基于大數(shù)據(jù)+GIS的消防站布局優(yōu)化研究

何青濱

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

消防系統(tǒng)是推動(dòng)城市穩(wěn)定發(fā)展的重要內(nèi)容，消防站的布局對(duì)發(fā)揮消防資源的作用有重要影響[1]。因此，有必要對(duì)消防站布局優(yōu)化進(jìn)行深入研究。該文運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、GIS空間優(yōu)化分析，對(duì)消防站布局優(yōu)化流程、方式等進(jìn)行深入分析，并以某市為案例，對(duì)其消防站的布局進(jìn)行優(yōu)化配置，旨在為案例區(qū)域及其他城市的消防站布局優(yōu)化提供參考。

1 傳統(tǒng)消防站的布局方法

1.1 相關(guān)法律法規(guī)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)2017年《城市消防站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行分析，各級(jí)政府應(yīng)當(dāng)在當(dāng)?shù)氐某青l(xiāng)規(guī)劃、國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展規(guī)劃、消防專項(xiàng)規(guī)劃中納入并落實(shí)城市消防站建設(shè)工作。城市消防站主要分為3個(gè)類型：普通消防站、特勤消防站以及戰(zhàn)勤保障消防站，其中，普通消防站還可以進(jìn)一步分為一級(jí)、二級(jí)及小型普通消防站[2]。針對(duì)消防站轄區(qū)面積的規(guī)劃，除上述規(guī)章要求外，還需考慮城市本身的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，如果火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)較高，可適當(dāng)提升消防站等級(jí)活轄區(qū)面積[3]。同時(shí)，特勤消防站也是城市內(nèi)具有轄區(qū)滅火任務(wù)的消防站點(diǎn)，其轄區(qū)面積規(guī)定≤7 km2，與一級(jí)普通消防站一致，而戰(zhàn)勤保障消防站不屬于單獨(dú)存在的消防站點(diǎn)，未進(jìn)行單獨(dú)轄區(qū)劃分。

針對(duì)不同級(jí)別及類型的消防站設(shè)置，根據(jù)《城市消防規(guī)劃規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，在城市建設(shè)中，必須設(shè)立一級(jí)消防站；對(duì)缺少條件設(shè)立一級(jí)消防站的區(qū)域，需要通過(guò)勘察、確認(rèn)、審核后，設(shè)立二級(jí)消防站；如果在土地資源中缺少設(shè)立二級(jí)消防站的調(diào)節(jié)，同樣可通過(guò)論證建設(shè)小型消防站，同時(shí)在老城區(qū)、歷史地段、商業(yè)密集區(qū)等消防評(píng)估火災(zāi)危險(xiǎn)系數(shù)高的區(qū)域，要求必須配備小型消防站，但設(shè)立小型消防站須具備與一個(gè)一級(jí)、二級(jí)活特勤消防站轄區(qū)相鄰。此外，針對(duì)地級(jí)及地級(jí)以上城區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展較為快速的縣級(jí)城市，應(yīng)設(shè)立特勤消防站。

1.1.2 城市消防規(guī)劃規(guī)范

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，在城市的消防整體建設(shè)及規(guī)劃中，首先進(jìn)行城市消防風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，針對(duì)該城市火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)與消防安全確定能夠完成火災(zāi)防控任務(wù)和消防救援的消防安全布局，并對(duì)城市內(nèi)的消防基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行配置與優(yōu)化。對(duì)部分歷史文化街區(qū)、建筑密集、地下建筑區(qū)域以及防火隔離帶等具有救援條件差、放置有易燃易爆危險(xiǎn)品活建筑耐火等級(jí)低等區(qū)域，增加管控建設(shè)要求。

