基于CMF的高層消防無人機設計研究

王曉娜 王澤陽 孫赫

摘要：近年來，隨著我國城市建設規模的快速擴張，城市中心街區的建筑日漸朝著高層、大型化、多功能、地下化的方向發展。同時新興的建筑材料與技術不斷更新升級，雖然為城市中的居民提供了更好的工作和辦公場所，但是高層建筑消防和滅火等工作愈加困難。針對高層消防問題，文章運用CMF設計方法設計以無人機為載體、以動態消防炮為噴射裝置的消防無人機。滅火的高效性和人員的安全性是本次設計的主要考慮因素，基于本次設計的主要目的，充分分析高層建筑消防救援的主要問題，旨在設計出一款能夠在消防救援中發揮巨大作用的高層建筑消防產品。

關鍵詞：CMF；高層建筑；消防；無人機

中圖分類號：TU998.1 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2022）20-0-04

0 引言

高層建筑內部存在裝飾材料可燃物較多、內部結構復雜、人員聚集及疏散逃生等專業技術知識普及率較低等問題，而高層建筑外部道路資源短缺、空間有限且往往被其他資源占用，一旦高層建筑發生火災，不能及時進行撲救，將會對整個社會與居民的生命安全造成巨大損失。目前高層建筑的火災撲救工作已成為一個具有社會意義的難題。高層建筑主要是指建筑高度大于27米的住宅建筑和建筑高度大于24米的非單層廠房、倉庫和其他民用建筑。隨著現代經濟社會的進步，我國各類城市中高層建筑的數量不斷增多，這在很大程度上增強了火災的危險性。

1 CMF設計概念

CMF是指色彩、材料和表面處理工藝，是工業設計中必不可少的流程。CMF設計是一種結合了材料學、設計學、心理學等多個領域的新興專業學科，專注于產品色彩的搭配和確定、材料的選取與應用、表面裝飾與工藝，以此來支持產品的功能屬性與情感屬性。它是一個與產品的物理和技術設計并行的整體設計過程，只有將產品功能與視覺美感進行結合，才能創造絕佳的用戶體驗。

1.1 色彩

產品的色彩能夠給用戶帶來最直觀的感受，顧客對商業產品形成看法大約需要90秒，90%的視覺時間直接受到色彩變化的影響。色彩是任何一個設計師的許多工具中不可缺少的表達手段，涵蓋了色彩的心理。它是設計中影響用戶情感和視覺能力的主要因素，包括外在感受和內在感受，即色彩具有物理和心理兩種屬性。色彩給人的外在感受是指顏色的色相、明度和純度，使人直觀地感受到產品的空間感，色彩的冷暖、興奮與溫和等不同的情感語義則給人帶來不同的心理感受。

1.2 表面處理工藝

表面工藝的處理是CMF設計中必不可少的一個環節，產品表面的色澤、紋理賦予了產品質感，呈現出工藝與美學并行的設計感。

1.3 材質

產品的材質是色彩與表面處理工藝的載體，材質的選取不僅要符合產品設計的理念，而且與色彩和表面工藝進行搭配會使產品更有視覺沖擊力。

2 消防救援產品現狀

隨著科學技術的發展，現代的消防設備已經有了長足的進步，但大部分消防裝備還處于開發和試驗階段，尚未移交給消防部門。現有新型消防設備總結為以下三種。

2.1 高壓消防炮滅火系統

載有高壓水炮的消防車（見圖1）具有裝載量大的優點，可以在不進入火場的情況下在外圍進行滅火，但它的極限消防高度不足50米，面對高于15層的建筑無法有效滅火。

2.2 消防直升機

消防直升機（見圖2）具有機動性強、裝載量大等特征。除了可以進行消防作業外，消防直升機還可以迅速向現場運送救援人員和救援物資。消防直升機除了可以作為上空的消防裝置之外，還可以作為國防部隊裝備，應用于反恐行動、鎮壓犯罪集團和掩護部隊人員力量等。

