消防無人機在大跨度、大空間救援場景下的實戰(zhàn)運用探討

摘要：

近年來，各類大跨度、大空間結(jié)構(gòu)建筑滅火救援案例數(shù)量呈現(xiàn)日漸上升的趨勢。該類型建筑因其結(jié)構(gòu)特點，在長時間高溫情況下，極易發(fā)生坍塌，進而造成人員及財產(chǎn)的重大損失。無人機是無人駕駛飛行器（Unmanned Aerial Vehicle）的簡稱，它的核心技術(shù)是無線電遙控技術(shù)，結(jié)合其自備的程序管控裝置，可執(zhí)行特定場景下的非載人飛行任務(wù)。將無人機技術(shù)與大跨度、大空間結(jié)構(gòu)建筑類型災(zāi)害消防滅火救援任務(wù)深入結(jié)合起來，進一步探討消防無人機在大跨度、大空間建筑類型災(zāi)害救援當(dāng)中的應(yīng)用方式，探索和拓展消防無人機在大跨度、大空間建筑類型災(zāi)害救援中的應(yīng)用途徑，以充分發(fā)揮消防無人機滅火救援的重要作用。

關(guān)鍵詞：

大跨度大空間；消防無人機；滅火救援；實戰(zhàn)運用

一、大跨度、大空間建筑的火災(zāi)特點

（一）極易發(fā)生坍塌

大跨度、大空間建筑的整體或局部垮塌是大跨度、大空間建筑火災(zāi)的主要特征，同時也是危及消防救援人員生命安全的最大因素。早期的大型空間結(jié)構(gòu)大多是以輕鋼柱或鋼筋混凝土柱為主要承載構(gòu)件，如果不進行防火保護，在密閉空間中劇烈燃燒溫度達到一定程度超過15分鐘就會坍塌，坍塌形式多為屋頂整體或局部坍塌[1]。近年來，大跨度、大空間建筑改進了承載材料，大多采用鋼結(jié)構(gòu)，這些材料在常溫下的硬度比較高，但在300℃以后，強度就會大幅度降低，到了500℃左右，強度就會降低一半，到了600℃左右，強度基本為0，容易發(fā)生“斜面形”坍塌。

（二）易造成人員傷亡

由于大跨度、大空間結(jié)構(gòu)中易燃物質(zhì)種類繁多，火災(zāi)負(fù)荷較大，建筑物及裝修材料燃燒時會產(chǎn)生大量的有毒、有害氣體，燃燒過程中也會消耗大量的氧氣，對人員的安全造成不利影響。很多廠房或生產(chǎn)區(qū)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型生產(chǎn)廠房都與撤離地點相距較遠，一旦發(fā)生火災(zāi)被困人員很難逃脫。鋼結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)速度很快，內(nèi)部溫度過高時房頂就會崩塌，一旦發(fā)生倒塌，內(nèi)部救援人員很容易被掩埋，造成大量的人員傷亡。

（三）火勢蔓延迅速

針對大跨度、大空間的建筑來說，其構(gòu)件發(fā)生故障倒塌的可能性相對來說比較大，鋼結(jié)構(gòu)建筑坍塌的潛在危險比較多，在火災(zāi)的狀態(tài)下，鋼結(jié)構(gòu)受到破壞，由于空間比較大，結(jié)構(gòu)被破壞之后，火焰失去阻力，其會更快在建筑內(nèi)部蔓延[2]。許多大跨度、大空間建筑由于功能需要，內(nèi)部的易燃物品比較多，內(nèi)部交通條件復(fù)雜，救援容易受到干擾和影響，建筑物的面積比較大，對于供水線路的要求相對來說比較高，建筑內(nèi)部自身的供水系統(tǒng)往往無法有效滿足滅火需求，這樣就進一步加劇了火勢蔓延的速度。

二、消防無人機在大跨度、大空間結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)中的救援應(yīng)用

