-消防站空间布局优化

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六安市消防站空间布局优化研究

陈　鸿

(同济大学建筑与城市规划学院,上海200092)

　　提　要:以安徽省六安市为例,运用可达性理论及相关模型,对消防站的空间布局进行优化,得出最优的空间布局方案,运用相关量化评价指标进行验证。

关键词:城市消防站;空间布局;优化;评价中图分类号:X913.4,TU998.1　　文献标志码:A文章编号:1009-0029(2009)05-0321-06

标,可将定位-配给模型分成以下三类:区位集覆盖问题(LSCP)、定最大覆盖问题(MCLPP-中心问题。位-现-配21基于对可行性和完整性方面的考虑,笔者选取了我国中部一个中等规模的城市——安徽省六安市,进行案例分析。六安市城市消防站层级不多,种类单一,比较适合作为布局优化研究。六安市近几年发展相当快,基础设施配备与城市空间拓展之间的矛盾非常明显,笔者对消防站基础设施的规划布局问题进行探讨。《六安市城市总体规划(2003-2020)》中对六安市的消防站规划情况,如表1所示。

表1　六安市消防站规划情况一览表

消防站一中队二中队

等级责任分区一级城东开发区三级

中心区城北区

责任区面积

2

1211101211

、。,为重要。,是必须重点研究的课题。笔者利用城市地理信息系统的相关理论及模型,研究一种适合城市不断发展的城市消防站的空间布局优化方法。1　研究综述1.1　研究现状

随着对城市安全的日益关注,消防规划的重要地位愈显突出,已有许多专家、学者进行了消防站空间布局问题的研究,许多相关文献也已作出了论证。消防规划主要包括消防站的选址、布局及消防装备配置。现阶段,消防站选址和责任区划分多采用服务半径法和千人指标法。但在实际应用中,诸多要素不能以简单的圆来表达,首先,将路径简化成直线不符合实际的出行路径,当路径比较曲折时误差较大;其次,圆与圆之间会有未能覆盖的区域或重复的区域,漏算和重复计算会带来较大误差圈。为此,许多专家、学者试图找到更加科学合理的解决方法。对于消防站的选址和布局,计算方法和数学模型得到了大量应用。1.2　定位-配给模型

为城市发展中的应急服务设施规划进行定位选址的研究手段、理论模型有很多,其中之一就是定位-配给模型(Location2这种定位-配给AllocationModel)。的方法在设施选址方面是一种很好的辅助工具,它可以对不同的外部组织环境、供应方和消费方的行为模式进行假设,并产生可选的空间选址规划方案。因此,在形成可选空间结构分布模式的实际研究方面,定位-配给模型具有强大的技术优势。根据各自的选址目

基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目([1**********])消防科学与技术2009年5月第28卷第5期

地　　址

皖西大道南侧、皋陶墓附近

梅山北路28

号人民路与健康路交叉口梅山北路近刘园路处在磨子潭路近振华路处佛子岭路与梅山南路交叉处

中心中队一级城北中队一级

城西南中队二级城西南区火车站中队一级火车站区

　　从六安市城市总体规划消防站布局方案(见图1)

可以看出,其消防站的数量明业不足,至多只能满足未来几年城市建设的要求,且站点选址也存在很多问题。

图1　六安市城市总体规划消防站布局方案

321

因此,必须先按传统的规划方法补做一个消防站布局方案,以作为用模型优化后方案的比较方案。2.2　消防站规划布局的传统方法

2.3　消防站空间布局优化目标

由于消防站点的选址应坚持以人为本,兼顾公平与效率,因此,笔者将资源配置最少、服务范围最广作为消防站规划的优化目标。2.3.1　经济——资源配置最少

从经济性的角度讲,希望消防站点数量越少越好,以保证设施的设置成本最低。要达到这一目标,需要用到的模型是区位集覆盖模型(LonSetCoveringProblem,SCP)。址,,在满足,使投入成本最小化。　安全——服务范围最广

从安全性的角度讲,消防站数目及区位结构的设置应能保证所有的需求点处于消防站有效服务范围内,使消防队接到火警后能在规定时间内到达火灾现场。即在完全满足本地区响应时间标准的前提下,满足100%覆盖要求。达到这一目标所需要用到的模型便是最大覆盖模型(MaxirnalCoveringLocationProblem,MCLP)和P-中心模型(P-centerProblem)。这类问题目的在于配置已知固定数量的消防站,使涵盖在消防站服务范围内的企业数量最大化。此模型适用于选址的后一阶段,在LSCP的基础上优化消防站的位置,使消防站能够覆盖更多的危险源。

