張光俊高級工程師

(沙坪壩區(qū)消防救援支隊，重慶 400000)

0 引言

建筑火災(zāi)一旦發(fā)生，消防救援隊伍要迅速組織精干搜救力量，在有效的作戰(zhàn)安全防護下，深入建筑物內(nèi)部偵察遇險人員受火勢威脅的情況、被困人員數(shù)量和具體位置、搜救和疏散被困人員的途徑，及時有效地搜尋和營救被困人員，實現(xiàn)第一時間救人和減少人員傷亡的作戰(zhàn)目標。由于建筑火災(zāi)現(xiàn)場情況瞬息萬變，內(nèi)攻搜救的時機很難把握，需要構(gòu)建科學(xué)合理的內(nèi)攻搜救模型，以期在最短時間內(nèi)搜救出更多被困人員。如2020年1月1日重慶渝北加州花園高層住宅火災(zāi)，現(xiàn)場指揮部同時組織17個作戰(zhàn)小組深入建筑內(nèi)部，同步開展內(nèi)攻搜救被困人員、內(nèi)攻滅火等行動，迅速有效地控制和消滅火災(zāi)，避免建筑物內(nèi)人員傷亡。

國內(nèi)外對建筑火災(zāi)內(nèi)攻搜救研究主要側(cè)重于內(nèi)攻搜救方法、內(nèi)攻搜救的技戰(zhàn)術(shù)研究等方面，如在高層建筑、居民建筑、人員密集場所火災(zāi)撲救內(nèi)攻搜救技戰(zhàn)術(shù)研究。近年來也有很多專家學(xué)者進行內(nèi)攻搜救模型研究，如李海等[1-2]對高層建筑火災(zāi)撲救和內(nèi)攻疏散救人方法以及地下建筑火災(zāi)撲救程序等進行系統(tǒng)論述；韓玉祥等[3-5]對建筑火災(zāi)內(nèi)攻危險性和人員搜救進行研究；Anthony Avillo等[6-7]對建筑火災(zāi)初期被困人員搜尋和救援程序與方法進行研究。上述研究主要集中在內(nèi)攻搜救理論和實踐，專門針對如何構(gòu)建內(nèi)攻搜救模型、確定合理人員編制、實現(xiàn)最佳搜救效率的研究很少。因此，本文將綜合考慮內(nèi)攻搜救模型影響因素，深入多地收集消防救援隊伍當前搜救編組情況，構(gòu)建基于多目標規(guī)劃的內(nèi)攻搜救模型，通過定性分析方法對典型案例內(nèi)攻搜救情況進行分析，為消防救援隊伍在建筑火災(zāi)實際滅火救援中開展內(nèi)攻搜救工作提供參考。

1 消防救援隊伍內(nèi)攻搜救情況調(diào)查分析

1.1 基本情況

本文對重慶、北京、四川、江蘇、山東等6省市20余個消防救援站實地調(diào)研，并對近年來建筑火災(zāi)案例進行分析，得出目前各地消防救援隊伍內(nèi)攻搜救基本情況，見表1。

表1 消防救援隊伍內(nèi)攻搜救調(diào)查情況總結(jié)表Tab.1 The summary form of firefighting inner rescue investigation of the fire protection and rescue team

1.2 主要問題

(1)組合模式簡單，人裝組合有限。編組一般采用班長充當搜救指揮員，即1名班長帶2名搜救隊員。這種搜救組合模式組成簡單，人員和裝備器材組合有限，難以深入火場核心位置、及時發(fā)現(xiàn)隱藏較深的遇險者，這種模式缺乏準確性和科學(xué)性。

(2)搜尋和救助手段單一，編組方法簡單。當前消防救援隊伍普遍采用的搜救方法仍以偵察搜尋和呼叫查看為主，搜救儀器應(yīng)用非常有限，熱成像儀等現(xiàn)代搜尋工具尚未普及，主要還是消防梯和繩索救助為主，舉高消防車等配備較少，許多消防救援人員仍依賴經(jīng)驗救人。

