超高層建筑無人智能滅火救援平臺研發與測試

陳躍光 袁狄平 張嘉毅 倪衛國

摘要：針對目前超高層建筑滅火救援普遍存在的救援裝備外攻手段匱乏、消防員內攻滅火效率低等問題，研發繩索布放無人機、負重爬繩機器人、懸掛式遙控滅火平臺、懸掛式救援平臺等新型系留式智能滅火救援裝備，構建基于跨越超高層建筑人字形繩索通道的多裝備協同新型無人智能滅火救援平臺，為超高層建筑滅火救援補充提供一種新型的外攻手段。選取上海某超高層建筑開展平臺測試，結果表明：無人智能滅火救援平臺安全有效，全面提升了超高層建筑滅火救援能力，同時為后續新型無人智能滅火救援平臺在超高層建筑的推廣應用提供了參考和技術支持。

關鍵詞：滅火救援;智能滅火救援裝備;無人智能滅火救援平臺;超高層建筑

超高層建筑的滅火救援一直是公認的世界性難題。超高層建筑是指高度>100m的建筑物，因其高度高、體量大、功能復雜、危險源多且火災荷載大，一旦發生火災，超高層建筑具有火勢蔓延快、人員疏散難和火災撲救難度大等特點，易造成較大的人員傷亡、財產損失和社會恐慌等嚴重后果[1]。

針對超高層建筑的滅火救援，國內學者開展了大量的研究。魏捍東[2]等針對央視“2·9”火災特點，分析超高層建筑火災危險性與火災撲救難點，探討超高層建筑滅火對策;王璐[3]針對超高層建筑火災環境，提出滅火機器人外部介入式執行機構和輔助軌道攀爬形式，開展超高層建筑外部介入式智能滅火系統設計;張延偉[4]圍繞無人機在消防救援領域的應用，研究超高層建筑火災撲救的解決方案，利用無人機開展機載輔助滅火和救援;汪映標[5]等針對超高層建筑火災特點，發明一種能夠將高壓噴霧槍與無人機有效結合，并能方便實現與高壓噴霧槍和無人機連接的管道及線纜同步收放的超高層建筑無人機消防車;涂文兵[6]等利用現有導彈消防車精準投放消防滅火導彈的特點，在消防導彈運載艙內部加設救援機器人，發明一種基于導彈消防車的超高層建筑火災救援方法和裝置。

綜上所述，目前國內暫未開展無人智能滅火平臺在超高層建筑的應用研究，因此有必要研發新型系留式無人智能滅火救援裝備，構建集偵察、滅火、救援于一體的基于跨越超高層建筑人字形繩索通道的多裝備協同新型智能滅火救援作業平臺，有效提升超高層建筑滅火救援能力。

1? 消防救援難點分析

目前，我國超高層建筑數量眾多，據不完全統計，已達全球六成以上的數量規模，且每年仍有大量超高層建筑落成，消防安全壓力極大。針對超高層建筑消防滅火救援措施，筆者通過現場調研并與當地消防救援機構交流，發現主要存在如下問題：

1.1? 救援裝備外攻手段匱乏

目前，國內消防救援隊伍配置的超高層建筑滅火用消防車最大工作高度僅為101m，且自重大、展開準備時間長、作業約束條件多，遠遠不能滿足超高層建筑的滅火救援需求;超高層建筑因其高度高、豎井多，火災豎向蔓延快，且燃燒滴落物易形成二次災害，對消防救援人員和裝備不利;直升機、無人機等新型消防救援裝備在我國目前消防救援工作中尚未得到有效發揮[7]。

1.2? 消防員內攻滅火效率低

超高層建筑發生火災，消防員穿戴個人防護用品并攜帶相關消防救援裝備，首先乘坐消防電梯到達著火層的下一層，然后通過樓梯間進入著火樓層滅火，如果火勢較大導致消防電梯系統斷電，消防員僅能通過樓梯間進入著火樓層，因個人防護用品、消防救援裝備較重且建筑較高，到達著火樓層會消耗大量體力，導致滅火救援效率降低;固定消防設施完好率低，供水方式主要靠消防員沿樓梯間蜿蜒垂直敷設水帶，費時費力，且供水可靠性低[7-8]。