2.3 四旋翼消防無人機

四旋翼消防無人機（見圖3）具有機動性強、安全性強等特點。四旋翼消防無人機通常裝備15～25公斤的藥物，飛行高度最大可達3000米，7級強風以下平穩飛行時間可以保持45分鐘以上。所持的滅火藥大約30秒就可以熄滅100立方米左右的大火。四旋翼消防無人機可以在早期及后期監控、控制高樓大廈初期、中期的火災狀況并迅速撲滅，但火勢較大的情況下它的消防效果明顯不足［1］。

3 消防問題概述

3.1 目前高層建筑消防存在的問題

雖然如今固定消防系統不斷更新迭代，但其發展速度遠遠落后于城市化進程和高水平消防救援工作的需要。同時，高層建筑中有許多固定設施，而完好率不高，直接導致消防救援隊伍無法了解建筑物內部的具體情況，無法充分利用現有的固定結構發揮更好的效果。雖然大部分城市的高層建筑都設置了火災自動報警系統、噴淋系統等自動消防設施，但由于完好率不高、操作人員水平有限，在現實操作中很難達到預期的效果，甚至影響消防救援隊伍的滅火消防救援工作，增加火災的危險性及損失［2］。

3.2 防火滅火的基本原理及主要措施

我國的消防工作可以分為“消”和“防”，這也是實施消防安全措施的重要手段。“防”是“消”的前提，“消”（見表1）為“防”（見表2）的發展提供了附加條件。

4 CMF無人機設計過程

4.1 設計構思

隨著科技的進步，人類自古就有的“征服天空”的精神被貫徹到建筑學上。自摩天大樓誕生以來，人類就在努力與其斗爭。但隨著樓層的提高，傳統滅火手段的效果逐漸減弱，常見的云梯車受到結構、通行性等方面的阻礙，無法跟上高樓“增高”的步伐。傳統的消防水管受到水管長度、水壓的限制，而樓內自備的消防系統在火災來臨時往往效果有限［3］。

無人機不需要人類親自駕駛，規避了大多直升機需要顧忌的危險，而且無人機靈活小巧的身軀更容易貼近高樓，乃至從窗口深入火場，提高滅火效率。就反應速度、通過性、出動效率來看，無人機在現今高樓消防中是一個較好的選擇。

4.2 CMF在高層消防無人機中的應用

CMF作為工業設計過程中不可或缺的一部分，已在各個領域得到應用，產品的設計離不開色彩、材料、表面工藝的處理，但是在消防無人機領域經過CMF系統設計的產品較少［4］。

4.2.1 無人機色彩

消防裝備都是以鮮艷的紅色為主色，例如消防車、消防栓、滅火器等，黃色則作為輔色。這是因為紅色最為顯眼，能在非常遠的距離辨認出來，而且穿透力強，在煙霧中也能被人們看見，黃色作為輔色是因為它有極強的反光性，在火災中比較容易辨認。但對進入高層建筑的消防無人機來說，紅色的警示作用顯得有些力不從心，火場中的火焰會掩蓋無人機的紅色，導致其辨識度降低。再加上樓道里沒有燈光的昏暗環境，紅色與火焰顏色極為接近，對受困人員的引導性不強，并且在這種環境中，受困人員由于求生心理，看見與火焰顏色相近的紅色會產生恐懼情緒，這會對救援產生消極影響。消防無人機在高層建筑消防救援中的應用，產品應該給人一種冷靜、安全的感覺，同時還應起到一定的警示作用，因此無人機最終采用白色與紅色相間的配色。具體色彩表達效果見圖3。

4.2.2 無人機材質與表面處理工藝

材質的選用對于消防無人機來說至關重要，機身材料要具有質量輕、強度高、耐火耐高溫、防水的特性。在火場中，輕便的機身可以使其攜帶更多的滅火材料，提高滅火的效率，復雜的火場環境中堅硬的外殼能保護無人機內部的復雜零部件及線路；合適的材料選用能確保無人機在高溫環境中正常作業，增強無人機的耐火性和防水性，延長無人機的使用壽命，降低成本。傳統的材料是無法同時具有這些特性的，只有采用新型復合材料才能同時滿足輕便、強度高、耐火性、防水性等要求。

