基于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的城市消防設(shè)施選址優(yōu)化研究
——以廣東省高州市中心城區(qū)為例

徐志標(biāo) 蕭穎瑩 XU Zhibiao, XIAO Yingying

0 引言

隨著我國(guó)進(jìn)入社會(huì)主義新時(shí)代，經(jīng)濟(jì)社會(huì)已從高速增長(zhǎng)階段逐步邁進(jìn)高質(zhì)量發(fā)展階段，城市發(fā)展也邁向高質(zhì)量發(fā)展階段。當(dāng)前人們更加重視城市的質(zhì)量和細(xì)節(jié)，而城市經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和城市人口的不斷增加導(dǎo)致城市建設(shè)用地規(guī)模大幅提升，城市面臨的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也呈日益加大的趨勢(shì)[1]。城市安全保障體系作為城市發(fā)展質(zhì)量提升的關(guān)鍵因素之一，對(duì)維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，而消防體系又是城市公共安全的重要內(nèi)容。因此，必須高度重視城市消防站的建設(shè)。城市消防站是滅火救援力量的基本組織單位，除了承擔(dān)城市滅火的主要職責(zé)，還積極參加其他災(zāi)害事故的救援搶險(xiǎn)。從城市規(guī)劃的視角看，城市消防站合理布局的關(guān)鍵是空間資源的優(yōu)化配置，涉及空間位置和數(shù)量的規(guī)劃布局。因此，重點(diǎn)研究城市消防站的合理布局、科學(xué)劃分消防站責(zé)任區(qū)對(duì)維護(hù)城市經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的正常有序運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，能夠?yàn)槌鞘邢涝O(shè)施的選址提供指導(dǎo)，推進(jìn)消防工作的高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)于消防站的布局優(yōu)化研究一直備受關(guān)注，目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量城市消防設(shè)施的相關(guān)研究和規(guī)劃實(shí)踐。歐洲國(guó)家從20世紀(jì)10年代就開(kāi)始關(guān)注城市公共服務(wù)設(shè)施的布局，在兼顧公平、效率的條件下，科學(xué)合理地提出以公共基礎(chǔ)設(shè)施選址模型為基礎(chǔ)的布局方法。到20世紀(jì)70年代，美國(guó)、英國(guó)、日本等幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的研究學(xué)者開(kāi)始重點(diǎn)關(guān)注消防站布局，從城市區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的角度開(kāi)展了系列研究，綜合考慮消防站選址的不同影響因素，建立多種數(shù)學(xué)模型來(lái)支撐消防站的選址布局。模型在選址過(guò)程中，立足于火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，加入距離、時(shí)間和現(xiàn)有設(shè)施點(diǎn)等約束條件限制，建立一個(gè)較為全面可行且可實(shí)施的多目標(biāo)規(guī)劃模型進(jìn)行具體分析，目的是在資源不富裕的環(huán)境下達(dá)到選址布局最優(yōu)的結(jié)果。我國(guó)對(duì)于城市應(yīng)急救援服務(wù)設(shè)施的選址研究始于20世紀(jì)90年代，相關(guān)學(xué)者利用構(gòu)建的離散定位模型來(lái)研究消防站布局優(yōu)化問(wèn)題，采用從研究范圍到消防站的加權(quán)距離最小的方法確定消防站布局和劃分消防責(zé)任區(qū)。除了運(yùn)用數(shù)學(xué)模型，部分學(xué)者從地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間分析功能、火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法、構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系的角度著手進(jìn)行研究與探討，結(jié)合城市實(shí)際情況，以火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估作為基礎(chǔ)和重要內(nèi)容，考慮交通路線、區(qū)域環(huán)境和經(jīng)濟(jì)成本等，著力提高消防站布局的精確性和適宜性[2]。

