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        基于GIS與AHP的燕郊消防站規(guī)劃

        2016-10-24 00:46:34劉海東李智慧

        劉海東,李智慧

        (1.廊坊市消防支隊; 2.武警學(xué)院 科研部,河北 廊坊 065000)

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        基于GIS與AHP的燕郊消防站規(guī)劃

        劉海東1,李智慧2

        (1.廊坊市消防支隊; 2.武警學(xué)院 科研部,河北 廊坊065000)

        在京津冀一體化建設(shè)的逐步推進過程中,位于中心地帶的燕郊鎮(zhèn)具有獨特的發(fā)展前景,城鎮(zhèn)的快速發(fā)展也給相關(guān)的配套設(shè)施提出了新的要求,大量外來人口的涌入,交通壓力增大,原有的消防站已經(jīng)遠遠不能滿足城市滅火救援任務(wù)的需求。綜合運用GIS和AHP方法對燕郊鎮(zhèn)進行火災(zāi)風(fēng)險評估,在此基礎(chǔ)上對消防站點進行備選方案的規(guī)劃,最后對這幾個擬建站點進行對比分析評估,得出優(yōu)化排序方案,為城市消防規(guī)劃提供充實的數(shù)據(jù)參考。

        GIS;AHP;消防規(guī)劃

        0 引言

        隨著京津冀一體化建設(shè)的逐步推進,北京市政府東遷、通州行政副中心的確定等一系列政策的實質(zhì)化進行,燕郊鎮(zhèn)作為離北京市中心最近的產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)之一,西距天安門30 km,北距首都機場25 km,獨特的地理位置優(yōu)勢,為燕郊的發(fā)展帶來了巨大的機遇和挑戰(zhàn)。城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,城市各種復(fù)雜建筑、高層建筑拔地而起,城市的范圍與密度不斷加大。而燕郊鎮(zhèn)舊城區(qū)的消防站點卻沒有隨之增設(shè),城鎮(zhèn)消防規(guī)劃已經(jīng)很難滿足城區(qū)快速發(fā)展的需求。對于大多數(shù)城鎮(zhèn)而言,整個城鎮(zhèn)消防規(guī)劃是城鎮(zhèn)火災(zāi)防控計劃最為關(guān)鍵的因素之一,而合理布局消防設(shè)施以及消防站能夠有力促進政府預(yù)防以及降低火災(zāi)損失能力的提升?,F(xiàn)階段急需突破的問題是在盡量滿足燕郊鎮(zhèn)消防需求的情況下,使得整個城區(qū)消防布局達到最佳優(yōu)化以及最為可靠的評估方法。因此,對燕郊鎮(zhèn)進行消防站規(guī)劃研究意義重大。

        我國早期消防站建站的主要原則是采用“畫圓法”,主要是根據(jù)街道情況,以消防車4分鐘內(nèi)能達到的最遠距離來確定消防責(zé)任區(qū)[1]。近年來關(guān)于城市消防站規(guī)劃的研究方法逐漸增多,基于數(shù)學(xué)模型的方法如李峰等人借鑒了線性規(guī)劃方法對城市消防規(guī)劃進行了分析[2]、基于GIS模型的方法如周俊構(gòu)建了GIS-MCE方法的城市火災(zāi)風(fēng)險評價指標(biāo)體系并在火災(zāi)風(fēng)險評估基礎(chǔ)上進行消防站布局優(yōu)化[3]。消防站規(guī)劃是典型的多標(biāo)準(zhǔn)決策分析(MCDA)問題,多標(biāo)準(zhǔn)決策分析與GIS的組合運用,既能充分體現(xiàn)GIS處理空間模型的優(yōu)勢,也能體現(xiàn)復(fù)雜情況下多標(biāo)準(zhǔn)決策分析在決策模型上的優(yōu)勢。層次分析法是一種定性分析與定量分析相結(jié)合的多標(biāo)準(zhǔn)決策分析方法[4],能夠有效處理多目標(biāo)、多標(biāo)準(zhǔn)、多因素、多層次等各種復(fù)雜問題[5],因而得到了廣泛運用。

