基于GIS網絡分析的城市消防站布局與改進研究

摘" 要：城市消防站主要擔負防火滅火、搶險救援等重點工作，自消防隊伍轉隸以來，為響應國家關于建設“全災種、大應急”消防救援隊伍的號召，消防工作覆蓋面更廣，任務量更多，標準更嚴格，優化改進消防站布局對于加快隊伍發展、迅速有效地遂行消防救援任務，維護社會穩定和保障人民群眾生命財產安全具有重要意義。該文基于GIS網絡分析技術，分析武漢市主城區消防站布局現狀和制約因素，對武漢市消防站布局進行優化改進，并提出新時代背景下消防站布局的基本原則與改進思路，所得結論可為城市消防站規劃布局提供一定參考，推動消防救援事業更好更快發展。

關鍵詞：GIS網絡分析；城市消防站；布局分析；優化改進；武漢市

中圖分類號：TU998.1" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）04-0083-06

Abstract： Urban fire stations are mainly responsible for fire prevention， fire fighting， emergency rescue and other key work. Since the transfer of the fire brigade， in response to the national call for the construction of a \"whole disaster， big emergency\" fire rescue team， the coverage of fire control work has been wider， the task volume is more， and the standards are stricter. Optimizing and improving the layout of fire stations is helpful to speed up the development of the team and carry out fire rescue tasks quickly and effectively. It is of great significance to maintain social stability and ensure the safety of people's lives and property. Based on the GIS network analysis technology， this paper analyzes the present situation and restricting factors of the layout of fire stations in the main urban area of Wuhan， optimizes and improves the layout of fire stations in Wuhan， and puts forward the basic principles and ideas for improving the layout of fire stations under the background of the new era. The conclusions can provide some reference for the planning and layout of urban fire stations and promote the better and faster development of fire rescue.

Keywords： GIS network analysis; urban fire station; layout analysis; optimization and improvement; Wuhan

城市消防站作為消防一線堡壘，擔負著整個城市的消防救援工作，在保障城市穩定發展和人民安全生活方面扮演著重要角色[1]。合理的消防站布局，能夠有效提升消防救援隊伍快速處理火災的能力。在城鎮化快速發展的背景下，尤其自轉隸以來，為響應國家關于建設“全災種、大應急”的號召，消防救援隊伍工作覆蓋面更廣、任務量更多、標準更嚴和要求更高。城市擴張、人口遷移、消防隊伍轉隸等外部因素和條件要求消防站的建設布局必須與所屬城市的建設發展同步，與消防的需求接軌。城市消防站的布局規劃是一項復雜的系統工程，國內外專家學者進行了大量研究論證，獲得了顯著成果。在理論研究層面，相繼提出運用區域火災風險評估理論、火災動力學理論、多目標優選理論、圖論、區位理論和可達性理論等[2-3]，從不同的角度探討消防站選址與布局。在研究方法上，包括以構建數學模型計算解析為主，通過極值求取獲得最佳優化結果[4]，如2011年Saad M Algharib通過距離和覆蓋范圍算法建立科威特市消防站位置分配模型；以層次分析法等邏輯分析方法為主[5]，如2014年Arabameri利用層次分析法（AHP）對馬庫市消防站選址進行研究；以計算機和地理空間信息等新技術為基礎，運用GIS空間分析方法，逐漸成為消防站布局優化研究的主流[6-8]，如2018年Shao Qian、Li Zhi等在《景觀研究學報》上發布《基于GIS空間分析的杭州市主城區消防站規劃方案優選》；2019年劉尚將網絡分析法與空間句法結合并成功運用到樅陽縣消防站布局優化；等等。這些研究有效促進了消防規劃的發展，提高了城市消防站布局的科學性、合理性、實用性。

從相關的研究論證結果來看，都合理論證現行消防站在空間信息技術支撐下仍可在以下幾方面進行改進完善：①消防車輛在救援實際行動中交通能力的提升；②消防站實際覆蓋范圍的檢驗與調整；③對火災風險因素及其他布局影響因素的分析；④對重點消防建筑和重大火災危險源針對性布置；⑤對目標區域經濟建設發展規劃的合理考量。本文以問題為導向，以滿足現階段及未來發展的城市消防安全需求為牽引，基于GIS網絡分析技術，通過分析目標城市網絡要素及其資源流動情況，對站點網絡結構與規劃布局提出優化改進方案，做到考慮問題全面化、分析問題科學化、解決問題簡單化，實現加快隊伍發展、迅速有效地遂行消防救援任務，保證國家穩定、社會有序和人民安全的最終目的。