P-中心模型适于消防站选址能充分满足实际的前提下,提高服务效率,即受最大出行距离限制的最短出行距离问题,可通过添加限制条件,划分消防站责任区,使危险源与消防站间的距离最短,提高救灾效率。2.4　消防站布局优化数据准备

应用以上模型需要用到的数据支持包括研究区域内的服务需求点集、设施点集(消防服务中心点),以及包涵了联接需求点和服务点信息的点数据表单,如表2所示。

表2　消防站布局优化需求数据列表

类型

要　素

事故簇

需求点点

危险源

供应点线

路径

消防站城市道路防护子区域

图　示

城市防护子区域中心节点图

城市人员密集公共城市主要危险源分布图

城市消防站站点分布图

城市道路系统图

作　用

提取消防行车到场终点

生成消防站的非候

生成城市风险等值线缓冲图;生成消防站的非候选区提取消防接警出车起点

建立起点与终点的连接,计算行车距离确定城市防护子区分析消防服务覆盖情况

对部分城市规划技术人员进行的调查表明,目前消防站规划布局的通常做法是:首先,以消防站为圆心,以5min内消防车能到达最远点所围成的圆作为责任区,责任区面积为A;然后,根据城市总用地面积S和消防站责任区面积A,计算出需要设立的消防站数量;最后,用一组面积为A的圆覆盖城市区域,尽量减少圆的重叠。

实际上责任区的边界不可能如此简单地以圆表示。究其原因,涵,况、非实体因素,;二是几乎所有,道路系统是灾害发生时进行人员疏散、派遣营救人员和运送救灾物资的通道,交通停滞和中断会阻断应急救援进程。道路交通条件限制主要包括交通条件约束(车辆通行道路或路段限制、单行道限制、车辆通行时间限制等)和交通能力约束(道路通行能力和饱和度限制等),道路交通约束主要用于道路网络的最短路径选择限制。

由于《六安市城市总体规划(2003-2020)》中的消防站规划只考虑了资源配置的经济性,消防站数量设置太少。因此,

笔者在满足消防布局安全性要求的前提下,运用消防站规划的传统方法作了一个布局方案,如图2所示,此方案作为按新方法得出的优化方案的比较方案。六安市城市总体规划消防用地面积约56km2,考虑消防站布局的安全性,严格按责任区面积4～7

2

～15个消防站。以面积为4km2和7km2km算,则需8

的同心圆对六安市城市总体规划消防用地进行覆盖,

得到如图2所示的方案,消防站在现状基础上增加10个,比总体规划方案多了7个。

面

图2　基于传统规划方法的六安市城市消防站布局方案

城市防护子区域划区域

城市消防责任区划

责任区范围

分图

322

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2.4.1　点属性数据表

点属性数据表单记录的是需求点和供应点集的属性信息,它是定位-配给模型在ArcInfo工作平台上正常运行的必要数据源。针对不同可选方案所定义的需求点和候选设施点集的属性都记录在此表中。

(1)需求点空间布局数据集。现实中,消防需求点数据集不可能直接从任何公开的数据资源中获得,笔者前面提到可以将防护子区域中心点视作潜在的消防需求点。消防员对于每个防护子区域中心点的一次出警可以完成整个区域的灾害处理任务。而不同的救灾任务不会影响到行车距离,仅仅体现在工作时间的长短上。因此,点,即为消防需求点,以不同的权重,,权重。

(2)。本案例分析中,现有消防站的空间位置分布地图可以直接从当地消防局获取,规划状态的消防站分布则可以从总体规划中的防灾工程规划图中读取。若要将这些图像格式的地图转化为能够在模型中应用的数据,需要使用GIS工具中的ArcMap软件,首先将地图与数字地形图配准,然后在新建的设施点层上标注消防站的空间位置。

在可达性评价中,提供消防服务的设施看作是出行的起点,点数据主要是指消防站的分布图,由原始CAD图中提取。具体提取过程为:消防站的分布是在CAD文件中通过各个消防站的用地边界表示,将现状以及新规划方案的CAD图转换成GIS软件可以识别的3.dxf格式,然后再运行ArcMap,提取用地边界层直接转换为3.shape格式,并赋予相应的属性值。为了满足分析要求,用ArcInfo中的“convertshapesto

