消防站布局优化的计算机方法_陈驰

ISSN 1000-0054CN 11-2223/N
清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2003年第43卷第10期
2003,V o l.43,N o.1025/37
1390-1393
消防站布局优化的计算机方法
陈　驰,　任爱珠
(清华大学土木工程系,北京100084)
收稿日期:2002-11-15
基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(59938180)作者简介:陈驰(1980-),男(汉),海南,博士研究生。

通讯联系人:任爱珠,教授,E-mail:raz -dci@tsing
摘　要:消防站布局规划应该建立在科学分析的基础上,然而由于种种原因,中国的消防站布局规划主要还是根据人为经验进行的。

该文提出了一种易于推广的消防站布局优化计算机方法。

该方法以平均消防行车距离最小为消防站选址原则,将责任区抽象为多个“结点”,同时考虑了消防站的选址和消防站责任区的划分,实现了多个消防站的整体布局优化。

文中给出的实例表明该方法具有科学性和合理性。

该方法还适用于诸如医院急救站等类似公共设施的规划建设。

关键词:城市规划;消防站;优化中图分类号:T U 984.11+6
文献标识码:A
文章编号:1000-0054(2003)10-1390-04
Optimization of fire station locations
using computer
CHEN Chi ,R EN Aizh u (Department of Civil Engineering ,T s inghua University ,Beij ing 100084,China )
Abstract :Fire station locations should be s elected scientifically rath er th an by hum an experien ce as often occurs in ur ban areas in
Chin a.T his paper p res ents an easily implemented method for optimization of fire s tation locations.T he meth od minimizes the average travel distance for the fire engines,w hich is calculated by ab stracting fire station coverage areas as “nodes ”.Th e meth od optimizes th e fire station locations as w ell as the coverage area boundaries of each area.T he method w as applied to a real exam ple to s how its effectivenes s.T he propos ed meth od can als o be us ed for locating other public facilities ,s uch as clin ics and hospitals.Key words :urban planning;fire station locations ;optimiz ation
消防站布局规划是城市消防规划的一个重要部
分,其内容包括消防站选址和消防站责任区划分。

由于种种原因,中国早期的城市建设大多对消防规划考虑得不够,消防站选址、责任区划分的决策多为依据经验进行,再加上经济实力不足,中国目前大多数城市,特别是旧城区,均不同程度地存在消防站布点稀、责任区面积过大、站址选择较随意等问题。

如何使消防站的站址选择及消防站责任区的边
界划分均达到最佳,怎样将消防站布局优化的分析利用计算机技术得以实现,是一个值得研究的问题。

美国等发达国家对消防站规划问题的研究开展得较
早,并取得了较大的成就,如Helly 对消防站选址及责任区划分问题做了系统阐述[1]。

中国有关消防站选址优化问题的研究非常少
[2～4]
,田伟涛曾结合中
国实际情况,对给定责任区边界情况下消防站选址问题进行了分析[2]。

本文结合中国某地区的消防规划,在Helly 和田伟涛研究成果的基础上,提出了用计算机实现的消防站布局优化分析方法。

1　单个消防站的选址原则
影响消防站选址的因素很多,例如交通条件、自然地理条件、道路状况、地价、城市功能分区要求等。

显然,其中一些因素只能由人进行主观判断,而有些因素则可以利用计算机进行分析。

事实上,要使火灾损失达到最小,最重要的是消防队接到火警后应能够尽快到达火灾现场。

因此,在各国的研究中,一般都将消防车辆的行车时间(行车距离)作为评判消防站址优劣的原则[5]。

本文也采取消防站平均消防行车距离最小为消防站的选址原则。

2　责任区模型的建立
在确立了以平均行车距离最小作为消防站选址原则后,如何计算平均行车距离就成了关键问题。

对于责任区边界确定的情况,最明显的方法是积分法。

设消防站位于(x 0,y 0)处,火灾发生点为(x ,y ),s (x ,y ûx 0,y 0)表示从消防站到火灾现场的行车距离。

为了体现不同地区重要性的不同(例如易燃易爆物品工厂、仓库与一般的住宅区火灾危险性不同),
用r (x ,y )表示火灾现场(x ,y )处的火灾重要性权重,对一般地区可取r (x ,y )= 1.0,对重要地区可取r (x ,y )为大于1的实数。