一般情況下，無人機在其應(yīng)用程序系統(tǒng)方面可以大致劃分為以下三個子系統(tǒng)：地面管控子系統(tǒng)、無人機飛行控制子系統(tǒng)及信息采集子系統(tǒng)。根據(jù)其體型大小、精密程度和應(yīng)用領(lǐng)域的不同，無人機可簡單劃分為軍用無人機及民用無人機[3]。目前，在消防救援領(lǐng)域當(dāng)中，我們應(yīng)用的無人機基本都屬于民用型小型無人機。應(yīng)用此類型無人機執(zhí)行特定消防救援任務(wù)，具有造價成本低、靈活機動性強、對作業(yè)環(huán)境條件要求低、部署速度快等優(yōu)勢。消防無人機在消防救援的實際應(yīng)用當(dāng)中與無線電遙感技術(shù)緊密相關(guān)，主要包括無線電通信、定位、遙感傳感、遙感應(yīng)用等，可執(zhí)行現(xiàn)場偵察、實施滅火戰(zhàn)術(shù)和開展輔助救援等消防救援作戰(zhàn)任務(wù)。

（一）借助消防無人機實施現(xiàn)場偵察

由于大跨度、大空間建筑的多樣化因素，可能造成的災(zāi)害事故現(xiàn)場變化也十分多樣，極容易出現(xiàn)二次災(zāi)害的情況。要想合理避免災(zāi)情出現(xiàn)惡化，節(jié)省最寶貴的救援時間，我們更應(yīng)當(dāng)加快對大跨度、大空間建筑內(nèi)外部環(huán)境變化的實時和直觀情況的掌握。無人機具備的最基本功能是實施拍攝偵察。我們在進行滅火救援期間，可以借助消防無人機對大跨度、大空間建筑內(nèi)外部環(huán)境變化的現(xiàn)場發(fā)展態(tài)勢展開實時監(jiān)測，并及時提供給前方指揮部做好輔助指揮調(diào)度。應(yīng)用消防無人機對現(xiàn)場進行實時監(jiān)測，主要可從以下幾個方面著手。

1.應(yīng)用消防無人機開展可視環(huán)境偵察，直觀展示人眼可觀測的現(xiàn)場環(huán)境。借助搭載變焦高清鏡頭的方式，控制無人機在不同懸停高度與不同拍攝角度進行調(diào)整，能夠從不同角度直觀展示整個現(xiàn)場的細(xì)節(jié)。同時，借助無人機配套的測量高度、長度及智能制圖工具，我們可以實施簡單的應(yīng)急測繪操作，制作實時二維正射圖、災(zāi)前災(zāi)后對比圖和力量部署圖，為輔助現(xiàn)場指揮員決策指揮提供較為直觀的全局化可視技術(shù)支撐[4]。把現(xiàn)場偵察到的圖像接入消防4G單兵圖傳設(shè)備，遠程實時傳輸?shù)胶蠓街笓]中心，后方指揮員按照回傳數(shù)據(jù)可充分了解現(xiàn)場基本情況，并采取更加合理高效的應(yīng)對指揮措施。

2.應(yīng)用消防無人機開展非可視環(huán)境偵察，直觀展示人眼不可見的現(xiàn)場環(huán)境。我們可以通過在消防無人機上搭載夜視相機來偵察夜間和其他光線不明的環(huán)境；可以應(yīng)用消防無人機搭載熱成像儀，探測能見度較低或掩蓋物覆蓋的災(zāi)害現(xiàn)場，及時鎖定高溫點位，定點實施處置，避免已撲滅的和不易察覺的高溫點位發(fā)生復(fù)燃。

3.應(yīng)用消防無人機進行遙感偵察，直觀展示全局環(huán)境。在無人機中安裝合適的遙感相機，再根據(jù)對火災(zāi)現(xiàn)場進行航拍的實際情況，持續(xù)性借助相關(guān)計算機軟件獲取現(xiàn)場具體情況；多樣化借助信息化技術(shù)對現(xiàn)場場景進行三維建模，構(gòu)建相對應(yīng)的虛擬場景，對火災(zāi)情況進行真實的模擬，在模型上添加火災(zāi)特效[5]，并根據(jù)GPS定位信息，定位火災(zāi)發(fā)生位置，結(jié)合GIS強大的空間分析功能和高效的算法，在較短時間內(nèi)計算出最短路徑和最佳路徑，通過分析火災(zāi)發(fā)生地周邊的環(huán)境進行消防車配比，指定多條路徑供消防救援指揮員選擇。消防救援指揮員可根據(jù)火災(zāi)地的地形和環(huán)境選擇最短路徑以及消防車停車位置，根據(jù)停車位置的面積大小以及消防車進出的難易程度科學(xué)分配出警車輛，合理分配應(yīng)急資源，從而更加高效地對火災(zāi)具體情況與損失進行評估。要重點掌握災(zāi)情發(fā)展趨勢，給災(zāi)后重建工作提供技術(shù)支撐，通過可視化的“上帝視角”，給各項工作的開展提供必要保障。