因此，本文利用高州市中心城區(qū)近5年的火災(zāi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、城市路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和消防安全重點(diǎn)單位等因素，以高州市中心城區(qū)為研究對(duì)象，采用主成分分析法、層次分析法和核密度分析進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定研究范圍的火災(zāi)隱患情況。在此基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)分析和區(qū)位—配置模型，對(duì)消防站的布局進(jìn)行定量分析和空間優(yōu)化。同時(shí)，進(jìn)一步銜接城市總體規(guī)劃和控制性詳細(xì)規(guī)劃中確定的消防站布局，為高州市中心城區(qū)的消防站布局優(yōu)化提供有效依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

高州市是廣東省轄縣級(jí)市，位于廣東省西南部，其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綜合實(shí)力長(zhǎng)期位居廣東縣域前列。近年來(lái)，城市快速發(fā)展和歷史遺留問(wèn)題使其存在極大的消防安全隱患，消防安全布局已難以適應(yīng)城市發(fā)展的需求。本文選取高州市中心城區(qū)作為研究區(qū)域，規(guī)劃城市建設(shè)用地面積為75 km2。高州市中心城區(qū)現(xiàn)有一級(jí)消防站1座，轄區(qū)范圍為中心城區(qū)。目前，中心城區(qū)消防站的布局不合理，主要體現(xiàn)在現(xiàn)有消防站不能滿足中心城區(qū)的消防安全要求，責(zé)任區(qū)范圍過(guò)大，遠(yuǎn)不能滿足《城市消防規(guī)劃規(guī)范》中對(duì)一級(jí)消防站轄區(qū)面積不宜大于7 km2的規(guī)定，難以適應(yīng)滅火救援的需要。尤其是老城區(qū)和城中村長(zhǎng)期經(jīng)歷快速而無(wú)序的發(fā)展導(dǎo)致消防基礎(chǔ)設(shè)施布局不合理。按照《高州市城市總體規(guī)劃（2011—2035年）》 《高州市城東片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》和《高州市寶光片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》的有關(guān)要求，中心城區(qū)規(guī)劃預(yù)留消防站6座，分別是寶光消防站、山美消防站、城東消防站、石仔嶺1號(hào)消防站、金山1號(hào)消防站和金山2號(hào)消防站（見(jiàn)圖1）。但消防站的轄區(qū)面積仍不符合消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，應(yīng)充分考慮在現(xiàn)有的消防站和規(guī)劃預(yù)留的消防站的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充和選址優(yōu)化。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的研究數(shù)據(jù)主要來(lái)源于高州市消防大隊(duì)提供的2014—2018年火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)、消防安全重點(diǎn)單位、主要危險(xiǎn)源、文物保護(hù)單位和交通路網(wǎng)數(shù)據(jù)等，具體情況如下。

（1）近5年火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)。中心城區(qū)2014—2018年共發(fā)生火災(zāi)796起。從火災(zāi)的分布角度分析，老城區(qū)火災(zāi)多發(fā)，其中潘州街道轄區(qū)的火災(zāi)起數(shù)占比較大，占中心城區(qū)火災(zāi)數(shù)的70%。老城區(qū)火災(zāi)頻發(fā)，主要原因?yàn)槔吓f城區(qū)出租屋較多，存在大量違規(guī)違建的“三合一”場(chǎng)所①：“三合一”場(chǎng)所：指住宿與生產(chǎn)、倉(cāng)儲(chǔ)、經(jīng)營(yíng)一種或一種以上使用功能違章混合設(shè)置在同一空間內(nèi)的建筑，即集生產(chǎn)、生活、倉(cāng)庫(kù)為一體的小工廠小作坊，且各使用功能之間未設(shè)置有效的防火分隔。，屢禁不絕，且消防設(shè)施建設(shè)滯后。2014—2018年火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)分布情況如圖2所示。

圖1 高州市中心城區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃預(yù)留的消防站分布圖Fig.1 The present situation and the layout plan of reserved fire stations in downtown Gaozhou

