智能無(wú)人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用

王滕

摘要：本項(xiàng)目旨在為城市高層建筑消防滅火問(wèn)題尋找比傳統(tǒng)人工撲救更為有效的方式方法，團(tuán)隊(duì)將目標(biāo)鎖定新型的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，希望借助這一新技術(shù)來(lái)突破傳統(tǒng)滅火方式無(wú)法完全適應(yīng)的高層建筑撲救難題。團(tuán)隊(duì)對(duì)常規(guī)高層建筑的消防安全設(shè)計(jì)與無(wú)人機(jī)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并借助現(xiàn)有所得資料進(jìn)行合理設(shè)計(jì)與實(shí)踐，以得出無(wú)人機(jī)搭載消防設(shè)備進(jìn)行高層滅火的合理方式。

關(guān)鍵詞：智能無(wú)人機(jī);消防安全設(shè)計(jì);高層建筑

一、高層建筑的現(xiàn)狀與問(wèn)題

隨著我國(guó)城市化水平的不斷提高，城市人口密度不斷增加催生了越來(lái)越多高層建筑的落地，而追逐數(shù)量、規(guī)模與形象的結(jié)果導(dǎo)致了建筑的公共消防安全風(fēng)險(xiǎn)也急劇攀升。一旦發(fā)生火災(zāi)，高層建筑體量龐大、功能復(fù)雜、人員密集、危險(xiǎn)源多，人民生命財(cái)產(chǎn)將面臨極大的損害，同時(shí)火災(zāi)救援的武警士兵生命安全也會(huì)受到威脅。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)火災(zāi)撲救方式對(duì)越建越高的寫(xiě)字樓辦公樓等而言已無(wú)法完全適應(yīng)，而近年新興的多旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)智能技術(shù)已開(kāi)發(fā)出傾斜攝影的技術(shù)，并可以實(shí)現(xiàn)載重功能。因此，本團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目通過(guò)多種調(diào)研方式對(duì)常規(guī)高層建筑的消防安全設(shè)計(jì)與無(wú)人機(jī)智能技術(shù)進(jìn)行深入研究，且運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模來(lái)進(jìn)行攜帶式無(wú)人機(jī)與等尺度建筑復(fù)原模擬火災(zāi)場(chǎng)景驗(yàn)證其滅火性能，在有可能的情況下實(shí)現(xiàn)利用可攜帶式無(wú)人機(jī)的高層建筑滅火救援技術(shù)的市場(chǎng)推廣應(yīng)用。

二、項(xiàng)目研究主要方向

1.總結(jié)高層建筑的消防安全設(shè)計(jì)

團(tuán)隊(duì)將系統(tǒng)化地研究當(dāng)代高層建筑在消防設(shè)計(jì)上的原則與實(shí)際防火的措施手段，并總結(jié)當(dāng)下消防安全的設(shè)計(jì)原則及合理性問(wèn)題。

2.探究高層建筑火災(zāi)救援的特點(diǎn)

結(jié)合以往的消防救援案例與消防部門(mén)的公開(kāi)報(bào)告來(lái)整體性總結(jié)高層建筑火災(zāi)撲救中高頻率發(fā)生的救援事故及火災(zāi)撲救難點(diǎn)痛點(diǎn)，針對(duì)這些特點(diǎn)進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ忍接懜邔踊馂?zāi)在救援上的更高一層次的剛性需求。

3.設(shè)計(jì)利用智能搭載消防設(shè)備的無(wú)人機(jī)在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)揮高效救援滅火作用

高層建筑火災(zāi)蔓延速度極快，極易形成立體火災(zāi)，而僅憑現(xiàn)有的滅火云梯水槍等很難與高層火災(zāi)相抗衡，因此團(tuán)隊(duì)將基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速高效、低延遲等特性將無(wú)人機(jī)進(jìn)行適用于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援的智能化改造創(chuàng)新，將滅火消防栓等消防設(shè)備搭載于無(wú)人機(jī)之上，對(duì)高層建筑進(jìn)行及時(shí)精準(zhǔn)滅火，以盡量減少人員的傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

