高層建筑物穿越滅火無(wú)人機(jī)的應(yīng)用研究

摘要：

近年來(lái)，雖然科技發(fā)展迅速，但高層建筑的火災(zāi)救援仍然是世界性難題。傳統(tǒng)救援設(shè)備在建筑群內(nèi)通過(guò)性差，準(zhǔn)備和展開(kāi)時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)常出現(xiàn)“進(jìn)不去”“展不開(kāi)”“夠不著”等問(wèn)題。因此，有必要探索以無(wú)人機(jī)為載體并搭載滅火彈的新型消防模式。一旦發(fā)生火災(zāi)，無(wú)人機(jī)迅速飛往火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)窗戶(hù)或空隙飛入室內(nèi)尋找火源，將滅火彈投放到著火位置，達(dá)到滅火、延緩火勢(shì)的目的，為地面消防車(chē)和人員贏得救援時(shí)間。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；滅火彈；延緩火勢(shì)

作者簡(jiǎn)介：

鮑樹(shù)國(guó)（1982— ），男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，本科，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、無(wú)人機(jī)應(yīng)用。

項(xiàng)目名稱(chēng)：

內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市2024—2025年度自然科學(xué)科研課題《高層建筑物穿越滅火無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研究》（項(xiàng)目編號(hào)：SZR24023）。

一、高層建筑物消防背景

隨著城市化進(jìn)程的加快和高層建筑數(shù)量的不斷增加，高層建筑火災(zāi)成為城市安全的重大隱患。傳統(tǒng)的消防車(chē)+云梯車(chē)的救援模式存在不足，大型消防、云梯設(shè)備價(jià)格昂貴，配置數(shù)量少；高空作業(yè)穩(wěn)定性不足，晃動(dòng)大；設(shè)備維護(hù)成本巨大；救援設(shè)備在建筑群內(nèi)部通過(guò)性差，經(jīng)常出現(xiàn)“進(jìn)不去”“展不開(kāi)”“夠不著”等問(wèn)題。因此，探索新型消防模式，如消防無(wú)人機(jī)，顯得尤為迫切和必要。

二、高層建筑物消防現(xiàn)狀

（一）高層建筑消防安全問(wèn)題

高層建筑內(nèi)部存在大量的豎向管井（如樓梯間、電梯井、管道井等），這些管井在火災(zāi)發(fā)生時(shí)容易形成“煙囪效應(yīng)”，加速火勢(shì)和煙氣蔓延。例如，100m高的建筑，煙霧可以在30s左右到達(dá)頂層。在沒(méi)有阻礙的情況下，強(qiáng)烈燃燒階段的煙氣在樓梯或豎井中的擴(kuò)散速度為3m/s—4m/s。在高溫條件下，由熱對(duì)流引起的煙氣向水平方向擴(kuò)散的速度為0.5m/s—0.8m/s，火災(zāi)的蔓延速度相應(yīng)增加。建筑越高，風(fēng)速越大，30m高度的風(fēng)速為8.7m/s，60m高度的風(fēng)速為12.3m/s，90m高度的風(fēng)速為15m/s，因此高層建筑火災(zāi)中火勢(shì)蔓延速度極快。

（二）人員疏散困難

高層建筑樓層多，垂直疏散距離長(zhǎng)，人員密集。在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，無(wú)法使用電梯，人員只能通過(guò)樓梯疏散，這大大增加了疏散的難度和時(shí)間。同時(shí)，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣和有毒氣體會(huì)對(duì)人體健康造成威脅，進(jìn)一步加劇了疏散的難度。

（三）火災(zāi)撲救難度大

高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，火勢(shì)和煙氣主要通過(guò)建筑豎井向外擴(kuò)散，內(nèi)部樓梯結(jié)構(gòu)、垃圾豎井與電梯豎井都是火勢(shì)快速蔓延的重要通道。當(dāng)前，高層建筑火災(zāi)撲救主要依賴(lài)室內(nèi)消防給水設(shè)施和消防電梯。然而，一些高層建筑并未配備完善的消防設(shè)施或消防電梯，導(dǎo)致消防人員在撲救過(guò)程中面臨諸多困難。此外，高層建筑外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也給消防車(chē)輛和設(shè)備的接近和操作帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

（四）消防無(wú)人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)消防領(lǐng)域，雖然無(wú)人機(jī)的應(yīng)用還處于起步階段，但無(wú)人機(jī)憑借其靈活性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性高、可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)勢(shì)，在高層建筑火災(zāi)中展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。消防無(wú)人機(jī)滅火方式主要有三種，即機(jī)降滅火、索降滅火和吊桶滅火。三種滅火方法主要針對(duì)空曠場(chǎng)地的火情，無(wú)法進(jìn)入密集型高層建筑內(nèi)部滅火。此外，機(jī)體懸掛滅火器或直接拖拽消防水管的方式也存在諸多問(wèn)題，如滅火器體積小、滅火效果有限、水管在風(fēng)力作用下?lián)u晃幅度大、飛行穩(wěn)定性差等。這些問(wèn)題都限制了無(wú)人機(jī)在高層建筑滅火救援中的應(yīng)用。

