城市消防站选址布局优化及对雄安新区的启示*

2018-10-09陈志芬李俊伟卢方欣

中国安全生产科学技术 2018年9期

陈志芬，李俊伟，卢方欣，李强

(1.中国城市规划设计研究院，北京 100037；2.北京师范大学地理科学学部，北京 100044；3.济宁市规划设计研究院，山东济宁 272000)

0 引言

设立河北雄安新区，是以习近平同志为核心的党中央深入推进实施京津冀协同发展战略、积极稳妥有序疏解北京非首都功能做出的一项重大历史性战略选择，是千年大计、国家大事。安全，是雄安新区建设发展的重要保障和基础底线。“河北雄安新区规划纲要”明确提出，“牢固树立和贯彻落实总体国家安全观，坚持政府主导与社会参与相结合，坚持以防为主、防抗救相结合，坚持常态减灾和非常态救灾相统一，针对自然灾害和城市运行安全、公共安全领域的突发事件，高标准规划建设重大防灾减灾基础设施，全面提升监测预警、预防救援、应急处置、危机管理等综合防范能力，形成全天候、系统性、现代化的城市安全保障体系，建设安全雄安”的要求。专业化的应急救援队伍，特别是消防救援队伍，承担火灾防范、火灾扑救、抢险救援等工作，是提升新区城市救援能力，保障城市安全的有生力量。而消防站正是消防救援队伍工作(执勤备战)的场所，是应对城市火灾、自然灾害、事故灾难等突发事件救援的防灾基础设施。科学规划消防站的数量、空间位置，对于优化消防救援队伍空间分布，提高消防救援队伍火灾防范、火灾扑救、抢险救援等工作效率，维护城市社会经济活动正常有序运行具有重要意义。

针对消防站选址布局的研究一直备受重视。美国于20世纪70年代就开始有关消防站布局的研究，并制定了正式的消防规划条例，由美国纽约的兰帕德公司提出的“兰帕德火灾项目”是具有代表性的完整消防规划[1-2]。我国GB 51080—2015《城市消防规划规范》规定，城市建设用地范围内普通消防站布局，应以4 min行车到场为原则进行布局，同时考虑城市中心区及边缘地区的道路交通状况，确定消防站布局应满足：城市中心区消防站辖区4～7 km2，城市边缘地区不超过15 km2。城市规划领域常用的传统方法简称“画圆法”，即根据规划区面积简单除以4～7 km2，确定大概需要的消防站数量，再按4～7 km2的圆进行布局[3]，圆心则为消防站布局位置。该方法只是简单地落实4～7 km2的标准，缺乏对消防站的位置、辖区情况的分析，往往导致选址规划难以落实。另一种常用的方法是先结合行政区域、主要道路等划分辖区，再在单一辖区内优化消防站的空间位置[4-5]，该方法仅仅是辖区范围内的有限优化，缺乏从整体系统考虑救援力量的分布。随着GIS技术的发展，ArcGIS软件内嵌location-allocation模块在消防站选址优化方面应用广泛，一般先利用最小化设施数量模型确定最低的消防站数量，再利用最大化覆盖需求点模型对设施的空间布局进行优化[6-8]。

目前的消防站布局规划及研究，大多是以消防站辖区面积4～7 km2覆盖所有区域为单一目标进行的布局优化，缺乏从城市整体消防安全和提高抢险救援能力的角度，探讨消防站布局在我国消防救援体系变革中的系统性规划。对此，本文拟立足城市消防整体安全及消防救援力量优化配置，从消防站数量、空间位置及投入产出效率的角度，研究消防站的优化布局，旨在为雄安新区的消防站规划提供参考和借鉴。

1 选址布局基本模型

选址问题在生产、生活，乃至军事等领域中应用广泛，好的选址会给人民的生活带来便利，降低成本，扩大利润和市场份额，提高服务效率和竞争力，差的选址往往会带来很大的不便和损失，甚至是灾难。一般认为，选址问题的研究始于1909年Webber的仓库选址问题[9]，即在平面上确定1个仓库的位置，使得该仓库到所有顾客的总距离最小。

在诸多选址布局模型中，常用的有4种模型，即：位置集合覆盖模型(LSCP)、最大覆盖模型(MCLP)、P-中心模型(P-Center)和P-中值模型(P-Media)。最早的位置集合覆盖模型由Toregas等[10]提出，该模型的目标是求解能够覆盖所有需求点的最少设施数目；随后，由Church和ReVelle在位置集合覆盖模型基础上，提出最大覆盖模型[11]，该模型目标是在确定设施数目的基础之上，探究能够覆盖最多需求点的布局模式；P-中值模型最早由Hakimi[12-13]提出，规划目标是使各个需求点至设施点之间的总距离最小，从而使消防站总体服务质量达到最佳；P-中心模型由Hakimi[13]根据P-中值模型改进而得到，优化目标是使各个设施点与需求点之间距离之和的最大值最小，更兼顾布局公平性。