        因此,本文擬針對燕郊鎮(zhèn)的具體情況,分析探討燕郊鎮(zhèn)消防站點規(guī)劃方法,提出了基于GIS與AHP的燕郊消防規(guī)劃技術(shù)方案。綜合運用地理信息系統(tǒng)(GIS)空間分析方法對燕郊鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險進行綜合評估,在火災(zāi)風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上進行消防站點的規(guī)劃,最后對這些備選方案進行了優(yōu)化排序,可以根據(jù)城市的經(jīng)濟和社會狀況,規(guī)劃建站的先后順序。

        1 研究區(qū)域

        河北省三河市燕郊鎮(zhèn)面積105.2 km2,直線距離北京天安門僅30 km,南距天津港180 km,擁有得天獨厚的地理優(yōu)勢,早在1992年就被批準(zhǔn)為河北省級經(jīng)濟開發(fā)區(qū),之后在2010年升級為國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)。在21世紀(jì)初,燕郊鎮(zhèn)人口只有10萬,2013年轄區(qū)常住人口50萬(戶籍人口23萬),2015年燕郊規(guī)劃人口達60萬[6],現(xiàn)有55個行政村。受北京居高不下的房價影響,近幾年大量住宅、辦公建筑在燕郊拔地而起。燕郊城區(qū)的建筑以及人口密度的快速增長,給城鎮(zhèn)消防帶來不小的壓力。如圖1所示,是燕郊鎮(zhèn)主要交通道路圖。

        圖1 燕郊交通道路圖

        2 層次分析法

        層次分析法(Analytic Hierarchy Process,簡稱AHP)最早由20世紀(jì)70年代Saaty等人[7]提出,由于層次分析法簡單易用,而且可擴展性強,因此在教育、工業(yè)企業(yè)、政府管理等領(lǐng)域都有大量成功案例。層次分析法在多要素綜合評估過程中具有獨特的優(yōu)勢,但是該方法并沒有考慮到評估對象的空間位置關(guān)系,而GIS技術(shù)具有強大的空間分析特點,恰好可以彌補這一缺陷。因此,GIS與AHP兩種方法的綜合運用近年來被廣泛采納進與地理位置相關(guān)的多要素評估問題中[8-10]。

        AHP方法的步驟主要包含六步:(1)確立需要解決的目標(biāo)問題;(2)將目標(biāo)問題相關(guān)的多種因素進行分層歸類;(3)根據(jù)“分組兩兩比較”的方法確定各因素的影響因子;(4)采用AHP方法計算均一化的影響因子的權(quán)重指數(shù),完成定性與定量的統(tǒng)一;(5)檢查數(shù)據(jù)的一致性;(6)綜合權(quán)重指數(shù)得出最優(yōu)決策。

        在AHP的分組兩兩比較法中,將影響力分級標(biāo)度為1~9級。如果A與B相比,A因子的影響力較強,就按1~9的等級進行分級處理,如果A因子與B因子相比,A因子的影響力較弱,就按照1~9的倒數(shù)來分級處理(從1/2到1/9),見表1。

        表1 AHP的分組兩兩比較法

        根據(jù)對比的結(jié)果建立影響力矩陣為:

        (1)

        式中,rij即為兩因子相比較的結(jié)果值,rij>0。

        3 消防站規(guī)劃方法

        對燕郊鎮(zhèn)消防站的布局進行科學(xué)合理優(yōu)化,主要是為了提高消防部門滅火救援行動的效率,最大限度地保障人民生命財產(chǎn)安全。本文所采取的思路建立在對城鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險評估的基礎(chǔ)之上,根據(jù)燕郊鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險評估的結(jié)果,首先找出風(fēng)險等級最高的危險區(qū)域,其次根據(jù)危險區(qū)域選出幾個擬建消防站的備選方案,然后根據(jù)已有的消防站4分鐘消防的責(zé)任圈,檢查是否存在責(zé)任區(qū)疊加,最后根據(jù)人工經(jīng)驗判斷擬建消防站是否保留。

