融合多源時空數據背景下的城市火災危險性評估研究

陳躍毅

（1. 北京大學地球與空間科學學院，北京 100871）

城市火災風險評價是指對城市用地區域內建筑物、場地、設備等所引起火災的風險與危害程度做出的綜合評估。系統分析城市、地區的火災隱患情況和變化趨勢，并科學評價火災危險性，有助于當地政府和相關主管部門進一步認識消防安全現狀，便于根據影響消防安全的客觀條件采取相應對策，從而使消防安全政策更加科學。火災事故風險評價即火災事故發生的概率，是城市規劃火災事故風險評價的主要部分，對城市規劃消防設計和控制政策的作用比較直接。在我國的Risk、Hazardand Value Evaluation 軟件中，通過細化建筑物單體尺度的相關數據，并根據其經驗而建立的處理模式，對各種建筑物潛在的火災風險做出了判斷。英國Entec 集團開發的國際火災風險評價工具箱在深入借鑒了其他行業安全性評價與操作實踐的基礎上，從國際火災事故風險的視角入手，對當地的火災事故風險做出了判斷。

每年有超過30萬人死于火災，是世界上第四大意外傷害因素。根據可循文獻統計，最先開展火災風險評價與相關研究的國家是美國；而最初的研究通常是基于特殊場合，如飛機、能源工廠、核動力電廠等。加拿大研究者Harmathy等則認為，火災實驗一般都是根據某個部分的危害狀況做出的，因此通過防火實驗標準簡單地確定火災危害性是不合理的，而應將潛在的危險因素建立為一個相輔相成的評估準則進行火災風險評價。目前國外學者較多地將環境生態科學的研究成果與各種評價方法進行有機結合，如將煤礦火災案例與各種評價方法有機結合的火災風險評價。1994年我國研究人員霍然等最早給出了中國火災風險評價模式的初步框架，隨后陸偉民等對當時上海市南京東路建筑歷史火災與消防進行了現場研究，形成了消防和失火信息資料庫，為建筑物的安全評價提供了重要依據；目前我國科學家已在火災動力學理論、防滅火關鍵技術、火災模化技術和滅火標準化等方面進行了大量研究工作，并獲得了許多突破性進展，提升了我國消防的總體科學技術水平。由于著火隱患條件的增加，預防和撲救著火事件的困難隨之加大。火災事故的發生必然會給人民生命造成巨大傷害，甚至對心理產生巨大沖擊。消防安全對經濟社會發展和百姓安居樂業的重要性空前提高，使得火災事故風險評價成為一項亟待探索的問題。分析2015—2019年全國火災事故統計資料發現，我國火災事故年均發生28 萬多起，直接損失達到37 億元，遇難人數將近1 500 人，傷殘人數將近1 000人。近5年全國火災事故數量總體穩定并略呈減少態勢，但仍保持在高位運行，尤其是縣城、鄉鎮和農村地區的火災事故數量都有明顯增長態勢，因此分析火災風險評估方法、特點、社會意義，對于開展火災風險評估具有一定的借鑒意義。

1 城市火災危險性評估的相關理念

1.1 城市火災危險性評估原則

1949年我國只有10%的人口生活在城市，而截至2019年6月我國有4個直轄市、293個地級市、375個縣級市，近8.3億人在城市生活；城市數量從132個增至672個，建制鎮數量從2 176個增至21 297個。國家統計局最新發布的數據顯示，2020年我國城鎮化率為60.65%，預計到2022年，城市化率將達到62%。隨著社會經濟發展和城市化進程的加快，城市火災發生的頻率和造成的損失也呈上升趨勢，若防控不當，將嚴重影響我國經濟的可持續發展，危害社會治安穩定。火災風險評估是通過科學的方法識別、分析并評價火災風險的大小，以減小和控制火災后果的基本手段，是火災科學研究的重要組成部分。城市區域火災風險評估是對整個城市或城市的行政區域、社區、特殊區域等進行火災風險評估，以找到待評價區域內火災風險較高的地點，有針對性地制定火災防范措施和消防規劃，降低城市火災風險。根據上述概念和研究范圍，本文確定城市火災危險性評估的基本原理為：

1）區域的火災危險性由其包含的單個對象火災危險性構成，具有“和”的性質。

2）地理意義上的不同區域火災危險性構成一個集合，因而區域間火災危險性的關系與區域火災危險性的運算自然符合集合論中集合之間的關系和集合運算處理（交換律、結合律、分配律等）。例如，若區域A 包含區域B，則區域A 的火災危險性大于區域B，即一個城市的火災危險性大于其下轄某大隊的火災危險性。