(3)搜救器材配備標準不統(tǒng)一，地區(qū)差異較大。由于購買消防器材裝備的經(jīng)費源于地方財政，因此消防器材配備存在地域差異、分配不均等問題。先進的搜尋和救助裝備價格昂貴，經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)達不到配備標準要求。

2 基于時間效率的消防搜救行動要素分析

2.1 影響消防搜救行動要素指標

搜救力是指搜救所投入的人員和裝備。主要由2方面構(gòu)成：一是參與搜救行動的人員數(shù)量和素質(zhì)；二是配備搜救所需儀器設(shè)備、裝備的數(shù)量和質(zhì)量。

決定搜救力FS-R的有行進力FW、破拆力Fb、搜尋力FS、救助力FR4個要素指標。行進力指在標準時間(搜救時限)內(nèi)搜救(搜尋和救助)隊員在水槍掩護下行至搜救區(qū)域的平均行動速度，可以認為在不同溫度和煙霧濃度的環(huán)境下，搜救隊員采用不同保護措施(排煙行動等)的行進速度不同；破拆力指在標準時間內(nèi)消防員破拆常見障礙物或排煙，進入搜救區(qū)域內(nèi)部的能力；搜尋力指在標準時間內(nèi)搜尋到的遇險者人員數(shù)量和所需時間，可以認為各類建筑火災(zāi)都需要深入建筑內(nèi)部進行搜尋人員，搜尋力則是衡量消防搜救隊伍搜尋的能力；救助力指在標準時間內(nèi)營救的人員數(shù)量和所需時間，可以認為在撲救各類建筑火災(zāi)時都有需要營救的人員，救助力則是衡量消防搜救隊伍科學(xué)施救的能力。搜救力FS-R的計算公式如下：

FS-R=FW+Fb+FS+FR

(1)

2.2 要素指標量綱轉(zhuǎn)化換算

由于搜救組合各指標的量綱不同，為便于計算，有必要對量綱進行統(tǒng)一。經(jīng)過綜合考慮之后，本文引入標準模型的方法，將各指標統(tǒng)一到時間量綱上。

(1)搜救力轉(zhuǎn)化為搜救時間，指在標準模型內(nèi)，搜救隊員通過標準障礙物，搜尋和救助遇險者，發(fā)現(xiàn)、識別標準目標和危險源所需要的時間。

(2)行進力轉(zhuǎn)化為行進時間，指在標準模型內(nèi)，搜救隊員在水平或垂直路途中行進所需要的時間。行進時間特指無需停留的行進時間。

(3)破拆力轉(zhuǎn)化為破拆時間，指在標準模型內(nèi)破拆人員破拆標準障礙物所需的時間。

(4)搜尋力轉(zhuǎn)化為搜尋時間，指在標準模型內(nèi)搜救隊員進入標準作業(yè)區(qū)搜尋1名被困人員所需的時間。

(5)救助力轉(zhuǎn)化為救助時間，指在標準模型內(nèi)搜救人員進入標準作業(yè)區(qū)將1名遇險者搜尋并救出所需的時間。

2.3 搜救時間

搜救時間是指消防搜救隊伍進行一次搜尋和救助行動所需的時間，在標準模型內(nèi)搜救時間是經(jīng)過規(guī)定路線行進時間、破拆規(guī)定障礙時間、必要排煙所需時間、搜尋和救出規(guī)定目標所需要時間的總和。

(1)行進時間。當搜救行進路線既定時，行進時間主要取決于搜救路線長度和搜救隊員標準行進速度，同時受到火場內(nèi)部環(huán)境影響，需考慮一個標準行進速度的修正系數(shù)。因此，搜救(有效)行進所需時間為：

(2)

式中：

TW—搜救行進有效時間，s；

L—搜救所經(jīng)的水平路線長度，m

H—搜救所經(jīng)的垂直路線長度，m；

V1—搜救隊員水平行進速度，消防搜救隊伍編組行進，取最慢速度，m/s；

V2—搜救隊員垂直行進速度，消防搜救隊伍編組行進，取最慢速度，m/s；

α—搜救速度修正系數(shù)。

按照消防救援攻堅組人員體能訓(xùn)練標準，查閱消防救援隊伍業(yè)務(wù)大比武的考核成績和國外數(shù)據(jù)[8]，消防員火場環(huán)境下模擬行進速度，見表2。