        3.1火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)體系

        根據(jù)城鎮(zhèn)的火災(zāi)形成機理,可以將城鎮(zhèn)火災(zāi)的風(fēng)險性指標(biāo)分為火災(zāi)危險性、城鎮(zhèn)脆弱性、防災(zāi)減災(zāi)能力三個因子。火災(zāi)危險性是指燕郊鎮(zhèn)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)的可能性,包括歷史火災(zāi)發(fā)生頻率、城鎮(zhèn)建筑特征等。城鎮(zhèn)脆弱性是指燕郊鎮(zhèn)內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后容易受到火災(zāi)影響的損失程度,由于燕郊又別稱為北京的“睡城”,即很多人在北京打工而居住在燕郊,也就是說燕郊外來人口占一定比例,因此外來人口比例也應(yīng)當(dāng)歸納到城鎮(zhèn)脆弱性中。防災(zāi)減災(zāi)能力包括消防水源、消防力量等。具體指標(biāo)體系見表2(表中的權(quán)重系數(shù)按照AHP的分組兩兩比較法來確定)。

        表2 燕郊鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)體系

        3.2GIS綜合應(yīng)用處理方法

        對于空間數(shù)據(jù)的處理都是在GIS平臺上完成,本文主要采用的GIS平臺是ArcGIS10.2地理信息系統(tǒng)軟件。在進行GIS與AHP方法結(jié)合過程中大致要經(jīng)歷以下幾個重要步驟:

        3.2.1城鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo)體系中的各影響因子數(shù)據(jù)整理,以矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(.shp文件)分層存儲在數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)指標(biāo)體系中提出的重要的影響因素,收集了燕郊鎮(zhèn)的加油加氣站、大型新建高層建筑群、危舊建筑的分布等情況,還整理了燕郊鎮(zhèn)近三年來的歷史火災(zāi)數(shù)據(jù)、消防重點單位、重大危險源等檔案資料,對這些數(shù)據(jù)資料進行數(shù)字化處理,分層存儲在地理數(shù)據(jù)庫中。圖2是根據(jù)燕郊鎮(zhèn)近三年的火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)整理而成的火災(zāi)密度圖,其中顏色灰度值由深到淺表示的是該地區(qū)火災(zāi)發(fā)生的密度由大到小。

        圖2 燕郊鎮(zhèn)近三年火災(zāi)密度圖

        3.2.2各矢量層數(shù)據(jù)權(quán)重賦值。根據(jù)AHP方法對各級影響因子計算權(quán)重值,然后賦值到各層的屬性值中。以城鎮(zhèn)脆弱性各因子為例,計算其權(quán)重值,結(jié)果見表3。

        表3 城鎮(zhèn)脆弱性各因子的權(quán)重值計算

        在AHP分組兩兩比較方法中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指數(shù)值是根據(jù)專家打分或者是火災(zāi)調(diào)查問卷得出,本文采取火災(zāi)調(diào)查問卷的方式確定,打分的標(biāo)準(zhǔn)參考表1。其他的影響因子打分也遵循同樣的方法,進行歸一化的權(quán)重值在表2中顯示。歸一化權(quán)重的計算方法如下:

        (2)

        式中,W′為歸一化后的相對權(quán)重值。

        3.2.3對矢量數(shù)據(jù)進行疊加、相交、合并、剪切等操作。矢量數(shù)據(jù)如圖3中的重點單位和重大危險源數(shù)據(jù),因為同是塊狀矢量,因此可以方便進行疊加、相交、合并等操作。如圖所示重點單位是點狀填充標(biāo)識,重大危險源以黑色填充標(biāo)識。