2? 研發智能滅火救援裝備

根據調研發現超高層建筑滅火救援存在的問題，堅持“以固為主、固移結合”的滅火作戰原則，研發繩索布放無人機、負重爬繩機器人、懸掛式遙控滅火平臺、懸掛式救援平臺等新型系留式智能滅火救援裝備，有效補充豐富消防救援隊伍外攻手段。

2.1? 繩索布放無人機

文章主要研發無人機（圖1）和放繩器（圖2）、消防專用繩索等輔助裝置。無人機從結構上分為機臂、機身、電源系統、繩索布放系統等，拆卸容易、組裝維護方便;具有較大載荷能力、續航能力、抗風能力和高可靠性，利用基于離線模型與在線建模相結合的自適應控制、實時優化復雜環境下的避障技術和飛行軌跡實時重規劃技術，實現對航跡上障礙的避碰避危。放繩器主要包括固定安裝機構、繩索纏繞機構、繩索拋放和鎖定裝置等，采用雙通道冗余控制繩索布放投擲，雙差分GPS/北斗模塊精準定位布放，精確控制繩索的拋放角度和力度、下放速度和長度，從而保證投放可靠性，還可對繩索進行鎖定，避免打滑。消防專用繩索考慮超高層建筑應用場景的特殊性，重點關注繩索的機械性能和防火性能，分析其在縱向和橫向上的抗拉伸和抗扭曲等形變能力，保證其在滅火救援過程中可以被反復地拉伸和纏繞，并能適應不同類型火災的現場高溫等惡劣條件。

繩索布放無人機除跨越超高層建筑構建繩索滅火救援通道外，還具備火情偵察功能。基于空間火焰、煙霧圖像、建筑內外熱流場特征的多信息融合識別模型和火點定位算法，搭載紅外相機和可見光相機同時拍攝燃燒區域，紅外相機負責跟蹤火點，通過對火點特征較清晰的紅外圖像進行分析處理，輸出控制信號及時調整云臺的角度，保證燃燒區域目標不會移出同步拍攝的可見光鏡頭畫面，實現對高溫區域的自動追蹤。

圖1? 繩索布放無人機? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2? 放繩器

2.2? 負重爬繩機器人

主要研發繩索用負重爬繩機器人，含緊繩器等輔助裝置（圖3）。負重爬繩機器人主要由繩索導引機構、纏繞機構和驅動機構組成，其中導引機構用于提供繩索由下至上穿過爬繩機器人的通道，纏繞機構用于提供繩索在爬繩機器人中的纏繞固定結構，驅動機構用于驅動爬繩機器人沿繩索通道進行上下運動。為保證爬繩機器人所攜帶懸掛式遙控滅火平臺和救援平臺在作業過程中的穩定性，并綜合考慮救援效率，研發自主智能控制和空中平衡穩定技術，確保爬繩機器人可沿繩索滅火救援通道按設定速度上下運動，并能在任意設定高度通過緊繩器進行固定，開展相應滅火和救援作業。爬繩機器人采用直流無刷機器驅動，由大功率大容量的鋰電池進行供電，具備視頻傳送、應急廣播、應急供電和斷電穩定懸掛等功能。

圖3? 負重爬繩機器人

2.3? 懸掛式遙控滅火平臺

主要研發高壓水炮（圖4）、旋轉平臺改變裝置和遙控指令接收器等，構建懸掛式遙控滅火平臺（圖5）。負重爬繩機器人攜帶懸掛式遙控滅火平臺沿繩索滅火救援通道到達作業點，開展精準定位噴水滅火。遙控滅火平臺采用無后坐力的超高層建筑專用高壓水炮，安裝增壓泵等噴射加速裝置保障高壓水的有效噴射距離，利用智能化控制的電機驅動器和陀螺儀傳感器自動調節高壓水炮的水平和俯仰覆蓋角度，并通過在平臺框架上安裝電動高速噴氣發生器來穩定保持高壓水炮的工作姿態，滿足滅火作業時間要求。針對不同高度范圍的著火點，研究懸掛式遙控滅火平臺高壓水穩定射流實現方案，保證高壓水滅火所需的流量和壓力。懸掛式遙控滅火平臺還配置高清攝像頭，實時將高壓水炮出水和火災滅火情況傳回地面控制臺，以便操作人員實時監控并能更快更精準地調節滅火角度，提高滅火效率。

