陳建飛 ，祁玉青 ，陳浩宇 ，曹 陽 ，程堯堯

（南京工業(yè)大學 a. 經(jīng)濟與管理學院；b. 電氣工程與控制科學學院，南京 211816）

化工園區(qū)消防有別于一般城區(qū)消防，因其儲存有大量易燃易爆及有毒物質(zhì)，儲存這些物質(zhì)的區(qū)域一旦發(fā)生火災(zāi)并蔓延開來，將會引發(fā)大規(guī)模的爆炸事故，給整個化工園區(qū)甚至是居民區(qū)或周邊生態(tài)環(huán)境帶來災(zāi)難性地破壞. 因此，消防建設(shè)工作應(yīng)該是各大化工園區(qū)在建設(shè)初期就需要考慮的重要工作.

目前國內(nèi)對于消防站選址模型的研究較為成熟，經(jīng)典模型有：P?中值模型、P?中心模型和覆蓋模型，研究者對于選址模型的選取沒有特別大的差異. 但事實上，消防站選址優(yōu)化的核心不僅是模型選取，更是影響因素的考量和評估. 研究者對消防站選址影響因素的選取和評估方法的差異，也造成了消防站選址研究的多樣性和差異性.

影響消防站選址的主要因素有3大類：安全因素、經(jīng)濟因素、社會因素[1]. 其中，安全因素是最重要的考量，安全因素一般包括安全距離、潛在風險以及事故后果3個方面. 在結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上，研究者對這些影響因素進行了各種組合，力求找到最優(yōu)組合與評估標準，使消防站選址方案最優(yōu). 張偉[2]從潛在風險方面進行研究，通過火災(zāi)風險指數(shù)、區(qū)域易損指數(shù)和抗災(zāi)抵御指數(shù)3個指標評估風險，為選址提供參考. 梁建琴等[3]利用定位—配給模型來最大化消防站的覆蓋率，讓園區(qū)各企業(yè)均處在安全距離內(nèi).劉莉等[4]借助GIS技術(shù)與集合覆蓋模型填補傳統(tǒng)消防站選址存在的消防空白區(qū). 關(guān)文玲等[1]充分考慮經(jīng)濟因素、距離因素和覆蓋率因素，提出基于多目標選址模型的消防站選址優(yōu)化方案，并且將潛在生命損失值作為風險評估指標與選址模型相結(jié)合.

目前，考慮到多層級因素對化工園區(qū)火災(zāi)風險的影響且將園區(qū)風險與消防站選址有效結(jié)合的研究并不多. 本研究通過評估園區(qū)內(nèi)企業(yè)和潛在風險，將風險因素與距離因素相結(jié)合，引入有效距離作為選址依據(jù)，在有效距離的基礎(chǔ)上利用集合覆蓋模型完成對消防站選址的優(yōu)化設(shè)計，以實現(xiàn)對化工園區(qū)消防站的針對性、科學性選址.

1 化工園區(qū)風險評估體系

針對近年來化工園區(qū)事故發(fā)生的主要原因，歸納出3個影響因素作為主指標，并劃分出8個子影響因素作為子評價指標，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對各評價指標進行權(quán)重計算，然后使用模糊綜合評價法建立風險系數(shù)模型.

1.1 風險評估指標體系的構(gòu)建

通過查閱近年來有關(guān)化工園區(qū)風險評估的文獻，結(jié)合南京化工園區(qū)的企業(yè)分布較為集中的特點，從A1危險源情況、A2生產(chǎn)安全控制、A3事故處理能力3個主要方面評估園區(qū)企業(yè)的潛在風險，并從中細化出8個子因素.

影響危險源情況( A1)的兩個最重要因素為危險源數(shù)量( X11)與化學物質(zhì)的危險源等級( X12).其中，危險源數(shù)量可通過獲取化工企業(yè)的原料與產(chǎn)品信息以及年產(chǎn)量等資料進行初步評估，危險源等級評定可參考國家標準GB 18218—2018《危險化學品重大危險源辨識》確定. 生產(chǎn)安全的控制水平一方面取決于設(shè)備工作狀態(tài)，另一方面取決于工人素質(zhì)以及對工人的管理監(jiān)督情況，故A2的子因素為設(shè)備保養(yǎng)與維護（X21）、工人操作水平（X22）和巡視監(jiān)督情況（X23）. 事故處理能力取決于化工企業(yè)自身的應(yīng)急能力與消防設(shè)施的建設(shè)，故A3的子因素為事故應(yīng)急預(yù)案（X31）、事故響應(yīng)能力（X32）和消防設(shè)施建設(shè)（X33）.

