基于大數據+GIS的消防站布局優化研究

何青濱

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150006）

0 引言

消防系統是推動城市穩定發展的重要內容，消防站的布局對發揮消防資源的作用有重要影響[1]。因此，有必要對消防站布局優化進行深入研究。該文運用大數據技術、GIS空間優化分析，對消防站布局優化流程、方式等進行深入分析，并以某市為案例，對其消防站的布局進行優化配置，旨在為案例區域及其他城市的消防站布局優化提供參考。

1 傳統消防站的布局方法

1.1 相關法律法規及技術標準

1.1.1 城市消防站建設標準

對2017年《城市消防站建設標準》進行分析，各級政府應當在當地的城鄉規劃、國民經濟與社會發展規劃、消防專項規劃中納入并落實城市消防站建設工作。城市消防站主要分為3個類型：普通消防站、特勤消防站以及戰勤保障消防站，其中，普通消防站還可以進一步分為一級、二級及小型普通消防站[2]。針對消防站轄區面積的規劃，除上述規章要求外，還需考慮城市本身的火災風險，如果火災風險較高，可適當提升消防站等級活轄區面積[3]。同時，特勤消防站也是城市內具有轄區滅火任務的消防站點，其轄區面積規定≤7 km2，與一級普通消防站一致，而戰勤保障消防站不屬于單獨存在的消防站點，未進行單獨轄區劃分。

針對不同級別及類型的消防站設置，根據《城市消防規劃規范》相關規定，在城市建設中，必須設立一級消防站；對缺少條件設立一級消防站的區域，需要通過勘察、確認、審核后，設立二級消防站；如果在土地資源中缺少設立二級消防站的調節，同樣可通過論證建設小型消防站，同時在老城區、歷史地段、商業密集區等消防評估火災危險系數高的區域，要求必須配備小型消防站，但設立小型消防站須具備與一個一級、二級活特勤消防站轄區相鄰。此外，針對地級及地級以上城區、經濟發展較為快速的縣級城市，應設立特勤消防站。

1.1.2 城市消防規劃規范

根據相關規范要求，在城市的消防整體建設及規劃中，首先進行城市消防風險評估，針對該城市火災風險與消防安全確定能夠完成火災防控任務和消防救援的消防安全布局，并對城市內的消防基礎設施進行配置與優化。對部分歷史文化街區、建筑密集、地下建筑區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品活建筑耐火等級低等區域，增加管控建設要求。

1.2 消防站傳統布局方法及其不足

我國目前的城市消防建設大多是根據傳統規劃方式進行建設的，即通過城市面積簡單計算整個城市內所需消防站數量，再通過畫圓法、網格法或其他人工方式對城市內消防站的布局進行設計。具體步驟如下：1）計算消防站數量。將城市總面積除以消防站轄區面積就可以獲得消防站數量，結果取整數[4]。2）消防站位置規劃。以每個消防站為圓心，將消防站轄區面積近似為一個圓形，根據城市規劃設立消防站位置，盡量避免各個消防站擷取范圍有重疊。3）消防站初步布局規劃。以消防站覆蓋面積為中心擬定選址后，再根據消防站原址及城市的整體下不同區域最終確定各個消防站的等級、布局、責任區劃分等初步布局方案。4）專家確認。確定城市消防站的初步布局規劃方案后，送往相關專家進行分析、評估以及調整，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，雖然傳統的消防布局可簡單地將城市整體涵蓋在消防規劃范圍內，但是缺少理論和定量數據的分析、支持，其中存在的不足之處包括以下3點：1）在消防站的劃分過程中，只注重消防站的覆蓋區域，對消防站自身覆蓋能力、消防救援過程中消防車的通行能力缺少分析，未結合實際情況進行調整。2）缺少對火災風險因素、消防救援影響因素及其他影響因素的分析[5]。3）在消防布局過程中，未考慮歷史文化街區、老城區等高?；馂奈ｋU源、重點消防單位等，無法做到消防的供需平衡。

2 消防站布局優化方法

為保障城市消防安全，如果科學規劃城市消防布局一直被當作相關學術研究在公工設施建設理論中的一個研究熱點。在很多理論中定位—配給模型，該模型為被稱之為LA模型，是公共設施建設選址的最佳理論，在多種公共設施建設選址中表現良好[6]。LA模型能夠找到服務點與需求點的最短距離及最大范圍。同時，該模型可以有效平衡服務點與需求點之間的關系，并且在各類公共服務設施的選址建設實踐中應用效果良好。LA模型可通過GIS空間對消防站的選址進行分析，通過大數據計算，可以得到有關消防站選址布局的相關數據，如分布區域、數量以及轄區道路情況等?；诖?，工作人員可以對得出的相關數據以及對消防站的選址進行綜合評估，包括風險、運行實效評估扥，最終確定最佳的選址布局。