1.2 消防站傳統(tǒng)布局方法及其不足

我國(guó)目前的城市消防建設(shè)大多是根據(jù)傳統(tǒng)規(guī)劃方式進(jìn)行建設(shè)的，即通過(guò)城市面積簡(jiǎn)單計(jì)算整個(gè)城市內(nèi)所需消防站數(shù)量，再通過(guò)畫(huà)圓法、網(wǎng)格法或其他人工方式對(duì)城市內(nèi)消防站的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)。具體步驟如下：1）計(jì)算消防站數(shù)量。將城市總面積除以消防站轄區(qū)面積就可以獲得消防站數(shù)量，結(jié)果取整數(shù)[4]。2）消防站位置規(guī)劃。以每個(gè)消防站為圓心，將消防站轄區(qū)面積近似為一個(gè)圓形，根據(jù)城市規(guī)劃設(shè)立消防站位置，盡量避免各個(gè)消防站擷取范圍有重疊。3）消防站初步布局規(guī)劃。以消防站覆蓋面積為中心擬定選址后，再根據(jù)消防站原址及城市的整體下不同區(qū)域最終確定各個(gè)消防站的等級(jí)、布局、責(zé)任區(qū)劃分等初步布局方案。4）專家確認(rèn)。確定城市消防站的初步布局規(guī)劃方案后，送往相關(guān)專家進(jìn)行分析、評(píng)估以及調(diào)整，以最終獲得更合理的消防布局方案。

消防布局的合理性影響城市整體的消防安全系數(shù)，雖然傳統(tǒng)的消防布局可簡(jiǎn)單地將城市整體涵蓋在消防規(guī)劃范圍內(nèi)，但是缺少理論和定量數(shù)據(jù)的分析、支持，其中存在的不足之處包括以下3點(diǎn)：1）在消防站的劃分過(guò)程中，只注重消防站的覆蓋區(qū)域，對(duì)消防站自身覆蓋能力、消防救援過(guò)程中消防車的通行能力缺少分析，未結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。2）缺少對(duì)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)因素、消防救援影響因素及其他影響因素的分析[5]。3）在消防布局過(guò)程中，未考慮歷史文化街區(qū)、老城區(qū)等高?；馂?zāi)危險(xiǎn)源、重點(diǎn)消防單位等，無(wú)法做到消防的供需平衡。

2 消防站布局優(yōu)化方法

為保障城市消防安全，如果科學(xué)規(guī)劃城市消防布局一直被當(dāng)作相關(guān)學(xué)術(shù)研究在公工設(shè)施建設(shè)理論中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在很多理論中定位—配給模型，該模型為被稱之為L(zhǎng)A模型，是公共設(shè)施建設(shè)選址的最佳理論，在多種公共設(shè)施建設(shè)選址中表現(xiàn)良好[6]。LA模型能夠找到服務(wù)點(diǎn)與需求點(diǎn)的最短距離及最大范圍。同時(shí)，該模型可以有效平衡服務(wù)點(diǎn)與需求點(diǎn)之間的關(guān)系，并且在各類公共服務(wù)設(shè)施的選址建設(shè)實(shí)踐中應(yīng)用效果良好。LA模型可通過(guò)GIS空間對(duì)消防站的選址進(jìn)行分析，通過(guò)大數(shù)據(jù)計(jì)算，可以得到有關(guān)消防站選址布局的相關(guān)數(shù)據(jù)，如分布區(qū)域、數(shù)量以及轄區(qū)道路情況等?；诖耍ぷ魅藛T可以對(duì)得出的相關(guān)數(shù)據(jù)以及對(duì)消防站的選址進(jìn)行綜合評(píng)估，包括風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行實(shí)效評(píng)估扥，最終確定最佳的選址布局。

3 LA模型

通過(guò)LA模型進(jìn)行消防站布局選址可分為以下3類。

3.1 位置集覆蓋模型

Toregas等人最早提出位置集覆蓋模型，該模型主要應(yīng)用于所有防護(hù)木匾處于消防站轄區(qū)[7]。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)設(shè)置最少的消防站數(shù)量將所有防護(hù)目標(biāo)涵蓋在消防站覆蓋范圍內(nèi)。在模型中，消防站備選地址稱為消防站點(diǎn)，xj消防服務(wù)區(qū)域稱為消防保護(hù)點(diǎn)。在對(duì)應(yīng)的每個(gè)消防保護(hù)點(diǎn)中，Ni為設(shè)定的一個(gè)服務(wù)范圍內(nèi)的潛在消防站備選點(diǎn)合集；d為消防保護(hù)點(diǎn)與消防站點(diǎn)的距離；s為一個(gè)消防站備選點(diǎn)能夠提供的最遠(yuǎn)防護(hù)距離；Ni內(nèi)消防站備選點(diǎn)須滿足d