三、穿越滅火無(wú)人機(jī)在高層建筑物消防中的優(yōu)勢(shì)

（一）快速響應(yīng)與高效部署

1.快速起飛與到達(dá)

無(wú)人機(jī)以其獨(dú)特的垂直起降能力與卓越的飛行速度，能夠迅速飛抵火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，避免了傳統(tǒng)偵察方式需要耗費(fèi)大量時(shí)間、人力和物力的問(wèn)題。在接收到火警信號(hào)的瞬間即可啟動(dòng)升空程序，實(shí)現(xiàn)即刻起飛，快速到達(dá)火源地，有效偵察和控制火勢(shì)，為火情控制贏得了寶貴時(shí)間，將火災(zāi)損失降至最低。

2.靈活部署

消防無(wú)人機(jī)可以配備預(yù)先規(guī)劃航線(xiàn)功能模塊和智能調(diào)度系統(tǒng)，確保在收到火警指令后，能夠迅速選定最優(yōu)路徑，直抵火場(chǎng)核心區(qū)域。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)徹底規(guī)避了地面交通擁堵的瓶頸與復(fù)雜地形的限制，實(shí)現(xiàn)了救援力量的超高速部署，不僅提升了滅火救援的時(shí)效性，更在關(guān)鍵時(shí)刻為控制火勢(shì)、減少損失贏得了寶貴時(shí)間。

（二）精準(zhǔn)定位與滅火

1.高清監(jiān)控與實(shí)時(shí)傳輸

火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)比較大，尤其是人員較為密集的場(chǎng)所，如果消防人員在不了解火災(zāi)的情況下就開(kāi)展滅火救援工作，很容易出現(xiàn)處置不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，會(huì)在一定程度上加劇火災(zāi)事故所造成的危害。消防無(wú)人機(jī)可以搭載高清攝像頭、紅外傳感器等偵察設(shè)備，實(shí)時(shí)回傳火場(chǎng)圖像，為后方指揮人員提供全方位的火場(chǎng)信息，有助于精準(zhǔn)定位火源位置和判斷火勢(shì)蔓延趨勢(shì)，為滅火決策提供有力支持。

2.精準(zhǔn)滅火

無(wú)人機(jī)作為現(xiàn)代消防科技的杰出代表，可攜帶多樣化的滅火設(shè)備直抵火源前線(xiàn)，如無(wú)人機(jī)裝備水箱、干粉滅火器等滅火裝置后，為滅火救援行動(dòng)提供了強(qiáng)有力的支持。同時(shí)，無(wú)人機(jī)可以精準(zhǔn)投放滅火劑，迅速控制火勢(shì)蔓延，提高滅火效率。

（三）減少人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)

1.遠(yuǎn)程操控

無(wú)人機(jī)滅火作業(yè)可以通過(guò)遠(yuǎn)程操控實(shí)現(xiàn)。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，高溫、濃煙、有毒氣體等危險(xiǎn)因素時(shí)刻威脅救援人員的生命安全。無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程操控功能，讓消防人員能夠在遠(yuǎn)離火場(chǎng)的安全地帶，通過(guò)先進(jìn)的操控系統(tǒng)，向無(wú)人機(jī)發(fā)出指令，迅速調(diào)整其飛行姿態(tài)和滅火方式，應(yīng)對(duì)不同的火情挑戰(zhàn)，保障了消防人員的生命安全。

2.安全評(píng)估

無(wú)人機(jī)可以將火場(chǎng)信息及時(shí)回傳給消防人員，消防人員根據(jù)火勢(shì)的實(shí)際情況，合理調(diào)配救援力量與資源，選擇最優(yōu)滅火策略與戰(zhàn)術(shù)。這種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策方式，不僅提高了滅火救援的精確性和效率，還最大程度地保障了消防人員的生命安全，保證了消防任務(wù)的順利完成。

（四）適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境

1.穿越能力

無(wú)人機(jī)具備較強(qiáng)的穿越能力，可以輕松穿越高層建筑群及建筑物內(nèi)部空間，到達(dá)消防人員難以接近的火源區(qū)域進(jìn)行滅火作業(yè)。

2.適應(yīng)性強(qiáng)

無(wú)人機(jī)可以根據(jù)不同任務(wù)需求，搭載多種傳感器和設(shè)備，具備強(qiáng)大的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。這種靈活性使得無(wú)人機(jī)在應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜火情時(shí)都能發(fā)揮關(guān)鍵作用。