命令将各个消防站的边界转换成中心点,从centroids”

而转换成我们所需要的点数据。2.4.2　线数据处理

线数据即是道路中心线,是有关可达性评价中的有关“连接”的数据。道路是需求之间的桥梁,是做设施评价的基本要素,因此,构筑道路系统的线数据层是十分必要的。原始的地形图是双线道路系统,而分析软件只能对连接起点和终点一条道路网络上的供需分析,因此需要将原始道路系统转换为道路中心线,然后用

“converttoshapefile”命令转换为相应ArcInfo中的

的线数据格式,便于后续的操作分析。2.4.3　面数据处理

消防站点布局区域选择:利用GIS的缓冲区分析功能,根据消防站点的选取原则,生成现有消防站、重

消防科学与技术2009年5月第28卷第5期

点目标(学校、医院、商场、易燃易爆危险品与仓储区、

历史古迹、文物、纪念场馆、会堂等)点状要素,以及现有道路、通信、河流等现状要素的缓冲区图,将这些缓冲区进行GIS的空间叠置分析

,可确定消防站的不宜布局和可选布局区域。将城市消防责任区转换成相应的3.shape文件后,用ArcMap中的“Geoprocessing

命令与城市消防需求点图进行叠加,这样就可Wizard”

2.5,3所示。

图3　消防站布局优化方法总体流程

2.5.1　约束条件设定

(1)响应时间标准设定。参照国外发达国家响应

时间标准,结合六安市具体情况,将六安市消防队第一出动到场时间标准设定如下:一级、二级重点消防地区需3min;三级重点消防地区需5min;一般消防地区需7min;城市外围地区需12min。其中,六安市根据用地

性质和历史火灾等特点,已确定出相关重点消防地区等级。

(2)消防车行车速度设定。根据六安市当地出警过程中消防车的实际行驶速度、六安市道路规划行车速度以及六安市消防车的性能,将六安市各级道路的消防车平均行车速度设定为如表2所示的情况。

表2　六安市各级道路消防车平均行车速度

行车速度

道路等级

规划设计道路行车速度 km h

1008050～604030

本次优化计算中设定的

消防车行车速度 km

h

7065503530

高速公路国道或快速路主干路次干路支　路

323

2.5.2　网络拓扑生成

(1)防护子区域的确定。在城市总体规划土地使

用规划图(2020年)的基础上,作出城市消防用地分类规划图,见图4所示。然后划出城市防护子区域,并对防护子区域进行风险分级,见图5所示。

城市用地消防分类分为三大类:城市重点消防区域、城市一般消防区域、防火隔离带及避难疏散场地。

城市重点消防区域又分为以下三类:(1)一级重点消防区域:以工业用地、

仓储用地为主的重点消防区域;

(2)二级重点消防区域:以公共设施用地、居住用地为主的重点消防区域;

(3

):用地、、二级重点消防区域,消防响应时间需4min;二级风险子区域为三级重点消防区域,消防响应时间需5min;三级风险子区域为一般消防区域,消防响应时间需7min;四级风险子区域为城市外围区域,消防响应时间需12min。

都是在该地点发生。此次优化以总体规划地块划分为基础,将需要防护的每一个小地块作为一个小的防护子区域,以子区域中心为事故簇节点,得出的子区域中

心点个数为533个,见图6所示。

(3)消防通道网络的确定。在城市总体规划道路交通规划图(2020年)的基础上,提取中心线为消防通道网络图,见图7所示。其中,将道路交叉口转换成图上的节点,,根据整个,确定,。

　　(4)消防站候选点的确定。所有的道路交叉口节点和非道路交叉口但可能作为消防站的点都作为消防站的候选点,其中也包括已经确定的点,只是赋值不同。候选点由软件在消防路径上随机自动生成,见图8所示。

(5)消防网络拓扑生成。消防网络拓扑中的节点是由所有的道路交叉口、所有非道路交叉口但可能作为消防站的地点、各子区域中心点构成。道路网络拓扑中的路径则是根据节点间具有直接连接的时间路径和各事故簇节点与该事故簇节点所代表区域节点的抽象路径组成,路径一般为双向路径,亦可根据具体情况设定单向路径。抽象路径中有很多跨越河流不合实际,