1" 原理與方法

本研究基于GIS網絡分析方法，以“分級-定點-選址”作為基本思路，采用密度分析、可達性分析、最小化設施點數分析和最大化覆蓋范圍分析等方法，結合研究區土地空間利用規劃方案，在擬定選址點的基礎上，進行最佳位置修正，最終以可達性質量和需求點覆蓋率進行對比評價，生成優化分析方案。

1.1" 密度分析

密度分析是一個數據內插的過程，對研究區域內的點要素和線要素進行密度分析，得到整個研究區域的數據聚集情況[9]。其中，點密度分析通過選定楔形、圓形、矩形等形狀，定義每個像元中心點外圍的鄰域，而后將鄰域內的點數與面積相比，比值即為密度值。線密度分析是以各個柵格像元中心為圓心，通過搜索半徑畫圓，圓內的每個線段長度L與其對應屬性加權參數值V相乘，所有乘積相加之和除以圓面積，得到的值即為密度值，分析半徑的大小與分析結果的細化程度成反比。

式中：Density為密度值；Ln為園內線段長度；Vn為對應屬性權值；S為圓面積。

1.2" 最大化覆蓋范圍分析與最小化設施點數分析

最大化覆蓋范圍分析與最小化設施點數分析用于獲取最大需求覆蓋范圍，使有限的設施點能夠達到最大化的服務覆蓋。其中，最大化覆蓋范圍分析[10]通過設定分析模型的相關參數，在給定圖層的所有待選設施點中，篩選出規定數目的最合適設施點，并確定其空間位置，使所選設施點在阻抗范圍的極值內所覆蓋到的需求點最多。

最小化設施點數分析的原理則是在最大化模型的基礎上進行改進，取消人為設定所選設施點數量的功能，改為自行計算并選取最少數目的設施點，結果同樣要求所選設施點在阻抗范圍的極值內所覆蓋到的需求點最多。

1.3" 可達性分析

可達性通常又稱為時間可達性或交通可達性，是對某一點與其他點之間來往便捷度指標的評價，通?？煞譃橐缘葧r線為代表和以平均加權時間為代表2類。本研究主要運用第一類，以等時線生成的等時圖為參考，分析論證消防站布局選址合理性。

1.4" 分析優化技術路線

消防站點的布局選址，應當在符合當地土地利用規劃的前提下，充分考慮地區建筑分布實際、消防需求實際及道路網絡通達性實際，在滿足上述要求的情況下，通過網格化分析來劃分格網區域作為每個站點選址的范圍，將地區選址范圍縮小到一定數量和比例，格網的大小參考相關文獻獲取近似值量值。在執行位置分配前，對路網進行整合處理，添加速度限制，構建路網模型。分析時結合相應時間考量設定合適的時間計算值，用最小化設施點數模型計算，用最大化覆蓋范圍模型驗證，對比確定擬選址點。為了使交通便利，節省時間，在修正選址點時可以考慮往道路折點處修正。最后通過時間可達性分析制作站點交通等時圖，驗證修正結果，確定責任區劃分，生成最終方案（圖1）。

2" 研究區與數據

2.1" 研究區概況

選取武漢市中心城區（武漢市三環內范圍）為實例研究區（圖2），研究區總面積約為531.18 km2，常住人口約412.43萬。研究區內包含武昌、洪山、漢陽和硚口等區及部分江漢、青山、江岸區轄區，占據九省通衢的地理位置優勢，在經濟、交通、人文和商貿等方面都具有非常便利的條件。

研究區地處武漢市中心，在消防建設、資源配置等方面遙遙領先。消防站點布局上，擁有各類消防站點61處，去除水域消防站、社區消防站等與本研究無關的消防站點類型外，共有32處陸地消防站，消防供水系統建設上，水源網絡覆蓋全局，若區域內發生火災，消防供水渠道除大范圍高密度的消防專用管網外，還有大量市政管網可以調用，此外區域內還有長江干道、東湖、南湖等水域水源可供使用。

2.2" 研究數據

2.2.1" 基礎地理信息數據

本文基礎地理信息數據基于中科圖新地球軟件，設置天地圖平臺為數據來源，搜索定位武漢市，通過自定義選擇工具選定武漢市三環范圍，下載研究區衛星地圖和行政區劃TIFF柵格數據。