將3個主因素和8個子因素作為風險評估指標，構(gòu)建出評價指標體系，如圖1所示.

圖1 風險評估指標體系Fig. 1 Risk assessment index system

1.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是一種多因素統(tǒng)計分析方法，它以各因素的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用灰色關(guān)聯(lián)度來描述因素間關(guān)系的強弱、大小和次序[5].

通過對化工園區(qū)內(nèi)各企業(yè)的事故數(shù)據(jù)收集，可以得到灰色關(guān)聯(lián)度分析所需的安全風險因素指標及每百萬噸傷亡率指標[6]，每百萬噸傷亡率指標是指生產(chǎn)一百萬噸產(chǎn)品的工人傷亡情況，將傷亡事件劃分為死亡、重傷、輕傷和輕微傷，傷情判斷的依據(jù)為《人體損傷程度鑒定標準》. 利用這兩類指標作為參數(shù)代入灰色關(guān)聯(lián)度分析軟件，便可獲得風險評估指標的關(guān)聯(lián)度. 最后，將各個風險因素的關(guān)聯(lián)度大小作為評價其權(quán)重的依據(jù)，進行指標權(quán)重計算，權(quán)重計算公式為

式∑中：Mi為指標權(quán)重；Xij為該指標關(guān)聯(lián)度，Xij為指標關(guān)聯(lián)度總和.由式(1)可得上述子因素的 關(guān)聯(lián)度排序與權(quán)重.

1.3 基于模糊綜合評價法的風險評估

式中：Bij為3個主指標的評價矩陣；Aij為子指標的權(quán)重矩陣. 該模型將子指標組成的單因素評價矩陣通過加權(quán)計算得到各主指標的評價矩陣. 將Bij合成為一個新的評價矩陣R1，將R1與主指標的權(quán)重集A再次通過加權(quán)平均模型計算，可得出最終的模糊評判結(jié)果矩陣B1.

4)潛在風險系數(shù)的計算

綜合以上評判結(jié)果，定義該區(qū)域內(nèi)部潛在風險系數(shù)的計算方法為

式中：Ki為第i個企業(yè)的潛在風險系數(shù)；Bi為第i個企業(yè)的多層模糊綜合評判結(jié)果組成的矩陣；V為備選 集數(shù)值所組成的行矩陣.

2 消防站選址優(yōu)化

針對傳統(tǒng)的消防站選址缺少針對性及事故響應(yīng)時間長的缺陷，采用基于有效距離的集合覆蓋模型進行選址，并通過計算選擇出化工園區(qū)消防站 的最小數(shù)量及最優(yōu)位置.

2.1 傳統(tǒng)消防站選址分析

消防站選址是化工園區(qū)消防建設(shè)的核心環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的化工園區(qū)消防站布局往往遵循城市消防站建設(shè)標準，采用“畫圓法”[8]，即確定每個消防站的責任范圍，然后根據(jù)化工園區(qū)的區(qū)域面積來確定消防站的數(shù)量和位置，但這樣的選址方法對化工園區(qū)而言顯然缺少針對性和有效性. 化工園區(qū)儲存有大量危險化學原料與產(chǎn)品，在化工產(chǎn)品的儲存、生產(chǎn)、運輸、廢料處理、回收等環(huán)節(jié)均有可能發(fā)生安全事故，因此化工園區(qū)擁有遠高于一般城區(qū)的事故風險系數(shù). 另外，園區(qū)內(nèi)部各企業(yè)的風險系數(shù)也不相同，由于危險源的數(shù)量、危險等級以及其他各種因素的影響導(dǎo)致化工園區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)“整體風險程度分布不均，區(qū)域風險程度分布集中”的現(xiàn)象.

在這種情況下，傳統(tǒng)的以距離和覆蓋率為原則的消防站選址方案不適用于化工園區(qū)，甚至會成為安全隱患. 例如：在傳統(tǒng)選址方案下，一些化工園區(qū)中風險系數(shù)較高的區(qū)域會處于消防站責任區(qū)的邊緣，導(dǎo)致高風險區(qū)域發(fā)生事故而消防人員無法在最短時間內(nèi)到達，因此化工園區(qū)的消防站選址應(yīng)在傳統(tǒng)消防站選址原則的基礎(chǔ)上加入對風險 的考量.