圖4? 高壓水炮? ? ? ? ?圖5? 懸掛式遙控滅火平臺

2.4? 懸掛式救援平臺

主要研發救援吊籃及保險繩等相關輔助裝置，構建懸掛式救援平臺（圖6）。負重爬繩機器人攜帶懸掛式救援平臺沿繩索滅火救援通道到達救援登陸點，進行物資輸送或開展人員救援作業。救援吊籃空間設計合理，結構堅固可靠，每次可載4人，最大負載1000kg，保障救援的有效性。所有材料均無毒無污染，且具有防火、耐磨和耐腐蝕等功能，吊籃內配置可調節安全帶，救援場地配置安全氣囊，保證救援人員的安全性。懸掛式救援平臺還配置高清攝像頭，實時將空中的救援情況和人員狀態等信息傳回地面控制臺，以便操作人員隨時調整救援方案，提高救援效率。

圖6? 懸掛式救援平臺

3? 構建無人智能滅火救援平臺

研發新型系留式智能滅火救援裝備，通過系統集成并實現整體功能控制，構建一套集偵察、滅火、救援于一體的新型無人智能滅火救援作業平臺，全套設備可裝載在小車內，具備較好的城市道路通行性能，可通過寬度600mm的狹窄通道，并可在最小5m2的地域展開并進行滅火救援工作。新型無人智能滅火救援作業平臺主要由傳感模塊、繩索布放模塊、升/降控制模塊、滅火模塊和救援模塊等構成（圖7）。

圖7? 新型無人智能滅火救援平臺

接到火警后，裝載新型無人智能滅火救援平臺的小車可以快速到達現場。首先操作無人機升空進行建筑整體外觀勘探和火情偵察，無人機通過傳感模塊將獲取的建筑外觀和現場火情信息傳送至新型無人智能滅火救援平臺，通過平臺數據分析和現場指揮人員綜合研判，生成繩索布放無人機飛行軌跡、通道兩側錨點選擇建議和繩索通道布設方案等;然后現場確定建筑兩側錨點，固定起飛側錨點后通過繩索布放模塊操縱繩索布放無人機攜帶消防專用繩索升空，跨越超高層建筑操作拋繩裝置放繩后降落（圖8a），固定對側錨點后形成雙作業面跨越超高層建筑的人字形繩索滅火救援通道（圖8b）;最后通過升/降控制模塊操作負重爬繩機器人攜帶懸掛式遙控滅火平臺沿著繩索滅火救援通道到達著火點，通過緊繩器固定負重爬繩機器人，現場指揮人員通過滅火模塊遙控滅火平臺牽引的高壓水帶出水開展滅火工作（圖8c）。負重爬繩機器人也可根據現場救援指揮安排，由專業人員通過救援模塊操作懸掛式救援平臺開展物資運送和救援/受困人員轉送。

a.布放繩索? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b.建立人字形繩索滅火救援通道? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?c.噴水滅火

圖8? 新型無人智能滅火救援平臺滅火示意圖

4? 測試分析

選取上海市某超高層公共建筑（建筑高度200m）開展平臺應用測試，模擬建筑第30層（105m）發生火災，利用新型無人智能滅火救援平臺開展滅火和救援工作。測試現場懸掛式遙控滅火平臺出水滅火情況詳見圖9。

圖9? 新型無人智能滅火救援平臺測試

4.1? 過程時間節點

接到模擬火警指令后，裝載無人智能滅火救援平臺的小車快速到達測試地點;無人機耗時60s即展開升空開展建筑外觀勘探和火情偵察工作，35s后返回并生成無人機飛行軌跡、錨點選擇建議和繩索布置方案;繩索布放無人機125s完成布置雙作業面跨越超高層建筑的人字形繩索滅火救援通道;負重爬繩機器人攜帶懸掛式遙控滅火平臺225s到達105m著火處并出水開始滅火，30s后火災被撲滅;懸掛式救援平臺每次運送250kg重物至105m處，單程約耗時225s。

