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GIS模型在城市消防站布局规划的应用研究

文字:[大][中][小] 手机页面二维码 2019/3/8     浏览次数:    
  GIS模型在城市消防站布局规划的应用研究

  摘要:我国城镇化进程和经济发展效果卓著,但消防建设规划与城市扩张式发展并不协调。传统消防站选址和责任区划分随意性较大,难见合理性和科学性。规划以火灾问题和防护目标为导向,使用地理信息系统(GIS)的空间分析方法,在城市火灾风险评估和防护等级分析基础上,通过消防基本单元划分、消防路网模型构建和消防站GIS优化选址三步,实现消防站的整体布局优化。该方法综合考虑道路阻抗、城市火灾风险和重点防护单位分布,从空间角度优化调整消防站辖区,实现消防资源的优化配置,具有客观性、合理性和科学性,有利于避免规划选址的盲目性和理想化,实现消防站数量合理化和消防服务覆盖最大化。

  关键词:消防规划;风险评估;防护等级分析;模型优化;地理信息系统(GIS);
  1引言
  我国城镇化进程不断加快,城市基础设施水平、公共服务质量日益提升,不相匹配的消防建设问题凸显。城市消防站担负着扑灭火灾和抢险救灾的重要任务,是消防基础设施的重要组成部[1-2]。为积极推进城市消防建设工作,努力提升消防安全保障和防灾抗灾能力,保障城镇化发展战略的健康、协调、持续推进,城市消防站的布局优化亟需新思路、新思考。
  地理信息系统(GeographicInformationSystem,GIS)是管理和解决城市安全问题的一种有力工具,可以进行空间数据的收集、存储、处理和分析评价。

  本文基于GIS的空间优化分析,以沭阳县城镇消防规划为例,综合考虑了近10年火灾发生点、城市路网系统格局、省市县文物保护单位以及高层建筑和重点企事业单位的分布等因素,以沭阳安全问题和防护目标为导向,合理确定消防安全目标,科学进行布局规划,实现消防安全及资源的优化配置,为城市的和谐发展和人民的生命财产安全保驾护航。