（2）消防安全重點(diǎn)單位。2019年中心城區(qū)消防安全重點(diǎn)單位有66家，其中國(guó)家機(jī)關(guān)單位4家，廣播、電視和郵政、通信樞紐4家，公眾聚集場(chǎng)所20家，客運(yùn)車(chē)站、碼頭2家，博物館1家，發(fā)電廠和電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)1家，易燃易爆場(chǎng)所28家，醫(yī)院2家，加工企業(yè)2家，化工廠2家。具體分布情況如圖3所示。

（3）主要危險(xiǎn)源。中心城區(qū)現(xiàn)有危險(xiǎn)源18處，其中加油站15處、燃?xì)夤?處，分布在中心城區(qū)各個(gè)鎮(zhèn)街。具體分布情況如圖4所示。

（4）文物保護(hù)單位。中心城區(qū)現(xiàn)存文物保護(hù)單位30處，由于部分文物建筑年久失修，修筑質(zhì)量較差，且配備的消防設(shè)施不完善，部分存在消防安全隱患。文物保護(hù)單位集中分布在潘州街道。具體分布情況如圖5所示。

1.3 布局原則

圖2 2014—2018年火災(zāi)發(fā)生點(diǎn)分布圖Fig.2 Distribution of fire sites in the year of 2014-2018

圖3 消防安全重點(diǎn)單位分布圖Fig.3 Distribution of key fire safety units

圖4 主要危險(xiǎn)源分布圖Fig.4 Distribution of major hazard sources

圖5 文物保護(hù)單位分布圖Fig.5 Distribution of heritage sites

消防站布局研究應(yīng)包括消防站建設(shè)數(shù)量、建設(shè)位置、轄區(qū)面積等因素，根據(jù)《中華人民共和國(guó)消防法》（2019修正版）和《城市消防規(guī)劃規(guī)范》（GB 51080-2015）中對(duì)消防站布局的要求，應(yīng)以接到出警命令后5 min內(nèi)消防車(chē)到達(dá)消防轄區(qū)邊緣作為原則，一級(jí)消防站轄區(qū)范圍面積不應(yīng)大于7 km2，充分考慮城市消防安全重點(diǎn)單位分布、人口密度、城市建筑物分布狀況和道路條件等因素，合理確定消防站位置。根據(jù)城市不同區(qū)域火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的差異，對(duì)消防站選址和消防站轄區(qū)面積作適當(dāng)優(yōu)化。

1.4 研究方法

隨著城市智慧化進(jìn)程的推進(jìn)，運(yùn)用ArcGIS分析平臺(tái)空間分析功能將空間數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，有助于幫助城市建設(shè)提高準(zhǔn)確度。本文使用的研究方法包括：主成分分析法、層次分析法、核密度分析、區(qū)位—配置模型和網(wǎng)絡(luò)分析等。首先構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，運(yùn)用主成分分析法和層次分析法確定因子的權(quán)重，利用GIS的核密度分析和疊加分析對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)按其權(quán)重大小進(jìn)行疊合，判別出研究區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)空間分布情況。在交通路網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，利用區(qū)位—配置模型和GIS網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)對(duì)消防站進(jìn)行布局策略研究。

目前，區(qū)位—配置模型（Location-Allocation Models，L-A模型）被普遍應(yīng)用于基于GIS的城市公共服務(wù)設(shè)施空間優(yōu)化布局研究中[3]。GIS與區(qū)位—配置模型的結(jié)合能有效解決公共服務(wù)設(shè)施選址優(yōu)化問(wèn)題，針對(duì)消防基礎(chǔ)設(shè)施空間布局，本文選用最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型和最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行選址優(yōu)化研究。

（1）最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型

該模型運(yùn)算原則為每個(gè)需求點(diǎn)至少被1個(gè)設(shè)施點(diǎn)覆蓋，用于計(jì)算所需服務(wù)設(shè)施點(diǎn)的最少數(shù)量，使所有需求點(diǎn)都能被覆蓋。