位置集合覆盖模型、最大覆盖模型、P-中值模型和P-中心模型如下。

1)位置集合覆盖模型

(1)

2)最大覆盖模型

(2)

3)p-中值模型

(3)

4)p-中心模型

(4)

式中：I表示需求点集合，I={i|i=1,2,…,m}；J表示候选设施点集合，J={j|j=1,2,…,n}；dij表示需求点i与设施备选点j之间的最短距离，i∈I,j∈J；D表示需求点与设施之间的最大允许距离。式(1)～式(4)中，yj，xi和xij的取值说明如下：

选址布局模型的目标，可以分为吸引目标(pull)、排斥目标(push)和平衡目标(balancing)3类。其中，吸引目标主要用于研究有利设施的选址，设施设备越近越好，如医院、学校，但受建设成本限制；排斥目标常用于不利设施的选址，越远越好，如垃圾站，但受运输成本限制；平衡目标，即在给定的标准距离内达到相对公平。根据选址布局模型的目标和约束条件可知，4个基本模型在投入成本、设施数量、需求满足程度、服务对应关系、设施容量考虑以及目标等方面均存在差异，具体分析如表1所示。

表1 4种模型的比较Table 1 Comparing of the four models

2 消防站选址布局模型与方法

消防站是典型的“balance”类公共服务设施，其布局的目标是为了最大程度的防范火灾发生，提升灭火救援效率，降低火灾事故损失，布局原则是在给定的标准距离内达到相对公平，与居民意愿无直接的关系。利用位置集合覆盖模型可以确定覆盖所有城市建设用地所需要的最少的消防站数量，如图1所示，该区域要覆盖全部的需求点需要建设25座消防站。由于城市空间布局往往考虑了自然地理、城市风貌、生态景观、交通区位等多个要素进行整体优化布局，建设用地布局在空间上并非规整，仅仅利用位置集合覆盖模型进行选址布局优化，在覆盖所有需求点的简单目标下，往往需要巨大的公共财政投入。而建设15座消防站可以实现90%的覆盖率，如图2和图3所示。即，区域全部覆盖的简单目标下，增加67%的消防站，仅能提高10%的覆盖率。面临政府公共财政投入的边际收益极速递减的趋势，美国消防规范NFPA 1710提出了消防站90%的情况下在标准时间内可达的要求。

图1 LSCP选址布局示意Fig.1 Location of LSCP

图2 消防站数量与消防站覆盖率关系Fig.2 Relation diagram between the number and the coverage rate of fire stations

图3 MCLP选址布局示意(P=15)Fig.3 Location of MCLP (P=15)

实际上，经过多年的发展，我国消防站体系逐渐形成了社区微型消防站初期火灾扑救3 min到场，专业消防力量5 min到场的多层次灭火救援体系。单一依靠专业消防力量全覆盖的消防站布局体系，并不是最优的灭火救援力量配置。在考虑消防投入的合理性、有效性、可行性基础上，借鉴美国消防站布局经验，本文提出不低于90%覆盖率的消防站优化布局目标，可以更好地统筹政府消防资金的配置，尤其是加强社区基层消防力量的建设，提升火灾预防能力和初期火灾扑救能力，将极大地提升政府在火灾扑救、应急救援方面的投入产出效率。

如何科学确定消防站选址布局，使得消防站的覆盖率不低于90%？本文提出通过位置集合覆盖模型与最大覆盖模型联合利用的选址优化布局模式，即：利用位置集合覆盖模型确定全域覆盖所需要的设施数量N，再利用最大覆盖模型以P=1，…，N进行遍历求解，确定不低于90%覆盖率时的布局结果为消防站选址布局优化结果。同时，考虑我国绝大多数城市均建有消防站，新一轮的消防规划应该充分考虑保留现有消防设施的基础上进行补充优化。雄安新区同样具有这一特征，根据“河北雄安新区规划纲要”，新区范围包括雄县、容城、安新3县行政辖区(含白洋淀水域)，任丘市鄚州镇、苟各庄镇、七间房乡和高阳县龙化乡，规划面积1 770 km2。内部既有新规划建设的起步区，也有需要提质扩容的容城、雄县等组团。因此，位置集合覆盖模型和最大覆盖模型应增加式(5)所示的约束条件。

yj=1,∀j∈K

(5)