        圖3 燕郊鎮(zhèn)消防重點單位和重大危險源

        3.2.4將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。對矢量數(shù)據(jù)進行加權(quán)平均計算,需要先將矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)之后,才可以在地圖上逐柵格計算。

        3.2.5進行柵格計算。如圖4所示,是對各圖層進

        圖4 在ArcGIS平臺中進行加權(quán)計算

        行加權(quán)總和計算。這些多因子的逐個柵格加權(quán)計算就是用權(quán)重與各影響因子之間進行乘積相加。加權(quán)的公式如下:

        (3)

        式中,P表示城鎮(zhèn)的綜合火災(zāi)風(fēng)險指標(biāo);Wi表示第i個影響因子的權(quán)重值;Xi表示第i個影響因子的值。

        W要在各級因子的相對權(quán)重值W′的基礎(chǔ)上進行整體上的歸一化處理,計算公式如下:

        (4)

        3.2.6最終得出城鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險評估等級圖。經(jīng)過對燕郊鎮(zhèn)危舊建筑、高層建筑、易燃易爆危險區(qū)、歷史古跡、消防重點單位(幼兒園、醫(yī)院、大型百貨商場、影劇院、集市等)、現(xiàn)代物流倉儲區(qū)、公共綠地、公園、村落等點狀、面狀矢量要素,以及交通道路、河流等線性要素,進行空間加權(quán)疊加分析,最終得出城鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險評估等級圖,如圖5所示。從圖5可以直觀地得出燕郊鎮(zhèn)內(nèi)各單位的火災(zāi)風(fēng)險等級主要分為四個級別:高風(fēng)險區(qū)、中高風(fēng)險區(qū)、中等風(fēng)險區(qū)和低風(fēng)險區(qū)。

        圖5 燕郊鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險評估等級圖

        3.3擬建備選消防站點

        目前燕郊鎮(zhèn)僅有兩個消防站,一個位于億豐大街與漢王路的交口,這個是燕郊鎮(zhèn)內(nèi)最主要出警的消防站,另一個是三河電廠企業(yè)消防站,位于京榆大街和福成路交叉口的東北方向(該消防站主要負責(zé)三河電廠內(nèi)的消防安全)。圖6中顯示的深色星狀點即代表燕郊鎮(zhèn)現(xiàn)有消防站的具體位置,而淺色星狀點代表的是擬建消防站位置。根據(jù)燕郊鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險評估的結(jié)果,本文初步擬定了5個擬建消防站方案,如圖6所示,擬建消防站周圍的圓圈表示的是從消防站出發(fā)4分鐘內(nèi)能到達的最遠距離。擬建消防站的位置和理由見表4。消防車在燕郊鎮(zhèn)城區(qū)內(nèi)的行駛速度一般是40~50 km·h-1,在上下班高峰時刻,消防車的行駛速度會遠遠低于這個水平。

        圖6 燕郊鎮(zhèn)擬建消防站備選方案

        備選站點具體位置擬建理由擬建消防站1北外環(huán)以北,中軸線迎賓路邊燕郊北部有新建的京東產(chǎn)業(yè)園,未來幾年會有大量企業(yè)入駐,該消防站附近有兩大地塊處于中高風(fēng)險區(qū),一塊處于高火災(zāi)風(fēng)險區(qū)擬建消防站2燕新大街中段該地區(qū)附近有較多新建小區(qū)及高層建筑,多塊處于中高風(fēng)險區(qū)擬建消防站3行宮東大街與燕高路的交口該地區(qū)交通壓力較大,重大危險源和重點消防單位較多,可緩解城鎮(zhèn)中心已建消防站的出勤壓力擬建消防站4思菩蘭路與通燕高速交口通燕高速直通北京,一旦發(fā)生交通事故火災(zāi),市區(qū)消防站均無法及時到達,消防站附近有一塊地區(qū)處于中高風(fēng)險區(qū)擬建消防站5冶金中學(xué)南部南部農(nóng)村地區(qū)沒有消防站,一旦村里發(fā)生火災(zāi)事故,市區(qū)消防站無法及時到達