则位于(x 0,y 0)处的消防站至该区内所有假设火灾发生点的平均行车距离为
s -=1A k
A
r (x ,y )s (x ,y ûx 0,y 0)d x d y ,(1)其中A 为责任区面积。

上述积分法理论上简单,但在实际应用中却并不实用,这是因为当责任区的形状不规则时,积分限很难准确表达,且这种对整个责任区进行积分的过程也不容易编程实现。

本文采用“以点代块”的方法,将责任区抽象地分解为多个“结点”,用这些“结点”代表火灾发生地,从而建立起既简单明了,又方便计算机编程的责任区模型。

如图1所示,将整个责任区视为多个小块区域的组合,然后用每小块区域的中心点代表该小块区域。

在实际应用中,各小块区域的划定可以以实际的工厂、企业、建筑物等的分布情况为根据。

同样,对不
同单位还可以赋予不同的火灾重要性权重。

图1　小块区域抽象分解为“结点”示例
假设将责任区划分为N 个小块区域,每个小块区域的中心点坐标为(x i ,y i ),消防站位于(x 0,y 0),消防站至该点的行车距离为s (x i ,y i ûx 0,y 0),该点的火灾重要性权重为r (x i ,y i ),则该责任区内的消防车平均行车距离为
s -=1N 6N
i =1
r (x i ,y i )s (x i ,y i ûx 0,y 0).
(2)
3　单个消防站最优站址的确定
在暂时不考虑其他因素的情况下,责任区内消防车辆平均行车距离最短的位置即为消防站的最优站址。

平均行车距离用式(2)计算,其中两点间的行车距离s (x i ,y i ûx 0,y 0)是计算的关键。

城市的道路网络一般都比较复杂,任意两点间可能恰好有道路直接连通,也可能是折线相连,甚至还可能是曲线形式。

对于不同的道路情况,计算两点间行车距离的难易程度不同。

对于直线的情况,两点间直线距离即为行车距离;对于折线的情况,则需分别计算折线的长度;而对于曲线的情况,除非实地测量,否则很难精确计算其行车距离。

因此,应当采用一种近似算法,使得有众多结点的情况下,仍能简便快捷地计算出平均行车距离,同时又具有一定的准确性。

本文用两点间直线距离乘以一个略大于1.0的道路曲度系数的方法,表示两点间的行车距离,即s (x i ,y i ûx 0,y 0)=k
(x i -x 0)2+(y i -y 0)2,
(3)
其中k 取1.2～1.4。

这是因为对于两点间直线连通的点,行车距离为s (x i ,y i ûx 0,y 0)=(x i -x 0)2
+(y i -y 0)2
,
对于两点间道路恰好成等腰直角三角形的情况,行
车距离
s (x i ,y i ûx 0,y 0)≈1.4
(x i -x 0)2
+(y i -y 0)2
,
一般两点间的行车距离大多位于这两者之间。

当责任区内的结点较多时,计算平均行车距离采用k =
1.2是较为合适的。

至此,消防站选址原则、责任区模型的建立、行车距离的计算方法等问题均已得到解决,从而单个消防站最优站址的确定问题也得到解决。

4　多个消防站的布局优化
当进行多个消防站的布局规划时,除了消防站
的选址,还应考虑责任区的划分。

中国《城市消防规划建设管理规定》规定消防站责任区面积宜取4～7km 2,这项规定是以消防站至责任区最远点行车时间不超过5min 为根据的。

以消防站为圆心,以5min 内消防车能到达的最远点与消防站的直线距离为半径,画一个圆圈所得到的圆形区域的面积,即约为7km 2。

但在实际中,责任区的边界不可能如此简单地以圆表示。

对于两个相邻的消防站,其责任区边界上的点,距这两个消防站的距离相等,是较理想的情况。

如图2所示,实线表示已有的3个消防站F 1、F 2、F 3的责任区界线。

如果在F 4处增加一个消防站,则在确定F 4的责任区边界时,可以F 4与F 1、F 2、F 3的等距线作为新界线,如图2中虚线所示。

但是,行车时间不仅与城市中点与点的直线距离有关,也与道路情况有关。

在确定消防站责任区边界时,在尽量满足责任区面积要求和相邻两个消防
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陈　驰,等:　消防站布局优化的计算机方法
图2　新增消防站F4的责任区界线(图中虚线)
站间的界线距两消防站等距的同时,应使责任区界线沿城市道路划分。

