基于GIS的城市火災(zāi)風(fēng)險分級與消防站布局優(yōu)化

摘要：為滿足城市消防站科學(xué)布局需求，減少在布局過程中出現(xiàn)資源浪費(fèi)的情況，提出基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的城市火災(zāi)風(fēng)險分級與消防站布局優(yōu)化方法。在GIS技術(shù)的作用下，獲取城市地理位置數(shù)據(jù)、歷史火災(zāi)記錄等多種類型數(shù)據(jù)，從中提取城市火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)，并對風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行量化，構(gòu)建風(fēng)險指標(biāo)的判斷矩陣，計(jì)算風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重向量和城市火災(zāi)風(fēng)險評估值?；诖耍宰钚』ㄔO(shè)成本、最小化風(fēng)險覆蓋偏差作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定消防站容量限制、響應(yīng)時間限制等多個條件，引入遺傳算法，對優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的布局優(yōu)化方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的布局優(yōu)化方案具有較高的均衡度，能夠合理分配消防站資源。

關(guān)鍵詞：GIS；城市火災(zāi)風(fēng)險；風(fēng)險分級；消防站布局；布局優(yōu)化；遺傳算法；風(fēng)險區(qū)域

中圖分類號：X913.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " "文章編號：2096-1227（2025）07-0056-03

0 引言

消防站作為城市消防體系的核心組成部分，其布局的合理性直接關(guān)系到消防救援的效率和效果。在有限的財(cái)政預(yù)算下，如何科學(xué)合理地規(guī)劃消防站的數(shù)量、位置和規(guī)模，以實(shí)現(xiàn)消防資源的優(yōu)化配置，是當(dāng)前城市消防工作面臨的重要問題。姜學(xué)鵬等[1]將中心城區(qū)劃分為多個區(qū)域，并賦予不同區(qū)域相應(yīng)的風(fēng)險等級，應(yīng)用P-中心模型，設(shè)定限制條件，進(jìn)而得到最優(yōu)的布局優(yōu)化方案。楊藝明等[2]以最小化建設(shè)成本和最大化高緊迫度為布局優(yōu)化目標(biāo)構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定消防站間距、服務(wù)半徑等多個約束條件，引入粒子群優(yōu)化（PSO）算法，對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，得出最優(yōu)的布局優(yōu)化結(jié)果。本文設(shè)計(jì)了基于GIS的城市火災(zāi)風(fēng)險分級與消防站布局優(yōu)化方法，以期為消防資源的調(diào)度提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 城市火災(zāi)風(fēng)險分級與消防站布局優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1" 城市火災(zāi)風(fēng)險分級方法設(shè)計(jì)

GIS是一種用于采集、存儲、分析、管理和展示地理空間數(shù)據(jù)的技術(shù)系統(tǒng)。通過GIS技術(shù)，可將火災(zāi)風(fēng)險分級從靜態(tài)統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)為空間智能決策，提升消防資源配置的科學(xué)性。應(yīng)用GIS技術(shù)，對收集的城市建筑矢量、道路網(wǎng)絡(luò)、歷史火災(zāi)地點(diǎn)、火災(zāi)等級等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[3-4]，從處理后的數(shù)據(jù)中提取多個城市火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)，如建筑風(fēng)險指標(biāo)、電氣火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)、易燃易爆風(fēng)險指標(biāo)、火災(zāi)爆炸后果風(fēng)險、應(yīng)急疏散風(fēng)險、火災(zāi)誘發(fā)風(fēng)險指標(biāo)等。對上述這些風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行量化，得到量化后的風(fēng)險指標(biāo)用fi表示。

根據(jù)量化后的風(fēng)險指標(biāo)，結(jié)合城市的歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)，分析城市火災(zāi)出現(xiàn)的原因，計(jì)算不同風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重值[5]。在計(jì)算時，構(gòu)建基于風(fēng)險指標(biāo)的判斷矩陣P，設(shè)矩陣中不同風(fēng)險指標(biāo)之間的相對重要性為p12。由此，構(gòu)建不同風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重向量wi。根據(jù)確定的風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重值，計(jì)算城市火災(zāi)風(fēng)險評估值F。根據(jù)計(jì)算的火災(zāi)風(fēng)險評估值F，對城市火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行分級。設(shè)定0≤F＜2.00為極低風(fēng)險、2.00≤F＜6.00為中低風(fēng)險、6.00≤F為高風(fēng)險。

根據(jù)城市火災(zāi)風(fēng)險分級結(jié)果，劃分不同的火災(zāi)風(fēng)險等級，由此，將城市劃分為不同的風(fēng)險區(qū)，便于后續(xù)優(yōu)化城市消防站布局。

1.2" 城市消防站布局優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

在對城市消防站布局優(yōu)化時，選擇最小化建設(shè)成本、最小化風(fēng)險覆蓋偏差作為優(yōu)化目標(biāo)，分別設(shè)定對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)[6]。其中，最小化建設(shè)成本需要包括消防站建設(shè)成本及日常維護(hù)成本。其具體計(jì)算過程如下。

最小化風(fēng)險覆蓋偏差是指針對高風(fēng)險區(qū)域和低風(fēng)險區(qū)域，其在發(fā)生火災(zāi)時的標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)時間之間的偏差。其具體計(jì)算過程如下。

根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，設(shè)定具有針對性的限制條件，包含消防站容量限制、火災(zāi)區(qū)域消防站覆蓋數(shù)量限制、響應(yīng)時間限制等。設(shè)風(fēng)險區(qū)域的消防站數(shù)量s的限制條件為1≤s≤smax；第n個消防站的容量rm的限制條件為；消防站應(yīng)急響應(yīng)時間tx的限制條件為tx≤tmax。

