城市消防站選址布局優化及對雄安新區的啟示*

陳志芬 ，李俊偉 ，盧方欣，李 強

(1.中國城市規劃設計研究院，北京 100037；2.北京師范大學 地理科學學部，北京 100044；3.濟寧市規劃設計研究院，山東 濟寧 272000)

0 引言

設立河北雄安新區，是以習近平同志為核心的黨中央深入推進實施京津冀協同發展戰略、積極穩妥有序疏解北京非首都功能做出的一項重大歷史性戰略選擇，是千年大計、國家大事。安全，是雄安新區建設發展的重要保障和基礎底線。“河北雄安新區規劃綱要”明確提出，“牢固樹立和貫徹落實總體國家安全觀，堅持政府主導與社會參與相結合，堅持以防為主、防抗救相結合，堅持常態減災和非常態救災相統一，針對自然災害和城市運行安全、公共安全領域的突發事件，高標準規劃建設重大防災減災基礎設施，全面提升監測預警、預防救援、應急處置、危機管理等綜合防范能力，形成全天候、系統性、現代化的城市安全保障體系，建設安全雄安”的要求。專業化的應急救援隊伍，特別是消防救援隊伍，承擔火災防范、火災撲救、搶險救援等工作，是提升新區城市救援能力，保障城市安全的有生力量。而消防站正是消防救援隊伍工作(執勤備戰)的場所，是應對城市火災、自然災害、事故災難等突發事件救援的防災基礎設施。科學規劃消防站的數量、空間位置，對于優化消防救援隊伍空間分布，提高消防救援隊伍火災防范、火災撲救、搶險救援等工作效率，維護城市社會經濟活動正常有序運行具有重要意義。

針對消防站選址布局的研究一直備受重視。美國于20世紀70年代就開始有關消防站布局的研究，并制定了正式的消防規劃條例，由美國紐約的蘭帕德公司提出的“蘭帕德火災項目”是具有代表性的完整消防規劃[1-2]。我國GB 51080—2015《城市消防規劃規范》規定，城市建設用地范圍內普通消防站布局，應以4 min行車到場為原則進行布局，同時考慮城市中心區及邊緣地區的道路交通狀況，確定消防站布局應滿足：城市中心區消防站轄區4～7 km2，城市邊緣地區不超過15 km2。城市規劃領域常用的傳統方法簡稱“畫圓法”，即根據規劃區面積簡單除以4～7 km2，確定大概需要的消防站數量，再按4～7 km2的圓進行布局[3]，圓心則為消防站布局位置。該方法只是簡單地落實4～7 km2的標準，缺乏對消防站的位置、轄區情況的分析，往往導致選址規劃難以落實。另一種常用的方法是先結合行政區域、主要道路等劃分轄區，再在單一轄區內優化消防站的空間位置[4-5]，該方法僅僅是轄區范圍內的有限優化，缺乏從整體系統考慮救援力量的分布。隨著GIS技術的發展，ArcGIS軟件內嵌location-allocation模塊在消防站選址優化方面應用廣泛，一般先利用最小化設施數量模型確定最低的消防站數量，再利用最大化覆蓋需求點模型對設施的空間布局進行優化[6-8]。

目前的消防站布局規劃及研究，大多是以消防站轄區面積4～7 km2覆蓋所有區域為單一目標進行的布局優化，缺乏從城市整體消防安全和提高搶險救援能力的角度，探討消防站布局在我國消防救援體系變革中的系統性規劃。對此，本文擬立足城市消防整體安全及消防救援力量優化配置，從消防站數量、空間位置及投入產出效率的角度，研究消防站的優化布局，旨在為雄安新區的消防站規劃提供參考和借鑒。

1 選址布局基本模型

選址問題在生產、生活，乃至軍事等領域中應用廣泛，好的選址會給人民的生活帶來便利，降低成本，擴大利潤和市場份額，提高服務效率和競爭力，差的選址往往會帶來很大的不便和損失，甚至是災難。一般認為，選址問題的研究始于1909年Webber的倉庫選址問題[9]，即在平面上確定1個倉庫的位置，使得該倉庫到所有顧客的總距離最小。

在諸多選址布局模型中，常用的有4種模型，即：位置集合覆蓋模型(LSCP)、最大覆蓋模型(MCLP)、P-中心模型(P-Center)和P-中值模型(P-Media)。最早的位置集合覆蓋模型由Toregas等[10]提出，該模型的目標是求解能夠覆蓋所有需求點的最少設施數目；隨后，由Church和ReVelle在位置集合覆蓋模型基礎上，提出最大覆蓋模型[11]，該模型目標是在確定設施數目的基礎之上，探究能夠覆蓋最多需求點的布局模式；P-中值模型最早由Hakimi[12-13]提出，規劃目標是使各個需求點至設施點之間的總距離最小，從而使消防站總體服務質量達到最佳；P-中心模型由Hakimi[13]根據P-中值模型改進而得到，優化目標是使各個設施點與需求點之間距離之和的最大值最小，更兼顧布局公平性。

位置集合覆蓋模型、最大覆蓋模型、P-中值模型和P-中心模型如下。

1)位置集合覆蓋模型

(1)

