基于GIS的城市消防站布局優(yōu)化方法研究

摘 要：以遼寧省蓋州市為研究對象，從火災風險評價方法、消防站優(yōu)化布局展開討論，借助GIS空間分析、優(yōu)化模型引入等手段，探討如何科學構建新時代下城市消防安全評估體系，開展定量化、空間化評估分析和情景模擬，重點對消防站布局進行優(yōu)化設計，以期為消防轉(zhuǎn)制背景下，為同等規(guī)模城市的消防規(guī)劃布局研究提供理論和技術研究的新思路。

關鍵詞：消防站布局優(yōu)化；GIS；位置分配

中圖分類號：TU998.1" " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）09-0107-03

1 研究區(qū)現(xiàn)狀分析

1.1 研究區(qū)概況

蓋州市位于北緯39°35′12″至40°35′55″，東經(jīng)121°56′44″至122°53′26″，地處遼東半島西北部，行政區(qū)劃屬于營口市。本次研究區(qū)域為蓋州市中心城區(qū)，現(xiàn)狀有消防站一處，研究區(qū)內(nèi)消防站（隊）建設較為落后。

1.2 研究區(qū)火災風險評估

通過對火災風險做出綜合的科學評估，可以客觀研判蓋州市中心城區(qū)的消防安全所存在的問題，并根據(jù)城市火災風險的高低、輕重緩急，為中心城區(qū)消防站布局提供決策性意見。在充分分析研判蓋州市中心城區(qū)火災發(fā)生情況及趨勢后，構建火災風險評估評價指標體系（見表1），針對評價因子以專家打分的方式進行權重賦值。

基于ArcGIS空間數(shù)據(jù)分析功能，將初步數(shù)據(jù)進行加權疊加分析，并將分析結(jié)果進行了可視化表達。采取自然斷點分級法劃定五類火災風險等級，得出最終的蓋州市中心城區(qū)火災風險評估結(jié)果。

2 研究方法與流程

2.1 研究方法

2.1.1 傳統(tǒng)布局方法

目前國內(nèi)針對消防站布局的安排仍采取較為傳統(tǒng)的規(guī)劃布局方法，在《城市消防站建設標準》（建標152-2017）的約束下，通過圓形布局法規(guī)劃消防建設的數(shù)量、選址等[1]。根據(jù)研究區(qū)總面積結(jié)合規(guī)范粗略估算消防站建設需求量，具體計算方法如式（1）。

A=πR2=π（S/r） 2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（1）

式中：A為消防站責任區(qū)面積；R為消防站到責任區(qū)最遠點的行駛直線距離；S為消防站到責任區(qū)最遠點的行駛的實際距離；r為道路曲線系數(shù)。

城市的道路交通網(wǎng)絡布局對消防車的行駛速度的影響不可忽視，簡單地以消防站與火災發(fā)生點的直線距離，來保證“消防隊以接到出動指令后5 min內(nèi)到達轄區(qū)邊緣”，可行性及實施性較低，會導致部分地區(qū)存在消防站誤配、錯配和漏配的問題，不利于城市消防安全屏障的建立。

2.1.2 “位置分配”布局方法

“位置分配法”是在確定補充條件和現(xiàn)狀已建成不可移動、重建的公共設施空間分布的情況下，在人為選定的候補設施點位中，基于ArcGIS空間分析，給出需新增的設施位置及數(shù)量，通過最大化范圍覆蓋及最小化設施點優(yōu)化模型分析比對，實現(xiàn)設施布局優(yōu)化的目的。通過GIS空間分析，模擬蓋州市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡模型及火災發(fā)生單元。通過設置現(xiàn)狀消防站與候選消防站點位，構建消防站與火災發(fā)生點之間的關系路徑，進行位置分配求解。經(jīng)過反復比較分析，科學合理地預測消防站的數(shù)量和位置。該種方法能在一定程度上避免消防站責任區(qū)劃定過小、資源浪費等問題。

2.2 消防站布局優(yōu)化

2.2.1 約束條件分析

2.2.1.1 消防響應時間約束條件

《城市消防站建設標準》（建標152-2017）指出，城市消防站的規(guī)劃布局應滿足消防到達火場時間最短，其中，消防車應在5 min之內(nèi)到達責任區(qū)邊緣。本文將消防站從接到報警到出動的準備時間設為40 s，因此消防車行車時間應控制在4.3 min。

2.2.1.2 消防車輛行駛約束條件

在實際消防出警過程中，城市道路交通條件的影響不容忽視。消防車具有道路優(yōu)先通行權，行車距離相同的條件下所花費的行車時間最短，且不受路口禁轉(zhuǎn)、紅綠燈等候時間的限制以及道路單行線限制。且在消防站轄區(qū)內(nèi)行駛時，經(jīng)專業(yè)培訓的消防車輛行駛員往往會選擇最短出警路線。上述各項條件均在一定程度上影響消防車輛出警時間。

2.2.1.3 城市規(guī)劃布局約束條件

城市規(guī)劃應以全盤視角考慮多方因素，其中用地方案布局、城市建設進度以及財政預算不可能只考慮消防安全這一個方面。在規(guī)劃實施過程中，以大拆大建的形式調(diào)整城市消防站布局在一定程度上難以實現(xiàn)。在現(xiàn)有消防站轄區(qū)劃分的基礎上進行優(yōu)化消防站布局研究，綜合研判選址建設約束條件，其結(jié)果更具有實際可行和經(jīng)濟的現(xiàn)實意義。

