建筑火灾消防内攻搜救组合模型构建研究

2022-08-08张光俊高级工程师

安全 2022年7期

张光俊高级工程师

(沙坪坝区消防救援支队，重庆 400000)

0 引言

建筑火灾一旦发生，消防救援队伍要迅速组织精干搜救力量，在有效的作战安全防护下，深入建筑物内部侦察遇险人员受火势威胁的情况、被困人员数量和具体位置、搜救和疏散被困人员的途径，及时有效地搜寻和营救被困人员，实现第一时间救人和减少人员伤亡的作战目标。由于建筑火灾现场情况瞬息万变，內攻搜救的时机很难把握，需要构建科学合理的內攻搜救模型，以期在最短时间内搜救出更多被困人员。如2020年1月1日重庆渝北加州花园高层住宅火灾，现场指挥部同时组织17个作战小组深入建筑内部，同步开展內攻搜救被困人员、內攻灭火等行动，迅速有效地控制和消灭火灾，避免建筑物内人员伤亡。

国内外对建筑火灾內攻搜救研究主要侧重于內攻搜救方法、內攻搜救的技战术研究等方面，如在高层建筑、居民建筑、人员密集场所火灾扑救内攻搜救技战术研究。近年来也有很多专家学者进行內攻搜救模型研究，如李海等[1-2]对高层建筑火灾扑救和内攻疏散救人方法以及地下建筑火灾扑救程序等进行系统论述；韩玉祥等[3-5]对建筑火灾内攻危险性和人员搜救进行研究；Anthony Avillo等[6-7]对建筑火灾初期被困人员搜寻和救援程序与方法进行研究。上述研究主要集中在内攻搜救理论和实践，专门针对如何构建內攻搜救模型、确定合理人员编制、实现最佳搜救效率的研究很少。因此，本文将综合考虑內攻搜救模型影响因素，深入多地收集消防救援队伍当前搜救编组情况，构建基于多目标规划的內攻搜救模型，通过定性分析方法对典型案例內攻搜救情况进行分析，为消防救援队伍在建筑火灾实际灭火救援中开展內攻搜救工作提供参考。

1 消防救援队伍内攻搜救情况调查分析

1.1 基本情况

本文对重庆、北京、四川、江苏、山东等6省市20余个消防救援站实地调研，并对近年来建筑火灾案例进行分析，得出目前各地消防救援队伍内攻搜救基本情况，见表1。

表1 消防救援队伍内攻搜救调查情况总结表Tab.1 The summary form of firefighting inner rescue investigation of the fire protection and rescue team

1.2 主要问题

(1)组合模式简单，人装组合有限。编组一般采用班长充当搜救指挥员，即1名班长带2名搜救队员。这种搜救组合模式组成简单，人员和装备器材组合有限，难以深入火场核心位置、及时发现隐藏较深的遇险者，这种模式缺乏准确性和科学性。

(2)搜寻和救助手段单一，编组方法简单。当前消防救援队伍普遍采用的搜救方法仍以侦察搜寻和呼叫查看为主，搜救仪器应用非常有限，热成像仪等现代搜寻工具尚未普及，主要还是消防梯和绳索救助为主，举高消防车等配备较少，许多消防救援人员仍依赖经验救人。

(3)搜救器材配备标准不统一，地区差异较大。由于购买消防器材装备的经费源于地方财政，因此消防器材配备存在地域差异、分配不均等问题。先进的搜寻和救助装备价格昂贵，经济不发达地区达不到配备标准要求。

2 基于时间效率的消防搜救行动要素分析

2.1 影响消防搜救行动要素指标

搜救力是指搜救所投入的人员和装备。主要由2方面构成：一是参与搜救行动的人员数量和素质；二是配备搜救所需仪器设备、装备的数量和质量。

决定搜救力FS-R的有行进力FW、破拆力Fb、搜寻力FS、救助力FR4个要素指标。行进力指在标准时间(搜救时限)内搜救(搜寻和救助)队员在水枪掩护下行至搜救区域的平均行动速度，可以认为在不同温度和烟雾浓度的环境下，搜救队员采用不同保护措施(排烟行动等)的行进速度不同；破拆力指在标准时间内消防员破拆常见障碍物或排烟，进入搜救区域内部的能力；搜寻力指在标准时间内搜寻到的遇险者人员数量和所需时间，可以认为各类建筑火灾都需要深入建筑内部进行搜寻人员，搜寻力则是衡量消防搜救队伍搜寻的能力；救助力指在标准时间内营救的人员数量和所需时间，可以认为在扑救各类建筑火灾时都有需要营救的人员，救助力则是衡量消防搜救队伍科学施救的能力。搜救力FS-R的计算公式如下：