2.2 消防站選址原則

1)響應(yīng)時間

根據(jù)我國《城市消防站建設(shè)標準》規(guī)定，消防站的布局，應(yīng)當以接到報警后5 min內(nèi)消防隊可以到達責任區(qū)邊緣為原則[9]. 由此可推出：消防時間=發(fā)現(xiàn)起火（4 min）+報警（2'30''）+接警出動（1 min）+行車到場（4 min）+開始出水撲救（3'30"）；5 min消防響應(yīng)時間=準備時間（接警出動1 min）+出勤時間（行車到場4 min）. 考慮道路布局與交通環(huán)境的影響，5 min消防時間的實現(xiàn)率較低，這就更加要求消防站布局的合理性.

2)轄區(qū)面積

消防站轄區(qū)面積計算式為

式中：A為 消防站轄區(qū)面積，km2；P為消防站保護半徑，km；S為消防站至轄區(qū)邊緣最遠點的實際距離，即消防車4 min的最遠行駛路程，km； λ為道路曲度系數(shù)，即兩點間實際交通距離與直線距離之比，通常取1.3～1.5.

以上海、內(nèi)蒙古部分城市在不同時段消防車的實際行車測試，并考慮我國城市道路系統(tǒng)大多為方格式或自由式，由上式計算可得消防車平均時速為30～35 km/h，道路曲度系數(shù)取1.3～1.5，消防站轄區(qū)面積為3.56～6.28 km2，即4～7 km2[10].

3)安全因素

應(yīng)盡量避免高風險區(qū)域處在消防站轄區(qū)邊緣，保證消防站對越危險區(qū)域的響應(yīng)時間越短，按照低風險區(qū)域保證5 min原則，中高風險區(qū)域必須在4 min甚至更短的時間內(nèi)到達. 同時，消防站位置不能距離高風險區(qū)域過近，其邊界應(yīng)與高風險區(qū)保持至少300 m的距離，應(yīng)設(shè)置在常年主導(dǎo)風向 的上風或側(cè)風處.

2 .3 基于有效距離的集合覆蓋模型

2.3.1 集合覆蓋模型

集合覆蓋模型是整數(shù)規(guī)劃模型的一種，本研究中用于確定滿足需求覆蓋的最小消防站數(shù)量，從而在多個候選消防站中確定最終的選址方案[4].

設(shè)滿足防火需求的最少消防站數(shù)量為Z，消防站點為Xj(i = 1,2,3 ···)，則

其中，aij和xj的 取值范圍為

2.3.2 有效距離

為避免出現(xiàn)消防站在實際出警過程中由于道路狀況等原因無法及時到達的情況，將化工園區(qū)內(nèi)各區(qū)域的風險系數(shù)與消防站選址有效結(jié)合，引入有效距離的概念，其表達式為

式中：Le為有效距離；Lr為實際距離；r 為各區(qū)域風險評估系數(shù).

根據(jù)我國消防車行駛速度規(guī)定以及化工園區(qū)內(nèi)實際交通狀況調(diào)研，消防車行駛速度為36 km/h，則4 min內(nèi)消防車行駛距離為2.4 km，則有效距離對應(yīng)消防站的有效保護范圍半徑為

式中：r為園區(qū)內(nèi)各企業(yè)風險評估的平均值. 若Le>Ze，則aij=0；反之，aij=1. 這樣，風險系數(shù)評估結(jié)果就能以有效距離和有效半徑作為參數(shù)引入選址 模型中.

3 案例應(yīng)用

以南京化工園區(qū)為例，由于園區(qū)企業(yè)分布較為集中，選取產(chǎn)業(yè)規(guī)模較大、覆蓋面積較廣的17家化工企業(yè)及其所在區(qū)域為研究對象，進行風險 評估計算，并采用上述模型進行消防站選址.

3.1 化工園區(qū)風險評估

通過查詢化工園區(qū)各企業(yè)的數(shù)據(jù)，得到2010—2018年企業(yè)的安全風險因素指標以及每百萬噸傷亡率指標. 根據(jù)這兩項指標結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)度分析法中的鄧氏灰色關(guān)聯(lián)度，即可在“灰色系統(tǒng)理論及應(yīng)用（GSTA V7.0）”軟件中求出結(jié)果，見表1.

表1 關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果Table 1 Calculation results of correlation degree

將各個評估指標的關(guān)聯(lián)度大小作為評價其權(quán)重的依據(jù)，根據(jù)式（1）可以得到上述指標的關(guān)聯(lián)度排序與權(quán)重，見表2.基于調(diào)查數(shù)據(jù)，通過專家打分法對8個子因素評價，以源港化工為例，可以得到單因素評價表，見表3.

表3中數(shù)值為該分數(shù)在評價結(jié)果中的占比. 由表3可得各主因素的單因素評價矩陣為

根據(jù)上述步驟，多次使用關(guān)聯(lián)度分析法與多重模糊綜合評價法分別對研究區(qū)域內(nèi)的17家企業(yè)進行潛在風險評估，得到結(jié)果見表4.