碳纖維復合材料可以很好地滿足消防無人機的性能需求，它的核心是碳纖維，用它制作無人機機身可以確保無人機在高溫環境中仍能維持正常形態并保護內部零件不受到損傷，具有較強的耐腐蝕性和耐高溫性，在火場環境中能很好地抵消熱膨脹效應對機身的破壞，這種材料還兼具輕便和堅硬的特性，能攜帶更多的滅火材料。

在惡劣的火場環境中，表面處理工藝會直接影響無人機的使用壽命，其最方便有效的方式是在表面鍍覆涂層，在消防無人機表面噴涂一層阻熱膜能減緩高溫對機身的灼燒，使無人機作業時間更長、效率更高。

4.2.3 無人機旋翼選擇

多旋翼飛機的穩定性排序是八旋翼＞六旋翼＞四旋翼，其原因很容易解釋。對于具有一定機動性特性的飛機而言，參與控制的部件數量越多，就越容易獲得良好的控制效果，但是，旋翼數量的增加會對飛機的幾何結構產生負面影響，因為旋翼數量越多，每個旋翼之間的距離就會減小，一個旋翼在四個軸向面上每隔90°放置一個轉子，在六個軸向面上每隔60°放置一個轉子，在八個軸向面上每隔45°放置一個轉子，假設在相同的牽引力下，多個轉子的總面積是相同的，很容易獲得不同結構的轉子直徑（見表4）。

同樣，多旋翼無人機旋翼的旋轉位置在設計時不能相互干預。因此很容易求出幾個結構形態中旋翼的中心點距無人機飛行器的幾何中心點的距離（見表5）。

隨著旋翼結構直徑的減少，旋翼中心和飛行器中心的距離增長得更快。因此，旋翼的數量越多，飛行器的規模和尺寸就可能會做得越大［5］。

考慮到無人機在高層建筑的復雜環境中的靈活性和高效性，最終選擇四旋翼飛行器作為設計方案。

4.3 設計實踐

采用四旋翼結構，機身呈流線型，體積較小，能夠在復雜環境中靈活飛行；機身下方的消防噴口對火源進行精確滅火（見圖4）。

起初一般都是用水滅火，但是水的滅火原理是通過冷卻來滅火。中大型火災中，用水滅火的效果不佳。消防泡沫液除了降低溫度滅火外，最大的效果是覆蓋可燃物表面，隔絕火源與空氣，滅火速度快、效果好。因此，消防無人機使用消防泡沫液作為滅火劑。滅火劑儲存在兩側的水箱中，中間接口可與消防車水箱相連，保證在消防作業時不會中斷（見圖5）。

環包式外殼能保護扇葉不會在復雜環境中被損壞，另外，環包式的設計能夠使旋翼旋轉產生的氣流保持相對穩定，確保飛行中無人機的穩定性和準確性（見圖6）。

消防水炮炮身與噴嘴連接處有一個消防水炮穩流器，起到穩流的作用，確保對火源噴射消防液時能保持穩定的狀態（見圖7）。

5 結語

文章結合了高層火災的特點和消防系統的發展狀況，基于CMF設計這款高層消防無人機，用于火災緊急救援，該裝置實現了在高層建筑對火源的有效控制，降低了救援難度，降低了消防員和被困人員遇到危險的概率，減少人員傷亡和財產損失。

參考文獻：

［1］ 祝智強.無人直升機機載滅火裝置的研究與設計［D］.長春：吉林大學，2020.

［2］ 鄭金松，谷海紅.無人機在高層消防滅火救援中的應用分析［J］.石河子科技，2021（2）：33-35.

［3］ 羅彥鵬.無人機在消防滅火救援工作中的運用［J］.中國科技信息，2019（13）：56，58.

［4］ 史耀軍，周慧，王新宇.基于CMF的火災救援無人機研究［J］.設計，2020，33（20）：106-108.

［5］ 錢明樓.基于飽和方法的四旋翼攜帶載荷系統的控制研究［D］.南京：南京郵電大學，2019.

作者簡介：王曉娜（1979—），女，河北石家莊人，碩士，講師，研究方向：產品創新設計。

王澤陽（1998—），男，山東濰坊人，碩士在讀，研究方

向：產品設計。

孫赫（1998—），男，山東濰坊人，碩士在讀，研究方向：產品設計。