式中：i代 表需 求 點(diǎn)，I代表 需 求點(diǎn) 集合，I={i|i=1,2,···,m}；J代表候選設(shè)施點(diǎn)集合，J={j|j=1,2,···,n}；dij代表需求點(diǎn)i與候選設(shè)施點(diǎn)j之間的最小距離，i∈I,j∈J；D代表需求點(diǎn)與設(shè)施點(diǎn)之間允許的最大距離；xij代表需求點(diǎn)i被候選設(shè)施點(diǎn)j服務(wù)； yj代表候選設(shè)施點(diǎn)j的服務(wù)能力；yi=1代表需求點(diǎn)選在j處，yi=0代表需求點(diǎn)選在其他位置。

（2）最大化覆蓋范圍模型

該模型運(yùn)算原則為在閾值內(nèi)覆蓋最大數(shù)量和范圍的需求點(diǎn)，用于研究在設(shè)施點(diǎn)確定的情況下，計(jì)算最大的覆蓋范圍；在覆蓋范圍確定的條件下，計(jì)算最少的設(shè)施點(diǎn)數(shù)量。在最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型的結(jié)果上，優(yōu)化調(diào)整消防站的位置，使消防站達(dá)到覆蓋范圍的最大值。

圖6 研究技術(shù)路線Fig.6 Research technical route

式 中：i代 表需 求點(diǎn)，I代表 需求 點(diǎn)集合，I={i|i=1,2,···,m}；J代表候選設(shè)施點(diǎn)集合，J={j|j=1,2,···,n}；dij代表需求點(diǎn)i與候選設(shè)施點(diǎn)j之間的最小距離，i∈I,j∈J；D代表需求點(diǎn)與設(shè)施點(diǎn)之間允許的最大距離；p代表候選設(shè)施點(diǎn)數(shù)量；yi=1代表需求點(diǎn)選在j處，yi=0代表需求點(diǎn)選在其他位置；yj代表候選設(shè)施點(diǎn)j的服務(wù)能力；wi代表需求點(diǎn)i的權(quán)重[4]。

2 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是科學(xué)分析研究區(qū)域內(nèi)危險(xiǎn)性程度的綜合評(píng)價(jià)，是配置消防力量的重要依據(jù)，也是消防站選址的基礎(chǔ)工作?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在進(jìn)行火災(zāi)危險(xiǎn)源辨識(shí)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)選取目標(biāo)對(duì)象引發(fā)火災(zāi)的因子，對(duì)指導(dǎo)消防站的實(shí)際建設(shè)具有重要意義?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與城市消防力量在空間上保持一致，才能切實(shí)解決城市消防安全面臨的重大問(wèn)題[5]?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的框架如圖7所示。

評(píng)估的意義主要有兩個(gè)方面。第一，掌握區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)總體水平，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可以清楚地顯示某一特定區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)總體水平，使消防管理工作由經(jīng)驗(yàn)型轉(zhuǎn)為科學(xué)型。第二，為城市消防規(guī)劃提供技術(shù)支持，研究城市綜合風(fēng)險(xiǎn)可以為城市的消防規(guī)劃、應(yīng)急力量布局和設(shè)防力量要求等方面的決策提供科學(xué)的技術(shù)手段。運(yùn)用火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估確定消防站的數(shù)量和位置，是如今國(guó)內(nèi)外消防設(shè)施布局規(guī)劃的新手段，可以保障城市消防安全，提高城市防御火災(zāi)的能力[6]。

2.1 建立評(píng)估指標(biāo)體系

影響火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的因素非常多，且各因素之間存在著耦合關(guān)系。因此，首要工作是科學(xué)合理地構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。本文結(jié)合《城市消防規(guī)劃規(guī)范》（GB51080-2015）和國(guó)內(nèi)外已有研究，從城市區(qū)域環(huán)境、火災(zāi)危險(xiǎn)程度和防護(hù)能力3個(gè)方面著手開(kāi)展火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，選取3個(gè)一級(jí)指標(biāo)和10個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分兩級(jí)建立評(píng)估指標(biāo)體系，采用主成分分析法和層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重。一級(jí)指標(biāo)層的權(quán)重利用主成分分析法來(lái)確定，二級(jí)指標(biāo)層權(quán)重采用層次分析法來(lái)確定，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性?；馂?zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)及其權(quán)重如表1所示[7]。