根據(jù)設(shè)定的限制條件，以及消防站的布局優(yōu)化需求，引入遺傳算法，對消防站布局優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。在求解過程中，結(jié)合城市消防站候選位置信息，對每個消防站候選點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。在遺傳算法的驅(qū)動下，隨機(jī)生成消防站布局方案，進(jìn)而構(gòu)建初始解空間。設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算解空間中每個個體的適應(yīng)度值，并按照適應(yīng)度值的大小進(jìn)行排序[8]。逐一判斷每個個體是否滿足預(yù)設(shè)的約束條件，若不滿足約束條件且適應(yīng)度較低，則將該個體淘汰，以此實(shí)現(xiàn)對解空間個體的初步選擇。將保留在解空間中的個體進(jìn)行交叉、變異操作，從而得到新的個體。重復(fù)上述過程，直到滿足迭代條件為止，最終獲得最優(yōu)的布局優(yōu)化方案。至此，基于GIS的城市火災(zāi)風(fēng)險分級與消防站布局優(yōu)化方法的設(shè)計(jì)工作圓滿完成。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1" 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)中，選擇城市的中心區(qū)域作為研究對象，該研究區(qū)域包含5個城市火災(zāi)高發(fā)點(diǎn)，消防站候選點(diǎn)數(shù)量設(shè)定為50個。應(yīng)用本文方法對該研究區(qū)域進(jìn)行布局優(yōu)化時，需要設(shè)定本文方法的多個參數(shù)，具體如下：成本系數(shù)為1.55，建設(shè)成本加權(quán)系數(shù)k1為0.45，風(fēng)險覆蓋偏差加權(quán)系數(shù)k2為0.55。

基于設(shè)定的參數(shù)，在該研究區(qū)域，應(yīng)用GIS技術(shù)獲取研究區(qū)域多種類型數(shù)據(jù)，通過對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)風(fēng)險分析，確定相應(yīng)的風(fēng)險指標(biāo)，并計(jì)算各風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重值。上述確定的多個風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重值見表1。

根據(jù)表1設(shè)定的火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重值，計(jì)算城市火災(zāi)風(fēng)險評估值，實(shí)現(xiàn)對城市火災(zāi)風(fēng)險的分級。根據(jù)該分級結(jié)果，將城市的中心區(qū)域劃分為10個低風(fēng)險區(qū)域、5個中風(fēng)險區(qū)域、2個高風(fēng)險區(qū)域和1個極高風(fēng)險區(qū)域。

針對劃分的城市風(fēng)險區(qū)域，將最小化建設(shè)成本、最小化風(fēng)險覆蓋偏差作為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。同時，設(shè)定響應(yīng)時間、消防站覆蓋數(shù)量、消防站容量等多個約束條件。引入遺傳算法，對設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行求解。在此過程中，遺傳算法的應(yīng)用參數(shù)見表2。

按照表2設(shè)定的參數(shù)，運(yùn)用適宜的求解算法對既定的消防站布局優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，在適應(yīng)度函數(shù)的驅(qū)動下，通過多次迭代運(yùn)算，獲得最優(yōu)的消防站布局優(yōu)化方案。

在評估本文方法的優(yōu)化效果時，選取姜學(xué)鵬等[1]開展的基于MCLP-BACOP模型的城市消防站選址研究，以及楊藝明等[2]進(jìn)行的基于消防安全緊迫度的傳統(tǒng)村落消防站選址布局優(yōu)化研究這兩種方法作為對比組，將這兩種方法與本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行對比分析，以此驗(yàn)證本文方法的優(yōu)化性能。

2.2" 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

在評估本文方法的優(yōu)化性能時，選取消防站布局的均衡度作為評價指標(biāo)，對3種方法的布局性能展開對比分析。實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)用3種方法對研究區(qū)域開展消防站布局工作，設(shè)定不同的布局條件，進(jìn)而生成相應(yīng)的布局方案。計(jì)算各布局方案的均衡度，其數(shù)值越高，說明在該研究區(qū)域內(nèi)消防站資源的分配越合理，布局優(yōu)化效果越好。

在多種消防站布局優(yōu)化方案中，本文方法所得布局結(jié)果的均衡度數(shù)值為0.97，姜學(xué)鵬等[1]方法所得布局結(jié)果的均衡度數(shù)值為0.85，楊藝明等[2]方法所得布局結(jié)果的均衡度數(shù)值為0.82。本文方法的布局均衡度數(shù)值相對較高，這是由于本文方法在設(shè)計(jì)時對研究區(qū)域的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了分級，并針對不同風(fēng)險等級的火災(zāi)區(qū)域，制定了與之適配的布局方案，提高了布局方案中資源分配的合理性。因此，本文方法在實(shí)際應(yīng)用中的布局優(yōu)化效果較好。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文借助GIS技術(shù)，從獲取的城市歷史數(shù)據(jù)中提取出火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)，計(jì)算風(fēng)險指標(biāo)的權(quán)重值，進(jìn)而對城市火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行分級。基于此，考慮消防站布局優(yōu)化需求，合理設(shè)定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在遺傳算法的驅(qū)動下，最終得到最優(yōu)的消防站布局優(yōu)化方案。在實(shí)際應(yīng)用中，本研究能夠量化城市火災(zāi)風(fēng)險，合理分配消防資源，有效降低城市火災(zāi)發(fā)生的概率及因火災(zāi)造成的損失。同時，本研究能夠顯著縮短消防響應(yīng)時間，增強(qiáng)城市的抗災(zāi)能力，為城市規(guī)劃及改造奠定基礎(chǔ)。

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