多源數據融合的城市區域型消防風險分布特征研究*
——以太原都市圈所在區域為例

閆緒嫻，阮嘉珺，苗敬毅,2，范 玲

(1.山西財經大學 管理科學與工程學院，山西 太原 030006；2.廣東白云學院 經濟統計系，廣東 廣州 510550)

在城市現代化進程中，消防安全事件防控難度大，極易受人為因素影響，承災體間聯動性強，是城市應急管理亟待解決的重要災害問題。2020年全國接報火災總數25.2萬起，居民住宅火災數量占總數的43.3%，其中，高層住宅火災比上年大幅上升13.6%。由此可見，城區消防應急管理工作的重要性。而隨著都市圈概念的提出，標志著城市區域沿新方向發展，消防應急管理工作也應同向優化調整。在既有研究中，城市、綜合體[1]、高層建筑[2-3]、地下管廊[4]作為研究主體已有較多成果，城市一體化區域形態作為更加宏觀的對象，仍需深度探索與鉆研。

當前消防安全問題研究數據有多源化趨勢[5]，但遙感數據[6]、POI興趣點[7]與統計數據衡量尺度不同，仍有探討空間。城市建設趨向多元，消防風險因素冗雜，據分層分類原則[8]起火成因[9-11]、火災特點[12-15]等是主因，就區域消防風險研究而言，進行分級管理有助于規劃工作。此外，綜合運用模型增強了分析過程的合理性，如熵權法[16-17]、AHP[18]、事故樹[19]、神經網絡[20]、MIRO[21]等。而GIS空間分析法[22]能在數量、分類方面突顯優勢，有利于分析區域風險分布特點。因此，消防風險研究應拓展以都市圈形態為代表的城市區域作為主體，探索多源數據標準化問題，在空間視角分析風險現狀及趨勢，以期促進消防應急管理規劃工作同城鎮發展趨勢相同步，避免規劃工作的滯后性。

太原都市圈是中部地區崛起戰略的關鍵區域，核心城市太原是我國城鎮化均衡發展的重要節點。近年來，區域內各城市在經濟、人口、高新技術等方面發展迅速，但受制于地理位置、資源稟賦等，城市間聯結程度不高，融合狀態尚不成熟，城市規劃尚不完善，消防風險因素較多，致使該區域在消防風險防控管理方面有較高的研究價值。因此，為進一步提升消防風險應急管理能力，優化評估模型及方法，為區域高質量發展奠定安全環境基礎。本文以太原都市圈所在區域作為研究對象，將遙感數據、POI興趣點數據經標準化處理后融入GIS-GANP模型中，提取特異性影響因素，探討城市一體化區域消防風險系數及空間分布特征，通過區位-配置模型[23-24]，預測防控消防風險的站點規劃趨勢及方向，研究構建一體化應急應戰體系[25]的可行性，以期在消防風險研究領域擴充城市區域視角，為向都市圈方向發展的城市區域內應急管理工作的發展規劃思路提供借鑒及參考，推動消防應急管理工作與城市區域融合發展方向相匹配，減少因消防站點遷移、重置造成資源浪費。

1 區域型消防風險評估模型

1.1 構建評估指標體系

基于已有文獻研究及城市區域融合發展視角，綜合人口、經濟、政府公共設施投入等因素，可將區域消防風險因素歸納為災害危險性、承災體脆弱性及消防韌性3大類(表1)。①模擬災害誘因，考慮消防事件不可逆性，綜合人-物-社會三維度選出代表災害危險性的指標。商場、酒店、娛樂場所等人員密集型場所，在發生消防安全事件時，對人身生命的威脅極高，能代表對人這一層面的潛在危險性；以加油站、化工廠等為代表的易燃爆場所，消防安全事件誘發性極高，能代表對物這一層面的潛在危險性；醫院、古跡等場所對文化、社會等方面具有較強的軟作用，以其作為公共設施這一層面的代表，能分析社會層面受到消防安全事件的潛在危險性。②就消防安全事件影響的客體，集中在人員、經濟及建筑物方面，分布越集中，脆弱性越大，風險越高。因而選擇人口密度、地均GDP、高層建筑代表當前城市的主要承災體，單位區域內指標越高，風險越大。③從抵抗消防風險及恢復的能力分析，消防站點密度、水網密度決定著災害控制能力，路網密度影響著控制時效，公共設施投入增長率推動著災后恢復能力的速度，幾者構成了消防韌性的衡量因素，韌性越高，風險越小。