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　　(2)事故簇节点的确定。定义各子区域中心点为该区域的事故簇节点,即假设该区域所有发生的事故324

需要手工清除。生成的消防网络拓扑图,见图8所示。2.5.3　布局优化求解

设定约束条件和生成网络拓扑的准备工作做好后,用ArcGIS进行最优站址计算,并对结果进行修正

。

(3)责任区初步生成。根据优化后的消防站站址,

运用ArcGIS按约束条件生成消防责任区优化初步方案,见图12所示。这种责任区是消防车根据5min响应时间,依道路所定车速能够到达的是边缘,它是不规则的,需要进行修正。

8

(1)点,即利用ArcG优站址的搜索。根据集合覆盖模型(LSCP)得出最少消防站数量,然后运行最大覆盖模型(MCLP)优化站址,使服务范围最大,最后得出消防站点优化初步方案,见图9所示。

图9　消防站点优化初步方案

(2)站址修正

。消防站的一般选址原则如下:(1)消防站应位于责任区的中心;

(2)消防站应设于交通便利的地点,如城市干道一

侧或十字路口附近;

(3)消防站应与医院、小学、幼儿园等人流集中的建筑保持一定距离;

(4)消防设施接近水源(水场、供水站);(5)便利畅通的通信条件;(6)有生产、贮存危险化学品单位的,消防站应设置在常年主导风向的上风或侧风处,其边界距上述危险部位一般不宜小于200m

。

根据选址原则,对个别站址进行调整后,见图10所示,得到了消防站点修正方案,见图11所示。

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　　(4)责任区修正。责任区的划分需要首先考虑响应时间或行程时间,结合城市的土地利用布局、功能分区、历史沿革、自然条件、道路交通、行政区划及管理等因素,避免受到地形、河流、铁路干线的限制和分割,并兼顾其他消防站的分布,见图13所示。

根据笔者所述的消防站责任区划分原则,以及各种分割参考线,对消防站责任区划分进行修正,得到消

325

防责任区修正方案,见图14所示。

(5)最终优化结果。通过优化分析及计算,得到六安市消防站布局优化最终方案,见图15所示。在该布局方案中,只需新增9个消防站即可完全满足六安市消防站布局的消防安全性能需求,比传统规划方法布置的消防站数量减少了1个(其辖区范围有一大块绿地,且布置在河边,可以去掉),站址和责任区均得到了优化

。

此项优化研究可以给当地的政府或消防部门提供城市消防站空间布局的决策支持分析系统,尤其是给城市规划工作者提供了新颖而又科学的规划技术和方法。这套方案和技术不仅可以用在城市消防站的布局规划上,而且还可以引申到其他各类公共服务设施的布局规划,特别是相关的应急服务设施的布局优化。

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StudyonoptimizationofthespatialdistributionofcityfirestationinLu’ancity

CHENHong

　　(CollegeofArchitectureandUrbanPlanning,Tongji

University,Shanghai200092,China)

Abstract:ByintegratedwithGIS,thelocation2allocationmodelcangeneratesasetofsolutionspacesthathelpdecisionmakerstonarrowdowntheirsearchesanddecisionsforsiteselection.Thecasestudyiscarriedoutonthisbackground.Lu’ancityisselectedtodotheresearch.Weimprovethecurrentfacilitiesperform,andthedecidehowtoimprovetheperformancetoensuretheserviceiseconomicalandsecure.Fromevaluatingtheaccessibilityofcurrentsituation,anewplanoffirestationcanbegenerated.Theoptimalconfigurationisthenprovedbytheevaluatingindicator.Also,withtheachievedoptimalconfiguration,we

canuseittoevaluatetheexistingsystemof.publicservicefacilities

Keywords:cityfirestation;spatialdistribution;optimizing;evaluate

3　结束语

评价结果表明,运用定位-配给模型对消防站进

行布局优化从本质上提升了城市消防站的服务水平,优化了城市规划消防站布局方案。概括讲,空间布局模式的改善可以通过两种途径解决:一是增加新的服务设施点;二是重新组织系统的空间布局结构。326

作者简介:陈　鸿(1981-),男,同济大学建筑与城市规划学院博士生,浙江省海宁市规划建设局副局长,主要从事基于安全的城市空间结构优化研究,上海市同济新村576号9室,200092。

收稿日期:2009-01-08

FireScienceandTechnology,May2009,Vol28,No.5