表2 消防員火場環(huán)境下模擬行進速度Tab.2 The simulated firefighter speed under the fire circumstances

根據(jù)保守原則，V取最小值(30～34歲救援站指揮員3 000 m長跑的速度)，并考慮到火災(zāi)現(xiàn)場非平坦地勢可能對速度產(chǎn)生影響，取3m/s。根據(jù)經(jīng)驗，濃煙充滿房間情況下，2支水槍掩護時α取1；1支水槍掩護時α取0.7；無水槍掩護時α取0.3，即(m1+1)/3。公式可簡化為：

(3)

式中：

m1—專職掩護水槍手數(shù)量；

p1—兼職掩護水槍手數(shù)量；

γ—兼職系數(shù)，當消防隊員身兼水槍、破拆、搜尋與救助或辨識職責時，其工作效率下降，下降程度即為兼職系數(shù)，γ取值范圍是0～1。

(2)破拆時間。破拆時間主要取決于破拆目標數(shù)量和類型以及使用的破拆工具，其計算為：

“三新”企業(yè)具有典型的高科技、信息化特征，用工人數(shù)較少，發(fā)展規(guī)模相對較小，且大多數(shù)處于起步狀態(tài)，受到行業(yè)變化、政策和競爭等影響，行業(yè)變化速度也非?？?，傳統(tǒng)的統(tǒng)計報表和統(tǒng)計方法已經(jīng)不能適用于“三新”企業(yè)統(tǒng)計日常管理工作。

(4)

式中：

Tb—破拆時間，s；

n—破拆目標數(shù)；

T0—標準破拆時間，s；

Bi—破拆時間修正系數(shù)，根據(jù)破拆工具與目標類型進行修正，有i個破拆目標。

根據(jù)消防救援隊伍技能訓(xùn)練科目中關(guān)于消防破拆項目的規(guī)定、大空間大跨度建筑破拆測試數(shù)據(jù)及消防救援隊伍平時訓(xùn)練成績，可以估算出消防員開展具體破拆項目的標準破拆時間，見表3。

表3 破拆時間表Tab.3 Forcible entry schedule

由于使用不同工具破拆不同障礙項目的標準時間大致相同，為簡化計算可以規(guī)定除墻外所有破拆項目的標準時間取0.5min，破拆墻的時間取3min。由于破拆人員不能同時攜帶多種破拆工具，可以認為多名破拆手協(xié)作時效率可以成倍增加，公式可簡化為：

(5)

式中：

N1—破拆非墻類目標數(shù)量，個；

N2—破拆墻類目標數(shù)量，個；

B1—破拆非墻類目標的破拆時間修正系數(shù)(取值范圍均為0～1)；

B2—墻類目標的破拆時間修正系數(shù)(取值范圍均為0～1)；

m2—專職破拆手數(shù)量；

P2—兼職破拆手數(shù)量。

(3)搜尋時間。搜尋時間取決于搜尋標準目標的個數(shù)、時間，計算公式為：

(6)

式中：

TS—搜尋時間，s；

S—搜尋面積，m2；

V3—搜尋速度，m2/s；

β—搜尋速度修正系數(shù)；

m3—搜尋人員數(shù)量。

根據(jù)專家咨詢結(jié)果和消防救援隊伍實際訓(xùn)練成績(不同的搜救裝備其搜尋速度是不一樣的)，可以估算出消防員搜尋項目的標準時間，見表4。

表4 搜尋速度表Tab.4 Search speed

根據(jù)經(jīng)驗，搜尋快慢與搜尋方式有關(guān)，在充滿濃煙的房間，人工搜尋為1m2/s，紅外、熱成像儀搜尋為2m2/s，光學(xué)設(shè)備搜尋為4m2/s，β取值為0、1、2，公式可以簡化為：