將風險劃分為3個等級：其中某塊區(qū)域內(nèi)平均風險系數(shù)低于2.7的視為相對低風險區(qū)；平均風險系數(shù)在2.7～2.8的視為中風險區(qū)；高于2.8的視為高風險區(qū). 根據(jù)表4的評估結(jié)果可得到風險程度劃分 ，如圖2所示.

圖2 風險程度劃分Fig. 2 Risk degree division

表4 17家企業(yè)風險系數(shù)評估結(jié)果Table 4 Risk coefficient evaluation results of 17 enterprises

3.2 消防站選址

消防網(wǎng)絡(luò)拓撲圖主要由4部分組成：消防子區(qū)域、消防需求點、消防站候選點和道路交叉口[11].利用消防網(wǎng)絡(luò)拓撲圖結(jié)合地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）中的模型可得候選消防站點對整個園區(qū)需求點的覆蓋率. 其中，消防需求點設(shè)為園區(qū)內(nèi)的各家企業(yè).

消防站候選點的確定有幾點要求：1）候選點數(shù)量要符合實情，不能過多或過少，應(yīng)根據(jù)園區(qū)面積與消防站轄區(qū)面積的比值調(diào)整；2）應(yīng)考慮候選點的道路交通情況，道路少、道路狀況差的地方不宜作為候選點；3）候選點位置不能偏離園區(qū)中心，偏僻地方的消防站轄區(qū)覆蓋率低，研究價值??；4）以風險區(qū)域圖為參考，候選站點應(yīng)盡量靠近高風險區(qū)域.由此，可初步確定4個消防站候選點B1、B2、B3、B4，如圖3所示.

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲圖Fig. 3 Network topology

根據(jù)各企業(yè)風險評估值（表3)，得到火災(zāi)風險平均評估系數(shù)為r=2.776，代入式（6）可得消防站有效保護范圍半徑為0.864 6 km.基于在線地圖上的測量工具得到各企業(yè)與4個預(yù)設(shè)站點間的距離，見表5. 利用式（5）可得出各公司與4個預(yù)設(shè)站點之間的有效距離，見表6. 比較各企業(yè)的有效距離與消防站有效保護半徑的關(guān)系，得到aij的數(shù)值，代入式（4）可以得到保護系數(shù)矩陣為

表5 各企業(yè)到4個預(yù)設(shè)站點的地圖距離Table 5 Map distances from each enterprise to four preset stations km

表6 各企業(yè)到4個預(yù)設(shè)站點的有效距離Table 6 Effective distance from each enterprise to four preset stations km

根據(jù)以上系數(shù)矩陣可得

解方程得X1≥1，X4≥1，即必須在第1與第4消防站候選點建立消防站. 將網(wǎng)絡(luò)拓撲圖與新消防站的位置導(dǎo)入GIS，經(jīng)模擬檢驗，拓撲圖中34個消防需求點均在兩個消防站4 min轄區(qū)覆蓋范圍內(nèi)，故本案例中B1、B4點作為消防站地址為最優(yōu).

4 結(jié) 語

本研究以南京化工園區(qū)為背景研究基于風險評估的化工園區(qū)消防站選址模型，模型的針對性和有效性都得到檢驗，最終得到結(jié)論如下：

1）本研究在選擇影響因素時，通過雙重模糊綜合評價對單因素評價表進行處理，相較于一般的單重模糊評價，很大程度上降低了單因素評價表的主觀性；

2）在風險評估過程中，各影響因素權(quán)重的計算間接決定了風險評估的結(jié)果，使用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對影響因素的權(quán)重進行合理分配，進一步降低風險評估的主觀性，使結(jié)果更加客觀可信；

3）引入有效距離將風險評估結(jié)果與安全距離結(jié)合起來，使得風險評估不再是一個簡單的參考數(shù)據(jù)，而是作為參數(shù)加入到選址模型的計算中，最大化風險評估的作用，也使選址結(jié)果對事故潛在風險更加敏感.

本研究創(chuàng)建的模型可進行化工園區(qū)風險評估及消防站選址的優(yōu)化，但計算工程量較大，未來可進一步完善本文研究創(chuàng)建的化工園區(qū)風險評估指標體系、灰色關(guān)聯(lián)度分析法和基于有效距離的集合覆蓋模型的算法流程，并以此為軟件設(shè)計基本算法，進而更為精確、便捷的優(yōu)化化工園區(qū)布局.