3 LA模型

通過LA模型進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，該模型主要應用于所有防護木匾處于消防站轄區[7]。其優點是通過設置最少的消防站數量將所有防護目標涵蓋在消防站覆蓋范圍內。在模型中，消防站備選地址稱為消防站點，xj消防服務區域稱為消防保護點。在對應的每個消防保護點中，Ni為設定的一個服務范圍內的潛在消防站備選點合集；d為消防保護點與消防站點的距離；s為一個消防站備選點能夠提供的最遠防護距離；Ni內消防站備選點須滿足d

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

式中：I為消防保護點集合；J為備選站點集合。

目標函數公式（1）為消防站點總數的最小化；約束公式（2）表示是對消防站點能夠覆蓋保護的所用保護點中至少一個；約束公式（3）表示消防站點為備選點時，取值為1，否則為0。

3.2 最大覆蓋模型

在不考慮現實生活中土地、財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點，為Church、Revell首次提出，提出的目的是衡量消防站點的覆蓋程度最大化，并不在意消防站點的設立數量。但在該模型中，對消防站點數量進行限制，并在消防站備選點中確立消防站點后，消防保護點才能被覆蓋[8]。

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

式中：wi為消防保護點的權重；yi為消防站選址變量。

3.3 P—中心模型

該模型是由Hakimi根據P—中值模型改進的[9]，主要為通過優化改進，將消防站與消防保點的距離之和最佳化，以兼顧公平性。此時，P-中心問題主要目的為選點一個可以將最壞情況最小化的P個設施位置，并定義最大化距離。在滿足實際情況的前提下，該模型對消防站選址的最佳位置進行計算，最大程度地提高出警效率，在消防救援中第一時間到達現場進行救援，其目標函數如公式（8）所示，約束條件如公式（9）～公式（14）所示。

結合上述模型分析，在城市消防站點選址過程中，須結合多個模型，根據實際情況進行綜合分析。在消防站選址時：首先，根據位置集覆蓋模型確定城區內所需消防站點的最少數量；其次，根據最大覆蓋模型將消防區域最大化；最后，根據P-中心模型確定一個消防站點選址，將縮短所有消防保護對象與消防站點的距離以最大化消防出警效率。

在上述分析規劃中，GIS技術僅結合了消防站點轄區面積、道路規劃、危險場所及重點單位分布等數據，若想要使消防站點設置更符合實際生活需求，還需將轄區的歷年出警數量、出警位置分布等相關大數據作為約束條件，共同進行分析。

3.4 消防站選址相關大數據

通過掌握大量數據可將消防站點選址布局進行優化處理，經過整理、分析和融合處理，通過特定的數學模型，在消防站選址布局中讓消防數據發揮作用，進而避免傳統消防站規劃布局的弊端。

4 消防站布局優化

為明確LA模型與基于大數據技術的信息分析的實際應用步驟，以某市消防站選址規劃為例，對消防站布局規劃進行模擬和優化，其網絡數據拓撲圖，如圖1所示。

圖1 消防站布局優化流程圖

4.1 消防站布局優化目標

在不區分火災危險性中保證目標區域內所有的人員流動區均在規劃消防站的覆蓋范圍內；消防站內的消防重點保護單位不能過多，對火災危險性高的子區域相對應消防保障任務也應當有所傾斜，對重點單位集中的區域盡可能多地設置消防站，分擔安全服務壓力。在滿足消防安全的前提下，盡可能避免公共資源的浪費，提高經濟性。

4.2 案例區域消防安全現狀

案例區域為哈爾濱市新區，原有城市規劃較早，老城區特點明顯，火災類型多為民房類火災，對居民的生命財產安全產生嚴重威脅。案例區域現有消防安全保護單位130個，消防站3個，市政消火栓420個，社區建消火栓150個。2018—2019年，案例區域消防出警量為1940起。由于案例區域的消防通道較窄，通常出現堵塞等情況，對出警效率等產生不利影響。

將上述內容輸入ArcGIS，通過定位—配給模型的應用，結合其中的工具包，提取大數據中的消防重點單位分布，并在拓撲圖上標定出地理位置，制定初步規劃方案。

4.3 案例區消防站布局優化

根據火災風險分析，將案例區域內的消防應急響應時間設置為4min、6min、8min以及12min。同時，根據哈爾濱市新區的消防安全現狀分析，考慮消防車性能等因素，結合消防站轄區劃分原則，對消防站布局進行優化。

首先，對消防應急響應時間的約束進行分析，根據火災風險級別的不同，對消防應急響應時間進行確定，結合時間情況，大致判斷各區域內的消防站布局。

其次，結合交通可達性分析，根據各區域的道路情況，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際需求，以最合理、科學的方式，選擇消防站布局方案，最終確定方案如圖2所示。

圖2 案例區域消防站布局優化結果

通過消防站布局優化，使消防站的覆蓋合格率達到97.2%，能夠滿足區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 結語

綜上所述，消防站布局對城市的高效運行產生重要影響，為提升消防實效，對消防站的布局進行優化分析。通過大數據技術、LA模型及GIS空間數據分析技術的應用，在充分考慮道路交通等狀況的基礎上，以提升消防服務的可操作性和指導性為重點，對案例區域的消防站進行布局優化。結果顯示，優化后的消防站布局，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。