建站的首要關鍵因素是人口密度，人口密度越大，火災或其他救援行動如跳樓、觸電、城市洪澇災害等的救助需求就越大，因此，消防站建站毫無疑問要考慮到人口密度對建站的需求影響，這里的人口密度包含流動人口密度。人口密度作為建站選址因子的權重在各擬建站點的權重值計算見表5。

表5　備選消防站點對人口密度的比較及權重值

消防站的建站成本主要來自于消防站周邊環境的用地成本，建站成本越低，在選址中應該越占有優勢。通常來說，在市區建站的成本要遠遠高于農村，其權重的對比值見表6。

表6　備選消防站點對建站成本的比較及權重值

從圖6中可以看出，這5個備選的消防站在4分鐘內能到達的最遠距離包圍圈相互有一些重疊，這對建站是不利的因素。建站的目的是盡可能讓責任區不相互交叉，也就是說與其他責任區交叉越少所占的權重值應該更高，責任區的交叉覆蓋率在5個擬建消防站中的權重值見表7。

消防站的交通狀況也是消防站建站的重要參考因素，交通狀況越好越有利于建站，交通不便對于消防隊出行救援也會帶來諸多不便。這里的交通狀況參考了道路的便利情況和通常情況下的道路擁堵狀況。在擬建消防站點3附近道路雖然便利，但是該站點附近承擔過多的城市交通壓力，容易出現擁堵。從表8中可以看出，擬建消防站點2和擬建消防站點4附近的交通比較便利。

表7　備選消防站點對責任區交叉覆蓋率的比較及權重值

表8　備選消防站點對交通的比較及權重值

最后，綜合考慮人口密度、建站成本、責任區交叉覆蓋率及交通狀況這四個主要的影響因素在實際選址過程的重要性，具體權重參見表9。

表9　備選方案參考因素對選址目標的比較及權重值計算

表10的目標選址方案的排序結果是根據前面計算的各層因子的權重值與本層因子的組合權重值得到的。例如擬建消防站1的最終權重值=人口密度權重值(0.521 0)×擬建消防站1的人口密度權重值(0.132 2)+建站成本權重值(0.060 0)×擬建消防站1的建站成本權重值(0.245 0)+責任區交叉覆蓋率的權重值(0.303 9)×擬建消防站1的責任區交叉覆蓋率權重值(0.139 3)+交通權重值(0.115 1)×擬建消防站1的交通權重值(0.166 4)=0.145 1。其他站點按照同樣的方法計算得出最終的權重結果。

根據分析可以得出，擬建消防站3雖然離燕郊鎮已有的消防站點距離很近，但是該站點附近消防重點單位和重大危險源較多，交通壓力也較大，人口密度最大，火災危險性最大，因此，該站點是比較急需建站的地點。

表10　備選方案最終權重值排序

擬建消防站點4是比較需新建的消防站點，該站點與燕郊鎮市區已有的消防站點距離較遠，與其他擬建消防站點責任區基本沒有交叉，是適合的新建站點。

擬建消防站點2附近有很多新建小區，高層建筑較多，未來人口密度會逐漸增大，火災風險中高的區域還比較多，考慮到城市的長遠發展有必要在此建站。

擬建消防站點1在北外環之外，有一些新建的工業區，這些工業園區一旦投入使用，會有一批大型企業入駐，未來幾年內會有建立新消防站點的需求。

擬建消防站點5位于鐵路以南，鐵路以南大部分都是村莊，火災風險等級較小，該站點所占整體權重最小，如果城市經濟能力許可，可以在此規劃新的消防站點。

4　結論

本文將地理信息系統與層次分析法綜合運用到燕郊鎮消防站點規劃過程中，實現了對燕郊鎮火災風險的綜合評價，并在火災風險評估的基礎上給出了5個擬建的消防站，然后分別對這5個站點進行了分析評估，最后給出了一個規劃排序，根據城市發展的需求來決定建站的先后順序。在火災風險評估方面主要考慮的因子有三層三級，數據源來自14個不同類別，這些數據在地理信息系統平臺上進行整理、分析和運用，得出直觀的火災風險評估圖。根據火災風險評估圖得出的消防站備選方案主要考慮了實際建站過程中的重要因素如人口密度、建站成本、責任區交叉覆蓋率以及交通狀況，通過層次分析法計算出各個重要因子的權重指數，這樣就可以對備選方案進行優化排序，為城市消防發展提供充分的數據參考。

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[2] 李峰,許傳升,焦宏剛.城市消防規劃中線性優化模型的探討[J].中國安全科學學報,2007,17(6):98-102.

[3] 周俊.城市火災消防規劃支持方法研究[D].武漢:武漢大學,2011.

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(責任編輯李蕾)

Fire Sites Planning of Yanjiao Based on GIS and AHP

LIU Haidong1, LI Zhihui2

(1.LangfangMunicipalFireBrigade; 2.DepartmentofScientificResearch,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

With the integration of Beijing, Tianjin and Hebei province, Yanjiao Town, located in the center area of this region, has a special future. As the rapid development of this town, a large population live there and the traffic is heavy. Therefore, the old system of firefighting in this town is far from satisfying the needs of urban fire and rescue missions. Based on the fire risk assessment of Yanjiao, new alternative fire station sites are offered. And then, these five sites are analyzed and assessed to give a reference for the city government.

GIS; AHP; fire station planning

2016-02-17

劉海東(1984—)，男，河北雄縣人，助理工程師； 李智慧(1981—)，女，湖北黃石人，講師，博士。

●消防安全評價

D631.6

A

1008-2077(2016)08-0066-07