通常情況下，位置集覆蓋模型多用于初級(jí)階段的消防站規(guī)劃中，其目標(biāo)函數(shù)如公式（1）所示，約束條件如公式（2）～公式（3）所示。

式中：I為消防保護(hù)點(diǎn)集合；J為備選站點(diǎn)集合。

目標(biāo)函數(shù)公式（1）為消防站點(diǎn)總數(shù)的最小化；約束公式（2）表示是對(duì)消防站點(diǎn)能夠覆蓋保護(hù)的所用保護(hù)點(diǎn)中至少一個(gè)；約束公式（3）表示消防站點(diǎn)為備選點(diǎn)時(shí)，取值為1，否則為0。

3.2 最大覆蓋模型

在不考慮現(xiàn)實(shí)生活中土地、財(cái)政等因素限制下的最大覆蓋模型位置集覆蓋模型能夠覆蓋所有消防保護(hù)點(diǎn)，為Church、Revell首次提出，提出的目的是衡量消防站點(diǎn)的覆蓋程度最大化，并不在意消防站點(diǎn)的設(shè)立數(shù)量。但在該模型中，對(duì)消防站點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行限制，并在消防站備選點(diǎn)中確立消防站點(diǎn)后，消防保護(hù)點(diǎn)才能被覆蓋[8]。

最大覆蓋模型的目標(biāo)函數(shù)如公式（4）所示，約束條件如公式（5）～公式（7）所示。

式中：wi為消防保護(hù)點(diǎn)的權(quán)重；yi為消防站選址變量。

3.3 P—中心模型

該模型是由Hakimi根據(jù)P—中值模型改進(jìn)的[9]，主要為通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)，將消防站與消防保點(diǎn)的距離之和最佳化，以兼顧公平性。此時(shí)，P-中心問(wèn)題主要目的為選點(diǎn)一個(gè)可以將最壞情況最小化的P個(gè)設(shè)施位置，并定義最大化距離。在滿足實(shí)際情況的前提下，該模型對(duì)消防站選址的最佳位置進(jìn)行計(jì)算，最大程度地提高出警效率，在消防救援中第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行救援，其目標(biāo)函數(shù)如公式（8）所示，約束條件如公式（9）～公式（14）所示。

結(jié)合上述模型分析，在城市消防站點(diǎn)選址過(guò)程中，須結(jié)合多個(gè)模型，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析。在消防站選址時(shí)：首先，根據(jù)位置集覆蓋模型確定城區(qū)內(nèi)所需消防站點(diǎn)的最少數(shù)量；其次，根據(jù)最大覆蓋模型將消防區(qū)域最大化；最后，根據(jù)P-中心模型確定一個(gè)消防站點(diǎn)選址，將縮短所有消防保護(hù)對(duì)象與消防站點(diǎn)的距離以最大化消防出警效率。

在上述分析規(guī)劃中，GIS技術(shù)僅結(jié)合了消防站點(diǎn)轄區(qū)面積、道路規(guī)劃、危險(xiǎn)場(chǎng)所及重點(diǎn)單位分布等數(shù)據(jù)，若想要使消防站點(diǎn)設(shè)置更符合實(shí)際生活需求，還需將轄區(qū)的歷年出警數(shù)量、出警位置分布等相關(guān)大數(shù)據(jù)作為約束條件，共同進(jìn)行分析。

3.4 消防站選址相關(guān)大數(shù)據(jù)

通過(guò)掌握大量數(shù)據(jù)可將消防站點(diǎn)選址布局進(jìn)行優(yōu)化處理，經(jīng)過(guò)整理、分析和融合處理，通過(guò)特定的數(shù)學(xué)模型，在消防站選址布局中讓消防數(shù)據(jù)發(fā)揮作用，進(jìn)而避免傳統(tǒng)消防站規(guī)劃布局的弊端。

