基于CMF的火災救援無人機研究

史耀軍　周慧　王新宇

摘要：為提高火災救援無人機的使用效率和使用壽命，發掘無人機在輔助逃生領域的價值與應用，對火災救援無人機進行研究。從火災場景下，以無人機的顏色（C）、材料（M）、表面加工工藝（F）為切入點對火災輔助救援無人機進行分析與研究，總結火災救援無人機設計中CMF的影響因素。結合色彩分析無人機救援過程中的人機交互設計，研究色彩對于逃生的引導作用。分析現有的救援無人機，得出火災救援無人機不同于普通消費級無人機，對CMF的要求更高，整體性設計能更好地保證無人機在使用過程中的安全問題。CMF在救援無人機中的應用能極大提升救援效率和安全性，延長使用壽命，著火環境下無人機色彩的交互功能具有引導性的作用，能夠幫助火災受困者安全逃生。火災救援無人機的設計要結合CMF，重點研發更加耐火輕質的材料。

關鍵詞：無人機 CMF 火災救援 人機交互 輔助逃生

中圖分類號：TB35 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2020）10-0106-03

引言

（一）研究背景：城市生活現代化程度高速發展，市區內高樓林立，隨著建筑工程條件的改善和材料的創新應用，高層建筑物內部環境也愈發復雜，各種不安全因素交織，一旦高層建筑內發生火災，救援工作將變得極為困難。

在高樓火災救援中，因城市道路亂停車輛造成交通擁堵，阻擋消防車通過消防通道，高樓垂直高度大，火災情況下電梯無法正常運用，消防員不能及時攜帶救援設備到達火災現場。一旦救援不及時，高樓內復雜的建筑結構，未知的火災危險使火災救援行動難上加難。而高新材料在建筑中的使用，加劇了火勢的迅速蔓延。火災發生時，樓道環境昏暗，在受困者情緒不穩定的緊急情況下容易造成踩踏事故，各種不確定因素的增加，使受困者逃出火災現場困難重重，如表1所示。

（二）火災救援產品現狀：現有的消防云梯和登高平臺車等救援設備，如圖1所示，在底層火災救援中具有明顯的優勢，但并不能解決高層滅火救援問題。我國消防車云梯高度大部分停留在68米以下，僅相當于高層建筑的18層"，高層建筑的高度限制救援的正常進行，消防員的安全不能得到保證，各類火災事故危險系數較大，消防人員的救援難度以及救援風險也會隨之增大2）;高樓攀爬費事費力，救援物資無法及時趕到現場對火災進行有效控制。一般火災現場會出現秩序混亂、煙霧彌漫、氣氛恐慌等情況3，受困者對外界的情況了解少，加之情緒極度不穩定乃至奔潰，逃生機率大大降低，終將造成不可估量的傷亡。在這種情況下無人機的使用大大提高了救援效率，為高樓火災的救援提供了更加安全可行的方案。

本文提出的CMF主要應用于消防救援無人機，通過對火災救援無人機材質、色彩和表面處理的分析，延長無人機在火災救援中的耐火性和持久性，結合色彩對人機交互進行分析，研究煙霧中無人機燈光的色彩辨識度和引導性。

一、CMF的應用現狀

工業設計中CMF分別表示顏色（Color）材質（Material）和表面加工工藝（Finishing），是產品設計中最不可或缺的一部分，在滿足產品基本需求的情況下，CMF能極大改變產品的調性，賦予產品情感屬性。材料作為載體承載著色彩和表面處理工藝，反過來，色彩和表面處理也會由于材料的不同而產生視覺效果的差異*。設計常常通過材料表現出產品的質感和特點，一些特定顏色和表面處理工藝的使用則能展現其功能特點和用途。

以往CMF主要作為產品最直觀的一面，從色彩和材質上給用戶視覺體驗和觸覺感受，通過表面加工賦予產品更加吸引消費者注意的特點，從情感需求層面吸引消費者的目光。隨著研究的深入和產品的不斷改進，在設計中CMF的研究已經從能展現的效果轉變為能達到的功能，希望通過在設計之初對于CMF的考慮和選擇，使得產品在功能和結構上得以優化和突破。

在無人機設計領域，當前設計的重點在于研究其不同情境下的功能，隨著技術的成熟，功能達到飽和的狀態，在結構和技術相對完善的情況下，開發商和設計師對造型也有了新的要求，無人機的設計要體現美學性和觀賞性。但是對于專門用于消防類產品的CMF涉及很少，本文通過對火災輔助救援無人機的CMF分析研究，增加了消防無人機的設計要素。

