基于火灾演化规律的建筑消防应急资源供应决策研究

doi:10.16381/j.cnki.issn1003-207x.2023.1868

摘要/Abstract

摘要：

随着城市建设的快速发展，建筑火灾造成的财产损失与人员伤亡迅速增长，城市安全管理对消防应急资源供应的科学决策提出更高要求。本文刻画建筑火灾的火势蔓延趋势及灭火抑制函数，得到建筑火灾演化曲线。在此基础上，对火灾生命财产损失和灭火救援的消防运作成本进行定量分析和计算，以此解决建筑消防应急资源供应决策问题。本文构建以生命财产损失和消防运作成本总和最小为目标的混合整数非线性规划模型，进而以最佳灭火剂供应强度为决策核心，得到灭火剂、消防车、消防员等消防应急资源的最优供应方案。最后，以真实火灾事故为例验证模型的可行性，并对消防响应时间、灭火抑制系数等参数进行敏感性分析。研究表明，通过本文模型得到的消防应急资源供应方案可有效提高消防应急资源的利用效率，减少灭火所需时间，减少火灾生命财产损失。研究结论可为建筑火灾火势情况分析及消防应急资源供应决策提供科学参考。

关键词: 消防应急资源供应, 建筑火灾, 火灾演化规律, 火灾损失评估

Abstract:

With the rapid development of city construction， property loss and casualties caused by burning buildings have been increasing fast. As a result， scientific decision-making of emergency resource supply is required to guarantee the safety of a city. The spread trend and suppression function of building fires are portrayed， attaining the fire spread curve. On this basis， a quantitative analysis and calculation of fire-related casualties， property loss and costs of firefighting are given. This may hopefully provide practical solutions to emergency resource supply. A mixed-integer nonlinear planning model is constructed to achieve the minimum of overall loss plus costs of firefighting. This led to an optimal supply scheme of firefighting emergency resources such as extinguishers， fire trucks and firefighters. Finally， in reference to real fire accidents， the feasibility of the model is verified. At the same time， a sensitivity analysis is performed upon such parameters as related to fire response time and fire suppression coefficient. Researches have shown that emergency resource supply scheme of firefighting based upon this paper’s model may effectively improve the utilization efficiency， reduce the time required for fire extinguishing， and reduce property loss and casualties. The scientific reference is provided for analysis upon fire spread mechanisms and emergency resource supply in this study.

Key words: firefighting resource supply, building fire, fire spread mechanisms, fire loss evaluation

中图分类号:

C939

王熹徽, 刘叶, 邵建芳. 基于火灾演化规律的建筑消防应急资源供应决策研究[J]. 中国管理科学, 2024, 32(12): 235-246.

Xihui Wang, Ye Liu, Jianfang Shao. Research on Decision-making of Emergency Resource Supply for Building Firefighting Based on Fire Spread Mechanisms[J]. Chinese Journal of Management Science, 2024, 32(12): 235-246.

图/表 13

表1

模型参数"

类型	符号	含义	类型	符号	含义
参数	$t 0$	消防救援响应时间（秒）	参数	$n g$	每辆灭火战斗车的出枪数量
	$t 1$	控火时间		$n p$	单位水枪所需的消防员数量
	$t 2$	灭火时间		$c 1$	每单位消防车所增加的一次性出动成本
	$q 0$	灭火剂最小供应强度（升/秒）		$c 2$	每单位消防员所增加的装备消耗费用
	$v$	火灾蔓延速度（米/秒）		$c 3$	灭火剂单位成本
	$t i b$	火灾第i次蔓延的房间起火时刻		$T b$	每个房间从起火到发生轰燃所需的时间
	$t i f$	火灾第i次蔓延的房间轰燃时刻		$T f$	从轰燃到蔓延至其他房间的所需时间
	$s$	单个房间面积（平方米）		$p$	建筑内被困人员数量
	$w$	财产密度，单位面积财产价值		$r$	每单位人员伤亡所增加的惩罚值
	$n i$	火势第i次蔓延到的房间数量		$C$	消防运作成本
	$k$	灭火抑制系数		$L$	生命财产损失
	$B$	建筑价值	决策变量	$q$	灭火剂供应强度（升/秒）
	$S$	建筑总面积		$n 1$	需要的消防车数量
	$t m a x$	建筑耐火极限时间		$n 2$	需要的消防员数量
	$q g$	直流水枪或泡沫枪的流量