        擬建的這5個消防站基本上覆蓋了燕郊鎮(zhèn)中等以上風(fēng)險區(qū)域,當(dāng)然在北蔡街附近還有少量地塊沒有被覆蓋到,但這塊地帶離擬建消防站2和擬建消防站4都不太遠。

        3.4擬建備選消防站點評估

        由于實際的消防站建站還面臨很多實際的壓力,如人口密度、經(jīng)濟成本、消防站之間的重疊率、交通狀況等,因此有必要對擬建的備選消防站點進行評估,消防規(guī)劃時可以根據(jù)這幾個備選站點的最終評估結(jié)果來進行參考。

        消防站建站的首要關(guān)鍵因素是人口密度,人口密度越大,火災(zāi)或其他救援行動如跳樓、觸電、城市洪澇災(zāi)害等的救助需求就越大,因此,消防站建站毫無疑問要考慮到人口密度對建站的需求影響,這里的人口密度包含流動人口密度。人口密度作為建站選址因子的權(quán)重在各擬建站點的權(quán)重值計算見表5。

        表5 備選消防站點對人口密度的比較及權(quán)重值

        消防站的建站成本主要來自于消防站周邊環(huán)境的用地成本,建站成本越低,在選址中應(yīng)該越占有優(yōu)勢。通常來說,在市區(qū)建站的成本要遠遠高于農(nóng)村,其權(quán)重的對比值見表6。

        表6 備選消防站點對建站成本的比較及權(quán)重值

        從圖6中可以看出,這5個備選的消防站在4分鐘內(nèi)能到達的最遠距離包圍圈相互有一些重疊,這對建站是不利的因素。建站的目的是盡可能讓責(zé)任區(qū)不相互交叉,也就是說與其他責(zé)任區(qū)交叉越少所占的權(quán)重值應(yīng)該更高,責(zé)任區(qū)的交叉覆蓋率在5個擬建消防站中的權(quán)重值見表7。

        消防站的交通狀況也是消防站建站的重要參考因素,交通狀況越好越有利于建站,交通不便對于消防隊出行救援也會帶來諸多不便。這里的交通狀況參考了道路的便利情況和通常情況下的道路擁堵狀況。在擬建消防站點3附近道路雖然便利,但是該站點附近承擔(dān)過多的城市交通壓力,容易出現(xiàn)擁堵。從表8中可以看出,擬建消防站點2和擬建消防站點4附近的交通比較便利。

        表7 備選消防站點對責(zé)任區(qū)交叉覆蓋率的比較及權(quán)重值

        表8 備選消防站點對交通的比較及權(quán)重值

        最后,綜合考慮人口密度、建站成本、責(zé)任區(qū)交叉覆蓋率及交通狀況這四個主要的影響因素在實際選址過程的重要性,具體權(quán)重參見表9。

        表9 備選方案參考因素對選址目標(biāo)的比較及權(quán)重值計算

        表10的目標(biāo)選址方案的排序結(jié)果是根據(jù)前面計算的各層因子的權(quán)重值與本層因子的組合權(quán)重值得到的。例如擬建消防站1的最終權(quán)重值=人口密度權(quán)重值(0.521 0)×擬建消防站1的人口密度權(quán)重值(0.132 2)+建站成本權(quán)重值(0.060 0)×擬建消防站1的建站成本權(quán)重值(0.245 0)+責(zé)任區(qū)交叉覆蓋率的權(quán)重值(0.303 9)×擬建消防站1的責(zé)任區(qū)交叉覆蓋率權(quán)重值(0.139 3)+交通權(quán)重值(0.115 1)×擬建消防站1的交通權(quán)重值(0.166 4)=0.145 1。其他站點按照同樣的方法計算得出最終的權(quán)重結(jié)果。