二、無人機在火災救援中的應用分析

（一）消防救援行為分析：在高層建筑火災中，一旦上層著火，一是高層建筑垂直高度限制了逃生的路徑，在電梯不能正常使用以及樓道內斷電的情況下，消防員攀爬樓梯費時費力且極度不安全;二是救援物資難以及時送達受困者身邊，高層建筑周邊地理環境不能滿足消防車及時進出要求，受困者逃生安全問題得不到保障;三是建筑物內部環境的復雜性加劇火勢的蔓延;四是被困在火災之中的受困者沒有安全的逃生指向，在恐懼中失去理智，由于求生的本能容易發生踩踏事故。以及火災影響受困者在緊急情況下不能做出及時有效的判斷，容易在對情況不熟悉的條件下跑到火勢嚴重的區域或者闖入下一個爆發著火點，加劇火災事故的危害。

因此在救援中行動中消防無人機的作用在于幫助探測火勢以及搜索救援，首先對火情進行分析，以便于消防員了解火場情況并制訂合理的救援滅火方案，安全進行后續的救援工作。其次是受困者的搜尋定位，找到火災受困人員是滅火救援工作的重中之重。最后是幫助受困中安全逃生，為每一個生命提供生存的可能性。

（二）消防無人機產品分析：傳統的救援需要由救援人員深入受困者被困區域開展偵察檢測后再救援，容易行動不及時或其他未知的不安全因素造成意外二次爆炸，致使更多的人員傷亡。無人機作為工作平臺，為解決人們生產生活的問題提供了更多的可能問。火災救援無人機能以最短的時間進入火災內部環境中，應用生命探測儀、熱成像云臺相機和GPS定位系統，快速精準的確定受困者的具體位置，通過實時圖像傳輸手段來描繪火災現場的情況。有些無人機能夠搭載滅火彈釋放細干粉達到局部滅火的效果，甚至可以搭載一定重量的救援物資，幫助火災受困者獲得逃生的必要工具。具備喊話功能的無人機可以引導受困者以最安全的路徑逃生，還可以起到安撫人心的作用。以下是現有消防無人機的調研分析，如圖2所示。

1.三一啟天無人機，該無人機為六旋翼消防無人機，飛行控制系統專業，旋翼和支架方便拆卸，主要功能是監控火災現場以及發射滅火彈，材料為復合纖維材料，色彩運用為紅色。針對的用戶為消防員和無人機操控者。

2.國飛無人機，是現有消防無人機中功能最全的產品，機翼的雙層式設計增加飛行穩定性和飛行動力，底部配備滅火投彈裝置，機身為鋁合金和碳纖維材料，具有良好的耐火性。機架為紅色和金屬銀設計，沉穩大氣。

3.哈瓦特消防無人機，機壁可以進行折疊，成像技術清晰流暢，主要應用于火場檢測，碳纖維機身具有優良的防火防水性能。主體色彩為紅色搭配次要顏色黑色。

4.黑鳶消防無人機，同時搭載多個相機，能夠全方位的探測火災現場的情況并實時傳輸圖像，方便消防員對整體環境進行分析評估。機身主題顏色為紅色，機翼及部分結構組件為黑色。

對以上四種無人機的調研進行總結，現有無人機在功能上基本實現了著火點的探測和實時圖像傳輸功能，技術應用熱成像技術掃描火勢和受困人員的大概方位，應用GPS定位確定受困者的具體位置。基本配色均為紅色，在材質上主要選擇耐高溫的鋁合金和復合纖維材料，使用用戶群體以消防員和操控人員為主，沒有與受困者的交互行為。

（三）火災救援中用戶分析：消防員在救援活動中的自身安全得不到有效的保障，高樓滅火中還需進行極度考驗體力的負重攀爬活動，所以現在消防無人機的設計中，基本功能是檢測火災搜索受困者，還有局部滅火以及破窗等功能，這些要素為了滿足消防員對救援活動的需求而存在，在用戶定位上以消防員為主。

但是另一個火災救援活動的主要群體一受困人員，在救援活動中缺少與救援無人機的交互行為，如圖3所示。受困人員在逃生過程中很大程度上屬于自救行為，無人機只是確定了他們的位置以及環境信息，沒有對后續的輔助逃生過程進行功能設計，這也導致了受困人群在火災逃生中情緒過度緊張，沒有及時有效的逃生指導。

根據不同的用戶群體對火災救援需求進行用戶調研，如圖4所示。消防員在救援中希望無人機首要功能是受困者救援，其次是著火點探測和環境圖像傳輸，以及局部滅火。受困者首先需要呼吸罩，其他緊急物資輔助逃生，通信設備與消防員取得聯系獲得逃生方式或等待救援。