表1 區域型消防風險指標體系表

1.2 確定研究方法

ANP網絡分析法在優化AHP的基礎上能夠考慮決策系統中因素間相互依存和反饋的關系，但主觀性較強。灰色關聯法在定量分析的基礎上結合描述及比較分析，能夠對已收集的少量信息進行利用，能夠客觀反映系統內部的關系。因此，選用基于GIS空間分析法的灰色網絡分析法(G-ANP)，綜合考慮主客觀因素對城市間區域消防風險進行分析，流程如下。

(1)確定指標及評價等級。根據識別出的消防風險因素建立指標集Ui=(U1,U2,U3)，各指標的子集為Ui=(Ui1,Ui2,Ui3…Uij)(i=1,2…N;j=1,2…n)，評價等級為Ti=(T1,T2,T3,T4,T5)。

(2)利用GIS空間分析法，對區域指標數據集散程度進行分析，并通過數值分類在空間上呈現差異分布，進而對各項指標空間分布情況進行分析，初步分析消防風險在單因素下分布情況。

(4)灰色關聯法建立灰色評價矩陣。用評價等級T通過專家打分法對各指標獨立打分得評價矩陣D，用灰色統計法求得X類白化權函數，判斷不同指標的灰色統計數及總灰色統計數，進而計算灰色評價權，即各指標隸屬某一灰類的總體認同度。最后計算求得灰色評價矩陣P：

(1)

式中：i為一級指標，j為二級指標，e為專家編號。

(5)綜合評價。基于ANP計算出的極限相對排序向量W*及灰色關聯法求出的灰色評價矩陣P，可算出二級指標評估權重：Y=W*×P，結合評價等級向量T，得到一級權重值：Q=Y×T。對于城市區域型消防風險的整體評估通過綜合評價向量S=W×P，最后與評價等級T結合得到綜合評估分值為：G=S×T。計算出綜合得分對城市區域型進行總體風險評價，用組合加權法對各區域風險進行計算，結合GIS判斷不同區域風險分布情況，進而對不同區域風險進行評價，探尋風險重點的區域關鍵風險因素。基于重點風險區域及城市發展方向引入區位-配置模型(L-A模型)可以對后續消防規劃趨勢進行研究，以預見性的視角分析規劃方向(圖1)。

圖1 區域消防風險評估模型圖

2 案例分析及應用

2.1 數據來源及處理

2.1.1 研究區域概況

太原市地處中國華北地區，是山西省政治、經濟、文化中心，常住人口為375.27萬人，地區生產總值(GDP)為4 028.51億元，協同晉中市、陽泉市、呂梁市以及忻州市幾個行政區劃臨近的城市共同發展。然而，受限于地理位置，基礎設施水平等因素，太原市核心輻射作用相對薄弱，城市間聯通程度較低，基于《中國都市圈發展報告》[26]可知，太原所處區域屬于典型的培育發展中的區域(圖2)。隨著城市化戰略的推進，經營場所、人口數量的增加衍生出頻發的消防事故，因此，對消防風險分布情況進行研究刻不容緩。

圖2 太原都市圈所屬區位圖(文中底圖源自山西省自然資源廳，審圖號：晉S(2020)005號，下同。)