2.2.2" 消防站數據

基于高德地圖POI分類中的關鍵詞分類，以“消防站”為關鍵詞，通過OSpider軟件檢索并爬取武漢市范圍內消防站POI，根據數據篩查，刪除研究區范圍外的消防站及研究區內的水上消防站等與本研究無關的POI數據，保留研究區內消防救援站、專職消防站、小型消防站等34項現行城市消防站POI矢量數據。

2.2.3" 路網數據

使用Openstreet Map開源網站，手動框選研究區在內的矩形路網數據，以osm格式導出。在ArcGIS軟件內安裝專門處理該格式文件的ArcGIS editor for OSM插件，運行后加載文件中的點線面數據，待插件將數據自動轉存為shp格式后，通過屬性選擇的方式，提取研究所需的各類道路，保存路網矢量。待路網數據下載完畢后，打開ArcGIS軟件，新建網絡地理信息庫，導入路網矢量數據，在編輯器下合并相同類型的路網要素，屬性表內新增速度字段，類型選擇雙精度?？紤]到2020年新冠感染疫情爆發，包括研究區在內的武漢市總體處于抗疫當中，交通情況不符合常規實際，所以選擇高德地圖提供的《2019年中國主要城市交通分析報告》所計算的武漢市日常交通質量情況，對各類型道路速度字段賦值（表1），調出高級編輯，選擇全體路網以節點處打斷，最后將路網矢量通過投影、拓撲分析與驗證，構建路網分析模型。

2.2.4" 火災風險點數據

基于高德地圖2020年12月的POI數據庫，分類爬取武漢市范圍內公司企業、住宅區、工廠學校和商廈賓館等各類型POI，逐一篩選并刪除研究區范圍外POI數據與研究區內公交站等各類無關類型及火災隱患小的數據，保留14類火災易發點xls格式坐標數據共計29 306項，在添加XY數據窗口選擇xls格式坐標點文件，設置WGS-1980s坐標系，以高斯投影方式將火災易發點轉為矢量數據顯示，以1 000 m×1 000 m作為范圍標準，將矢量點整合為436個消防需求點（圖3）。

2.2.5" 土地利用數據

獲取武漢市國土資源和規劃局官網發布的《武漢市2000—2020年空間土地利用規劃》《武漢市土地利用總體規劃（2010—2020年）調整完善成果》方案中的建設規劃圖，通過ArcGIS軟件導入武漢市規劃圖，按研究區邊界范圍截取中心城區土地信息并以研究區邊界圖層為基準，選擇平均分布的幾個控制點，對武漢市規劃圖進行地理配準，得到圖例利用數據。

3" 消防站布局分析與優化改進

以研究區行政邊界數據為底圖，結合建標152—2017《城市消防站建設標準》中一二級消防站建設面積應符合4～7 km2的規定，在ArcGIS軟件的工具箱中，選擇創建漁網，按2 000 m×2 000 m規格參數創建規則格網，共生成格網261個，再結合研究區路網、土地利用規劃與現有消防站分布情況，刪除可規劃利用土地外的格網、已有現行消防站的格網等無關的格網要素69個，以格網中心為待選消防站點，最終保留192個待選區域，生成待選消防站點初始分布圖（圖4）。

3.1" 火災風險評估與路網通達性評價

城市消防站的建設選址離不開實際的消防需求和交通狀況，火災風險需求與交通網絡質量始終是城市消防站布局所要考慮的2個重點。某一區域對消防站的需求與否關系到在該區域內建立消防站的必要性，區域內交通路線的分布決定了消防站轄區的范圍及每次出警的效率。準確的POI火災風險評價有助于更加精準地計算當地火災發生概率，為消防站布局提供理論上的優化和指導建議；以現實路網為基礎的道路通達性質量評價則可以通過分析城市交通路線的建設情況，對消防站點提高服務范圍與確定轄區有著現實的參考價值。

在ArcGIS軟件的ToolBox中調出投影變換模塊，代入在高德平臺POI數據庫下載的txt格式坐標文件執行投影變換，在系統工具箱中選擇點密度分析，設置指定分隔符與其他參數，按照火災風險密度等級分析生成風險密度圖。將研究區各級路網矢量數據合并，計算整體整合度，由高至低生成交通通達性質量圖。如圖5所示。

3.2" 最小化設施點數分析與最大化覆蓋范圍分析

建立網絡數據集，導入路網模型，打開Network Analyst，新建位置分配，將32個現行消防站點作為必選項，將192個候選站點作為候選項，導入436個消防需求點，阻抗設為車行時間，配值4.5 min（根據消防出警5 min內到達火災現場的規定，考慮消防車接警后30 s駛出營區，在路上的行駛時間為4.5 min），問題類型以最小化設施點求解，模型自動選擇41個消防站點，除去現有站點，新增站點9個。

