高層火災救援情境下的無人機外觀設計研究

王勐 胡安明

關鍵詞：高層;火災救援;無人機;外觀設計

1 高層火災人員傷亡原因及現有救援方式

1.1 高層火災人員傷亡原因

火災中人員傷亡的原因有以下四種：

1） 濃煙。煙氣混雜了各種有毒物質，一氧化碳、二氧化碳、硫化物、氰化物等，這些有害物對人體的危害尤為嚴重，人體一旦吸入，短時間內就會產生昏厥效應，若未被及時發現就會造成嚴重的生命安全威脅。

2） 缺氧。火在燃燒過程中會消耗空氣中大部分的氧氣，導致氧氣濃度大大降低，從而引起窒息導致死亡，在所有致死原因中80% 為濃煙、缺氧。如果能解決濃煙缺氧的問題，就能爭取自救的逃生時間，減少死亡率。

3） 高溫。當周圍溫度環境超過150℃時，燃燒會產生高濕度的熱煙氣，吸入之后對人體的呼吸道和肺部器官組織的破壞尤為嚴重。

4） 灼傷。火焰的擴大會引起皮膚組織燒傷，就算被救援出來，燒傷患者也會受到身體上的疼痛感和精神上的壓迫感[1]。

1.2 現有救援方式

現有國內外主流火災救援方式有以下五種：

1） 云梯消防車――這類車上會使用云梯等升降裝備和較為先進的滅火裝置，這樣可以有效解決高層建筑滅火困難等問題，同時在較低層時能起到較大作用，但最高的云梯車也不過百米，且每個區域配備數量少，購買成本高昂，同時該車對災情的地理位置非常挑剔，因為體積龐大，往往沒有在第一時間到達最佳救火位置，導致進出火場速度慢，施救難度大。

2） 高壓水槍滅火――在火災現場外利用高壓水槍對火災現場進行噴射滅火，它能及時撲滅低層的火及靠窗的火，暫時控制住火情，讓消防員能夠安全的進入火災現場，但無法徹底的根除火源，并且面對高層無能為力。

3） 開辟救援通道――消防員進入火災現場偵察相關情況，它速度較快，發現被困人員的幾率大，但救援過程中，容易發生房屋倒塌、物體墜落等，不僅被困者有危險，對施救者也有危險，這也是幾種救援方法中最為危險的一種，不到迫不得已的時候不會選擇。

4） 消防直升機救援――利用直升機參與高層建筑對火災的撲救和人員疏散，它速度快，能及時傳遞信息，但目前只有少數發達國家和地區的消防隊裝備了消防直升機，由于其造價高昂，而且存在很大一部分局限性，難以普及[2]。

5） 消防無人機――利用無人機攜帶的小型滅火器進行救火，它速度快，但攜帶的滅火器容量小，這也是最新型的滅火方式，如果加以修改，相信消防無人機會成為火災時的一顆救星。

現有救援方式雖然種類多，但是在實際救援過程中難度大，容易受地形、天氣、交通等影響，救援效果沒有自救的效果明顯。

2 高層火災救援情境下的無人機外觀設計意義

近年來，消防救援工作仍存在漏洞和不足。特別是在跨度大、空間大的廠房、倉庫，由于建筑空間的特殊性和救援設施的不完善，一旦發生火災，后果不堪設想。因此，有必要設計和開發一種能夠在第一時間探測到火災、控制火災、協助救援的消防產品。經調查，目前尚無大型化工廠、倉庫消防救援產品的研發設計報告。因此，針對這類空間設計消防救援產品具有重要的現實意義。無人機在救援過程中發揮著重要作用，但仍存在產品功能不完善、智能化程度低、實時性差等問題。為此，設計了一種消防救援無人機，將功能優勢與外觀造型設計相結合，在功能集成后形成技術優勢和功能優勢，以滿足其使用需求。火災發生后可以在第一時間進行預警救援，有效降低消防人員的勞動強度和報警風險，為我們提供更好的保障，減少生命財產損失，具有重要的社會意義。根據使用環境要求，在消防救援無人機氣體檢測功能中，對易燃、易爆產品進行實時監控，防止因監管不力造成泄漏或爆炸，可有效減少環境污染和對生態系統的破壞，具有一定的生態意義[3]。