2.2 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

運(yùn)用ArcGIS對(duì)各類(lèi)型火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因子進(jìn)行核密度分析，由于各類(lèi)型評(píng)估因子的值域差異，需要對(duì)其進(jìn)行歸一化處理。

2.2.1 城市區(qū)域環(huán)境一級(jí)指標(biāo)

①規(guī)劃區(qū)功能分區(qū)類(lèi)型：根據(jù)規(guī)劃用地布局，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度依次從大到小分別為商業(yè)、居住、工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)、公共設(shè)施及其他用途區(qū)域等。商業(yè)用地和居住用地主要集中在潘州街道和寶光街道，工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)用地主要分布在金山街道。

②人口密度：人口密度較高的區(qū)域主要集中在潘州街道和寶光街道，其次是石仔嶺街道和金山街道，山美街道的人口密度較小。人口密度越大，火災(zāi)發(fā)生的概率越大。

③建筑物密度：建筑物密度較高的區(qū)域主要集中在老城區(qū)。該區(qū)域建筑密集，人群相對(duì)集中，因而發(fā)生火災(zāi)的概率較大；而石仔嶺街道、金山街道和寶光街道的工業(yè)倉(cāng)儲(chǔ)用地較多，建筑密集程度一般；其他地區(qū)建筑密度較小，發(fā)生火災(zāi)的概率較低。

④交通可達(dá)性：區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)密度越大，火災(zāi)救護(hù)能力較強(qiáng)，中心城區(qū)的東北部和東南部山體較多，交通網(wǎng)絡(luò)密度最小，說(shuō)明該區(qū)域的火災(zāi)救援能力最差。

⑤文物保護(hù)單位：主要集中在潘州街道。由于文物保護(hù)單位普遍年久失修，密集程度越高，發(fā)生火災(zāi)的概率較高。

⑥消防安全重點(diǎn)單位：消防安全重點(diǎn)單位數(shù)量越多，對(duì)火災(zāi)的貢獻(xiàn)值就越大。老城區(qū)作為高州市主城區(qū)商業(yè)中心，所占的消防安全重點(diǎn)單位比重較大，火災(zāi)發(fā)生的概率較大。

2.2.2 火災(zāi)危害程度一級(jí)指標(biāo)

①歷年火災(zāi)分布密度：根據(jù)近5年火災(zāi)發(fā)生情況統(tǒng)計(jì)，火災(zāi)主要發(fā)生在老城區(qū)和金山工業(yè)園，消防隱患較大。

②危險(xiǎn)源：包括加油站、供應(yīng)站瓶庫(kù)、天然氣煤氣等調(diào)壓站、易燃易爆危險(xiǎn)品的生產(chǎn)運(yùn)輸單位等，危險(xiǎn)源主要集中在老城區(qū)、石仔嶺街道和寶光街道，而中心城區(qū)中部和東北部危險(xiǎn)源的數(shù)量較少。

2.2.3 防護(hù)能力一級(jí)指標(biāo)

①消防救護(hù)分布：中心城區(qū)現(xiàn)有1座一級(jí)消防站。離消防站越遠(yuǎn)的區(qū)域，火災(zāi)危險(xiǎn)性越高。

②給水能力：包括消火栓和自來(lái)水廠。市政消火栓供水設(shè)施建設(shè)越完善，市政消防供水能力越強(qiáng)，則火災(zāi)救護(hù)能力最強(qiáng)。反之，其他區(qū)域火災(zāi)危險(xiǎn)性越高。