2.2.2 數(shù)據(jù)準備

2.2.2.1 基礎數(shù)據(jù)空間定位

基于ArcGIS提供的空間可視化功能將蓋州市中心城區(qū)道路交通、用地布局等要素進行空間落位。各項基礎研究數(shù)據(jù)均基于2000國家大地坐標系。

2.2.2.2 道路交通網(wǎng)絡構建

根據(jù)《蓋州市城市總體規(guī)劃（2015-2030）》，將中心城區(qū)道路網(wǎng)絡劃分為4個級別：城市快速環(huán)路、城市主干路、城市次干路、城市支路（不做研究），分級確定不同等級道路平均行駛速度。考慮到2.2.1中提出的消防車輛行駛約束條件，將路段行車時間再縮短10%。具體車速分級如表2所示。

基于ArcGIS，將總體規(guī)劃中道路交通網(wǎng)絡矢量化，在打斷相交線、通過拓撲檢查后，對單個道路進行賦值，賦值內(nèi)容包括車速、道路等級及道路名稱等。

2.2.2.3 模擬或在潛在發(fā)生點

理論上每一棟建筑都有發(fā)生火災的可能性，將蓋州市中心城區(qū)以及部分周邊地區(qū)整體劃分為251個基本消防單元，以各消防基本單元中心點作為潛在火災發(fā)生點。

2.2.2.4 模擬消防站候選地址

考慮蓋州市中心城區(qū)現(xiàn)狀用地性質(zhì)，選取緊鄰路邊且面積大于2 000 m2的地塊，確定多個消防站候選地址，共計188個。

2.2.3 分析解算

2.2.3.1 最優(yōu)布局解算

最小化設施點數(shù)模型是在所有候選的設施選址中挑選出數(shù)目盡量少的設施，使得位于設施最大服務半徑之內(nèi)的設施需求點最多。該模型自動在設施數(shù)量和最大化覆蓋范圍中計算平衡點，得出合適的設施數(shù)量和位置[2]。

2.2.3.2 最大化覆蓋范圍模型

最大化覆蓋范圍模型的目標，是在所有候選的設施選址中挑選出給定數(shù)目的設施的空間位置，使得位于設施最大服務半徑之內(nèi)的設施需求點最多。模型關注的是設施的最大覆蓋問題，至于設施需求點到設施的距離，模型認為只要在服務半徑之內(nèi)，設施點就享受到了足夠的服務，而不論距離的長短[3]。

其目標函數(shù)和約束條件如式（2）（3）（4）（5）。

式中，I 為模擬火災發(fā)生點位；J 為消防站候選點位；Wi為模擬火災發(fā)生點位權重；M 為消防站設施數(shù)量。

采用“最大化覆蓋范圍模型”對消防站位置分配進一步分析，依次論證消防站個數(shù)為1、2、3、4、5個時消防站的選址與服務情況。分析結(jié)果如表3所示。

2.2.3.3 布局優(yōu)化

對于中心城區(qū)消防站布局規(guī)劃為至 2030 年中心城區(qū)消防站總數(shù)達到 6 座。由于布局3個消防站時火災發(fā)生點覆蓋率已達98.80%，相比于布局4個消防站達到100%全覆蓋，也基本達到保護效果，并可節(jié)省大量人力、物力、經(jīng)費。綜合對比分析并結(jié)合蓋州市實際情況，結(jié)合火災風險評估結(jié)果，在經(jīng)濟適用的前提下，蓋州市中心城區(qū)近期可規(guī)劃新增消防站兩處，分別位于中心城區(qū)西部與東部。若隨著遠期城市擴張與群眾需求增長，可根據(jù)最小化設施點模型提示在城市西北角增設一座。

3 結(jié)束語

建立蓋州市中心城區(qū)火災風險評估體系，提取出5大類評估指標并確定各指標權重，將指標進行加權疊加，基于自然斷點法進行分級，可視化表達研究區(qū)域火災風險分布情況，經(jīng)實地驗證與現(xiàn)實情況基本相符。該方法可為消防救援日常工作開展、風險預判輔助決策。

基于火災風險評估結(jié)果，結(jié)合ArcGIS技術優(yōu)化模型對消防站進行優(yōu)化布局。傳統(tǒng)的以畫圓法進行消防站布局只能確定基本數(shù)量和位置，達不到資源的最優(yōu)配置。該優(yōu)化方法可以在節(jié)約成本的基礎上有效提高消防資源利用率，使城市消防站布局更加合理，通過科學的出警時間預判，進而有效降低火災造成的人民生命財產(chǎn)安全損失。

參考文獻

[1] 林俊雄，江心，朱建國，等.GIS模型在城市消防站布局規(guī)劃的應用研究[J].城市規(guī)劃，2018，42（5）：63-68.

[2] 牛強.城市規(guī)劃GIS技術應用指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 牛強，彭翀.基于現(xiàn)實路網(wǎng)的公共及市政公用設施優(yōu)化布局模型初探[J].交通與計算機，2004（5）：49-53.