(7)

(4)救出時間。救出時間取決于救援目標數(shù)量、所處位置、搜救途徑(需要多遠的線路長度)、搜救人員的素質(zhì)、搜救器材和搜救目標行動能力?？梢越⒁粋€標準的目標救助時間，即在特定位置、特定搜救路線前提下，搜救一個救援目標所需要的時間。計算公式為：

(8)

式中：

TR—救出時間，s；

T0—標準的目標救出時間，s；

z—救援標準目標的個數(shù)；

Kz—救援時間修正系數(shù)，有z個救援目標。

搜救遇險者通常非常危險，尤其不能自主行走的被困人員。根據(jù)消防救援站訓(xùn)練項目中救生項目的規(guī)定(拉梯水平救助操：6m拉梯一架、繩索、擔架、假人)，及消防救援隊伍訓(xùn)練成績(2min)，可以估算出消防員救助項目的救助標準時間，見表5。

表5 救出時間表Tab.5 Rescue schedule

可以認為在訓(xùn)練環(huán)境下營救到被困人員后，將影響到行進的速度，營救人員額外多出的時間就是救出時間，其標準時間為救援返回的路線長度除以行進速度減救援速度。一般1個被困人員需要2名隊員才能救出，因此，計算公式可具體為：

(9)

式中：

Ll—救助人員返回時需要行進的水平路線長度，m；

Hh—救助人員返回時需要行進的垂直路線長度，m；

Vl—救助人員返回時行進的水平速度(受影響后的行進速度)，m/s；

Vh—救助人員返回時行進的垂直速度(受影響后的行進速度)，m/s；

N——遇險人員數(shù)量；

m4——救出隊員數(shù)量。

當1人被困時，需要2名搜救隊員，2人被困時需要4名搜救隊員，因此，在搜救隊員人數(shù)滿足救出被困人員需要時，其行進速度是不變的，故式(9)可以簡化為：

(10)

3 基于多目標優(yōu)化的消防搜救組合模型構(gòu)建

3.1 理論基礎(chǔ)

多目標規(guī)劃[9]是運籌學(xué)的一個分支，解決在一定約束條件下多個目標函數(shù)的極值問題。將多目標規(guī)劃方法引入搜救組合力量的優(yōu)化，可以有效解決搜救組合中搜尋、破拆、排煙、救助和滅火等多個目標最優(yōu)組合問題。

3.2 模型建立

為便于分析和對比搜救力量組合效能，在系統(tǒng)分析火災(zāi)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)搜救的主要環(huán)節(jié)及內(nèi)容，建立一個標準模型進行搜救組合力量計算。本模型的主要內(nèi)容和假設(shè)條件如下：

(1)模型類型。模型假定為多層居民建筑火災(zāi)。

(2)模型內(nèi)容。假設(shè)模型有一處或多處火源、危險源，內(nèi)部1人或多人被困，現(xiàn)場環(huán)境有一定濃煙，在行進途中有1處或多處障礙物。

(3)搜救目標。由于火災(zāi)現(xiàn)場比較復(fù)雜，在搜救行動過程中需要考慮輔助搜救的行動措施。這些輔助行動主要包括破拆障礙、搜救排煙和搜救與救助遇險者等；為方便比較不同職能分工的效率，假設(shè)在相同時段內(nèi)，同一個搜救隊員開展2個以上的作業(yè)時工作效率下降，下降的程度以γ進行修正。

(4)搜救組合過程。模型中搜救包括行進、破拆、搜尋和救出4個主要階段，每個階段需采用日常訓(xùn)練成績并轉(zhuǎn)換成標準時間進行統(tǒng)一量綱計算。

(5)搜救力量?？紤]到模型主要包括4個因素，開展一次搜救行動時，人員4人以上(水槍掩護1人、破拆排煙至少1人、辨識至少1人、搜尋與救助2人)。按照當前消防救援站調(diào)派程序，第一出動基本作戰(zhàn)單元為3部車20人，其中可參與搜救人員為4-12人。