圖7 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架Fig.7 Fire risk assessment framework

表1 火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)及權(quán)重分配Tab.1 Fire risk assessment index and weight distribution

2.2.4 評(píng)估結(jié)果

通過(guò)對(duì)城市區(qū)域環(huán)境、火災(zāi)危害程度、防護(hù)能力等因子進(jìn)行疊加分析，可以得出高州市中心城區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估圖（見(jiàn)圖8）。從空間分布上看，火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)出一定的區(qū)域差異性，表現(xiàn)為老城區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高，明顯高于新城區(qū)。潘州街道建筑密集、人口密度大，同時(shí)也是高州市重要的商業(yè)中心，建筑物大多比較陳舊，消防設(shè)施建設(shè)滯后，安全隱患較多，因此火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最大；城東片區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)完善，消防設(shè)施配備齊全，交通便利，因此火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較小。目前中心城區(qū)僅有1座一級(jí)消防站，承擔(dān)著整個(gè)中心城區(qū)的防災(zāi)搶險(xiǎn)任務(wù)，難以滿足救援需求。

3 消防站布局優(yōu)化研究

消防站布局優(yōu)化研究主要包括消防站建設(shè)數(shù)量、位置、轄區(qū)范圍和面積的研究。本文基于以上火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，在現(xiàn)狀和規(guī)劃預(yù)留消防站評(píng)估的基礎(chǔ)上，結(jié)合道路數(shù)據(jù)構(gòu)建消防交通網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)消防站點(diǎn)的布局優(yōu)化。

3.1 網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

（1）約束條件

①消防應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間設(shè)定：根據(jù)《中華人民共和國(guó)消防法》（2019年修正版）和《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)152-2017）的規(guī)定，消防站應(yīng)以接到出警命令后5 min內(nèi)到達(dá)轄區(qū)范圍邊緣位置為原則，本次設(shè)定消防應(yīng)急時(shí)間嚴(yán)格執(zhí)行5 min內(nèi)到達(dá)火場(chǎng)的原則。

②道路通行能力設(shè)定：根據(jù)高州市城市道路通行速度和現(xiàn)狀道路擁堵情況，并結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定城市不同等級(jí)道路的消防車(chē)平均行駛速度，具體為：城市快速路或國(guó)道50 km/h，城市主干道45 km/h，城市次干道和支路35 km/h，以此作為高州市中心城區(qū)交通網(wǎng)絡(luò)模型中消防車(chē)行駛速度的依據(jù)。

（2）構(gòu)建消防交通網(wǎng)絡(luò)模型

圖8 高州市中心城區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果圖Fig.8 Fire risk assessment results in downtown Gaozhou

以《高州市城市總體規(guī)劃（2011—2035年）》的道路交通規(guī)劃為依據(jù)，構(gòu)建以快速路、國(guó)道、主干道為骨架，以次干道、支路為補(bǔ)充的中心城區(qū)道路交通網(wǎng)絡(luò)。確定每級(jí)道路的消防車(chē)行駛速度，增加時(shí)間成本和路程成本，并對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)涮幚恚上谰W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。考慮到消防車(chē)具有道路先行權(quán)，因此該模型不考慮車(chē)輛行駛的制約因素。根據(jù)以上設(shè)定的消防車(chē)行駛速度，在ArcGIS中構(gòu)建消防交通網(wǎng)絡(luò)模型[8]。