FS-R=FW+Fb+FS+FR

(1)

2.2 要素指标量纲转化换算

由于搜救组合各指标的量纲不同，为便于计算，有必要对量纲进行统一。经过综合考虑之后，本文引入标准模型的方法，将各指标统一到时间量纲上。

(1)搜救力转化为搜救时间，指在标准模型内，搜救队员通过标准障碍物，搜寻和救助遇险者，发现、识别标准目标和危险源所需要的时间。

(2)行进力转化为行进时间，指在标准模型内，搜救队员在水平或垂直路途中行进所需要的时间。行进时间特指无需停留的行进时间。

(3)破拆力转化为破拆时间，指在标准模型内破拆人员破拆标准障碍物所需的时间。

(4)搜寻力转化为搜寻时间，指在标准模型内搜救队员进入标准作业区搜寻1名被困人员所需的时间。

(5)救助力转化为救助时间，指在标准模型内搜救人员进入标准作业区将1名遇险者搜寻并救出所需的时间。

2.3 搜救时间

搜救时间是指消防搜救队伍进行一次搜寻和救助行动所需的时间，在标准模型内搜救时间是经过规定路线行进时间、破拆规定障碍时间、必要排烟所需时间、搜寻和救出规定目标所需要时间的总和。

(1)行进时间。当搜救行进路线既定时，行进时间主要取决于搜救路线长度和搜救队员标准行进速度，同时受到火场内部环境影响，需考虑一个标准行进速度的修正系数。因此，搜救(有效)行进所需时间为：

(2)

式中：

TW—搜救行进有效时间，s；

L—搜救所经的水平路线长度，m

H—搜救所经的垂直路线长度，m；

V1—搜救队员水平行进速度，消防搜救队伍编组行进，取最慢速度，m/s；

V2—搜救队员垂直行进速度，消防搜救队伍编组行进，取最慢速度，m/s；

α—搜救速度修正系数。

按照消防救援攻坚组人员体能训练标准，查阅消防救援队伍业务大比武的考核成绩和国外数据[8]，消防员火场环境下模拟行进速度，见表2。

表2 消防员火场环境下模拟行进速度Tab.2 The simulated firefighter speed under the fire circumstances

根据保守原则，V取最小值(30～34岁救援站指挥员3 000 m长跑的速度)，并考虑到火灾现场非平坦地势可能对速度产生影响，取3m/s。根据经验，浓烟充满房间情况下，2支水枪掩护时α取1；1支水枪掩护时α取0.7；无水枪掩护时α取0.3，即(m1+1)/3。公式可简化为：

(3)

式中：

m1—专职掩护水枪手数量；

p1—兼职掩护水枪手数量；

γ—兼职系数，当消防队员身兼水枪、破拆、搜寻与救助或辨识职责时，其工作效率下降，下降程度即为兼职系数，γ取值范围是0～1。

(2)破拆时间。破拆时间主要取决于破拆目标数量和类型以及使用的破拆工具，其计算为：

“三新”企业具有典型的高科技、信息化特征，用工人数较少，发展规模相对较小，且大多数处于起步状态，受到行业变化、政策和竞争等影响，行业变化速度也非常快，传统的统计报表和统计方法已经不能适用于“三新”企业统计日常管理工作。

(4)

式中：

Tb—破拆时间，s；

n—破拆目标数；

T0—标准破拆时间，s；

Bi—破拆时间修正系数，根据破拆工具与目标类型进行修正，有i个破拆目标。

根据消防救援队伍技能训练科目中关于消防破拆项目的规定、大空间大跨度建筑破拆测试数据及消防救援队伍平时训练成绩，可以估算出消防员开展具体破拆项目的标准破拆时间，见表3。

表3 破拆时间表Tab.3 Forcible entry schedule

由于使用不同工具破拆不同障碍项目的标准时间大致相同，为简化计算可以规定除墙外所有破拆项目的标准时间取0.5min，破拆墙的时间取3min。由于破拆人员不能同时携带多种破拆工具，可以认为多名破拆手协作时效率可以成倍增加，公式可简化为：

(5)

式中：

N1—破拆非墙类目标数量，个；

N2—破拆墙类目标数量，个；

B1—破拆非墙类目标的破拆时间修正系数(取值范围均为0～1)；

B2—墙类目标的破拆时间修正系数(取值范围均为0～1)；

m2—专职破拆手数量；

P2—兼职破拆手数量。

(3)搜寻时间。搜寻时间取决于搜寻标准目标的个数、时间，计算公式为：

(6)