表1

图1

图2

图3

图4

图5

表2

资源受限情况下的最佳策略"

$q *$ 值	情况一： $G ≥ D (q m a x)$
$q *$ 值	最佳灭火剂供应强度	结果
$q * ∈ (q 0, q s$	$q s$	一次性灭火，火灾损失高于最优解
$q * ∈ (q s, q m a x)$	$q *$	一次性灭火，火灾损失达到最低
$q * ∈ q m a x, ∞)$	$q m a x$	一次性灭火，火灾损失高于最优解
情况二： $G < D (q m a x)$
$q *$ 值	最佳灭火剂供应强度	结果
-	$q m a x$	灭火剂供应中断，需进行资源补给

表2

表3

火灾参数设置"

火灾场景（灭火剂）		民宅（水）	办公楼（水）	家具厂房（水）	家具厂房（泡沫）	纸厂仓库（泡沫）
符号	含义	民宅（水）	办公楼（水）	家具厂房（水）	家具厂房（泡沫）	纸厂仓库（泡沫）
$S$	建筑总面积（平方米）	120	1000	6000	6000	45000
$B$	建筑价值（万元）	100	800	3000	3000	22500
$s$	单个房间(或防火分区)面积（平方米）	100	50	300	300	2250
$p$	建筑内被困人员数量	0	4	7	7	1
$r$	每单位人员伤亡所增加的惩罚值（元）	500000	500000	500000	500000	500000
$w$	财产密度，单位面积内的财产价值（元）	500	500	1000	1000	800
$t m a x$	建筑耐火极限时间(小时)	3	3	3	3	3
$t 0$	消防救援响应时间（秒）	600	900	1200	1200	900
$v$	火灾蔓延速度（米/秒）	0.01	0.01	0.03	0.03	0.05
$n i$	火势第i次蔓延到的房间数量	[11]	[11355]	[12223]	[12223]	[1222355]
$T b$	每个房间从起火到发生轰燃所需的时间	480	270	250	250	420
$T f$	从发生轰燃到蔓延至其他房间所需时间	120	30	30	30	100
$k$	灭火抑制系数	0.001	0.00008	0.000002	0.000005	0.000001
$q 0$	灭火剂最小供应强度（升/秒）	6	15	180	30	600
$q g$	直流水枪或泡沫枪的流量（升/秒）	5	7.5	16	20	20
$n g$	灭火战斗车的出枪数量	2	2	2	2	2
$n p$	单位水枪所需的消防员数量	3	3	3	3	3
$c 1$	每单位消防车增加的一次性出动成本（元）	5000	5000	5000	5000	5000
$c 2$	每单位消防员所增加的装备消耗费用（元）	100	100	100	150	150
$c 3$	灭火剂单位成本（元/升）	1	1	1	10	10

表3

表4

不同场景下的消防应急资源配置方案"

火灾场景	$t 0$ 时刻燃烧面积	最佳供应强度	消防车数量	消防员数量	过火面积
民宅（水）	100	10	1	6	103.47
办公楼（水）	250	105	7	42	255.36
厂房（水）	2154.3	2848	89	534	2456.3
厂房（泡沫）	2154.3	600	15	90	2719.7
纸厂（泡沫）	4518.2	5040	126	756	7356.4