4.實(shí)驗(yàn)?zāi)M無(wú)人機(jī)與各式消防設(shè)備的連接與安裝方式的火災(zāi)撲救作用

團(tuán)隊(duì)將在對(duì)高層建筑消防安全設(shè)計(jì)的調(diào)研與無(wú)人機(jī)性能在火災(zāi)中偵查與滅火撲救利用的研究后利用研究成果設(shè)計(jì)出合適的無(wú)人機(jī)組合方式并搭建等比例高層建筑模型，進(jìn)行實(shí)際的模擬實(shí)驗(yàn)以探討團(tuán)隊(duì)研究結(jié)論的合理性，并將總結(jié)出最佳的無(wú)人機(jī)工作路徑與方式，記錄有效數(shù)據(jù)，在有可能的情況下尋找合適的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行溝通將想法進(jìn)行更進(jìn)一步的精確與更大范圍的市場(chǎng)推廣。

三、項(xiàng)目主要成果

團(tuán)隊(duì)對(duì)無(wú)人機(jī)與消防車(chē)、消防裝置的連接方式與安裝方式進(jìn)行了深入探究與實(shí)驗(yàn)，得出了四種連接與安裝方式，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證無(wú)人機(jī)與消防車(chē)、消防裝置的不同連接形式與安裝方式滅火性能，總結(jié)出了最佳的無(wú)人機(jī)工作路徑與方式：

1.無(wú)人機(jī)吊艙荷載搭載各式滅火彈的連接與安裝方式

無(wú)人機(jī)在高層建筑滅火的應(yīng)用中，吊艙荷載搭載各式滅火彈滅火是其基本功能之一。無(wú)人機(jī)與地面控制終端和消防車(chē)均以GPS信號(hào)進(jìn)行無(wú)線連接，將下方原用于搭載攝像機(jī)的吊艙進(jìn)行包括搭載方式、承重量等方面的改裝之后，搭載各式滅火彈（包括儲(chǔ)壓超細(xì)干粉滅火劑、水基高效滅火藥劑、系留高壓液體滅火劑、外墻專(zhuān)用滅火劑等）、火災(zāi)探測(cè)攝像頭以及滅火彈控制器到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，通過(guò)可見(jiàn)光或熱成像向地面控制終端與監(jiān)控中心傳遞視頻數(shù)據(jù)信息。地面控制終端向無(wú)人機(jī)發(fā)射投射信號(hào)后，無(wú)人機(jī)根據(jù)接受到的指令與探測(cè)信息，自主將滅火劑投射至滅火點(diǎn)，對(duì)著火區(qū)域進(jìn)行撲救，并隨時(shí)將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)狀況傳遞回地面，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程掌握火災(zāi)撲救情況。

通過(guò)性能模擬實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：此種連接方式同時(shí)也存在撲救范圍小的缺點(diǎn)，因此其適用于對(duì)高層建筑初期火勢(shì)較小時(shí)，對(duì)著火區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性點(diǎn)式撲救，能夠有效撲滅或控制初期火情。但在若火勢(shì)較大時(shí)，則需考慮其他連接方式。

2.無(wú)人機(jī)搭載高壓水槍的連接與安裝方式

無(wú)人機(jī)搭載高壓水槍對(duì)著火區(qū)域進(jìn)行撲救，能夠有效解決傳統(tǒng)火災(zāi)救援中的撲救高度受限缺點(diǎn)。通過(guò)地面控制終端對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行高度進(jìn)行控制，無(wú)人機(jī)搭載的高壓水槍可對(duì)高層建筑的任一一層進(jìn)行撲救。由于消防水帶的長(zhǎng)度極長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)承載能力有限，故而需多架無(wú)人機(jī)組配合進(jìn)行火災(zāi)撲滅。