3）在同一城市中，具有相似地理、建筑、人口和經濟特征的兩個區域火災危險性基本相同。

1.2 火災危險性評估研究方法

面對嚴峻的形勢，需要進一步加強消防安全管理工作。國務院出臺的國發[2011]46 號《國務院關于加強和改進消防工作的意見》要求，每半年對消防安全形勢進行分析研判和綜合評估。為認真貫徹落實上述要求，公安部消防局制定的公消[2012]341號《建立消防安全形勢分析評估制度的指導意見》明確要求，每年開展一次綜合性消防安全形勢分析評估工作，對省、市、縣行政區域內城市和農村消防安全形勢進行分析評估；對于一些消防安全重點區域，可開展區域性消防安全形勢分析評估。公消[2017]20 號《關于深入開展消防安全風險調研評估加強評估結果運用的通知》也要求對城市總體消防安全風險進行研判和綜合評估，并采取針對性措施解決突出問題。本文以福州市城區（三環內）為例，采用統計分析和指數評價相結合的方法對福州市城區火災風險進行評價，側重于數學方法、淡化主觀認識，量化確定評價指數計算方法和指數權重。

基于由火源所引起的邏輯，本文將引起火災的要素簡化為主體—自然環境—行動，即起火的原因是人在特定環境下的特定行動，而起火危險性則依人群密度、行動、自然環境所產生空間而有所不同。因此，本文選取百度人群生活熱力圖數據表現居民密度（X1）、城市規劃發展現狀土地屬性數據表現行動模式（X2）、控制性詳細規劃中土地發展特性數據表現行動條件（X3），對3類指標因子進行打分和歸一化；再利用ArcGIS柵格化數據處理，并通過加權綜合運算得到火災風險評價結果，即y?=b1x1+b2x2+b3x3+b0。權重確定法主要采用SPSS 多元線性回歸模型，以X1、X2、X3為不同因變數，以歷史火災密度的分布為因變數的回歸方程，采用多重線性逐步回歸計算3 個指標的權重。

1.3 城市火災危險性水平分級

火災是指在時間或空間上失去控制的燃燒所造成的災害，是發生頻率較高和時空跨度最大的一種災害。隨著社會的快速發展和財富的日益增加，火災損失增多、危害范圍擴大的總趨勢是客觀規律。

1）以建筑面積為基數衡量城市火災風險水平能建立起連接宏觀風險與微觀風險的橋梁。由城市火災危險性評估原理可知，微觀風險的載體是區域內單個對象，單個對象有建筑面積特征，但不具備人口特征，因此建筑面積可作為單個對象火災危險性水平變換到單個對象火災危險性的乘子，從而起到橋梁作用。

2）盡管國內外以人口為基數衡量火災狀況非常普遍，但僅用于宏觀指標表征；而火災發生的可能性，即火災危險性以建筑面積為基數衡量也已廣泛得到相關統計數據支持，如日本的火災危險性數據，辦公樓火災發生概率為6.67×10-7起/m2·a，商店火災發生概率為4.12×10-6起/m2·a等。因此，選擇以建筑面積為基數衡量城市火災危險性水平更合適。城市火災危險性水平分級確定原則為應充分考慮火災危險性水平分布現狀和發展以及各分級頻數分布總體呈類鐘型分布。根據上述原則，結合聚類分析和火災危險性水平分布，確定城市火災危險性水平分級（表1）。

表1 城市火災危險性水平分級

2 指標評分

2.1 火災出警歷史數據

近5年福州市各大隊的出警記錄主要包括火災出警、其他搶險、火虛假警等信息，內容涵蓋了行政區劃、接警人員、到場人員、控制人數、熄滅方法、事件發生地、參戰方式、事件類別等屬性信息，但由于信息時間跨度過長、記載形式以數據為主，沒有事故現場的具體位置數據。本文通過篩選采集數據庫中所有火災事故的出警信息，采用地址編碼方法和網絡地圖的API 程序開發方法對9 799 起歷史火災事故出警信息中的所有歷史地點屬性進行了地址分析，對所有歷史火災位置進行了空間復原，并將坐標系轉換為CGCS2000。

2.2 用地性質現狀

本文將土地類別簡化至大類，計算各地類單位面積發生火災的頻率，并進行歸一化處理，作為用地現狀評估值（表2）。歸一性評分結果柵格范圍為10 m像元大小，若像元中幾個元素都擁有同樣的數值，則集合這些元素的范圍，像元中擁有最大面積的集合元素為分配給像元的值。