3.2 評(píng)估現(xiàn)狀和規(guī)劃預(yù)留的消防站

高州市中心城區(qū)現(xiàn)有一級(jí)消防站1座，根據(jù)《高州市城市總體規(guī)劃（2011—2035年）》《高州市城東片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》和《高州市寶光片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃》的規(guī)劃要求，中心城區(qū)規(guī)劃預(yù)留消防站6座，分別是寶光消防站、山美消防站、城東消防站、石仔嶺1號(hào)消防站、金山1號(hào)消防站和金山2號(hào)消防站。按照現(xiàn)狀已有消防站、規(guī)劃預(yù)留消防站的分布情況，結(jié)合中心城區(qū)的道路交通情況和消防車(chē)速度，運(yùn)用ArcGIS模擬出5 min的轄區(qū)范圍，其覆蓋范圍如圖9所示。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，消防站服務(wù)范圍未完全覆蓋中心城區(qū)，中心城區(qū)存在大量覆蓋盲區(qū)，其中石仔嶺街道、山美街道和金山街道部分區(qū)域?yàn)槌鱿勒?分鐘出警范圍，消防力量薄弱，存在很大安全隱患，基于高州市遠(yuǎn)期的城市發(fā)展方向，需考慮增設(shè)消防站。

3.3 基于GIS的消防站點(diǎn)布局優(yōu)化

由于消防站布局與城市總體規(guī)劃的用地屬性和用地權(quán)屬等多方面因素有關(guān)聯(lián)，結(jié)合現(xiàn)狀區(qū)域情況，確定在遠(yuǎn)期土地利用規(guī)劃內(nèi)選擇合適的建設(shè)點(diǎn)，排除水域、交通線路等，以遠(yuǎn)期土地利用規(guī)劃中的地塊為基本單元，作為虛擬的候選消防站，根據(jù)《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)152-2017）中關(guān)于消防站的建筑面積規(guī)定，一級(jí)消防站建筑面積不低于2 700 m2。選取面積大于2 700 m2的地塊，共篩選出1 285個(gè)候選消防站（見(jiàn)圖10）。本文運(yùn)用區(qū)位—配置模型進(jìn)行消防站的選址優(yōu)化研究，采用最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型和最大化覆蓋范圍模型進(jìn)行模擬，結(jié)合火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，提出針對(duì)消防站的選址優(yōu)化建議。

圖9 高州市中心城區(qū)現(xiàn)狀和規(guī)劃預(yù)留消防站5 min服務(wù)范圍圖Fig.9 Existing and planned fire stations'5-minute service radius in downtown Gaozhou

圖10 高州市中心城區(qū)候選消防站分布圖Fig.10 Potential locations of fire stations in downtown Gaozhou

圖11 最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型模擬方案Fig.11 Simulation of minimized facilities algorithm

圖12 最大化覆蓋范圍模型模擬方案Fig.12 Simulation of maximum coverage model

3.3.1 最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型

最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型是在解決消防站布局問(wèn)題時(shí)，確定默認(rèn)中斷抗阻為5 min，自動(dòng)在最大化覆蓋范圍和設(shè)施點(diǎn)數(shù)量中取得平衡，計(jì)算出用最少數(shù)量的消防站滿足整個(gè)區(qū)域的消防需求，優(yōu)選出合適的消防站點(diǎn)數(shù)量和位置。模擬結(jié)果顯示（見(jiàn)圖11），在保留現(xiàn)狀1座消防站、規(guī)劃預(yù)留6座消防站的基礎(chǔ)上，還需要新增4座消防站才能滿足中心城區(qū)范圍內(nèi)需求最少的消防站數(shù)量。新增的4座消防站分別位于石仔嶺街道、滿亨工業(yè)園區(qū)、筆架南組團(tuán)和金山工業(yè)園區(qū)南部。

