無人機在超高層建筑火災中的應用

張世超 朱紅偉 王善超

摘要：據不完全統計，目前全國有100米以上超高層建筑數萬座，200米以上超高層建筑895座（含在建）。傳統的消防裝備就出現了“夠不著、進不去、展不開、打不準”的短板，在這種大環境中，無人機應用在消防救援領域是勢不可擋的趨勢。文章主要對無人機在超高層建筑中火災撲救的應用進行了分析，結合實際的高層火災案例，提出無人機在火場中具有火情偵察、人員疏散、運送物資、輔助滅火等作用，同時通過數值模擬軟件Matlab尋找無人機在超高層建筑火災偵察中的最優路徑。

關鍵詞：超高層建筑;消防裝備;無人機;消防救援

一、引言

無人駕駛航空器簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，就是一種不需要操作人員，只是通過無線遙控便可以控制并執行任務的動力空中飛行器，它和有人操控的飛機相比較，不需要考慮人員的忍耐極限，可以在危險環境中執行任務。飛行器的升力由空氣動力提供，能夠按照航線自主飛行;從技術角度來看，可分為無人直升機、無人固定翼飛機、無人多旋翼飛機、無人飛艇等。早在20世紀初，考慮到飛機駕駛員的安全問題，研制無人駕駛飛機這種想法就已經出現在了人們的腦海中。直到20世紀30年代，英國費雷爾公司將一架“女王”雙固定翼飛機改造成無人駕駛飛機，并開始將無人駕駛飛行器用于軍事領域。

現階段建筑業迅速發展，消防裝備的先進性還有待提高，移動消防設施在高層建筑中的作用不明顯，消防水罐車作為滅高層建筑火災的主力裝備，其噴水射程也僅僅為8層樓高，消防云梯車是主要的高空救援裝備，現階段最高的消防云梯車約為101米，但是達到這個高度時受風力等條件影響嚴重，一般來說，救援能力在50米左右，在超高層建筑火災中，這些消防救援裝備的作用便會大打折扣。超高層建筑火災由于建筑樓層太高，高噴車的射程達不到，消防云梯車穩定性不佳，再加上煙囪效應，火勢垂直蔓延5米/秒，無法對火勢進行壓制，現場逃生混亂，給救援帶來了一定困難。例如，一些百米以上的典型火災事例，由于救援的局限性導致重大人員傷亡或巨大財產損失，如表1所示。

二、高層建筑火災案例分析

以上海市某公寓火災為例。2010年11月15日14時，因無證電焊工違章操作引發火災。因為樓太高，高壓噴車根本夠不著。加上煙囪效應，火勢以5米/秒的速度垂直蔓延，導致火勢迅速發展，濃煙滾滾，現場逃生混亂。20多人聚集在著火大樓的頂層，揮手等待救援，另外還有人爬到樓外的腳手架上等待救援。上海市消防部門接警后迅速出動消防云梯、舉高梯等裝備，并出動近200名消防隊員進行強攻，由于火場內部的環境以及被困人員的位置等因素都無法確定，消防員只能挨家挨戶的搜救被困人員，這使救援速度大打折扣，降低了被困人員的獲救率。

類似這種發生火災的建筑超過50米，一般的移動消防裝備已經無法完全發揮作用，要充分利用建筑內的固定消防設施展開內攻，所以火災現場內部的信息采集至關重要，無人機可以通過搭載高清攝像儀、紅外熱像儀、氣體分析儀等設備，實時傳輸火場內部的關鍵信息以及被困人員的位置信息，有利于發生火災時對被困人員的搜救。據統計，在火災中大多數人員是吸入過多例如CO2、CO、SO2、NO2等有毒有害氣體導致失去行動能力而喪生，無人機則可以為被困人員拋投防毒面具等裝備，提升被困人員的存活率。

三、無人機在高層建筑火災撲救中的常規應用

（一）火情偵察

在超高層建筑發生火災時，火場環境具有很多不確定性，由于無法直接到達著火樓層，僅憑經驗和詢問在場人員難以確定現場的情況，4G單兵亦無法靠近拍攝，而選擇使用無人機對火場內部進行偵查則效果更佳。因此，可以將無人機與5G技術、VR技術相結合，5G速度之快可以實現畫面實時傳輸，確定著火點位置、被困人員位置以及獲取重點部位的清晰圖像;同時在無人機上搭載可燃氣體探測儀、有毒氣體探測儀等設備確定火場的危險區域，防止消防員貿然進入發生不必要的危險。

（二）人員疏散

在消防無人機上搭載紅外熱像儀可以很好的確定火場中被困人員的位置，同時根據無人機傳輸的火場情況，消防指揮員可以為被困人員制定最優逃生路線，如果發現有被困人員由于受傷或者行動不便一直在原地不動，則可以出動消防員內攻，進行有目的性的救人。此外，無人機可以配備照明指示器和廣播引導系統，直接引導高層建筑中的人員疏散到正確的樓層。在無人機上面搭載喊話器也是極為必要的，被困人員突逢大火，身體與心理都會受到創傷，可以利用喊話器安撫被困人員的情緒，使他們冷靜地進行逃離。