2.1.2 數據來源及模糊處理

經濟及人口數據源于2020年統計年鑒，POI數據取自電子地圖，區域內建筑數據采自遙感數據，道路網絡及水網數據源于OPENSTREET。為提高評估準確性，避免由于收集數據來源、統計方式、標準尺度等原因導致比較分析出現偏差，因而將上述數據進行標準化及模糊化處理，使數據具有一定容錯率，在趨勢上與真實情況保持一致。將太原都市圈所在區域的消防風險指標的數值由高到低劃分成五級，用重分類數據進行GIS分析及綜合評估計算，使分析結果具有更高的可信度(表2)。

表2 指標模糊處理表

圖3 公眾聚集場所密度圖圖4 易燃易爆場所密度圖圖5 保護單位密度圖圖6 人口密度圖圖7 地均GDP圖圖8 高層分布密度圖圖9 路網密度圖圖10 公共設施投入增長率圖圖11 消防站點密度圖圖12 水網密度圖

2.2 太原都市圈所屬區域消防風險評估及結論

2.2.1 GIS分析及結論

對各項指標在空間上的分布情況可視化處理進行初步風險分析，判斷太原都市圈消防風險分布情況及集中趨勢，利用ArcGIS軟件將各地區消防風險劃分為不同等級，得到各區域不同指標下消防風險空間特征的分布圖(圖3至圖12)。

基于不同風險指標引起的消防風險在空間分布情況可初步分析：2020年度太原都市圈所處區域的消防風險在單個指標作用下呈現出不同的風險形態，不同于都市圈具有環狀層級分布的特點，太原都市圈消防風險分布呈45°的條帶狀，以太原市市轄區為中心，向條帶兩側分布。災害危險性與承災體脆弱性同消防風險成正比，風險主要集中于市轄區，而消防韌性與上述兩方面指標不同，城市化越發達的區域消防韌性越高，消防風險越低。因而太原都市圈所在區域的整體消防風險需要綜合考慮幾方面的指標因素，進而進行風險特征分析。

2.2.2 G-ANP分析及結論

表3 加權超矩陣表

穩定化處理得全局權重W*=(0.11，0.07，0.02，0.04，0.08，0.05，0.17，0.08，0.21*，0.17)，綜上可得各指標權重表(表4)。

表4 區域型消防風險評估指標權重表

對區域型消防評估風險等級確定為高、較高、中、較低、低，所對應的分值分別為5、4、3、2、1，分值越高說明影響風險的等級要高，介于兩者之間取中值，評估等級為V=(5,4,3,2,1)。現通過6名有經驗的消防專家對各項評估指標進行賦值，并根據據評價等級，建立以上、中、下三類白化權函數為基準的5個白化權函數,即g1(x)、g2(x)、g3(x)、g4(x)、g5(x)，以g1(x)為例可得公式(2)。根據灰色統計法所得所有二級指標的總灰色統計數和灰統計評估序列，由灰色評價表可得城市火災風險評估灰色評價矩陣P。

(2)

(3)

可得一級指標評估值(0.77，0.61，2.62)，綜合評價向量(0.35*，0.34，0.27，0.04，0)，評估分值為4.00介于4到5之間，即評估結論為太原都市圈所在區域消防風險偏高。

2.2.3 綜合分析結論及對策建議

GIS-GANP分析可得各區域消防風險分布情況(圖13)，綜合評估結論：太原都市圈所處區域消防風險整體偏高，最嚴重的區域為：太原市的市轄區、清徐縣；陽泉市的盂縣；呂梁市的孝義市；晉中市的介休市。而據各區域指標可分析出消防風險成因：①市轄區內水網分布及消防站點密度較高、公共設施投入、道路通達性較好，消防韌性較高，但消防風險卻對應最高，原因在于市轄區受地形因素限制，人口密度較高，經營場所集中，高層建筑眾多，消防韌性雖然相對其他地區較高但仍無法與消防需求相匹配，致使在消防韌性占較高權重的綜合風險評估時，消防風險等級仍然較高。②在公共設施投入方面，部分區域內指標得分較高，而由于路網密度相對較低，在權重配比影響下，最終消防韌性不高，在區域人口密度高的情況下，產生綜合評估時消防風險較高的結果。③盂縣、孝義市、介休市的消防問題均在于消防韌性不足，公共設施投入增長為負，道路通達性不好，而三地公眾聚集場所密度、地均GDP以及人口聚集度較高，在各項指標因素均促使消防風險高的作用下，加權綜合消防風險結果最高即可理解。