2)最大覆蓋模型

(2)

3)p-中值模型

(3)

4)p-中心模型

(4)

式中：I表示需求點集合，I={i|i=1,2,…,m}；J表示候選設施點集合，J={j|j=1,2,…,n}；dij表示需求點i與設施備選點j之間的最短距離，i∈I,j∈J；D表示需求點與設施之間的最大允許距離。式(1)～式(4)中，yj，xi和xij的取值說明如下：

選址布局模型的目標，可以分為吸引目標(pull)、排斥目標(push)和平衡目標(balancing)3類。其中，吸引目標主要用于研究有利設施的選址，設施設備越近越好，如醫院、學校，但受建設成本限制；排斥目標常用于不利設施的選址，越遠越好，如垃圾站，但受運輸成本限制；平衡目標，即在給定的標準距離內達到相對公平。根據選址布局模型的目標和約束條件可知，4個基本模型在投入成本、設施數量、需求滿足程度、服務對應關系、設施容量考慮以及目標等方面均存在差異，具體分析如表1所示。

表1 4種模型的比較Table 1 Comparing of the four models

2 消防站選址布局模型與方法

消防站是典型的“balance”類公共服務設施，其布局的目標是為了最大程度的防范火災發生，提升滅火救援效率，降低火災事故損失，布局原則是在給定的標準距離內達到相對公平，與居民意愿無直接的關系。利用位置集合覆蓋模型可以確定覆蓋所有城市建設用地所需要的最少的消防站數量，如圖1所示，該區域要覆蓋全部的需求點需要建設25座消防站。由于城市空間布局往往考慮了自然地理、城市風貌、生態景觀、交通區位等多個要素進行整體優化布局，建設用地布局在空間上并非規整，僅僅利用位置集合覆蓋模型進行選址布局優化，在覆蓋所有需求點的簡單目標下，往往需要巨大的公共財政投入。而建設15座消防站可以實現90%的覆蓋率，如圖2和圖3所示。即，區域全部覆蓋的簡單目標下，增加67%的消防站，僅能提高10%的覆蓋率。面臨政府公共財政投入的邊際收益極速遞減的趨勢，美國消防規范NFPA 1710提出了消防站90%的情況下在標準時間內可達的要求。

圖1 LSCP選址布局示意Fig.1 Location of LSCP

圖2 消防站數量與消防站覆蓋率關系Fig.2 Relation diagram between the number and the coverage rate of fire stations

圖3 MCLP選址布局示意(P=15)Fig.3 Location of MCLP (P=15)

實際上，經過多年的發展，我國消防站體系逐漸形成了社區微型消防站初期火災撲救3 min到場，專業消防力量5 min到場的多層次滅火救援體系。單一依靠專業消防力量全覆蓋的消防站布局體系，并不是最優的滅火救援力量配置。在考慮消防投入的合理性、有效性、可行性基礎上，借鑒美國消防站布局經驗，本文提出不低于90%覆蓋率的消防站優化布局目標，可以更好地統籌政府消防資金的配置，尤其是加強社區基層消防力量的建設，提升火災預防能力和初期火災撲救能力，將極大地提升政府在火災撲救、應急救援方面的投入產出效率。

如何科學確定消防站選址布局，使得消防站的覆蓋率不低于90%？本文提出通過位置集合覆蓋模型與最大覆蓋模型聯合利用的選址優化布局模式，即：利用位置集合覆蓋模型確定全域覆蓋所需要的設施數量N，再利用最大覆蓋模型以P=1，…，N進行遍歷求解，確定不低于90%覆蓋率時的布局結果為消防站選址布局優化結果。同時，考慮我國絕大多數城市均建有消防站，新一輪的消防規劃應該充分考慮保留現有消防設施的基礎上進行補充優化。雄安新區同樣具有這一特征，根據“河北雄安新區規劃綱要”，新區范圍包括雄縣、容城、安新3縣行政轄區(含白洋淀水域)，任丘市鄚州鎮、茍各莊鎮、七間房鄉和高陽縣龍化鄉，規劃面積1 770 km2。內部既有新規劃建設的起步區，也有需要提質擴容的容城、雄縣等組團。因此，位置集合覆蓋模型和最大覆蓋模型應增加式(5)所示的約束條件。

yj=1,?j∈K

(5)

式中：K={k|k=1,2...,l} ，表示已有消防站點集合，l為已有消防站數量。

3 模型實現過程

城市建設用地范圍內普通消防站布局，應以消防隊行車到場4 min為原則。根據GB 51080—2015《城市消防規劃規范》要求，現狀城市消防車平均時速約30～35 km，在城市建設用地邊緣地區、新區且道路系統較為暢通的普通消防站，按60 km時速，轄區面積不應大于15 km2。因此，考慮消防車輛在行駛過程中道路的通行能力，設定城市中心區域擁擠路段道路行駛速度為35 km/h，其余處在城市區域外圍、較為稀疏的道路設置行駛速度為60 km/h。消防站布局和優化的實現過程如下。