（二）運用消防無人機實施滅火戰(zhàn)術(shù)

按照傳統(tǒng)的滅火技戰(zhàn)術(shù)裝備作戰(zhàn)，將無人機應(yīng)用到大跨度、大空間滅火領(lǐng)域并不能收到較好的成效，無人機不但不能單獨攜帶充足的滅火劑，也不能實施長期持續(xù)性的滅火劑噴射工作。需要拓展應(yīng)用思路，發(fā)揚長處，全面應(yīng)用無人機的典型優(yōu)勢，彌補傳統(tǒng)技戰(zhàn)術(shù)裝備在滅火戰(zhàn)斗中的缺點，達到優(yōu)勢互補[6]。

1．掛載滅火彈進行滅火。在地面人員操作下，將無人機作為載體，攜帶滅火彈，通過瞄準(zhǔn)系統(tǒng)控制滅火彈，快速進行高空投放或發(fā)射滅火彈，直擊火源深處，準(zhǔn)確命中火場著火點。目前，市面上已有相關(guān)成熟的無人機智能滅火系統(tǒng)，只要將滅火彈安裝到無人機載具上，系統(tǒng)可以自動檢測到滅火彈的識別碼和地面操控系統(tǒng)的匹配程度，符合一致就能夠順利運行。滅火彈在獲得授權(quán)后一直待命，在操作人員操控至預(yù)定火災(zāi)現(xiàn)場時，就可以借助瞄準(zhǔn)發(fā)控系統(tǒng)進行瞄準(zhǔn)，再發(fā)出發(fā)射指令，滅火彈就能夠飛行到目標(biāo)位置，引爆滅火彈，滅火劑飛散將火撲滅。消防無人機掛載智能滅火彈是新型的遠距滅火裝置，一定條件下可適用于大空間、大跨度建筑火災(zāi)現(xiàn)場或消防救援人員難以近距離接觸以及存在巨大不可預(yù)知風(fēng)險的大型災(zāi)害現(xiàn)場，極大限度保護消防救援人員及受災(zāi)人員生命安全，高效快速控制災(zāi)情。

2.掛載水帶和水箱進行滅火。一般而言，運用無人機掛載水帶和水箱進行滅火的優(yōu)勢在于可機動抵達不便于滅火救援力量部署和位置較高的作業(yè)點，可形成一定時間內(nèi)的持續(xù)性滅火劑噴射作業(yè)。缺點是無人機在動力方面的制約，無法形成長時間和大口徑水帶或大容量水箱的掛載作戰(zhàn)。同時，在大跨度、大空間建筑類型火災(zāi)中，對滅火力量部署的高度需求沒有高層建筑類型火災(zāi)的需求大，應(yīng)用消防無人機掛載水帶進行大跨度、大空間建筑類型火災(zāi)滅火的實戰(zhàn)案例基本沒有出現(xiàn)過。

（三）運用消防無人機開展輔助救援作業(yè)

可以在無人機的掛載模塊上搭載照明、廣播、氣體檢測、通信基站等不同功能的輔助裝置，為滅火救援作戰(zhàn)提供強大的輔助支撐[7]。

1.夜間照明。災(zāi)害事故并沒有規(guī)律的出現(xiàn)時間，要是在光源不充足的夜間發(fā)生，無法達到充分的救援行動實施條件，我們可應(yīng)用消防無人機輔助進行現(xiàn)場高空照明。通常為了解決續(xù)航時長受限的問題，我們一般選用在系留型無人機上掛載照明模塊，如此一來便可實現(xiàn)長時間高空照明，為夜間救援行動的正常開展提供必要的照明條件。

2.空中喊話。通過在消防無人機上搭載廣播模塊，我們可以實現(xiàn)對一些不可達或難以到達、較遠距離、較大區(qū)域范圍的喊話功能，以安撫被困人員，避免出現(xiàn)慌亂情況，提醒其注意自身安全，引導(dǎo)被困人員積極配合開展自救，同時可協(xié)助災(zāi)害現(xiàn)場維持秩序和進行安全疏散。