4 消防站布局優(yōu)化

為明確LA模型與基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的信息分析的實(shí)際應(yīng)用步驟，以某市消防站選址規(guī)劃為例，對(duì)消防站布局規(guī)劃進(jìn)行模擬和優(yōu)化，其網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)拓?fù)鋱D，如圖1所示。

圖1 消防站布局優(yōu)化流程圖

4.1 消防站布局優(yōu)化目標(biāo)

在不區(qū)分火災(zāi)危險(xiǎn)性中保證目標(biāo)區(qū)域內(nèi)所有的人員流動(dòng)區(qū)均在規(guī)劃消防站的覆蓋范圍內(nèi)；消防站內(nèi)的消防重點(diǎn)保護(hù)單位不能過(guò)多，對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)性高的子區(qū)域相對(duì)應(yīng)消防保障任務(wù)也應(yīng)當(dāng)有所傾斜，對(duì)重點(diǎn)單位集中的區(qū)域盡可能多地設(shè)置消防站，分擔(dān)安全服務(wù)壓力。在滿足消防安全的前提下，盡可能避免公共資源的浪費(fèi)，提高經(jīng)濟(jì)性。

4.2 案例區(qū)域消防安全現(xiàn)狀

案例區(qū)域?yàn)楣枮I市新區(qū)，原有城市規(guī)劃較早，老城區(qū)特點(diǎn)明顯，火災(zāi)類型多為民房類火災(zāi)，對(duì)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。案例區(qū)域現(xiàn)有消防安全保護(hù)單位130個(gè)，消防站3個(gè)，市政消火栓420個(gè)，社區(qū)建消火栓150個(gè)。2018—2019年，案例區(qū)域消防出警量為1940起。由于案例區(qū)域的消防通道較窄，通常出現(xiàn)堵塞等情況，對(duì)出警效率等產(chǎn)生不利影響。

將上述內(nèi)容輸入ArcGIS，通過(guò)定位—配給模型的應(yīng)用，結(jié)合其中的工具包，提取大數(shù)據(jù)中的消防重點(diǎn)單位分布，并在拓?fù)鋱D上標(biāo)定出地理位置，制定初步規(guī)劃方案。

4.3 案例區(qū)消防站布局優(yōu)化

根據(jù)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析，將案例區(qū)域內(nèi)的消防應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間設(shè)置為4min、6min、8min以及12min。同時(shí)，根據(jù)哈爾濱市新區(qū)的消防安全現(xiàn)狀分析，考慮消防車性能等因素，結(jié)合消防站轄區(qū)劃分原則，對(duì)消防站布局進(jìn)行優(yōu)化。

首先，對(duì)消防應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間的約束進(jìn)行分析，根據(jù)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的不同，對(duì)消防應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行確定，結(jié)合時(shí)間情況，大致判斷各區(qū)域內(nèi)的消防站布局。

其次，結(jié)合交通可達(dá)性分析，根據(jù)各區(qū)域的道路情況，車速、消防車性能等因素分析，圈定消防站布局的大致范圍。

最后，為滿足消防救援的實(shí)際需求，以最合理、科學(xué)的方式，選擇消防站布局方案，最終確定方案如圖2所示。

圖2 案例區(qū)域消防站布局優(yōu)化結(jié)果

通過(guò)消防站布局優(yōu)化，使消防站的覆蓋合格率達(dá)到97.2%，能夠滿足區(qū)域的消防安全管理需求，且有利于減少消防站的日常出警壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，消防站布局對(duì)城市的高效運(yùn)行產(chǎn)生重要影響，為提升消防實(shí)效，對(duì)消防站的布局進(jìn)行優(yōu)化分析。通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)、LA模型及GIS空間數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用，在充分考慮道路交通等狀況的基礎(chǔ)上，以提升消防服務(wù)的可操作性和指導(dǎo)性為重點(diǎn)，對(duì)案例區(qū)域的消防站進(jìn)行布局優(yōu)化。結(jié)果顯示，優(yōu)化后的消防站布局，有效降低了消防站的出警壓力，能夠有效滿足消防安全管理需求。