無(wú)人機(jī)與消防水車(chē)的連接：

第一無(wú)人機(jī)下方吊艙搭載連接消防水帶的入水口、加壓泵和高壓噴頭的水箱、用于測(cè)距及確定位置的火災(zāi)探測(cè)攝像頭，在無(wú)人機(jī)腳架上設(shè)置安裝高壓噴頭及高壓噴頭控制器。同時(shí)第一無(wú)人機(jī)、地面控制終端以及消防車(chē)彼此之間也均以GPS信號(hào)進(jìn)行無(wú)線連接，第一無(wú)人機(jī)搭載的火災(zāi)探測(cè)攝像頭通過(guò)可見(jiàn)光熱成像向地面控制終端、監(jiān)控中心和消防車(chē)傳遞視頻數(shù)據(jù)信息。地面控制終端同時(shí)向無(wú)人機(jī)和消防車(chē)發(fā)射投射信號(hào)后，消防車(chē)向消防水帶進(jìn)行持續(xù)供水，同時(shí)無(wú)人機(jī)自主定位滅火點(diǎn)，高壓噴頭將水噴至滅火點(diǎn)，對(duì)著火區(qū)域進(jìn)行撲救。

第二無(wú)人機(jī)下方設(shè)置用于測(cè)距及確定位置的探測(cè)攝像頭、由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的繩索，繩索用于連接固定消防水帶，消防水帶連接消防車(chē)為第一無(wú)人機(jī)提供滅火所需水源。同時(shí)第二無(wú)人機(jī)、地面控制終端以及消防車(chē)彼此之間也均以GPS信號(hào)進(jìn)行無(wú)線連接，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。第二無(wú)人機(jī)搭載的探測(cè)攝像頭通過(guò)位置定距定位第一無(wú)人機(jī)以及其他障礙物位置，在保證能為第一無(wú)人機(jī)提供水源的同時(shí)不發(fā)生碰撞。第二無(wú)人機(jī)在為第一無(wú)人機(jī)搭載消防水帶的同時(shí)觀測(cè)建筑物其他區(qū)域的情況，一旦發(fā)現(xiàn)火勢(shì)蔓延及時(shí)向地面控制中心進(jìn)行反饋，一機(jī)兩用。

通過(guò)性能模擬實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：無(wú)人機(jī)搭載高壓水槍對(duì)著火區(qū)域進(jìn)行撲救，能夠有效解決傳統(tǒng)火災(zāi)救援中使用云梯產(chǎn)生的撲救高度受限的缺點(diǎn)。多架無(wú)人機(jī)組配合進(jìn)行火災(zāi)撲滅時(shí)，第二無(wú)人機(jī)在為第一無(wú)人機(jī)搭載消防水帶的同時(shí)觀測(cè)建筑物其他區(qū)域的情況，一旦發(fā)現(xiàn)火勢(shì)蔓延及時(shí)向地面控制中心進(jìn)行反饋，一機(jī)兩用。但存在滅火方式單一的問(wèn)題，不適用于火勢(shì)較大時(shí)。

3.多架無(wú)人機(jī)分區(qū)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式

單架無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)存在撲救面小、作業(yè)效率低等問(wèn)題，因此思考多架無(wú)人機(jī)分區(qū)工作，以達(dá)到增大撲救面、提高作業(yè)效率、加快撲救速度的作用。

多架無(wú)人機(jī)在火情嚴(yán)重之時(shí)，可采用分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)的分區(qū)分工方式。由地面控制終端控制，多次搭載適應(yīng)火場(chǎng)具體情況的不同滅火劑（包括儲(chǔ)壓超細(xì)干粉滅火劑、水基高效滅火藥劑、系留高壓液體滅火劑、外墻專(zhuān)用滅火劑等），對(duì)火災(zāi)進(jìn)行多次撲救。