圖13 太原都市圈所屬區域消防風險等級劃分及重點風險區圖

綜上，可知太原都市圈所屬區域內消防風險等級最高的幾個區域，原因在于消防韌性、區域承災體分布、致災因子三方關系不匹配造成，而就當前現狀，需要消防應急管理部門、土地規劃部門及城建部門、交管部門通力合作，破除當前三者關系不合理的局面，增強基建，提高公共設施投入力度，重視多部門協同建設城市的理念，加強消防風險防控布局，對重點風險區域的重點風險因素進行調整，進而對未來以區域為單位進行城市消防風險應急管理作出貢獻，保障培育型都市圈向高層次都市圈的形態不斷發展，推動城市區域聯動作用的發展與融合。

2.2.4 消防站點規劃趨勢研究

都市圈發展不僅局限于經濟、交通等方面，消防應急管理同樣要順應都市圈發展思路。基于太原都市圈所在區域進行消防風險分析結果可知，區域整體消防風險偏高，需要引入L-A模型，通過對消防站點進行重新布局規劃以達到降低消防風險的目的。此外，當前城市區域融合發展向著都市圈一體化進程邁進，消防應急規劃同樣需要考慮并符合未來的趨勢。

(1)規劃條件分析。①位置限制，城市消防站的設立有相應限制及要求，如：設立位置距離易燃易爆場所應不小于200 m，主體建筑距人員密集場所的公共建筑疏散出口不應小于50 m。②轄區確定，在接收到報警后5 min內消防員需到達火情發生地，因而需以5 min行駛的路程作為轄區范圍。高峰時段車速平均為32 km/h，高峰擁堵延時指數為1.561，則正常時段平均車速為49.95 km/h，即5 min可達距離為2 666.67 m～3 902.50 m。以此為規劃阻抗指標，建立消防站點轄區。③負荷均衡，確定消防站點位置及數量時，基于其他原則所作規劃無法避免部分符合要求的消防站點承擔過重的消防負荷，增加了火災失控的風險概率，因此在需求點數量確定的情況下，應盡量使得各站點轄區內的需求點數量相對均衡。

(2)規劃結論及趨勢分析。基于消防站點規劃條件，結合太原都市圈所處區域特征分析，利用L-A模型，以覆蓋率50%為例，可得表7。從城市單元視角，當前消防站點總數為82個，預計達到覆蓋率為50%，所需站點數量為258個，而太原都市圈所處區域覆蓋率現狀為17.29%，預計整體達到覆蓋率為50%，所需消防站點數量為170，減少率為34.11%。可見，從區域發展一體化角度進行消防應急管理規劃，能極大減少資源的浪費，提升消防規劃的時效性。從規劃可視化結果可得(圖14)，市縣之間消防站點進行協同發展，逐步呈現連帶式形態，圈體狀逐步呈現出來，重點規劃區域以太原市市轄區為起點，向西南方向延申。

表7 消防站點規劃表(覆蓋率50%)

圖14 太原都市圈所處區域消防站點規劃示意圖

3 結論與展望

3.1 研究結論與建議

消防風險管理的重要性伴隨城市化進程逐步凸顯，都市圈作為城市區域間發展的基礎形態，其所在區域消防風險的評估及管理工作是保證其順利進入下一階段的基礎。就城市個體而言，以都市圈所在區域作為研究對象更符合當前城市發展特點及趨勢，評估單元應與評估模型相匹配，進而使評估結果更準確。本文通過分析太原都市圈所在區域特征，得出具有代表性的評估指標，引入經營場所、消防重點場所、消防站點等POI數據作為指標因素使得評估結果與現狀貼合程度更高，將GIS與G-ANP方法結合，使定性、定量分析與可視化相融合，從而為評估結果具體分析提供依據，最后通過案例分析對模型的可行性進行了驗證。在風險分布特征的結論下，引入L-A模型，分析區域應急管理一體化發展趨勢下的消防站點規劃方向，以期避免應急規劃的時滯性。研究具體結論如下：