表2 用地現狀評分

2.3 用地開發性質

福州市城市規劃與管理委員會將土地分為可開發土地和一般保護用地兩類，其中可開發土地多為老寮屋區、老舊小區、待征遷用地，建設性質、居民群體受教育程度、消防安全意識等狀況十分復雜，且火災安全隱患很大。城市開發對各地類影響較大，在粗放的土地利用方式下，土地利用變化顯著，主要表現為建設用地對其他用地的大量占用。土地開發性質指數評價方法同用地現狀指數，分值見表3。

表3 用地開發性質評分

2.4 人口分布數據

尋找對象之間的相關性，以此來預測未來的發展，是大數據分析思維的重要目標。雖然人口分區熱像圖僅能反映人口密度的無量綱，但仍可從一定程度上討論其與火災發生的空間關系。由圖1 可知，在清晨、工作時間（包括周末）以及20:00，火災的發生與人們生活壓力有明顯的相關性。百度熱圖采用工作日9:00、15:00、20:00 等時段的人群分布和熱像圖對工作日上午、下午、晚上3 個時段的人群進行了詳細描述，但數據分析發現，該時段的熱量圖量綱比其他時段低得多，因此不能作為該分析的依據。鑒于人口分布與熱力圖統計的無量綱性，本文對熱力圖數據進行重新采樣，將人口聚集程度分為1~5 級，并統一各時間人口集聚度量準則，依次統計各時段各人口集聚等級內單位面積火災事故的發生頻次，根據各時段火災的發生頻次占比決定權重（表4）。

圖1 城區火災發生次數時間分布

表4 人口密度等級評分

3 指標權重測算

本文對3 種自變量和因變數值的登機口變量以及一個因變量的柵極變量實現了矩陣化，并利用SPSS多元線性回歸模型中的漸進回歸分析法構建了回歸模型，從而校正了權重。其因變數均采用10 m×10 m 柵格，人口聚集因子采用工作日20 h內的人口分布熱力評分數據，因變數因子則采用19~21 h的人口火災分布熱核密度數據，像元單位為次/km2。與ArcGIS系統中的像元一一對應時，首先通過Matlab算法讀取登機口的每個正像元，并保存為列矢量；然后將轉化為列矢量的每個自變數和因變數錄入SPSS，并通過多角回歸計算方差分析的結果（表5），可以看出，采用F 檢驗方法對回歸方程進行顯著性檢驗，并描述了不同因素的復合影響情形，當F=10 023.01時，顯著性為0.000，證明對回歸方差做了顯著檢查（F 檢驗），形成的線性回歸模型具有統計意義。具體回歸系數見表6，可以看出，通過t試驗，所有回歸系數的顯著性和sig值均未達到0.001，表明各數據都具有統計意義，則逐步回歸方程為= -4.809+15.140x1+13.083x2+32.480x3。

表5 方差分析

表6 回歸系數與顯著性檢驗

4 火災危險性評估

本文采用多元線性回歸模型率定確定系數，各像元的火災概率得分預測不僅一定要先把每個系數所得到的對應權重相加后再加和，而且還需特別注意常數的問題，因為這樣危險性系數在一個層次上就可以表達出火災頻次預測。根據人口密度分布的動態性，本文提出了動態評估理論，將人類各個時期的平均生存狀態數據分別代入人口數據中，以評價火災危險性在年齡序列中的動態變化情況；再根據本文提出的回歸方程，將其處理為10 m×10 m 的柵格數據；最后通過ArcGIS即可得到研究區域的火災危險性評價結果（圖2）。

圖2 火災危險性動態評估結果

5 結 語

以往的城市火災風險評價以定性分析為主，或通過專家評分對參數進行定量分析，這主要是受調查方法的限制，多源公開信息為精細化分析城市相關風險提供了有力支持。本文通過多源調查，在因子評估和權重設定上做出了另類探索，并以福州市為例進行了火災風險的動態評價。調研結論基本滿足福州市實際情況，證實了指標因子選擇、評價、權重的科學合理。研究中的因子評價、權重可進行一定范圍的推廣，能很好地為消防專項計劃、城市交通總體規劃等提供基礎與保障。本文對火災出警記錄的時間依賴性較高，同時由于總人口的熱力統計主要來源于互聯網，其內在核心算法不得而知，因此怎樣從計算層次上進一步提高記錄中空間落點的精確度以及怎樣準確表達真實的人口分布情況都需要進一步深入探討。