三、CMF在火災救援無人機中的應用

近年來CMF在各個領域的應用已經相對成熟，在未來產品的開發設計中，材料、色彩以及表面處理的應用在創新設計中占據越來越大的比重。但是在火災救援無人機領域尚未形成具有針對性的無人機CMF系統，首先是消防無人機的發展時間較短，市場上還處在以消費級無人機設計為主導的階段，對于火災救援的研究涉及較淺;其次是消防無人機目前尚處于探索階段，功能性是首要選擇，在材料和色彩上還是循規蹈矩的沿用傳統，關于表面加工的處理更是少之又少;最后是現有的投入使用的無人機多為組裝型無人機，在功能上針對性的增加一些功能性組件，比如承載滅火榴彈，增加緊固裝置用來攜帶救援物資，從而缺乏整體性，因此造型的創新能方便整體結構的合計。

（一）火災救援無人機的色彩影響因素：消防物資總是隨著鮮艷的紅色出現，消防車、滅火器、消防栓等均是紅色的，選擇紅色作為主導色的主要原因是紅色非常顯眼，能夠在較遠的距離被辨認出來，也容易穿過煙霧和灰塵被人們所看見，同時紅色和火焰顏色相近，在消防中能起到警示作用。黃色作為消防的輔助色，因為具有極佳的反光特性，特別是熒光黃，在火災中辨識度高，應用廣泛。

但是對于進入火場內的消防無人機，紅色的警示性和指導性并不強。首先是火災場景中，明亮的火焰色掩飾住消防物品的紅色，降低了紅色的色彩辨識度;其次是當樓道中沒有燈光的時候，無人機機身的紅色會隨著環境的變化顯得暗沉，在引導受困者逃生的時候不具有強烈的引導性。紅色作為標志性警示色在一般情況下，會讓受困者自發產生真實的感受以及情感、功能上的需求”，但是在火災情境下，身處其境的受困者看見與火焰相近的色彩，會產生排斥心理。

（二）火災救援無人機的材料影響：CMF設計中恰當的表面處理工藝可以完美地表達并升華材料的特性圖，作為特殊用途的消防無人機，對材料的要求更為嚴格，合適的材料不但可以增加無人機的耐火性和防水性，還可以延長使用壽命，降低經濟成本。

ABS塑料加工的無人機大多適用于消費級無人機市場，雖然廉價而且加工簡單，但是這樣的無人機一般自身重量大，能夠負載的物品少，續航時間較短、飛行的速度和效果均受自重影響。復合金屬鋁制無人機是另一大主要材料，但是金屬鋁的耐火性較弱，為了保證質輕不得不在復合材料中使用大量的鋁，導致無人機的耐火性差，用于一般的航拍或者電力巡檢中完全可以負擔，但是在火災救援這樣，需要進入建筑物內部高溫環境中作業的特定情況下，特別是當內部環境復雜以及各種突發狀況的頻頻發生，要求救援無人機長時間持續在高溫環境中作業，更有危險物品的突然爆炸會影響無人機的正常飛行，損壞無人機的零部件導致系統誤判造成更加嚴重的后果。因此傳統的材料不能充分滿足救援無人機的性能需求。

火災救援無人機設計中，應用新型復合材料能有效解決上述問題，首先是耐火性優異，能夠長時間在高溫環境下進行持續性作業;其次是用新材料加工的無人機質量輕、硬度強，在救援過程中搭載更多的救援物資。

（三）火災救援無人機的加工工藝影響：現有的救援無人機主要是組裝成品，大多數的組件和連接件暴露在外，容易與火焰或者爆炸物直接接觸，從而發生熔斷或折斷的情況。除去造型不美觀的因素，整體性不強的特點也為消防無人機表面處理工藝增加了難度。

作為特殊用途的無人機，表面處理工藝中最重要的就是鍍覆，優良的鍍覆材料比如纖維阻燃物，遇火后碳化能減少局部燃燒，但缺點是應用在無人機上鍍層過厚，增加無人機的自身負荷。在消防無人機外殼噴涂鋁膜，在一定時間內可以抵抗高溫度的火焰。

四、火災救援無人機設計中CMF研究實踐

（一）用戶定位：主要用戶為消防員，幫助消防員安全執行救援工作。次要用戶為受困人群。幫助受困者在逃生過程中有效避免二次爆炸的危害，為他們在樓道內的逃生過程照亮路途，以及滿足他們在濃煙高溫環境下對救援物資的需求。