表4

表5

图6

图7

表6

参考文献 44

1	新华社. 习近平：高举中国特色社会主义伟大旗帜为全面建设社会主义现代化国家而团结奋斗——在中国共产党第二十次全国代表大会上的报告［EB/OL］. （2022-10-25）［2023-06-29］. .
	Xinhua News Agency. Xi Jinping： Hold high the great banner of socialism with Chinese characteristics and unite for building a modern socialist country in all aspects：Report at the 20th National Congress of the Communist Party of China （CPC）［EB/OL］. （2022-10-25）［2023-06-29］..
2	应急管理部. 国务院安全生产委员会关于印发《“十四五”国家消防工作规划》的通知［EB/OL］.（2022-04-20）［2023-06-29］. .
	Ministry of Emergency Management. Circular of the Work Safety Committee of the State Council on the issuance of “the National Fire Protection Plan for the Fourteenth Five-Year Plan”［EB/OL］. （2022-04-20）［2023-06-29］. .
3	国家消防救援局. 2023年上半年全国日均火灾超 3000起［EB/OL］.（2023-07-17）.［2024-05-16］ .
	National Fire and Rescue Administration. The average daily number of fires in China surpassed 3，000 in the first half of 2023［EB/OL］.（2023-07-17）.［2024-05-16］ .
4	吴建平，韩志军. 高层建筑突发火灾应急决策研究［J］. 城市建筑， 2020， 17（20）： 195-196.
	Wu J P， Han Z J. Study on emergency decision of high-rise building fire［J］. Urbanism and Architecture， 2020， 17（20）： 195-196.
5	陈勇建. 大型城市商业综合体的火灾扑救特点及难点研究［J］. 消防界（电子版）， 2022， 8（4）： 99-101.
	Chen Y J. Study on the fire fighting characteristics and difficulties of large urban commercial complexes［J］. Fire Fighting World （Electronic Edition）， 2022， 8（4）： 99-101.
6	中国消防. 国家消防救援局政治委员徐平接受人民网专访［EB/OL］.（2023-03-09）［2023-06-29］. .
	National Fire Prevention. National Fire and Rescue Bureau Political Councillor Xu Ping interviewed by People's Daily［EB/OL］.（2023-03-09）［2023-06-29］..
7	广东省消防救援总队. 消防救援队伍应急装备物资保障体系建设纲要［EB/OL］. （2021-10-01）［2023-06-29］. .
	Fire and Rescue Corps of Guangdong Province. Outline for the construction of emergency equipment and material security system for fire and rescue teams［EB/OL］. （2021-10-01）［2023-06-29］. .
8	康洪. 关于跨区域灭火救援资源配置相关问题的探讨［J］. 消防界（电子版）， 2018， 4（14）： 30-31.
	Kang H. Discussion on issues related to cross-regional firefighting and rescue resource allocation［J］. Firefighting World （Electronic Edition）， 2018， 4（14）： 30-31.
9	王旭. 基于Gompertz曲线的石油库罐区火灾灭火剂供应量预测［J］. 中国安全生产科学技术， 2013， 9（5）： 21-24.
	Wang X. Prediction on the supply quantity of fire extinguishing agent for petroleumstorage tank based on the the Gompertz curve ［J］. Journal of Safety Science and Technology， 2013， 9（5）： 21-24.
10	Kuznetsov G V， Zhdanova A O， Volkov R S， et al. Optimizing firefighting agent consumption and fire suppression time in buildings by forming a fire feedback loop［J］. Process Safety and Environmental Protection， 2022， 165： 754-775.
11	周扬，夏登友，高平.城市商业综合体建筑火灾事故演变路径分析［J］.中国安全科学学报，2018，28（2）： 170-174.
	Zhou Y， Xia D Y， Gao P. Analysis of evolution path of urban commercial complex fire accident［J］. China Safety Science Journal， 2018， 28（2）： 170-174.
12	Ren N， de Vries J， Zhou X Y， et al. Large-scale fire suppression modeling of corrugated cardboard boxes on wood pallets in rack-storage configurations［J］. Fire Safety Journal， 2017， 91： 695-704.
13	Cheng H， Hadjisophocleous G V. Dynamic modeling of fire spread in building［J］. Fire Safety Journal， 2011， 46（4）： 211-224.