式中：

TS—搜寻时间，s；

S—搜寻面积，m2；

V3—搜寻速度，m2/s；

β—搜寻速度修正系数；

m3—搜寻人员数量。

根据专家咨询结果和消防救援队伍实际训练成绩(不同的搜救装备其搜寻速度是不一样的)，可以估算出消防员搜寻项目的标准时间，见表4。

表4 搜寻速度表Tab.4 Search speed

根据经验，搜寻快慢与搜寻方式有关，在充满浓烟的房间，人工搜寻为1m2/s，红外、热成像仪搜寻为2m2/s，光学设备搜寻为4m2/s，β取值为0、1、2，公式可以简化为：

(7)

(4)救出时间。救出时间取决于救援目标数量、所处位置、搜救途径(需要多远的线路长度)、搜救人员的素质、搜救器材和搜救目标行动能力。可以建立一个标准的目标救助时间，即在特定位置、特定搜救路线前提下，搜救一个救援目标所需要的时间。计算公式为：

(8)

式中：

TR—救出时间，s；

T0—标准的目标救出时间，s；

z—救援标准目标的个数；

Kz—救援时间修正系数，有z个救援目标。

搜救遇险者通常非常危险，尤其不能自主行走的被困人员。根据消防救援站训练项目中救生项目的规定(拉梯水平救助操：6m拉梯一架、绳索、担架、假人)，及消防救援队伍训练成绩(2min)，可以估算出消防员救助项目的救助标准时间，见表5。

表5 救出时间表Tab.5 Rescue schedule

可以认为在训练环境下营救到被困人员后，将影响到行进的速度，营救人员额外多出的时间就是救出时间，其标准时间为救援返回的路线长度除以行进速度减救援速度。一般1个被困人员需要2名队员才能救出，因此，计算公式可具体为：

(9)

式中：

Ll—救助人员返回时需要行进的水平路线长度，m；

Hh—救助人员返回时需要行进的垂直路线长度，m；

Vl—救助人员返回时行进的水平速度(受影响后的行进速度)，m/s；

Vh—救助人员返回时行进的垂直速度(受影响后的行进速度)，m/s；

N——遇险人员数量；

m4——救出队员数量。

当1人被困时，需要2名搜救队员，2人被困时需要4名搜救队员，因此，在搜救队员人数满足救出被困人员需要时，其行进速度是不变的，故式(9)可以简化为：

(10)

3 基于多目标优化的消防搜救组合模型构建

3.1 理论基础

多目标规划[9]是运筹学的一个分支，解决在一定约束条件下多个目标函数的极值问题。将多目标规划方法引入搜救组合力量的优化，可以有效解决搜救组合中搜寻、破拆、排烟、救助和灭火等多个目标最优组合问题。

3.2 模型建立

为便于分析和对比搜救力量组合效能，在系统分析火灾统计数据的基础上，根据搜救的主要环节及内容，建立一个标准模型进行搜救组合力量计算。本模型的主要内容和假设条件如下：

(1)模型类型。模型假定为多层居民建筑火灾。

(2)模型内容。假设模型有一处或多处火源、危险源，内部1人或多人被困，现场环境有一定浓烟，在行进途中有1处或多处障碍物。

(3)搜救目标。由于火灾现场比较复杂，在搜救行动过程中需要考虑辅助搜救的行动措施。这些辅助行动主要包括破拆障碍、搜救排烟和搜救与救助遇险者等；为方便比较不同职能分工的效率，假设在相同时段内，同一个搜救队员开展2个以上的作业时工作效率下降，下降的程度以γ进行修正。

(4)搜救组合过程。模型中搜救包括行进、破拆、搜寻和救出4个主要阶段，每个阶段需采用日常训练成绩并转换成标准时间进行统一量纲计算。

(5)搜救力量。考虑到模型主要包括4个因素，开展一次搜救行动时，人员4人以上(水枪掩护1人、破拆排烟至少1人、辨识至少1人、搜寻与救助2人)。按照当前消防救援站调派程序，第一出动基本作战单元为3部车20人，其中可参与搜救人员为4-12人。

(6)修正系数。由于各系数的获取影响因素较多，为便于计算，假定标准模型破拆系数均取1。

最短搜救组合总体时间TS-R，即

TS-R=TW+Tb+TS+TR

(11)

为简化计算，采用其简化公式，即

(12)

由于标准模型中假定破拆系数为1，故公式可简化如下：

(13)

优化计算就是求优化组合情况下最小的搜救时间mintS-R。由于在搜救过程中的辅助搜救行动，人员必须采用兼职模式才能完成规定的搜救任务。由于人员兼职系数尚难量化，为评估各分工之间的关系，故暂不考虑兼职情况，公式可简化如下：

(14)

以标准消防站为例，通常第一时间出动3部车20人，其中驾驶员3人，灭火小组人员4-8人，火情侦察人员1-2人，可用于内攻搜救的人数应在7-8人，即2个攻坚组人数，调查与统计表明这也比较符合各地的实际情况。