通過(guò)5G技術(shù)地面控制終端對(duì)建筑物進(jìn)行合理分區(qū)，對(duì)多架無(wú)人機(jī)進(jìn)行合理分工，同時(shí)對(duì)多架無(wú)人機(jī)以及消防水車(chē)進(jìn)行無(wú)線控制，不同無(wú)人機(jī)火災(zāi)探測(cè)儀通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息在控制終端進(jìn)行整合，傳輸給控制中心的同時(shí)給予無(wú)人機(jī)下一步工作內(nèi)容的反饋，使多架無(wú)人機(jī)聯(lián)合滅火撲救智能化組合在地面控制終端的反饋信息與自主監(jiān)測(cè)信息控制下，高效完成投射滅火劑滅火的救援工作。

通過(guò)性能模擬實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：多架無(wú)人機(jī)分區(qū)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式可采用分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)的分區(qū)分工方式，增大撲救面、提高作業(yè)效率、加快撲救速度。

4.多架無(wú)人機(jī)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式

多架無(wú)人機(jī)可通過(guò)搭載不同功能的消防設(shè)施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，可同時(shí)完成火情探測(cè)、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)撲救、滅火救援工作。使火災(zāi)救援工作得以在無(wú)人機(jī)的輔助之下全面高效開(kāi)展。

通過(guò)地面控制終端對(duì)多架同時(shí)執(zhí)行不同滅火撲救任務(wù)的無(wú)人機(jī)以及消防水車(chē)進(jìn)行無(wú)線控制，不同無(wú)人機(jī)火災(zāi)探測(cè)儀通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息在控制終端進(jìn)行整合，傳輸給控制中心的同時(shí)給予無(wú)人機(jī)下一步工作內(nèi)容的反饋，使多架無(wú)人機(jī)聯(lián)合滅火撲救智能化組合高效完成包括探測(cè)火情、投射滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)救援工作。同時(shí)每一架無(wú)人機(jī)也隨時(shí)向地面反饋所在區(qū)域的火災(zāi)情況，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程、全面掌握建筑的火災(zāi)蔓延、救援、撲救情況。

通過(guò)性能模擬實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：多架無(wú)人機(jī)可通過(guò)搭載不同功能的消防設(shè)施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，可同時(shí)完成火情探測(cè)、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)撲救、滅火救援工作。使火災(zāi)救援工作得以在無(wú)人機(jī)的輔助之下全面高效開(kāi)展，實(shí)現(xiàn)效率最大化。

該連接方式可通過(guò)搭載不同功能的消防設(shè)施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，同時(shí)完成火情探測(cè)、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)撲救、滅火救援工作。使火災(zāi)救援工作得以在無(wú)人機(jī)的輔助之下全面高效開(kāi)展。同時(shí)每一架無(wú)人機(jī)也隨時(shí)向地面反饋所在區(qū)域的火災(zāi)情況，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程、全面掌握建筑的火災(zāi)蔓延、救援、撲救情況。

四、實(shí)踐意義和社會(huì)影響

項(xiàng)目直擊高層建筑火災(zāi)撲救痛難點(diǎn)，提出基于5G技術(shù)的攜帶式無(wú)人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用以適應(yīng)社會(huì)急切的需求。本項(xiàng)目一改以往由消防員加救火車(chē)的撲救方式，推出了基于5G技術(shù)的攜帶式無(wú)人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用，合理運(yùn)用現(xiàn)代社會(huì)新興技術(shù)，為高層建筑安全提供更好的保障，為高層建筑使用者人身與財(cái)產(chǎn)安全保駕護(hù)航，存在著在社會(huì)上推廣的價(jià)值與意義。

傳統(tǒng)建筑火災(zāi)撲救方式難以及時(shí)精準(zhǔn)地?fù)渚雀邔咏ㄖ馂?zāi)，本項(xiàng)目可以攻克長(zhǎng)久以來(lái)高層建筑火災(zāi)難以撲救，發(fā)生火災(zāi)時(shí)高層建筑使用者人身財(cái)產(chǎn)安全收到嚴(yán)重威脅的艱巨難題，消除社會(huì)公眾對(duì)高層建筑火災(zāi)存在著的顧忌與畏懼，從而更好地保障社會(huì)發(fā)展的穩(wěn)定性與社會(huì)治安。

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