这是因为:1)用城市道路(特别是主干道)作为责任区界线,可以使责任区的划分简单明了,同时也易于标识,便于城市指挥中心进行消防指挥调度;2)只有采用城市道路作为责任区界线,才具有实际应用意义。

5　消防站布局优化整体分析方法
消防站位于某一点时其平均行车距离的计算,需要事先确定好责任区的范围,而对责任区范围的确定,又需要以消防站站址为依据。

若要规划建设多个消防站,应如何着手,才能实现布局优化呢?
H elly提出迭代的分析方法[1]:
1)给定责任区界线时,寻找消防站最优站址;
2)给定所有消防站站址时,寻找责任区边界的最佳划分;
对上述两步反复进行迭代,虽不能保证迭代能收敛于精确的最优解,但在给定合理的初始解情况下,可以找到最优方案。

本文结合中国实际情况,采用上述的分析方法,利用A utoCA D二次开发技术[6],提出如图3所示的多个消防站布局优化整体分析方法。

6　消防站布局优化实例
采用上节所述分析方法,对中国某开发区进行消防站布局规划。

第1步　建立城市模型
将城区视为多个小块区域的组合,然后用每小块区域的中心点代表该小块区域。

第2步　确定消防站数量
该城区总面积约为33km2,根据交通调查,该城区内干道间距合理,交通状况良好,同时该城区内各种基础设施的建设也较完善,取责任区面积为7km2。

因此,规划建设5个消防站。

第3步　确定消防站布局初步方案
该城区现已有2个消防站,尚需建设3
个消防
图3　消防站布局优化整体分析框图
站。

根据已有的2个消防站的位置,及该城区的用地状况,分别在该城区东南部、西部、北部规划建设1个消防站。

第4步　计算每个责任区内的最优站点
利用A utoCA D2000的二次开发技术A RX编程实现消防站最优站址的搜索。

对每个责任区进行最优点搜索,得到如表1所示结果。

表1　责任区最优点搜索结果
责任区X/km Y/km
一 1.9510.25
二 4.078.97
三 2.5812.43
四 4.6711.62
五 5.0014.97
第5步　修正消防站站址
根据地价、场地缺陷、城市功能分区要求等各种限制条件,对各消防站站址进行修正。

在本实例中,主要根据城市用地规划和交通条件进行修正。

第6步　修正消防站责任区
根据本文所述的消防站责任区划分原则,对消防站责任区划分进行修正。

第7步　迭代
回到第3步,重新对每个责任区进行最优站址搜索,并对各站址和责任区边界进行修正。

第8步　结束
当搜索得到的站址和责任区边界与上一次所得
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的结果相近时,结束迭代。

本实例最后得到的消防站站址和责任区划分分别如表2和图4所示。

表2　消防站站址的最终结果
责任区X /km Y /km 一 1.4010.42二 4.629.16三 2.2712.96四 5.2011.57五
4.59
14.
76
图4　消防站责任区划分的最终结果
为了评价所采用的点与点之间行车距离计算模
型的精确度,比较每一责任区内最远点的计算行车距离和实际行车距离,如表3所示。

根据表3可见,用式(2)计算每个消防站责任区的平均行车距离的精确度是可以接受的。

表3　责任区内最远点行车距离的计算值和实际值的比较
责任区
最远点X /km Y /km
计算行车距离/km 实际行车
距离/km 一 3.3210.84 2.36 2.92二
2.748.46 2.40 2.49三
3.3311.08 2.59 2.75四
4.5213.47 2.41 2.42五
6.67
12.65
2.82
2.40
7　结束语
本文对消防站的选址原则、责任区划分原则进行了科学的分析,使得消防站的规划建设不再仅依据经验进行。

文中提出的方法又是简易的,其责任区模型的建立、点与点之间行车距离的确定,既保证了准确性,又避免了繁杂的、不必要的大量计算过程。

该方法易于推广普及,仅需一幅城市地图,并利用CAD 的二次开发技术即可实现。

所述的实例即是利用A utoCAD 2000的二次开发技术实现的。

另外,该方法同样适用于诸如医院急救站、巡逻警点等类似公共设施的规划建设。

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