当标准模型给定L、H、N1、N2、Ll、Hh值后，可以列出下列公式

(15)

m=m1+m2+m3+m4≤8

m1≤2，m3≥2，m4≥2

通过上述计算可知，当火场搜救环境复杂、遇险者情况危急、破拆和排烟等目标较多时，适当增多水枪、破拆和排烟的人员可以确保搜救行动任务的迅速完成，而且合理的分工可以较大地提高搜救组合的效率。

4 建筑火灾扑救内攻搜救组合效果分析

4.1 建筑火灾内攻搜救组合案例

某民营沙发生产作坊坐东朝西，砖混结构，地上三层半，总建筑面积620m2，建筑主体一层西面违章加建90m2彩钢板棚，联合大厅作为生产场地，并设有夹层；东面加建110m2彩钢板棚作为成品沙发和原材料仓库；南面加建40m2的彩钢板棚用于饲养家禽和存放饲料。二层为生活用房，内设5个房间、2个卫生间和1个客厅。三层为生活用房，内设3个房间、2个卫生间、1个客厅和1个露台晒衣场(加盖彩钢板棚)。建筑内部设有一部室内楼梯。

2022年1月31日23时58分民营沙发生产作坊(多合一场所)发生火灾，河池市消防支队指挥中心接到火灾报警后，先后调集大化县电都站等4个消防救援站12辆消防车、72名消防救援人员赶赴现场扑救，支队全勤指挥部遂警出动。全体消防救援人员在火场指挥部的统一指挥下，快速出击、快速救人、快速灭火，经过2个多小时的奋勇扑救，成功扑灭大火。从着火区域内成功抢救出被困人员2人，疏散5人，具体搜救技战术措施，见表6。

表6 民营沙发厂火灾内攻搜救技战术措施Tab.6 The technical and tactical measures for the firefighting inner rescue in a private sofa factory

4.2 实际火灾案例搜救组合效果定性分析

4.2.1 搜救的技术方法分析

(1)搜寻的方法分析。从案例提供的资料可以看出，电都站指挥员带领消防搜救队伍通过北面民房从东面出入口进入侦察搜救。0时17分，搜救组在建筑东面仓库和厨房先后疏散5名群众至安全区域。同时各增援站通过敲门、喊话等方式逐层逐户进行搜寻。在搜寻过程中借助建筑内设施，转移遇险者，体现搜寻与救助组合的效果。

(2)救助的方法分析。待建筑北面火势控制后，安阳站消防搜救队伍利用15m金属拉梯架设至建筑楼顶的彩钢板棚，进入内部搜救，将困在楼顶的小孩和老人分别救出，充分体现装备组合搜救的方法。

4.2.2 搜救的战术方法分析

在搜救过程中，为更好地掩护搜救队员和疏散遇险者，消防搜救队采取搜救与控火同时进行的战术措施，比如电都站灭火组从东面入口进入到建筑楼梯入口处，1支水枪掩护本站3人，內攻搜救组沿楼梯向上搜救被困人员，排烟组使用正压式机动排烟机实施排烟，改善现场作业环境。

4.2.3 搜救组合情况分析

从这个战例中可以看出：面对建筑、火场环境复杂和被困人员多等情况，火场指挥部根据起火建筑内部及周边环境、救生装备的具体情况，采取内部搜寻和内外救助相结合搜救技战术组合方法，采用侦察搜救、搜救装备配合和利用建筑物的环境等组合方法。通过电话确定被困人员位置，利用15m拉梯登高救人等多种装备组合方法，深入建筑物内部，成功救出被大火围困在房间内的7人，通过建筑的火场环境搜救组合方法，最大程度减少人员伤亡。

4.3 实际火灾案例搜救效果定量分析

从火灾现场到搜救区域的行进长度为100m，路途中需要破拆的障碍3处，其中墙体1处，对二层(高3m)房间采用热成像仪进行搜寻，搜寻面积约200m2，遇到二层(高3m)急需救援的2个被困人员后，救助按原路返回。实际参与搜救人员为8名消防指战员，即L=100m，H=6m，N1=2，N2=1，S=200m2，Ll=50m，Hh=3m。

根据公式(15)，8人搜救最优组合为：1名水枪掩护；2名破拆手；2名搜寻人员；3名救助人员；最小搜救时间为263.3s。

实际案例中第一出动力量为5车22人，出动1个水枪阵地控制火势，掩护內攻搜救行动，2名消防员负责破拆北面彩钢板棚，开辟內攻搜救通道，3名消防员实施內攻侦察搜救，2名消防员通过热成像仪等实施搜寻。对比搜救模型定量分析，计算结果和实际作战案例基本吻合。