四、穿越滅火無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成與工作原理

（一）無(wú)人機(jī)平臺(tái)

1.平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮高層建筑的復(fù)雜環(huán)境，包括作業(yè)特性與環(huán)境要求。采用多旋翼或固定翼設(shè)計(jì)，是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的有效策略。其中，多旋翼無(wú)人機(jī)以其獨(dú)特的垂直起降能力、空中懸停功能以及高度機(jī)動(dòng)性，在高層建筑滅火任務(wù)中展現(xiàn)出非凡的優(yōu)勢(shì)。

2.動(dòng)力系統(tǒng)

在制造專(zhuān)為高層建筑滅火設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)時(shí)，研發(fā)人員選用了開(kāi)源飛控作為控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用開(kāi)源飛控強(qiáng)大的計(jì)算能力、穩(wěn)定的飛行算法以及豐富的功能擴(kuò)展性，為無(wú)人機(jī)提供了精準(zhǔn)、可靠的飛行控制。結(jié)合一體式電調(diào)的高效能量轉(zhuǎn)換、精細(xì)電流調(diào)節(jié)以及22系列電機(jī)的高扭矩輸出與卓越響應(yīng)速度，無(wú)人機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。

為了進(jìn)一步優(yōu)化飛行性能與負(fù)載能力，無(wú)人機(jī)配備了5寸—7寸三葉槳。這種槳葉設(shè)計(jì)不僅為無(wú)人機(jī)提供了充足的升力與推力，還確保了無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中的穩(wěn)定性與操控性。同時(shí)，三葉槳的輕量化與高效氣動(dòng)特性也有助于提升無(wú)人機(jī)的整體續(xù)航能力。在能源供應(yīng)方面，選用了1550mah6s—2600mah6s聚合物鋰電池。這款電池以其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及優(yōu)秀的放電性能為無(wú)人機(jī)提供了長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的作業(yè)能力，還確保了無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度的滅火任務(wù)中能夠持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.圖像傳輸系統(tǒng)

在高層建筑滅火等復(fù)雜作業(yè)環(huán)境中，無(wú)人機(jī)與地面控制站之間通信的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此，研發(fā)人員選用了抗干擾能力強(qiáng)的模擬圖傳系統(tǒng)。這種模擬圖傳技術(shù)采用了優(yōu)化信號(hào)調(diào)制與解調(diào)算法以及先進(jìn)的抗干擾策略，能夠在復(fù)雜環(huán)境中保持穩(wěn)定的圖像傳輸，確保地面控制站能夠?qū)崟r(shí)接收到無(wú)人機(jī)傳回的火場(chǎng)畫(huà)面。同時(shí)，無(wú)人機(jī)采用了高清攝像機(jī)或紅外熱成像技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像與視頻傳輸，使消防指揮人員能夠及時(shí)掌握火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的火災(zāi)情況，如火災(zāi)蔓延程度、建筑結(jié)構(gòu)等，從而捕捉火場(chǎng)的溫度分布與火源位置。先進(jìn)的成像技術(shù)顯著提升了無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的偵察能力，為后方指揮人員提供了更加全面、準(zhǔn)確的火場(chǎng)信息。

（二）滅火裝置

在高層建筑滅火任務(wù)中，時(shí)間就是生命，每一秒的延誤都可能加劇火勢(shì)蔓延和人員傷亡。因此，亟須研發(fā)一種能夠快速、有效地控制火源的滅火裝備，消防人員選裝了水基滅火彈。

水基滅火彈通過(guò)泵或加壓裝置給水施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ俳?jīng)過(guò)專(zhuān)用噴頭使壓力水成為50μm—200μm的細(xì)水霧，直接作用于火焰，進(jìn)行滅火，同時(shí)水基滅火彈還是一款高效、環(huán)保的滅火利器。

（三）監(jiān)控與通信系統(tǒng)