(1)POI數據符合培育發展中城市區域消防風險評估的特異性。在利用提出適用于欠發達城市區域消防風險評估的模型時，突出了相應特點，即人口及建筑的密度較高，城市建設的發展方向傾向于經營活動的提升，在規劃過程中存在一些問題，所以利用POI興趣點作為模型的指標因素能夠充分反映區域現狀，較統計數據而言更符合現實情況。在評估方法方面，結合GIS空間分析法與G-ANP法使得評估過程兼具主觀分析與客觀數據統計，既能夠獲得區域整體消防風險得分，又能夠對具體高風險地區進行微觀分析，從而進一步得出不同區域風險要點并提出減低消防風險措施。

(2)太原都市圈所區域屬的案例為區域消防風險評估模型的可行性提供了支撐作用。在具體以太原都市圈所處區域作為分析案例時，通過提出的消防風險優化模型充分得出整體了消防風險分布特征，并對風險等級進行了劃分，其中重點分析了高風險地區存在的問題，如消防韌性與誘發火災風險的因素不匹配，公共投入率較低等問題，并進一步得出消防韌性是作為消防風險控制中的關鍵因素，其中公共設施投入增長率最為重要。

(3)消防風險研究視角下培育發展中的都市圈分布特征的新特點。在已有的都市圈研究中，認為都市圈的分布形態是以中心城市為點向外進行輻射的圈層結構。而從本文研究結論中得出太原都市圈所處區域的消防風險分布呈現45°帶狀連綿分布。雖是從消防風險角度探索出區域之間的聯系性，但因在指標方面能夠體現出部分城市發展情況，同樣對該都市圈的形態分布具有參考意義，即由于中心城市的核心帶動作用不足，城市間交通通達程度不同，受限于地理因素在城市化建設中未必會使得都市圈的形態呈現圈層分布。

(4)應急管理一體化能降低公共設施建設成本。基于L-A模型，以覆蓋率50 %為例，從所需消防站點數量的減少比率分析，打破行政邊緣，共建應急體系及設施，不僅能高效降低區域消防風險，同樣可以避免相鄰區域的過度投入造成人力、物力等資源的浪費，進而促進“城市病”問題的解決，推動城市化的高質量發展。

綜上，科技的進步為應急管理工作提供了數據與方法，在實際城市應急管理工作中，數據的多源拓展及評估模型的改進，均是優化的方向。基于城市區域協同共建勢態，都市圈必然是未來城市高質量發展的重要布局，當前對經濟、交通、產業等角度進行深度融合時，應急管理工作同樣應順應城市演變趨勢，與時俱進，弱化行政區劃，構建應急管理一體化布局。這既符合以人為本的戰略思想，有利于降低資源浪費，避免應急管理規劃時滯，同樣貼合城市安全發展戰略要求。

3.2 討論與展望

本文以城市一體化發展趨勢為背景，構建以區域為研究視角的消防風險評估模型，通過模糊算法降低誤差度，提高數據多源融合的科學性，運用GIS-GANP模型，從主客觀綜合角度減少過度主觀或過度量化造成評估結果與事實相悖的概率，進而分析出消防風險系數及空間分布特征，并通過L-A模型對消防站點布局進行預測，為區域風險評估提供空間分布上的參考，為科學降低城市消防風險，在都市圈區域內構建消防應急管理一體化提供新思路。都市圈向著高質量發展，5G建設進程的推進，智慧消防的戰略布局及技術難題的攻克，均為提升城市消防的安全性提供了支持。然而，如何構建城市大數據平臺，接入部門間的協作關系及權限如何調整，城市數據收集、處理與反饋及時性如何保障，如何實現動態評估等方面還有待進一步研究與探討。