        根據(jù)分析可以得出,擬建消防站3雖然離燕郊鎮(zhèn)已有的消防站點距離很近,但是該站點附近消防重點單位和重大危險源較多,交通壓力也較大,人口密度最大,火災(zāi)危險性最大,因此,該站點是比較急需建站的地點。

        表10 備選方案最終權(quán)重值排序

        擬建消防站點4是比較需新建的消防站點,該站點與燕郊鎮(zhèn)市區(qū)已有的消防站點距離較遠,與其他擬建消防站點責(zé)任區(qū)基本沒有交叉,是適合的新建站點。

        擬建消防站點2附近有很多新建小區(qū),高層建筑較多,未來人口密度會逐漸增大,火災(zāi)風(fēng)險中高的區(qū)域還比較多,考慮到城市的長遠發(fā)展有必要在此建站。

        擬建消防站點1在北外環(huán)之外,有一些新建的工業(yè)區(qū),這些工業(yè)園區(qū)一旦投入使用,會有一批大型企業(yè)入駐,未來幾年內(nèi)會有建立新消防站點的需求。

        擬建消防站點5位于鐵路以南,鐵路以南大部分都是村莊,火災(zāi)風(fēng)險等級較小,該站點所占整體權(quán)重最小,如果城市經(jīng)濟能力許可,可以在此規(guī)劃新的消防站點。

        4 結(jié)論

        本文將地理信息系統(tǒng)與層次分析法綜合運用到燕郊鎮(zhèn)消防站點規(guī)劃過程中,實現(xiàn)了對燕郊鎮(zhèn)火災(zāi)風(fēng)險的綜合評價,并在火災(zāi)風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上給出了5個擬建的消防站,然后分別對這5個站點進行了分析評估,最后給出了一個規(guī)劃排序,根據(jù)城市發(fā)展的需求來決定建站的先后順序。在火災(zāi)風(fēng)險評估方面主要考慮的因子有三層三級,數(shù)據(jù)源來自14個不同類別,這些數(shù)據(jù)在地理信息系統(tǒng)平臺上進行整理、分析和運用,得出直觀的火災(zāi)風(fēng)險評估圖。根據(jù)火災(zāi)風(fēng)險評估圖得出的消防站備選方案主要考慮了實際建站過程中的重要因素如人口密度、建站成本、責(zé)任區(qū)交叉覆蓋率以及交通狀況,通過層次分析法計算出各個重要因子的權(quán)重指數(shù),這樣就可以對備選方案進行優(yōu)化排序,為城市消防發(fā)展提供充分的數(shù)據(jù)參考。

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        [9] 王奎峰,李娜.基于AHP和GIS耦合模型的山東半島地質(zhì)環(huán)境承載力評價[J].中國人口·資源與環(huán)境,2015,25(S1):224-227.

        [10] 楊朋金,呂則和,周青,等.基于GIS和層次分析法的海洋溢油敏感區(qū)綜合等級評價體系研究[J].海洋環(huán)境科學(xué),2015,34(5):749-753,758.

        (責(zé)任編輯李蕾)

        Fire Sites Planning of Yanjiao Based on GIS and AHP

        LIU Haidong1, LI Zhihui2

        (1.LangfangMunicipalFireBrigade; 2.DepartmentofScientificResearch,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

        With the integration of Beijing, Tianjin and Hebei province, Yanjiao Town, located in the center area of this region, has a special future. As the rapid development of this town, a large population live there and the traffic is heavy. Therefore, the old system of firefighting in this town is far from satisfying the needs of urban fire and rescue missions. Based on the fire risk assessment of Yanjiao, new alternative fire station sites are offered. And then, these five sites are analyzed and assessed to give a reference for the city government.

        GIS; AHP; fire station planning

        2016-02-17

        劉海東(1984—),男,河北雄縣人,助理工程師; 李智慧(1981—),女,湖北黃石人,講師,博士。

        ●消防安全評價

        D631.6

        A

        1008-2077(2016)08-0066-07

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