3.3.2 最大化覆蓋范圍模型

最大化覆蓋范圍模型在解決消防站選址問(wèn)題時(shí)，在5 min消防約束條件下，從所有候選消防站中模擬選出固定數(shù)目設(shè)施點(diǎn)的位置，能實(shí)現(xiàn)在城市所有區(qū)域中科學(xué)合理確定消防站的位置，使消防站能保護(hù)其轄區(qū)范圍內(nèi)盡可能大的區(qū)域面積。在現(xiàn)有消防站和規(guī)劃預(yù)留消防站的建設(shè)條件下，消防站轄區(qū)覆蓋范圍占中心城區(qū)范圍達(dá)到81.09%。采用最大化覆蓋范圍模型，模擬運(yùn)算時(shí)逐次新增1座消防站點(diǎn)，分別計(jì)算每次新增1座消防站后的覆蓋比例，并計(jì)算所有消防站的轄區(qū)面積，確保消防站轄區(qū)面積滿足《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》（建標(biāo)152-2017）不大于7 km2的要求。模擬結(jié)果如圖12所示，經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算，在現(xiàn)有消防站和規(guī)劃預(yù)留消防站的基礎(chǔ)上，新增5座消防站；除去轄區(qū)范圍內(nèi)重疊部分后的所有消防站轄區(qū)面積都不大于7 km2，消防站轄區(qū)覆蓋范圍達(dá)到97.52%[9]。

3.3.3 消防站點(diǎn)布局優(yōu)化

結(jié)合高州市中心城區(qū)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的分析結(jié)果，潘州街道火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)最大，建筑密集、人口密度大，同時(shí)也是高州市重要的商業(yè)中心，因此需要重點(diǎn)考慮其消防站點(diǎn)布局。綜合考慮最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型和最大化覆蓋范圍模型的模擬方案，得到高州市中心城區(qū)內(nèi)消防站點(diǎn)的優(yōu)化布局結(jié)果，在現(xiàn)有1座消防站、規(guī)劃預(yù)留6座消防站的基礎(chǔ)上，需新增潘州消防站、石仔嶺2號(hào)消防站、滿亨消防站、筆架南消防站和金山3號(hào)消防站5座消防站，優(yōu)化后的消防站布局方案如圖13所示。根據(jù)消防站優(yōu)化布局后的5 min轄區(qū)范圍，生成的多邊形即消防站轄區(qū)范圍，基本實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)的全覆蓋。高州市中心城區(qū)消防站增加至12座后，中心城區(qū)內(nèi)所有消防站5 min出動(dòng)時(shí)間內(nèi)覆蓋范圍達(dá)97.52%。

圖13 優(yōu)化后的消防站選址分布圖Fig.13 Optimized location distribution of fire stations

圖14 優(yōu)化后的消防站轄區(qū)范圍Fig.14 Optimized coverage areas of fire stations

在消防站布局方案的基礎(chǔ)上，以消防站接到出警命令后5 min內(nèi)到達(dá)轄區(qū)邊緣為原則，運(yùn)用ArcGIS生成轄區(qū)范圍初步方案。由于城市消防站轄區(qū)范圍的劃分，往往受研究范圍內(nèi)地形條件、道路網(wǎng)結(jié)構(gòu)和行政區(qū)劃等因素的影響，因此需要對(duì)GIS生成的消防轄區(qū)進(jìn)行修正。根據(jù)消防站轄區(qū)劃分原則，對(duì)消防站轄區(qū)的初步方案進(jìn)行優(yōu)化，最終得到優(yōu)化調(diào)整后的消防站轄區(qū)范圍（見(jiàn)圖14）。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以高州市中心城區(qū)為例，基于歷年火災(zāi)發(fā)生數(shù)據(jù)、消防安全重點(diǎn)單位和交通路網(wǎng)等數(shù)據(jù)，利用ArcGIS分析軟件進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。結(jié)果顯示，老城區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)程度高于其他區(qū)域。在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的1座消防站和規(guī)劃預(yù)留的6座消防站，采用區(qū)位—配置模型的最小化設(shè)施點(diǎn)數(shù)模型和最大化覆蓋范圍模型構(gòu)建消防站模擬模型，優(yōu)化布局后需要新增5座消防站才能保證中心城區(qū)97.52%的區(qū)域得到消防保護(hù)。研究結(jié)果有利于科學(xué)指導(dǎo)城市消防專(zhuān)項(xiàng)規(guī)劃的編制，完善城市消防設(shè)施的布局和優(yōu)化，促進(jìn)城市功能的完善和提升，是探索城市高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)重要渠道。