式中：K={k|k=1,2...,l} ，表示已有消防站点集合，l为已有消防站数量。

3 模型实现过程

城市建设用地范围内普通消防站布局，应以消防队行车到场4 min为原则。根据GB 51080—2015《城市消防规划规范》要求，现状城市消防车平均时速约30～35 km，在城市建设用地边缘地区、新区且道路系统较为畅通的普通消防站，按60 km时速，辖区面积不应大于15 km2。因此，考虑消防车辆在行驶过程中道路的通行能力，设定城市中心区域拥挤路段道路行驶速度为35 km/h，其余处在城市区域外围、较为稀疏的道路设置行驶速度为60 km/h。消防站布局和优化的实现过程如下。

1)利用ArcGIS工具箱中的Fishnet工具以某1区域为边界构建网格，以网格的中心点作为消防站的需求点以及设施点，同时结合该地区的遥感影像资料及相关规划资料等适当去除部分不适于作为消防站的设施备选点。

2)依据道路行驶速度对不同的路段设置通行阻抗，以4 min为中断值进行消防站需求点和设施备选点之间的OD成本距离提取。

3)根据给出的模型，利用Lingo软件对LSCP模型求解，确定消防站选址数量上限N及其布局模式，得到该地区理论最佳消防站数目及布局模式。令P={p|p=1,2…,N} ，采用MCLP模型对P进行遍历求解，选择覆盖率不低于90%的优化结果作为消防站选址布局结果。

4)将模型求解结果进行GIS可视化处理。

4 案例研究

4.1 研究区概况

针对雄安新区的规划布局特点，确定如下城市范围为研究区域，用地面积为105 km2，现状2座消防站，如图4所示。图中，实线为中心地区老城区道路，路网密集，道路交通条件一般；老城区东西2边为城市提质扩容范围，路网结构优化，道路通行能力较好。

图4 研究区现状概况Fig.4 General picture of study area

利用ArcGIS中Fishnet工具以该城市边界构建500 m×500 m的网格，以网格的中心点作为消防站的需求点和设施备选点。确定设施备选点时，还应去除规划保留建设用地、危险源300 m范围内用地、学校50 m范围内用地等不适宜规划建设消防站的用地，提取结果如图5所示。

图5 消防站需求点与设施点Fig.5 Demands and prepared sites for location fire stations

4.2 研究结果

利用位置集合覆盖模型优化结果显示，在保留现状2座消防站的基础上，该城市共需要10座消防站才能覆盖所有建设用地，即需要新增8座消防站，如图6所示。以P=3，…，10，在保留现状2座消防站的基础上，计算不同设施数目之下消防站对需求点的覆盖率，能够明显看出，随着消防站数量的增多，消防站的覆盖能力是递增的，如表2和图7所示。当P=6时，消防站覆盖率达到90.41%，则需最少布局6个消防站,如图8所示。在现状消防站基础上，新增4座消防站，消防站覆盖率可以从42.45%提高到90.41%。在此基础上，再增加4个消防站，消防站覆盖率仅能提高不到10%。

图6 LSCP选址布局(覆盖率为100%，P=10)Fig.6 Location of LSCP(coverage rate is 100%, P=10)

消防站数量/座覆盖率/%242.45359.95473.14583.93690.41794.96897.62998.810100

图7 研究区消防站数量与消防站覆盖率关系Fig.7 Relation diagram between the number and the coverage rate of fire stations in the study area

图8 MCLP选址布局(覆盖率为90.41%，P=6)Fig.8 Location of MCLP(coverage rate is 90.41%, P=6)

5 对雄安新区消防站规划的启示

本文从消防站布局优化、政府公共消防财政投入配置优化的角度提出利用位置集合覆盖模型和最大覆盖模型联合使用进行消防站选址布局优化的方法，并考虑保留现状消防站设施的需求，增加约束条件，对模型进行了改进。面向消防站选址布局优化过程需求，提出了考虑道路通行能力差异，通过计算设施点与需求点之间时间成本距离应用于模型求解，虽然其结果从表面上看突破了我国消防相关标准对消防站辖区范围4～7 km2的限制，但实际上将极大地提高政府公共财政使用效率和消防救援能力整体水平，也更符合我国消防相关标准对于消防站布局的可达性要求。

雄安新区规划坚持公交优先，综合布局各类城市交通设施，实现多种交通方式的顺畅换乘和无缝衔接，打造便捷、安全、绿色、智能交通体系。新区内的道路交通状况将较之现状城市有极大的改善，特别是智能交通体系，有利于消防救援时的交通管制，提高消防车同行效率。在新区的规划发展背景下，若机械地采用4～7 km2的标准进行消防站的选址布局，将导致大量低效率的公共投资。立足新区整体消防安全和应急救援能力提升需求，严格按照消防队接警后4 min可达的标准，基于新区道路交通可达性分析，对消防站位置、数量、类型、等级进行优化，适当考虑政府公共财政在消防安全多个环节的投资分配，才能真正构建起“雄安新区城乡覆盖、区域协同，陆、水、空、地下全方位消防系统”。