14	Abu-Zidan Y， Rathnayaka S， Mendis P， et al. Effect of wind speed and direction on facade fire spread in an isolated rectangular building［J］. Fire safety journal， 2022， 129： 103570.
15	Shaham Y， Benenson I. Modeling fire spread in cities with non-flammable construction［J］. International Journal of Disaster Risk Reduction， 2018， 31： 1337-1353.
16	Löffel S， Walls R. Development of a full-scale testing methodology for benchmarking fire suppression systems for use in informal settlement dwellings［J］. International Journal of Disaster Risk Reduction， 2020， 45： 101451.
17	Liu H R， Cachinho Cordeiro I M D， Yin Yuen A C， et al. Application of multi-parametric characterization to water-based fire suppression systems in compartment fire scenarios［J］. Numerical Heat Transfer， Part A： Applications， 2023， 83（10）： 1111-1129.
18	Hinnant K M， Giles S L， Ananth R， et al. Enhancing foam fire suppression analysis through CO2 TDLAS quantification［J］. Fire Safety Journal， 2022， 127： 103488.
19	Wang P. Application of green surfactants developing environment friendly foam extinguishing agent［J］. Fire Technol， 2015， 51（3）： 503-511.
20	Koshiba Y， Iida K， Ohtani H. Fire extinguishing properties of novel ferrocene/surfynol 465 dispersions［J］. Fire Safety Journal， 2015， 72： 1-6.
21	罗振敏，孟子骐，王涛，等. 含钾盐添加剂细水雾-惰性气体协同灭火实验研究［J］. 中国安全生产科学技术， 2023， 19（5）： 164-170.
	Luo Z M， Meng Z Q， Wang T， et al. Experimental study on of synergistic fire extinguishing of fine water mist containing potassium salt additive and inert gas［J］. Journal of Safety Science and Technology， 2023， 19（5）： 164-170.
22	李姝，刘连喜，庄爽. 典型灭火器关键参数变化对其实用灭火性能的影响［J］. 消防科学与技术， 2022， 41（9）： 1278-1281.
	Li S， Liu L X， Zhuang S. The influence of the change of key parameters of typical fire extinguisher on actual fire extinguishing performance［J］. Fire Science and Technology， 2022， 41（9）： 1278-1281.
23	Pérez J， Maldonado S， López-Ospina H. A fleet management model for the Santiago Fire Department［J］. Fire Safety Journal， 2016， 82： 1-11.
24	姜学鹏，刘飞扬，王启睿，等. 基于MCLP-BACOP模型的城市消防站选址研究［J］. 火灾科学， 2022， 31（4）： 252-260.
	Jiang X P， Liu F Y， Wang Q R， et al. Study on site selection of urban fire station based on MCLP-BACOP model［J］. Fire Safety Science， 2022， 31（4）： 252-260.
25	郭静文，赵朋朋，倪佳成. 基于遗传算法的消防站选址规划模型［J］. 计算机应用， 2020， 40（S1）： 41-44.
	Guo J W， Zhao P P， Ni J C. Fire station location planning model based on genetic algorithm［J］.Journal of Computer Applications， 2020， 40（S1）： 41-44.
26	杨忠振，郭利泉，董夏丹. 大兴安岭森林火灾应急资源优化调度研究［J］. 大连理工大学学报， 2014， 54（6）： 644-650.
	Yang Z Z， Guo L Q， Dong X D. Research on optimal allocation of rescue resources for forest fire in Daxing anling［J］. Journal of Dalian University of Technology， 2014， 54（6）： 644-650.
27	王路兵，吴鹏，胡鹏，等. 资源受限下森林火灾应急救援多目标调度优化［J］. 运筹与管理， 2023， 32（1）： 60-66.
	Wang L B， Wu P， Hu P， et al. Multi-objective optimization for forest fires emergency rescue scheduling with resource constraints［J］. Operations Research and Management Science， 2023， 32（1）： 60-66.
28	吴鹏，王路兵，储诚斌. 资源受限下考虑救援优先级的森林火灾应急资源调度［J］. 系统科学与数学， 2021， 41（12）： 3461-3477.
	Wu P， Wang L B， Chu C B. Forest fires emergency resource scheduling considering rescue priority under resource constraints［J］. Journal of Systems Science and Mathematical Sciences， 2021， 41（12）： 3461-3477.