3.有毒氣體探測。通過掛載有毒氣體檢測儀來檢測和判斷災(zāi)害現(xiàn)場是否存在有毒氣體及種類。

4.通信保障。在目前的消防滅火救援作戰(zhàn)任務(wù)當(dāng)中，依托運營商公共網(wǎng)絡(luò)建立通信指揮體系是一個重要方面。然而，在大型的災(zāi)害事故當(dāng)中，如到場人員較多，運營商公共網(wǎng)絡(luò)往往出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況，這種情況下，我們主要依托消防指揮信息專網(wǎng)來構(gòu)建消防指揮通信體系。目前，在一些實戰(zhàn)案例當(dāng)中，我們已經(jīng)通過在消防無人機上掛載各類寬窄帶通信基站，實現(xiàn)了對整個災(zāi)害區(qū)域的圖像和語音通信覆蓋，構(gòu)建了比較穩(wěn)定的消防滅火救援通信指揮體系。要是現(xiàn)場符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條件，還可以通過車載移動設(shè)備，為無人機臨時搭建更加平穩(wěn)、可靠的通信基站，保障現(xiàn)場指揮員能夠更加合理地調(diào)整現(xiàn)場力量部署，增強整個火場的滅火救援能力。

（四）消防無人機實戰(zhàn)化運用的遠期構(gòu)想

就目前而言，消防無人機在滅火救援實戰(zhàn)化中的運用還處于起步階段，消防無人機的實戰(zhàn)化調(diào)派機制、作戰(zhàn)流程規(guī)范、無人機駕駛員培養(yǎng)、無人機應(yīng)用研究等方面還有待進一步完善。消防無人機的實戰(zhàn)化應(yīng)用作為航空應(yīng)急救援的一個重要組成部分，其相應(yīng)的救援處理能力、技術(shù)裝備能力、制度等各個流程都還存在著許多風(fēng)險和需要改進的地方。因此，為了能夠持續(xù)處理好各種典型的災(zāi)害事故，消防無人機還需要承受大量的高風(fēng)險環(huán)境考驗。在改裝民用無人機平臺時，消防專用無人機平臺能夠發(fā)揮的作用更多。因此，必須持續(xù)性開發(fā)多樣化的消防專用無人機設(shè)備與多機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)。例如，對大型車輛事故現(xiàn)場進行救援期間，現(xiàn)場潛藏著許多重大危險源，搭載具有協(xié)同作戰(zhàn)能力的消防無人機設(shè)備不僅能夠處理好外圍廣播的疏散任務(wù)，進一步提升消防無人機的智能化水平，還可以有效關(guān)聯(lián)無人機與人工智能、GIS地理信息系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)等，通過無人機能夠?qū)崿F(xiàn)實時播報災(zāi)害事故現(xiàn)場情況，利用各種信息化技術(shù)協(xié)助指揮員進行決策。同時，合理應(yīng)用固態(tài)電池、石墨烯電池等新型電池技術(shù)、小型核聚變裝置等先進的能源技術(shù)，主動結(jié)合先進動力源設(shè)備和無人機平臺，實現(xiàn)無人機長時間續(xù)航的目的[8]。除此之外，只要設(shè)置好信號中繼站，利用增強信號抗干擾能力與量子通信技術(shù)等方式，進一步對無人機的遙控距離進行延伸，通過遠程可操作的消防無人機應(yīng)用管理平臺，實施跨區(qū)域無人機救援行動。

結(jié)語

綜上所述，大跨度、大空間建筑火災(zāi)具有火災(zāi)荷載大、蔓延途徑多、火勢蔓延快、燃燒猛烈、濃煙高溫聚集、建筑易倒塌等特點，處置難度大，技術(shù)要求高，消防無人機在處置此種類型災(zāi)害時可以從現(xiàn)場偵察、滅火戰(zhàn)術(shù)、輔助救援等方面實施作業(yè)。除此之外，還要結(jié)合實戰(zhàn)需求和未來高新技術(shù)的引入，加強消防無人機救援業(yè)務(wù)的研究和拓展，進一步提升消防無人機的救援能力和滅火救援實戰(zhàn)效能。

參考文獻

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作者簡介：

張志輝（1986- ），男，漢族，湖南湘鄉(xiāng)人，工學(xué)學(xué)士，中級專業(yè)技術(shù)職務(wù)，研究方向：消防應(yīng)急通信。