1)利用ArcGIS工具箱中的Fishnet工具以某1區域為邊界構建網格，以網格的中心點作為消防站的需求點以及設施點，同時結合該地區的遙感影像資料及相關規劃資料等適當去除部分不適于作為消防站的設施備選點。

2)依據道路行駛速度對不同的路段設置通行阻抗，以4 min為中斷值進行消防站需求點和設施備選點之間的OD成本距離提取。

3)根據給出的模型，利用Lingo軟件對LSCP模型求解，確定消防站選址數量上限N及其布局模式，得到該地區理論最佳消防站數目及布局模式。令P={p|p=1,2…,N} ，采用MCLP模型對P進行遍歷求解，選擇覆蓋率不低于90%的優化結果作為消防站選址布局結果。

4)將模型求解結果進行GIS可視化處理。

4 案例研究

4.1 研究區概況

針對雄安新區的規劃布局特點，確定如下城市范圍為研究區域，用地面積為105 km2，現狀2座消防站，如圖4所示。圖中，實線為中心地區老城區道路，路網密集，道路交通條件一般；老城區東西2邊為城市提質擴容范圍，路網結構優化，道路通行能力較好。

圖4 研究區現狀概況Fig.4 General picture of study area

利用ArcGIS中Fishnet工具以該城市邊界構建500 m×500 m的網格，以網格的中心點作為消防站的需求點和設施備選點。確定設施備選點時，還應去除規劃保留建設用地、危險源300 m范圍內用地、學校50 m范圍內用地等不適宜規劃建設消防站的用地，提取結果如圖5所示。

圖5 消防站需求點與設施點Fig.5 Demands and prepared sites for location fire stations

4.2 研究結果

利用位置集合覆蓋模型優化結果顯示，在保留現狀2座消防站的基礎上，該城市共需要10座消防站才能覆蓋所有建設用地，即需要新增8座消防站，如圖6所示。以P=3，…，10，在保留現狀2座消防站的基礎上，計算不同設施數目之下消防站對需求點的覆蓋率，能夠明顯看出，隨著消防站數量的增多，消防站的覆蓋能力是遞增的，如表2和圖7所示。當P=6時，消防站覆蓋率達到90.41%，則需最少布局6個消防站,如圖8所示。在現狀消防站基礎上，新增4座消防站，消防站覆蓋率可以從42.45%提高到90.41%。在此基礎上，再增加4個消防站，消防站覆蓋率僅能提高不到10%。

圖6 LSCP選址布局(覆蓋率為100%，P=10)Fig.6 Location of LSCP(coverage rate is 100%, P=10)

消防站數量/座覆蓋率/%242.45359.95473.14583.93690.41794.96897.62998.810100

圖7 研究區消防站數量與消防站覆蓋率關系Fig.7 Relation diagram between the number and the coverage rate of fire stations in the study area

圖8 MCLP選址布局(覆蓋率為90.41%，P=6)Fig.8 Location of MCLP(coverage rate is 90.41%, P=6)

5 對雄安新區消防站規劃的啟示

本文從消防站布局優化、政府公共消防財政投入配置優化的角度提出利用位置集合覆蓋模型和最大覆蓋模型聯合使用進行消防站選址布局優化的方法，并考慮保留現狀消防站設施的需求，增加約束條件，對模型進行了改進。面向消防站選址布局優化過程需求，提出了考慮道路通行能力差異，通過計算設施點與需求點之間時間成本距離應用于模型求解，雖然其結果從表面上看突破了我國消防相關標準對消防站轄區范圍4～7 km2的限制，但實際上將極大地提高政府公共財政使用效率和消防救援能力整體水平，也更符合我國消防相關標準對于消防站布局的可達性要求。

雄安新區規劃堅持公交優先，綜合布局各類城市交通設施，實現多種交通方式的順暢換乘和無縫銜接，打造便捷、安全、綠色、智能交通體系。新區內的道路交通狀況將較之現狀城市有極大的改善，特別是智能交通體系，有利于消防救援時的交通管制，提高消防車同行效率。在新區的規劃發展背景下，若機械地采用4～7 km2的標準進行消防站的選址布局，將導致大量低效率的公共投資。立足新區整體消防安全和應急救援能力提升需求，嚴格按照消防隊接警后4 min可達的標準，基于新區道路交通可達性分析，對消防站位置、數量、類型、等級進行優化，適當考慮政府公共財政在消防安全多個環節的投資分配，才能真正構建起“雄安新區城鄉覆蓋、區域協同，陸、水、空、地下全方位消防系統”。

6 結論

1)圍繞目前主流的4種選址模型(LSCP，MCLP，P-media和P-center)進行討論和分析，給出各個模型在成本、設施數量、需求滿足情況、服務類型、設施容量和目標類型方面的表現。

2)提出通過位置集合覆蓋模型與最大覆蓋模型聯合利用的選址優化布局模式，并增加補充性約束條件(考慮已有消防站)對模型進行改進，最終為消防站的選址布局提供模型和方法上的支持。

3)通過案例研究，進一步驗證相關模型和方法的科學性和可操作性，并對雄安新區消防站選址布局給出相應的建議。