重復上述步驟，問題類型選擇最大化覆蓋范圍分析算法，將要選設施點數設為32、40、41和42，計算消防站點為現行32個時的覆蓋情況、消防站點為最小化設施分析選出來的41點數下的覆蓋情況及41點數前后的情況，方便對比。在各情況求解結束后，查看每種算法下所得的設施點屬性，統計行車時間和覆蓋范圍內需求點總數，計算對應的平均行車時間與覆蓋率，整理得到分析評估表（表2）。

按上述圖表所顯示的分析結果，在現行32個站點的情況下，雖然到達每個站點的平均行車時間控制在3 min以內，但覆蓋的需求點為313個，覆蓋率僅有71.7%，消防安全隱患較大；模擬建設40個站點時，覆蓋需求點377個，覆蓋率86.5%，雖然與現行站點相比行車時間有所縮減，但相比32個模擬點時的各種數據相差較大，服務范圍不夠周全；模擬建設42個站點時，覆蓋需求點401個，覆蓋率91.9%，相比41個模擬點時的數據相差較小，行車時間加長，多建的1個站點沒能達到理想效果，資源有所浪費。當模擬建設41個消防站點時，覆蓋的需求點為396個，覆蓋率為90.8%，滿足消防站建設規范中消防覆蓋率要達到90%以上的要求，平均行車2.7 min，滿足消防車5 min出警的時間約束條件，并且規避了站點數為40個時的覆蓋率不達標問題及站點數為42個時資源浪費問題。因此，新增9個消防站（總體布局41個）能夠得到最為理想的服務效果，滿足研究區消防需求。

3.3" 選址位置修正

合理的位置修正能夠讓站點的效能更大化發揮。在確定新增站點數和初步規劃位置后，添加高速路、城市主干道、二級道路和鄉鎮公路4種類型的路網圖層及41個規劃點所對應的規則格網，在各點所在的矩形網格內，將新增站點位置往路網折點處或高等階道路上修正，在布局位置大致不變的情況下，修正9個規劃新增站點的選址位置，進一步提升新增消防站點的交通能力，使其更加符合便捷性（表3）。

對修正后的站點分布（圖6）情況進行分析，再次整合修正點信息，生成新增站點修正后位置分析表（表4）。

通過分析對比，修正后的站點位置屬性，較之前選定的站點屬性，雖然在到達需求點的平均耗時上增加了0.1 min，但是符合“5 min消防”規定，并且在交通便利程度和消防需求覆蓋率上都有了一定的提升，因此位置修正可行性較高。

3.4" 責任區確定

利用前期構建的路網模型，計算等時線結果，進行時間可達性分析。在圖層上添加規劃的41個消防站點，設置阻抗為時間，量值分別設置為270 s和870 s（對照一級消防站5 min到達轄區邊界以及偏遠站點15 min到達轄區邊界的要求，結合之前消防車30 s出營區的考量，在此將路上行車時間單位轉化為秒），得出各站點在各類型道路上的等時線，生成等時圖（圖7）。

等時圖范圍即為5 min和15 min內消防站點在各道路上所能到達的最遠范圍，設定5 min阻抗符合建標152—2017《城市消防站建設標準》中“消防站轄區范圍以消防車從站點出發5分鐘所能到達的最遠邊界為準”的規定，再結合土地利用規劃圖進行有效范圍確定，至于外圍無法覆蓋的區域，依各個等時圈形狀往外輻射，劃分到空間距離最近的消防站點管轄，以此完成整個研究區的消防責任區劃分確定。

4" 結束語

本文在實例研究中，從經濟性、便捷性、服務性角度出發，運用GIS網絡分析方法，綜合考慮火災風險密度、交通可達性質量、最小化設施點數模型與最大化覆蓋范圍模型分析結果、站點選址修正結果、責任區確定等方面，對研究區現行消防站點布局進行了分析優化。從論證結果來看，本文所設計的“分塊定區、選點修正、確定責任區”的研究思路在分析現階段的城市消防站布局和提供改進方案上具有一定的可行性，也側面反映了GIS網絡分析技術在城市消防站布局分析與改進研究上仍然具有廣闊的探索空間。城市消防站的合理布局，對于城市的現代化建設和居民的安全保障始終是一道必考題，針對消防站點布局選址的研究，在很多規劃方面還需要細化與完善。后續研究可以將布局分析與GIS等先進技術更加深度地融合，讓信息獲取更便捷，分析運算更高效，更具實用性。

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