(6)修正系數(shù)。由于各系數(shù)的獲取影響因素較多，為便于計算，假定標準模型破拆系數(shù)均取1。

最短搜救組合總體時間TS-R，即

TS-R=TW+Tb+TS+TR

(11)

為簡化計算，采用其簡化公式，即

(12)

由于標準模型中假定破拆系數(shù)為1，故公式可簡化如下：

(13)

優(yōu)化計算就是求優(yōu)化組合情況下最小的搜救時間mintS-R。由于在搜救過程中的輔助搜救行動，人員必須采用兼職模式才能完成規(guī)定的搜救任務(wù)。由于人員兼職系數(shù)尚難量化，為評估各分工之間的關(guān)系，故暫不考慮兼職情況，公式可簡化如下：

(14)

以標準消防站為例，通常第一時間出動3部車20人，其中駕駛員3人，滅火小組人員4-8人，火情偵察人員1-2人，可用于內(nèi)攻搜救的人數(shù)應(yīng)在7-8人，即2個攻堅組人數(shù)，調(diào)查與統(tǒng)計表明這也比較符合各地的實際情況。

當標準模型給定L、H、N1、N2、Ll、Hh值后，可以列出下列公式

(15)

m=m1+m2+m3+m4≤8

m1≤2，m3≥2，m4≥2

通過上述計算可知，當火場搜救環(huán)境復(fù)雜、遇險者情況危急、破拆和排煙等目標較多時，適當增多水槍、破拆和排煙的人員可以確保搜救行動任務(wù)的迅速完成，而且合理的分工可以較大地提高搜救組合的效率。

4 建筑火災(zāi)撲救內(nèi)攻搜救組合效果分析

4.1 建筑火災(zāi)內(nèi)攻搜救組合案例

某民營沙發(fā)生產(chǎn)作坊坐東朝西，磚混結(jié)構(gòu)，地上三層半，總建筑面積620m2，建筑主體一層西面違章加建90m2彩鋼板棚，聯(lián)合大廳作為生產(chǎn)場地，并設(shè)有夾層；東面加建110m2彩鋼板棚作為成品沙發(fā)和原材料倉庫；南面加建40m2的彩鋼板棚用于飼養(yǎng)家禽和存放飼料。二層為生活用房，內(nèi)設(shè)5個房間、2個衛(wèi)生間和1個客廳。三層為生活用房，內(nèi)設(shè)3個房間、2個衛(wèi)生間、1個客廳和1個露臺曬衣場(加蓋彩鋼板棚)。建筑內(nèi)部設(shè)有一部室內(nèi)樓梯。

2022年1月31日23時58分民營沙發(fā)生產(chǎn)作坊(多合一場所)發(fā)生火災(zāi)，河池市消防支隊指揮中心接到火災(zāi)報警后，先后調(diào)集大化縣電都站等4個消防救援站12輛消防車、72名消防救援人員趕赴現(xiàn)場撲救，支隊全勤指揮部遂警出動。全體消防救援人員在火場指揮部的統(tǒng)一指揮下，快速出擊、快速救人、快速滅火，經(jīng)過2個多小時的奮勇?lián)渚龋晒錅绱蠡?。從著火區(qū)域內(nèi)成功搶救出被困人員2人，疏散5人，具體搜救技戰(zhàn)術(shù)措施，見表6。

表6 民營沙發(fā)廠火災(zāi)內(nèi)攻搜救技戰(zhàn)術(shù)措施Tab.6 The technical and tactical measures for the firefighting inner rescue in a private sofa factory

4.2 實際火災(zāi)案例搜救組合效果定性分析

4.2.1 搜救的技術(shù)方法分析

(1)搜尋的方法分析。從案例提供的資料可以看出，電都站指揮員帶領(lǐng)消防搜救隊伍通過北面民房從東面出入口進入偵察搜救。0時17分，搜救組在建筑東面?zhèn)}庫和廚房先后疏散5名群眾至安全區(qū)域。同時各增援站通過敲門、喊話等方式逐層逐戶進行搜尋。在搜尋過程中借助建筑內(nèi)設(shè)施，轉(zhuǎn)移遇險者，體現(xiàn)搜尋與救助組合的效果。