3 高層火災救援情境下的無人機外觀設計思路

3.1 形態設計

產品語義學是研究人造物的形態在使用情境中的象征特性，在外觀設計中，通過對產品形狀、尺度、比例的調整來將產品語義融入進去。在自然界中，許多生物都經歷了幾千年的進化，從形態到結構都達到了相對優化，風阻和耐水性都非常合理。因此，大部分無人機的設計都是基于形態仿生設計的。根據目前各種無人機的產品語義篩選形態設計原型，常見的形態仿生模型對象有鳥類、昆蟲和水下生物等。無人機作為應急消防設備當用戶與產品交互時，整個形態的特征，要做到無意識或有意識的使用戶產生聯想思維，讓其通過外形上判斷出無人機救援、緊急、可靠的屬性。

在機身的設計上可以采用多邊形、切割形、雙層疊加的設計語言，從造型上體現出救援設備的特點。類似案例有很多，如圖1 所示，哈佛大學的一個機器人研究團隊研發出了一種機器蒼蠅。它利用仿生學，模擬了自然界中的鳥類、蝴蝶等這些生物，并可以像它們一樣飛行、棲息。

3.2 造型設計

產品功能決定產品的造型設計，例如手套設計有五個孔洞就是為了滿足人手可穿戴的需求，簽字筆在持握的位置安裝防滑條就是為了給使用者提供一種舒適的感覺，以便人們能夠更好的進行書寫。因此，產品的造型設計與其功能是密不可分的，任何產品的造型都是產品功能的體現。無人機仿生設計的選擇和抽象概括應綜合考慮飛行器內部電路結構、機械結構和氣動原理布局。因此，造型設計必須滿足這些技術要素的安裝條件，可以變形、抽象，甚至與不同類型的仿生學相結合，如水下生物的局部仿生，與昆蟲或鳥類等局部仿生相結合，使各種仿生的優勢能夠應用于無人機的設計中，但滿足造型的美感。消防救援無人機需要在高溫大火的環境下進行人員搜救工作，所以在造型上要體現出功能性的需求。如無人機扇葉需要保護，從造型上就可以加防撞條，并使用耐高溫材料，保證工作通暢性，無人機增加的投遞設備、攝像錄音設備、照明設備在造型上考慮怎么放置既能達到功能性的需求，又能在滿足功能性的基礎上更加美觀，無人機是消防設備，整體造型要突出消防設備的特點等。圖2 為哈弗大學研究的“蒼蠅”無人機，優勢體現在電量問題，他們還模仿動物的棲息研發了靜電吸附技術，讓機器蒼蠅通過棲息來節省能量。在棲息時的它所消耗的電量據稱會縮小到飛行時的 1/1000。《科學》雜志的報道里機器蒼蠅的研究人員稱，這個機器蒼蠅頂部有一個銅電極和泡沫底座組成的靜電貼片，通過利用其產生的正負電荷之間的吸引力，機器蒼蠅可以吸附到任何一個物體上，即使是一片不規整的葉子。

3.3 色彩設計

色彩不僅是產品的點綴，更是產品更深層次的表現。產品顏色對用戶的心理感受有著重要的影響。人們對產品顏色語義的感知來自于對顏色的生理刺激和視覺感知，產生相關的心理感受。無人機作為消防救援產品，顏色上就應該用消防救援的紅色作為主旋律色彩，在顏色上體現出消防設備的特點。選擇合理醒目的顏色也可以讓等待救援的人更快更清楚的看到無人機并及時和場外的救援隊進行聯系，溫和的色彩也可以在一定基礎上穩定被困者的心理壓力，緩解其緊張的心理，讓被救者可以保持均勻的呼吸，以免氧氣流失過快減少施救時間。

3.4 材料設計

材料的選擇就是整個產品設計活動中最至關重要的環節，因為選用合理的材料可以更加突顯產品的自身特色，同時也能更好的發揮產品所具有的功能。消防無人機在高溫明火環境下使用，材質上應選用耐高溫，不易燃燒且重量輕的材質。材料本身的質感也會使整體外觀更加具有設計感。

4 總結

高層建筑火災救援方法多種多樣，但在實際救援過程中難度較大。本文通過對國內外實際情況的分析[4]，從技術角度出發，分析了無人機救援的基本原理和特點以及無人機應用目標條件的成因和發展前景，對現有的消防無人機進行了改進和集成。在產品語義仿生設計應用、形態語義交流與視覺感知理論分析、無人機功能結構分割與整合的基礎上，加強產品形態研究、仿生研究、美學研究和藝術設計的邏輯分析，并對無人機模型進行了外觀的創新設計。本文描述了高層消防救援場景的外觀設計，這是一個跨多領域知識系統的集成研究過程。實踐證明，無人機是火災救援的良好選擇，體現直接救援功能，在火災第一現場發揮更重要的作用，從而讓救援任務的實施更加快速、全面、有效、安全[5]。