29	王宁，许益，张磊，等. 考虑消防联动与效益的消防站多目标选址方法［J］. 系统工程理论与实践， 2020， 40（3）： 664-678.
	Wang N， Xu Y， Zhang L， et al. Multi-target location method for fire stations considering fire-fighting collaboration and efficiency［J］. Systems Engineering - Theory & Practice， 2020， 40（3）： 664-678.
30	纪杰，万华仙，丁龙，等. 高层建筑火灾动力学［M］. 北京：科学出版社， 2020.
	Ji J， Wan H X， Ding L， et al. Fire dynamics of high-rise buildings ［M］. Beijing： Science Press， 2020.
31	范维澄，孙金华，陆守香. 火灾风险评估方法学［M］. 北京：科学出版社， 2004.
	Fan W C， Sun J H， Lu S X. Fire risk assessment methodology［M］. Beijing： Science Press， 2004.
32	田玉敏. 建筑火灾财产损失评估模型的研究［J］. 消防科学与技术， 2015， 34（1）： 123-126.
	Tian Y M. Study on property loss assessment models inbuilding fires based on underwriting［J］. Fire Science and Technology， 2015， 34（1）： 123-126.
33	岳玖祥. 灭火救援供水［M］. 西安：西北大学出版社， 2015.
	Yue J X. Water supply for fire fighting and rescue［M］. Xi’an： Northwestern University Press， 2015.
34	公安部消防局. 消防灭火救援［M］. 北京：中国人民公安大学出版社， 2002.
	Ministry of Public Security Fire Bureau. Fire fighting and rescue［M］. Beijing： People's Public Security University of China Press， 2002.
35	颜龙，徐志胜. 灭火技术方法及装备［M］. 北京：机械工业出版社， 2020.
	Yan L， Xu Z S. Fire extinguishing technology methods and equipment［M］.Beijing： Machinery Industry Press， 2020.
36	和丽秋. 消防燃烧学［M］. 北京：机械工业出版社， 2018.
	He L Q. Fire combustion science［M］.Beijing： Mechanical Industry Press， 2018.
37	新民晚报. 杨高南路一小区出租屋发生火灾［EB/OL］.（2019-06-25）［2023-07-15］..
	Xinmin Evening News. Fire breaks out in a rented house in a neighborhood on South Yanggao Road［EB/OL］.（2019-06-25）［2023-07-15］..
38	海淀公安. 又一起出租房火灾事故，现场浓烟滚滚火光冲天！［EB/OL］.（2019-07-11）［2023-07-15］. .
	Haidian Public Security. Another fire accident in a rented room， the scene of smoke rolling fire！［EB/OL］.（2019-07-11）［2023-07-15］. .
39	昆明信息港. 安宁一办公楼起火一人跳楼双腿骨折三人被困不幸遇难［EB/OL］.（2015-03-25）［2023-07-15］..
	Kunming Information Port. Anning， an office building fire， a person jumped off the building with a broken leg， three people were trapped and died ［EB/OL］. （2015-03-25）［2023-07-15］. .
40	宿迁市应急管理局. 宿迁艾森家居股份有限公司“4•2”较大火灾事故调查报告［EB/OL］.（2021-02-07）［2023-07-15］..
	Suqian City Emergency Management Bureau. Suqian Aisen home furnishing Co.， Ltd. “4-2” large fire accident investigation report ［EB/OL］.（2021-02-07）［2023-07-15］. .
41	新华网. 东莞纸厂特大火灾仍未扑灭但火势已获控制［EB/OL］.（2012-04-11）［2023-07-15］..
	Xinhua. A huge fire at a paper mill in Dongguan has not yet been extinguished， but it is under control.［EB/OL］.（2012-04-11）［2023-07-15］..
42	百度百科. 4·9 广东东莞纸厂火灾［EB/OL］. （2023-05-11）［2023-07-15］. .
	Encyclopedia Baidu. April 9 fire at paper mill in Dongguan， Guangdong Province［EB/OL］.（2023-05-11）［2023-07-15］..
43	建标152-2017. 城市消防站建设标准［S］. 北京：中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家发展和改革委员会，2017.
	Jianbiao 152-2017. urban fire station construction standards ［S］. Beijing： Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China， National Development and Reform Commission of the People's Republic of China， 2017.
44	羊城晚报. 东莞纸厂大火狂烧一整天过火面积达4.5万m² ［EB/OL］.（2012-04-10）［2023-07-15］. .
	Yangcheng Evening News. Dongguan paper mill fire burned furiously all day， over the fire area of 45，000 m2 ［EB/OL］.（2012-04-10）［2023-07-15］. .