  2消防站规划布局传统方法
  城市消防站规划布局是城市规划的重要内容,在城市建设和发展中具有重要意义,而消防站的选址和消防责任区的划分则是重中之重。
  《城市消防规划规范》(GB51080-2015)中规定,在进行城市规划区内普通消防站的规划布局时,应以消防队接到出动指令后正常行车速度下5min内可以到达其辖区边缘为原则确定。
  对以往城市消防规划的调查发现,通常采用如下方法确定消防站数量及布局(图1)。
  (1)依据城市规划所确定的土地利用性质布置消防站,以此为圆心,以5min消防车所能到达的最远距离为半径,圆所覆盖的范围即为该消防站的责任区范围。
  (2)依据相关规范所要求的责任区范围,凭借经验做最后消防站数量和布局的确定。
  然而消防站责任区并不能如此简单的画圆圈地,而应建立在火灾风险评价和问题需求分析的基础上。传统的消防站选址和责任区划分随意性较大,如此进行的消防站布局,易造成场站过稀、责任区过大等问题[3]。
  3案例
  概况沭阳县地处长江三角洲经济圈,区位优势明显,发展潜力巨大(图2)。近年城市建设成果喜人,消防队伍建设有所发展,但历史遗留旧问题和城市建设新问题,致使安全隐患不断,消防能力已难以适应区域经济社会发展的要求。近年来沭阳火灾形势十分严峻,出现了消防设施装备滞后、旧城区消防通道堵塞、居民消防意识淡薄、消防法制不够健全等问题。
  4城市火灾风险评估
  城市区域火灾风险评估是统计分析城市或区域的火灾发生分布状况、经济损失及发展趋势,通过科学评价方法评估城市火灾发生可能风险的过程[4]。
  选取沭阳中心城区近10年的火灾情况,对沭阳进行火灾风险评估,主要包括火灾发生风险分析和火灾经济损失分析。以各起火灾发生的经济损失和人员伤亡为评价因子,使用GIS进行规划区的火灾发生风险模拟和评估,划分火灾经济损失等级(图3)。明显地,虽说城中片区离现有消防站较近,但较大火灾损失仍主要发生在城中片区。
  以火灾发生位置、火灾类型为评价因子,划定火灾发生风险级别(图4)。本文中假设消防队接到指令并准备出动的时间为1min,则消防队需在4min内到达火灾点。结合现状路网路况及设计时速,进行消防车的4min交通可达性分析。分析发现,中心城区仅有1座一级消防站,消防站5min辖区范围仅能覆盖中心城区17.0%和风险区域48.5%的消防服务需求。
  可见,火灾发生风险和较大经济损失主要集中在城中片区,但随着城市扩张正不断扩展。
  究其原因,城中片区为老城集中片区,消防通道拥堵、消防水源缺乏、消防设施落后,加之人口密度大,消防法制不健全,居民消防安全意识不强,安全隐患明显突出,一旦火灾发生,救援难度大、经济损失及人员伤害也大。
  沭阳中心城区总面积约为180km2,现状仅备有一级消防站1座,却担负着全区的抗险防灾任务,在面对日益频发和复杂的火灾险情时,已难以适应灭火救援需要。
  5城市防护等级分析
  城市防护等级分析是消防站规划选址、消防基础设施布局和消防救援力量配备等的重要依据,主要根据沭阳消防安全重点单位分布,对城市各区域的火灾防护等级要求进行评估。
  消防安全重点单位包括有三大类,为文物保护单位、城市重点单位和高层建筑。文物保护单位具有历史、艺术和科学价值,是重要的历史文化遗产的载体;城市重点单位包括重点企事业单位、行政办公、文化设施、教育科研、医疗卫生和社会福利设施等地,人口密集度大,重要程度高,一旦发生火灾可能造成人身重大伤亡或者财产重大损失;高层建筑楼层高、功能复杂、设备繁多、可燃物多,发生火灾救援难度大。
  选取沭阳中心城区三大类具有代表性的消防安全重点单位,以各单位分布密度为评价因子,进行防护等级和密度分析。综合划定沭阳城市防护等级,为防护等级低、中、高三挡(图5)。
  评估发现,规划区消防安全重点单位主要分布在城中片区,仅有的消防站5min辖区范围不能覆盖防护等级低、中、高区域,仅能满足51%的重点单位、12.5%的文保单位和48%的高层建筑的消防服务需求。加之,大部分消防重点单位位于城中片区,道路狭窄,消防装备数量不足、性能落后,一旦发生火灾,城市消防将处于十分被动的局面。
  6城市消防站布局
  城市消防站布局主要包括消防站数量及选址的选择,本文消防站布局规划基于城市火灾风险评估、城市防护等级分析和空间分析,通过划分消防基本单元、消防路网模型构建和消防站GIS选址优化等三步最终确定。
  图4沭阳县火灾发生风险分析Fig.4FiredisasterriskanalysisofShuyang图5沭阳中心城区重点火灾防护分布Fig.5DistributionsystemforkeyfredisasterpreventionunitinShuyangcitycenter6.1划分消防基本单元消防基本单元是GIS消防站布点优化的基本要素,是模型模拟的主要部分。理论上每栋建筑都有发生火灾的可能性,都应为潜在的火灾发生点,但这样的建模工作工作量太大,也不科学合理[5]。陈驰等研究发现,可将若干相邻建筑物合并到一个消防基本单元中,然后使用各单元的中心点代表火灾发生位置[6]。
  基于火灾风险评估及火灾防护等级分析,通过火灾风险分布和重点火灾防护分布综合评估各区域的防火等级高低,将规划范围简化为365个消防基本单元,各消防基本单元的中心点代表火灾发生位置。其中,火灾风险性和防护等级较高的城中片区简化为平均面积为1.82hm2的160个基本单元;城中片区以外,因道路通畅性好、火灾风险性和防护等级较低,基本单位面积适当放大。
