基于GIS的城市消防站布局優化方法研究

摘 要：以遼寧省蓋州市為研究對象，從火災風險評價方法、消防站優化布局展開討論，借助GIS空間分析、優化模型引入等手段，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化設計，以期為消防轉制背景下，為同等規模城市的消防規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 研究區現狀分析

1.1 研究區概況

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

1.2 研究區火災風險評估

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的消防安全所存在的問題，并根據城市火災風險的高低、輕重緩急，為中心城區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火災發生情況及趨勢后，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空間數據分析功能，將初步數據進行加權疊加分析，并將分析結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火災風險評估結果。

2 研究方法與流程

2.1 研究方法

2.1.1 傳統布局方法

目前國內針對消防站布局的安排仍采取較為傳統的規劃布局方法，在《城市消防站建設標準》（建標152-2017）的約束下，通過圓形布局法規劃消防建設的數量、選址等[1]。根據研究區總面積結合規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為消防站責任區面積；R為消防站到責任區最遠點的行駛直線距離；S為消防站到責任區最遠點的行駛的實際距離；r為道路曲線系數。

城市的道路交通網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生點的直線距離，來保證“消防隊以接到出動指令后5 min內到達轄區邊緣”，可行性及實施性較低，會導致部分地區存在消防站誤配、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量，通過最大化范圍覆蓋及最小化設施點優化模型分析比對，實現設施布局優化的目的。通過GIS空間分析，模擬蓋州市中心城區交通網絡模型及火災發生單元。通過設置現狀消防站與候選消防站點位，構建消防站與火災發生點之間的關系路徑，進行位置分配求解。經過反復比較分析，科學合理地預測消防站的數量和位置。該種方法能在一定程度上避免消防站責任區劃定過小、資源浪費等問題。

2.2 消防站布局優化

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之內到達責任區邊緣。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、紅綠燈等候時間的限制以及道路單行線限制。且在消防站轄區內行駛時，經專業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 城市規劃布局約束條件

城市規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。在規劃實施過程中，以大拆大建的形式調整城市消防站布局在一定程度上難以實現。在現有消防站轄區劃分的基礎上進行優化消防站布局研究，綜合研判選址建設約束條件，其結果更具有實際可行和經濟的現實意義。

2.2.2 數據準備

2.2.2.1 基礎數據空間定位

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

2.2.2.2 道路交通網絡構建

根據《蓋州市城市總體規劃（2015-2030）》，將中心城區道路網絡劃分為4個級別：城市快速環路、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，將總體規劃中道路交通網絡矢量化，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 模擬或在潛在發生點

理論上每一棟建筑都有發生火災的可能性，將蓋州市中心城區以及部分周邊地區整體劃分為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生點。

2.2.2.4 模擬消防站候選地址

考慮蓋州市中心城區現狀用地性質，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 最優布局解算

最小化設施點數模型是在所有候選的設施選址中挑選出數目盡量少的設施，使得位于設施最大服務半徑之內的設施需求點最多。該模型自動在設施數量和最大化覆蓋范圍中計算平衡點，得出合適的設施數量和位置[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目的設施的空間位置，使得位于設施最大服務半徑之內的設施需求點最多。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，設施點就享受到了足夠的服務，而不論距離的長短[3]。

其目標函數和約束條件如式（2）（3）（4）（5）。

式中，I 為模擬火災發生點位；J 為消防站候選點位；Wi為模擬火災發生點位權重；M 為消防站設施數量。

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為1、2、3、4、5個時消防站的選址與服務情況。分析結果如表3所示。

2.2.3.3 布局優化

對于中心城區消防站布局規劃為至 2030 年中心城區消防站總數達到 6 座。由于布局3個消防站時火災發生點覆蓋率已達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，并可節省大量人力、物力、經費。綜合對比分析并結合蓋州市實際情況，結合火災風險評估結果，在經濟適用的前提下，蓋州市中心城區近期可規劃新增消防站兩處，分別位于中心城區西部與東部。若隨著遠期城市擴張與群眾需求增長，可根據最小化設施點模型提示在城市西北角增設一座。

3 結束語

建立蓋州市中心城區火災風險評估體系，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，可視化表達研究區域火災風險分布情況，經實地驗證與現實情況基本相符。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果，結合ArcGIS技術優化模型對消防站進行優化布局。傳統的以畫圓法進行消防站布局只能確定基本數量和位置，達不到資源的最優配置。該優化方法可以在節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劃的應用研究[J].城市規劃，2018，42（5）：63-68.

[2] 牛強.城市規劃GIS技術應用指南[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

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