1.高清攝像頭與熱成像儀

高清攝像頭和熱成像儀的結(jié)合為無(wú)人機(jī)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中提供了無(wú)與倫比的全天候、全方位感知能力。這種組合不僅增強(qiáng)了無(wú)人機(jī)對(duì)火情的感知能力，還提高了火災(zāi)應(yīng)對(duì)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。高清攝像頭具有高分辨率和優(yōu)異的圖像質(zhì)量，能夠清晰地捕捉火場(chǎng)的視覺(jué)畫(huà)面。在日間，它可以詳細(xì)記錄火焰的顏色、形狀、蔓延方向以及火場(chǎng)周邊的環(huán)境情況，為地面控制站提供直觀(guān)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)信息。這些信息對(duì)于快速評(píng)估火勢(shì)、判斷火源位置以及制定滅火策略至關(guān)重要。熱成像儀通過(guò)紅外相機(jī)內(nèi)的傳感器監(jiān)測(cè)當(dāng)前畫(huà)面的熱輻射，對(duì)不同熱輻射區(qū)塊設(shè)定不同的顏色值，以便快速、準(zhǔn)確地定位源頭。這種能力對(duì)于預(yù)防火災(zāi)復(fù)燃、發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)區(qū)域以及評(píng)估火場(chǎng)內(nèi)部的溫度分布具有重要意義。將高清攝像頭和熱成像儀結(jié)合，無(wú)人機(jī)可以充分利用兩者的優(yōu)勢(shì)，形成互補(bǔ)效應(yīng)。在火災(zāi)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，高清攝像頭提供直觀(guān)的視覺(jué)畫(huà)面，幫助人員快速了解火場(chǎng)情況；熱成像儀通過(guò)穿透煙霧和火焰，發(fā)現(xiàn)潛在的火源或熱點(diǎn)，為滅火行動(dòng)提供更全面的信息支持。

2.實(shí)時(shí)通信設(shè)備

實(shí)時(shí)通信設(shè)備在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，尤其是在與地面控制站進(jìn)行低延時(shí)通信時(shí)。這些設(shè)備不僅要求數(shù)據(jù)傳輸速度快，還需要具備高度的穩(wěn)定性和可靠性，以確保在復(fù)雜多變的火場(chǎng)環(huán)境中，無(wú)人機(jī)能夠?qū)崟r(shí)接收并執(zhí)行指令，同時(shí)將火場(chǎng)信息準(zhǔn)確無(wú)誤地傳回地面。高速數(shù)據(jù)傳輸：無(wú)人機(jī)采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，如5G、Wi-Fi6或?qū)Ｓ妙l段通信，可支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸，確保了無(wú)人機(jī)拍攝的高清視頻、熱成像圖像以及傳感器數(shù)據(jù)能夠迅速傳回地面控制站，供決策者實(shí)時(shí)分析。低延時(shí)性能：為了支持實(shí)時(shí)控制和決策，通信設(shè)備必須具有極低的傳輸延時(shí)，確保了對(duì)無(wú)人機(jī)操作的精確控制和對(duì)火場(chǎng)情況的迅速響應(yīng)。抗干擾能力強(qiáng)：火場(chǎng)環(huán)境中可能存在各種電磁干擾源，無(wú)人機(jī)需要具備強(qiáng)大的抗干擾能力，才能在這些復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性和可靠性。

（四）控制系統(tǒng)

1.信號(hào)中繼器

針對(duì)高層建筑物內(nèi)圖傳和遙控信號(hào)易受干擾的問(wèn)題，系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了掛載信號(hào)中繼器的無(wú)人機(jī)進(jìn)行信號(hào)中繼。這一創(chuàng)新設(shè)計(jì)有效解決了信號(hào)衰減和遮擋問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了低延時(shí)、精準(zhǔn)操控。

2.智能調(diào)度與決策

控制系統(tǒng)還可集成智能算法，對(duì)火場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，為消防人員提供科學(xué)的滅火建議和調(diào)度方案。這將進(jìn)一步提高滅火效率，減少人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展以及相關(guān)法律法規(guī)的逐步健全，穿越滅火無(wú)人機(jī)在高層建筑火災(zāi)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。未來(lái)，可以進(jìn)一步探索無(wú)人機(jī)與其他消防設(shè)備的協(xié)同作戰(zhàn)模式以及智能化、自主化等先進(jìn)技術(shù)在無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用。同時(shí)，需要加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)和人才培養(yǎng)工作，以推動(dòng)該領(lǐng)域持續(xù)健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

劉學(xué)威.高層建筑中存在的消防安全問(wèn)題及其防火監(jiān)督策略分析.今日消防，2020，5（05）：51-52.

許軍.高層建筑施工中防火封堵材料的應(yīng)用及火災(zāi)預(yù)防策略.冶金管理，2022（21）：75-77.

王瑞強(qiáng).消防無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究與展望.消防界（電子版），2021，7（24）：49-50.

程一錦.消防領(lǐng)域中無(wú)人機(jī)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用與挑戰(zhàn)研究.消防界（電子版），2023，9（13）：118-119.

周嶸健.無(wú)人機(jī)在滅火救援工作中的應(yīng)用分析.數(shù)字通信世界，2023（02）：53-55.

袁雷池，甘士文.聲波滅火無(wú)人機(jī).機(jī)械設(shè)計(jì)，2022，39（09）：165.

李光銀.固定式局部水基滅火系統(tǒng)及其應(yīng)用.機(jī)電設(shè)備，2003，20（06）：7-12.

郭富恒，徐藝.無(wú)人機(jī)喊話(huà)與熱成像結(jié)合的安防系統(tǒng)設(shè)計(jì).單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2022，22（09）：50-53，74.