  在模型构建中,根据消防基本单元与城市路网的实际连接位置,采用直连火灾发生位置和城市路网的方式对内部道路进行简化,简化后和实际内部道路长度平均误差控制在180m以内,误差较小可以接受。
  最后,基于已设定的城市消防基本单元,进一步设定消防站候选地址。所谓消防站候选地址是指用地条件允许的,供模型从中挑选的虚拟消防站。本研究中,综合城市土地利用规划及现状土地建设利用情况,挑选面积大于2000m2的消防站候选地址335个。
  具体城市消防基本单元及消防站布设候选位置设定如图6。
  6.2消防路网模型构建城市消防通道是决定消防救援迅速到达火场扑救火灾和减少火灾损失的重要前提,城市路网建设和交通畅通情况是影响城市消防站布局和优化的重要因素。
  基于前期所做的《沭阳县综合交通规划(2014-2030)》,构建以快速路、主干路为骨架,以次干路、支路为补充的中心城区道路网系统(图7)。考虑沭阳县公共交通按常规发展推进,对小汽车的使用不调控并尽量满足小汽车出行的要求,综合预测城市主要道路交通运行状况及饱和度分布(图8)。
  由于消防车具有道路优先权,没有红灯等候时间,也不受路口禁转和单行线禁行的限制,行驶同样路程的时间更短,但考虑到早晚高峰最不利情况,仍适当控制消防车车速,最终设定消防路网设计速度(图9,表1)。
  6.3消防站GIS选址优化空间位置对于一个设施的服务具有举足轻重的作用,城市消防站尤甚。本文借助GIS的“位置分配”功能,给定已有消防站(消防中队)位置和消防站候选设施地址,选择阻抗中断为4min。
  首先使用最小化设施点模型计算满足消防需求的最少消防站个数,而后使用最大化覆盖范围模型进行消防站布局,使得在该最少消防站数量下,消防站服务范围内火灾需求点最多,且在规定时间内消防车未能到达的区域最少。
  6.3.1最小化设施点模型最小化设施点模型目标是在所有候选的设施选址中选出数目尽量少的设施,使得位于设备最大服务半径之内的设施需求点最多。该模型自动在设施数量和最大化覆盖范围中计算平衡点,自动求出合适的设施数量和位置,而不需要用户设定设施数量。
  模型中选择阻抗为车行时间(min),默认中断为4min,最小化设施点模型优选消防站布局方案如图10。模型结果显示,满足中心城区各基本单元消防需求最少的消防站数量为9个。
  6.3.2最大化覆盖范围模型最大化覆盖范围模型的目标是在所有候选设施选址中挑选出一定数量(9个)消防站的空间位置,使位于设施最大服务半径之内的设施需求点最多。此模型关注的是设施最大覆盖问题,设施需求点到设施的距离只要在服务半径之内,不论距离的长短,即可认为设施点享受到了足够的服务。
  模型中选择阻抗为车行时间(min),默认中断为4min,选择设施点数(消防站数量)为9个,进一步优选消防站布局方案如图11。
  6.3.3消防站布点优化综合最小设施点布设和最大范围设施点布设两种方案,并结合沭阳中心城区近远期用地规划、火灾风险评估和火灾防护等级分析情况,对现状和规划预留消防站的辖区进行多方案分析,优化调整重叠的消防站辖区和消防覆盖盲区,从而达到用最少的消防站实现消防辖区的全面覆盖,有利于避免规划选址的盲目性和理想化,最后得出沭阳中心城区的消防站选址及空间布局(图12)。
  在所构建的路网模型基础上,结合消防站的布局,按照消防队接到出动命令后5min内可到达辖区边缘的原则,进行消防车4min交通可达性分析和消防站服务面积分析,得到优化布局的消防站辖区范围如图12所示。其分析结果更为真实可信,节约了城市公共资源,随着今后数字城市的逐步建立,将更加有利于提高消防站规划布局优化和选址的科学性。
  从上图可知,消防站布局优化后,通过建立基于GIS的城市消防站布局规划模型,可以形成不规则多边形的消防站责任区范围,基本能够满足中心城区消防全覆盖,个别消防盲区主要是消防需求等级较低的农林用地、备用地或生态绿地。
  研究同时发现(表2),通过模型构建优化消防站布局方法,各消防站消防车接警后赶往火灾发生点所需平均时间仅为2.45min,可有充足时间及时恰当进行火灾控制,有效减少居民生命财产损失,具有重要的意义。
  各消防站辖区建设用地面积平均为11.2km2,而服务能力范围可达到17.1km2,其中瑞声路消防站和常州路消防站辖区内建设用地面防模型是在城市和区域的火灾风险评估基础上建立的,各消防站均能满足4min消防车出发到达分析。因此,通过此方法进行消防站的选址、布局具有很好的客观性、合理性和科学性。
  7结论
  GIS的使用在城镇消防规划中愈来愈扮演重要的角色,使用空间数据分析的方法能够有效地减少规划过程中的随意性和不准确性。城镇消防规划应在科学合理的空间分析的基础上,并充分考虑道路交通状况、城市火灾风险分布和重点防护单位分布等情况有的放矢地进行消防站布局。

  消防站的数量设定和选址布局可以通过划分消防基本单元、消防路网模型构建和消防站GIS优化选址三步,进行模型构建及模拟分析,如此具有客观性、合理性和科学性。


本文由 合肥消防培训 整理编辑。

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