（三）運送物資

在超高層建筑火災中，拋投設備會存在一定的局限性，出現無法準確投放物資或者樓層太高超出拋投物資的距離的情況，位于較高樓層來不及逃離的人員以及沖向高層實施救援的消防員則會存在資源匱乏的問題，這種情況下無人機便可以取代拋投設備完成高層投放物資的任務，例如，為被困人員投放防毒面具、藥品、逃生緩降器等應急物資，為長時間呆在火場的消防員投放新的空氣呼吸器等，在很大程度上延長了消防員的救援時間以及被困人員的逃生時間。

（四）輔助滅火

無人機具有輕快便捷的特點，不受城市內交通擁堵的影響，當火警指揮中心收到出警信息時，可以派遣無人機優先到達火災現場，在無人機上面裝載滅火彈，在火災初期將滅火彈發射到重點燃燒的區域，防止火勢的蔓延擴散，為消防隊伍爭取更有利的條件。時至今日，無人機越來越多的功能被開發出來，例如，消防系留無人機可以將DN25水帶和DN40水帶分別拉至100米、55米的高空且能長時間的滯空停留，這個功能可以代替消防員拖拉水帶至高層，實現超高層建筑滅火，同時也降低了消防員的危險性。

四、無人機編隊路徑規劃

（一）MTSP多商旅問題

多商旅問題MTSP可以描述為多個商品推銷員要去若干個城市推銷商品，這些推銷員最開始都在同一個城市，他們可以被分配到不同路徑，在經過所有城市之后，大家都回到出發的城市，以四個城市為例，假設這四個城市編號分別為0、1、2、3，且0號為MTSP中起始的城市，再假設一共有3個旅行商，這時的解應該是00123的一個隨機排列，如果不考慮重復的可能，那么所有的情況一共有5?=120種。

假設有n+1個城市，第0號為起始城市，其他城市編號為1至n，一共有m個旅行商，那么生成的解應該為m-1個0和1至n組成的一個隨機排序。例如3、0、2、1、0，表示第一個旅行商的方案為0-3-0，第二個旅行商的方案為0-2-1-0，第三個旅行商不出門;1、0、3、0、2表示第一個旅行商的方案為0-1-0，第二個旅行商的方案為0-3-0，第三個旅行商的方案為0-2-0。

（二）無人機協同搜索

1.問題概述

單個無人機對火場進行搜索無法發揮全覆蓋、時間短的優勢，利用無人機編隊協同搜索整個區域，使得無人機編隊中每一架無人機都有自己的航線，對火場進行徹底的信息搜索且協同搜索路徑最短。

2.數學模型的建立

假定無人機上攜帶的探測裝置在某個時間點探測的范圍為固定的區域如圖1所示，整個火場可以劃分為若干個這樣的小區域，無人機需要經過所有的小區域對火場進行全方位的探測，每個小區域的中心為搜索必經點，即無人機需通過每一個區域的中心位置，如圖2所示。

（三）飛行路徑的算法

確定無人機開始搜索的位置以及完成任務后離開的位置，然后用遺傳算法求解最短路徑。

1.Matlab求解過程

設置無人機數量為3架，種群的個數為80，最多迭代次數為5000次：

salesmen = 3;

pop_size = 80;

num_iter = 5e3;

計算距離矩陣：

a =meshgrid（1：n）; ?dmat=reshape（sqrt（sum（（xy（a，：）-xy（a'，：））.^2，2）），n，n）;

下面的迭代用于計算每個個體的對應的所有旅行商的總距離：

rng = [[1 pBreak+1];[pBreak n]]';

for s = 1：nSalesmen

d = d + dmat（1，pRoute（rng（s，1）））;

for k = rng（s，1）：rng（s，2）-1

d = d + dmat（pRoute（k），pRoute（k+1））;

end

d = d + dmat（pRoute（rng（s，2）），N）;

end

totalDist（p） = d;

end

下面為尋找最佳路線的方式，若本次迭代時的最佳距離小于歷史全局最小值，就將它記錄在圖上，以此方法記錄直到迭代的最小距離等于歷史全局最小值結束：

% Find the Best Route in the Population

[min_dist，index] = min（totalDist）;

distHistory（iter） = min_dist;

if min_dist < globalMin

globalMin = min_dist;

當本次迭代時的最佳距離等于歷史全局最小值時，記錄此次路線為尋找的最優路線。

2.求解結果

求解結果如圖3所示，三條顏色的線分別代表三架無人機的航行軌道，三架無人機均從同一個起始點出發，協同歷經所有必經點，最后返回出發點的最優路徑。

五、結語

我國的城市化率不斷增高，無數高層建筑拔地而起，這對消防事業是一項新的挑戰，無人機的作用亦是日益彰顯，其靈活可靠的屬性可以在超高層建筑火災中進行現場偵查、實時傳輸，有利于消防員對火場的實際情況進行掌握，并且有利于指揮員的指揮決斷，無人機編隊協同偵察的方式則可以幫助消防指揮員更全面、更迅速地掌握火場情況，這對于消防救援工作具有積極作用，可促進消防事業的不斷發展。

參考文獻：

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