(2)救助的方法分析。待建筑北面火勢控制后，安陽站消防搜救隊伍利用15m金屬拉梯架設(shè)至建筑樓頂?shù)牟输摪迮?，進入內(nèi)部搜救，將困在樓頂?shù)男『⒑屠先朔謩e救出，充分體現(xiàn)裝備組合搜救的方法。

4.2.2 搜救的戰(zhàn)術(shù)方法分析

在搜救過程中，為更好地掩護搜救隊員和疏散遇險者，消防搜救隊采取搜救與控火同時進行的戰(zhàn)術(shù)措施，比如電都站滅火組從東面入口進入到建筑樓梯入口處，1支水槍掩護本站3人，內(nèi)攻搜救組沿樓梯向上搜救被困人員，排煙組使用正壓式機動排煙機實施排煙，改善現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境。

4.2.3 搜救組合情況分析

從這個戰(zhàn)例中可以看出：面對建筑、火場環(huán)境復(fù)雜和被困人員多等情況，火場指揮部根據(jù)起火建筑內(nèi)部及周邊環(huán)境、救生裝備的具體情況，采取內(nèi)部搜尋和內(nèi)外救助相結(jié)合搜救技戰(zhàn)術(shù)組合方法，采用偵察搜救、搜救裝備配合和利用建筑物的環(huán)境等組合方法。通過電話確定被困人員位置，利用15m拉梯登高救人等多種裝備組合方法，深入建筑物內(nèi)部，成功救出被大火圍困在房間內(nèi)的7人，通過建筑的火場環(huán)境搜救組合方法，最大程度減少人員傷亡。

4.3 實際火災(zāi)案例搜救效果定量分析

從火災(zāi)現(xiàn)場到搜救區(qū)域的行進長度為100m，路途中需要破拆的障礙3處，其中墻體1處，對二層(高3m)房間采用熱成像儀進行搜尋，搜尋面積約200m2，遇到二層(高3m)急需救援的2個被困人員后，救助按原路返回。實際參與搜救人員為8名消防指戰(zhàn)員，即L=100m，H=6m，N1=2，N2=1，S=200m2，Ll=50m，Hh=3m。

根據(jù)公式(15)，8人搜救最優(yōu)組合為：1名水槍掩護；2名破拆手；2名搜尋人員；3名救助人員；最小搜救時間為263.3s。

實際案例中第一出動力量為5車22人，出動1個水槍陣地控制火勢，掩護內(nèi)攻搜救行動，2名消防員負責破拆北面彩鋼板棚，開辟內(nèi)攻搜救通道，3名消防員實施內(nèi)攻偵察搜救，2名消防員通過熱成像儀等實施搜尋。對比搜救模型定量分析，計算結(jié)果和實際作戰(zhàn)案例基本吻合。

5 結(jié)論

(1)本文立足于建筑火災(zāi)內(nèi)攻搜救模型完善與發(fā)展，經(jīng)過深入調(diào)查、分析和研究，利用多目標規(guī)劃方法對內(nèi)攻搜救組合方案中的搜尋、破拆、排煙、救助等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化組合，得出最佳內(nèi)攻搜救模型。

(2)結(jié)合典型滅火救援案例，對搜救組合情況進行定性定量分析評價，最大限度地體現(xiàn)模型的先進性和優(yōu)越性，提高現(xiàn)場搜救效率。

(3)不同的建筑結(jié)構(gòu)和火災(zāi)現(xiàn)場，滅火救援技戰(zhàn)術(shù)措施都不同，消防救援內(nèi)攻搜救組合模型也會隨著現(xiàn)場任務(wù)變化而改變。因此，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況，在現(xiàn)有內(nèi)攻搜救模型基礎(chǔ)上，通過案例復(fù)盤，借鑒國外先進內(nèi)攻搜救理念等方法，不斷豐富內(nèi)攻搜救理論。