4.2? 裝備性能參數

對各新型系留式智能滅火救援裝備進行全過程的性能監測，分析實際滅火救援過程中需重點關注的指標和影響因素，并進行有針對性的專項測試，結果詳見表1。

表1? 新型無人智能滅火救援平臺測試結果

序號 智能滅火救援裝備 現場測試結果

1 繩索布放無人機 有效載荷>35kg;抗風能力>6級;空載續航時間>48min，負載25 kg續航時間>20min;上升速度>5m/s，下降速度>3m/s;避障距離<10m;高溫回避響應時間<1s;圖傳有效距離>5km;相對飛行高度>500m

2 負重爬繩機器人 負重升降速度>0.5m/s;上升牽引力250kg、懸停和下降牽引力500kg;斷電應急工作時間>5min

3 懸掛式遙控滅火平臺 直徑50mm高壓水帶出水高度為105m，供水強度5L/s，有效噴射距離大于15m;水平覆蓋角度>180°，俯仰覆蓋角度>90°;花灑和直流出水可調;高壓水炮水平擺動<2°

4 懸掛式救援平臺 上升載重>250kg，下降載重>400kg

5? 結語

測試結果表明，基于跨越超高層建筑人字形繩索通道的多裝備協同新型智能滅火救援作業平臺在超高層建筑火情監測、動態跟蹤、火勢研判、滅火撲救和應急救援中發揮了較好的作用。研發的繩索布放無人機、負重爬繩機器人、懸掛式遙控滅火平臺、懸掛式救援平臺等新型系留式智能滅火救援裝備和新型無人智能滅火救援平臺屬國內外首創，有效填補超高層建筑滅火救援相關技術空白，并帶動上下游消防應急救援產業的發展;同時無人智能滅火救援平臺操作方便，對救援場地要求較低，為超高層建筑滅火救援補充提供了一種全新、高效、快速、安全的外攻手段，提高裝備滅火效能和實戰救援能力，全面提升超高層建筑滅火救援水平。后續可針對不同類型的超高層建筑，規劃制定不同的繩索通道布設方案，并提供快速的、有針對性的滅火救援處置方案，提高滅火救援水平，減少不必要的人員傷亡和財產損失。

參考文獻：

[1]邱倉虎，劉文利，張向陽，等.超高層建筑消防技術發展與研究重點綜述[J].建筑科學，2018，34（9）：82-88.

[2]魏捍東，張智.從央視大火探討超高層建筑滅火對策[J].消防科學與技術，2010，29（7）：606-612.

[3]王璐.超高層建筑智能滅火救援系統設計及動畫展示研究[D].西安：西安理工大學，2018.

[4]張延偉.淺析無人機在消防滅火救援領域的應用[J].中國建筑裝飾裝修，2018（4）：111.

[5]汪映標，廖曉鋒，劉亮，等.一種超高層建筑無人機消防車[P].中國，209865100U，2019.

[6]涂文兵，陳元龍，胡承福，等.一種基于導彈消防車的超高層建筑火災救援方法和裝置[P].中國，110420424A，2019.

[7]騰光軍，成旭光.超高層建筑滅火救援技術探討[J].中國安全生產，2018，13（4）：54-55.

[8]許安春.以固為主、固移結合在高層建筑火災撲救實戰中的應用[J].消防界（電子版），2020，6（23）：80-81.

R&D and test of unmanned intelligent

fire-fighting platform for super high-rise buildings

Chen Yueguang1，Yuan Diping1，Zhang Jiayi2，Ni Weiguo2

（1.Shenzhen Urban Public Safety and Technology Institute Co.， Ltd.， Guangdong Shenzhen 518046;2.Shanghai Kunge UAV Technology Co.， Ltd.，Shanghai? 201108）

Abstract：To tackle the challenges of being short of external means such as new rescue equipment and low efficiency of internal attack in super high-rise buildings for fire-fighting， intelligent fire-fighting equipment were developed， including rope placement drone， load-bearing climbing robot， suspended remote control fire-fighting platform and suspended rescue platform. Then， a new unmanned intelligent fire-fighting platform integrating multi-equipment collaboration was established， based on chevron rope passages across super high-rise buildings， to provide a new type of external attack. A super high-rise building in Shanghai was selected to carry out development， the results show that the platform is safe and effective， to comprehensively improve the level of fire-fighting，and also provides references and technical support for the promotion of the platform in super high-rise buildings.

Keywords：fire-fighting; intelligent fire-fighting equipment; unmanned intelligent fire-fighting platform; super high-rise buildings.