（二）功能定位：在功能上要滿足火情探測，實時環境掃描，人物熱成像掃描及定位功能，滿足局部滅火的需求。在輔助受困者逃生工作的功能定位中，要實現安全指導疏散的功能，如指示燈光和道路照射強光的應用，幫助受困者在黑暗的樓道內安全有序逃生，語音提示系統和話筒功能幫助消防員疏導受困者的情緒。攜帶必要的救援物資如牽引繩和呼吸罩等。

（三）CMF定位：通過研究發現火災場景下CMF的應用，為火災救援無人機的設計，提出以下三個建議：

1.根據色彩對比實驗發現，黃色和藍色的光在火焰中具有明顯的顯色性和透光性，如圖4所示。相對來講，黃色更適應在火災情境下的救援逃生工作，因此消防無人機的設計中黃色可以作為無人機機身的主色調。

救援無人機在輔助受困者逃生的過程中，需要燈光照亮暗黑的樓道，所以在燈光設計中，用藍色光代替白色光，穿透火焰以及煙霧的效果比在普通環境下有更加顯著的效果。在機身前方和底部探照位置設計藍色燈光帶，受困者能夠在火災情況下清晰辨別方向。藍色同時具有寧靜的情感特性，會使人聯想到平靜的大海和藍天，在潛意識里達到心理暗示的效果，安撫受困者的情緒，幫助他們有條不紊的及時逃生。

2.無人機整體外觀采用碳纖維復合材料，保證在火場環境中的耐高溫性和韌性。碳纖維憑借著優異的性能在設計材料中迅速崛起，相較于塑料，碳纖維復合材料質量更輕、強度更高，并且具有耐腐蝕、耐高溫等優點。在火災救援無人機中使用碳纖維作為機身和機架的主要材料，可以在減輕自身重量的情況下，保證無人機在高溫工作環境中的正常使用。

3.機身和螺旋槳通過納米鍍覆的方式得到納米涂層，納米涂層具有優良的韌性、耐火性和耐磨性，能夠有效延長無人機的使用壽命，保護無人機各個部件不在高溫下發生熔斷現象。經過多重工藝處理后的納米涂層在可見光范圍內出現熒光色，加強救援信號的指示效果。

機身后側可以設計燈光帶作為裝飾，受困者追隨在其后向安全區域轉移，在引導逃生的過程中更加具有指向性。在火情嚴重的區域，光線不一定能穿過高濃度的煙霧，此時聲音更加具有引導性，救援無人機中搭載的控制系統根據對環境的監測，發出持續不尖銳的警報聲，并根據火情的大小調整音量和頻率，在引導逃生的過程中讓受困者及時了解周圍環境的變化，以此做出及時有效的判斷。

（四）基于CMF的消防無人機設計實踐：根據對消防無人機的用戶、功能和CMF定位，對消防輔助救援無人機進行設計實踐。

1.功能設計：救援無人機的主要功能是幫助受困者逃生，所以在機架和機身上均設置燈光指示系統用以引導逃生，四個機架底部配備投彈盒，能夠在著火點處進行小范圍滅火，幫助受困者迅速闖過火點。機架上部設計可拆卸手腕感應盒，無人機靠近受困者，受困者取下感應盒戴在手腕上，實時監控心率脈搏，對某些心跳過快的受困者，消防員接收回饋信號并對其進行專門的指導，根據特殊需要進行緊急救援，如圖5所示。

2.色彩設計：為了能夠在昏暗的濃煙環境中清無人機，機身選擇穿透性最強的黃色作為主體色彩，方便受困者觀察無人機并做出反饋動作。頂部的燈光帶一般情況下主色調為藍色光，與環境中紅色的火焰形成巨大的反差效果，藍色能夠安撫人的情緒，在心理暗示的作用下幫助受困者平靜心情，在緊急情況下為紅色光，提示受困者危險信號。四個機架末端有白色燈光系統，為逃生過程提供充足的光源，如圖6所示。

3.材料及表面工藝設計：考慮到無人機的使用火場環境，無人機采用著火點在1000C左右的復合碳纖維材料進行整體性加工，能夠有效保護沒有展露在外面的零部件，有效延長無人機使用壽命。頂部的交互燈光和攝像系統外殼選用質地堅硬的有機玻璃，如圖7所示，在保護設備的前提下達到最佳的透明度。整體進行納米鍍覆處理，提高無人機的耐火性。

結語

本文通過對消防無人機CMF的研究，從CMF的角度提出火災救援無人機設計中，進入火場內部的無人機色彩選擇黃色和藍色比紅色更具有辨識度，機身整體性的設計能有效延長消防無人機使用壽命，提高經濟價值。總結出CMF在火災救援無人機設計發展的方向，設計在火災情境下輔助逃生的消防無人機，為消防救援工作提供更多的選擇和安全保障，在保護消防員和受困人群的安全上有積極意義。。

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