火灾场景	灭火时间(秒)	生命财产损失（万元）	消防运作成本（万元）	火灾总损失（万元）	抢救生命财产价值（万元）
民宅（水）	269.1224	13.7061	0.82912	14.53522	91.46
办公楼（水）	304.9	72.58	7.12	79.7	970.3
厂房（水）	1295.9	548.88	418.92	967.8	2982.2
厂房（泡沫）	2011	670.94	1215.7	1886.64	2063.36
纸厂（泡沫）	2951	1417.84	14948	16365.84	9784.16

变化率	-60%	-40%	-20%	0.00	20%	40%	60%
k	0.000032	0.000048	0.000064	0.00008	0.000096	0.000112	0.000128
过火面积	258.93	257.65	255.74	255.36	254.47	254.59	254.02
灭火时间	410.53	374.87	317.22	304.9	274.85	279.27	258.98
生命财产损失	75.03	74.17	72.85	72.58	71.90	72.07	71.59
消防运作成本	11.76	8.98	8.29	7.12	6.81	5.87	5.69
火灾总损失	86.79	83.15	81.14	79.70	78.71	77.94	77.28
最佳供应强度	150	120	120	105	105	90	90
消防车数量	10	8	8	7	7	6	6
消防员数量	60	48	48	42	42	36	36

[1]	亓文辉, 祁明亮. 核应急撤离情境下居民配合意愿影响机制研究[J]. 中国管理科学, 2024, 32(12): 225-234.
[2]	宋华,杨晓叶,罗剑玉. 基于数字化平台预约需求系统的供应链解耦点最优决策研究[J]. 中国管理科学, 2024, 32(5): 286-296.
[3]	蒋丹,张广玲. 升序还是降序？商品排序对在线购物车废弃行为的影响研究[J]. 中国管理科学, 2024, 32(3): 178-187.
[4]	李博, 秦勇, 徐泽水. 管理科学领域研究现状与热点前沿的动态追踪[J]. 中国管理科学, 2023, 31(7): 276-286.
[5]	吉清凯, 张凤麟, 方刚, 胡祥培. 零售供应链中的区块链参与决策与产品定价博弈模型[J]. 中国管理科学, 2023, 31(3): 102-112.
[6]	刘昕睿, 雒兴刚, 姬朋立, 张忠良. 基于实时信息的游客行程动态规划研究[J]. 中国管理科学, 2023, 31(3): 124-132.
[7]	宋金波, 周禹杉, 何秋映. 情绪负荷对网络问政平台运作服务质量和效率的影响—来自文本数据的证据[J]. 中国管理科学, 2023, 31(3): 133-142.
[8]	张子健, 刘文静. 线上平台产品竞争的渠道模式选择研究[J]. 中国管理科学, 2023, 31(2): 245-254.
[9]	胡东滨, 黄森龙. 考虑信息平台优化的医疗服务系统决策研究[J]. 中国管理科学, 2022, 30(11): 352-360.
[10]	牛攀峰，侯文华. 考虑供应商产品交付水平的供应链融资策略研究[J]. 中国管理科学, 2021, 29(10): 70-83.
[11]	郭鑫鑫, 王海燕, 许蒙蒙. 医疗信息共享对患者转移数量和服务质量水平影响研究[J]. 中国管理科学, 2021, 29(1): 226-236.
[12]	鲁芳, 吴健, 罗定提. 考虑产品体验性和营销努力的分销渠道合作策略研究[J]. 中国管理科学, 2020, 28(10): 144-155.
[13]	刘琳, 杨文茵, 黄琳华. 新能源风电技术人才成长最优路径研究[J]. 中国管理科学, 2020, 28(8): 221-230.
[14]	徐晓亮, 许学芬. 能源补贴改革对资源效率和环境污染治理影响研究——基于动态CGE模型的分析[J]. 中国管理科学, 2020, 28(5): 221-230.
[15]	杨华磊, 吴远洋, 蔺雪钰. 新冠状病毒肺炎、人口迁移与疫情扩散防控[J]. 中国管理科学, 2020, 28(3): 1-10.