高層建筑滅火救援中多旋翼無人機應用研究

作者簡介：

鄧錫華（1990- ），男，漢族，廣西合浦人，本科，初級專業技術職務，研究方向：滅火救援指揮。

摘要：

盡管多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中具有諸多優勢，其應用仍面臨諸多技術和操作挑戰，如飛行穩定性、載重能力、與傳統救援力量的協同問題等。因此，探討和優化多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的應用策略，不僅能夠提升無人機的實際應用效果，也對推動無人機技術在更廣泛公共安全領域中的應用具有重要意義。本文將深入分析多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的應用現狀，探討存在的主要問題，并圍繞如何優化其應用策略進行詳細論述。通過對無人機操作效率、環境適應性、救援有效性提升策略的探討，旨在為高層建筑滅火救援提供更為科學、有效的技術支持。

關鍵詞：高層建筑；滅火救援；多旋翼無人機

引言

在現代城市化進程中，高層建筑迅速增多，成為城市天際線的重要組成部分。然而，這些高聳入云的建筑在帶來視覺沖擊和利用空間的同時，也極大增加了滅火救援難度。由于高層建筑特有的結構特點和高度因素，傳統的消防方式在應對高層火災時面臨著響應時間長、滅火難度大、救援資源分配復雜等多重挑戰。因此，如何有效提升高層建筑的滅火救援效率，降低火災損失，保障人員安全，已成為消防科技發展中亟待解決的問題。

一、滅火與救援任務的基本需求

（一）滅火任務需求

在高層建筑的滅火行動中，多旋翼無人機需滿足特定的性能標準，以應對復雜的火場環境。高層建筑火災的特殊性在于火源位于較高樓層，無人機需要具備良好的飛行高度和穩定性，以便快速定位火源。為了高效撲滅火災，無人機須配備能夠精確投放的滅火裝備，如水或泡沫彈。這些裝備應具備足夠的滅火能力，確保在初期就能盡快控制火勢。高層建筑的結構復雜，多旋翼無人機在執行滅火任務時還應能自動識別并避開障礙，如未燃燒的建筑部分和建筑外部的障礙物。這需要無人機搭載先進的傳感器和實施復雜的算法來處理飛行路徑。無人機的設計還需考慮到持續作業的能力，因高層建筑火災的滅火工作往往不是短時行動，這要求無人機系統能夠在長時間內維持穩定運行，甚至進行快速的能量補給或更換設備，確保連續作業的需求得以滿足。

（二）救援任務需求

在救援任務中，多旋翼無人機必須適應復雜的救援環境并有效支援地面救援團隊。在高層建筑救援操作中，無人機的一個關鍵角色是評估火場情況及搜尋被困人員。無人機裝備的熱成像相機可以穿透煙霧進行熱源定位，快速發現被困人員位置，并通過實時數據傳輸指導消防人員進行精確救援。在多旋翼無人機設計中，需要加入高性能的通信設備，保證在復雜環境中的信號穩定，確保信息傳遞的及時性和準確性。救援無人機還應具備一定的物理攜帶能力，如能夠攜帶繩索、急救醫療包等救援物資直接輸送至需要位置，這種物資的快速投送可以在黃金救援時間內提供必要的生存支持[1]。為了使無人機能在更廣泛的場景下運作，其設計還必須兼顧到夜間操作功能，如應裝備夜視系統，確保在光線不足的環境下也能有效執行救援任務。從操作策略上講，救援無人機在部署過程中需優先考慮飛行的安全性和效率，以便在確保救援質量的同時，最大限度減少對人員的風險暴露。

二、無人機的技術要求

（一）載重與飛行能力

在高層建筑滅火救援中，多旋翼無人機的載重與飛行能力是決定其實用性的關鍵因素。對于載重能力，無人機需要能夠攜帶足夠的滅火劑如水或泡沫以及必要的救援裝備如繩索和急救包。這不僅要求無人機具備較高的起飛重量，還要有穩定攜帶這些重物飛行的能力。無人機的飛行能力直接影響滅火與救援效率和安全性。飛行速度和高度必須能夠快速響應救援命令，同時到達高層建筑的各個救援或滅火點。良好的飛行能力還包括較長的持續飛行時間，這對于大范圍、長時間的滅火救援行動尤為關鍵。無人機的設計必須兼顧這些方面，確保在執行任務時，既能快速到達事發地點，又能在完成任務后安全返回。

（二）穩定性與操控性

多旋翼無人機在執行高層建筑的滅火與救援任務時，其穩定性與操控性顯得尤為重要。穩定性不僅關系到無人機在高風速環境中的飛行效果，也直接影響到滅火和救援物資投放的準確性。一個高度穩定的無人機系統可以有效抵抗突如其來的風速變化及其他環境因素的干擾，保證任務順利完成。優秀的操控性使操作者能夠精確控制無人機的每一個動作，在復雜的城市高層環境中，精確進行滅火劑投放或救援物資空投。為了實現這一點，無人機的設計需要包含高度靈敏的飛行控制系統和先進的飛行動態處理技術。通過實時動態調整，無人機可以在復雜的高層建筑群中，保持高度的操作精度和飛行安全[2]。

（三）通信與導航系統

通信與導航系統是多旋翼無人機執行高層建筑滅火和救援任務中不可或缺的技術要素。一個高效的通信系統保證無人機與操作中心之間的信息實時傳輸。無論是視頻、熱成像還是其他關鍵數據，都能夠無延遲地傳回指揮中心，為救援決策提供支持。無人機的導航系統必須足夠精確，以便在復雜的城市環境中精準定位，避開潛在的障礙物，快速、準確到達指定位置。在高層建筑密集的環境下，衛星定位信號會受到干擾，因此無人機還需要配備多模式的定位技術，如視覺輔助導航、慣性導航系統等，以保證在衛星定位信號不佳的情況下仍能保持高效的導航能力。通過這些先進的技術，無人機能夠實現在復雜環境中的高度自主性和任務執行的高效性。

三、無人機在滅火救援中的優化策略

（一）提升無人機的操作效率

1.優化飛行路線規劃

為了在高層建筑滅火救援中提升多旋翼無人機的操作效率，飛行路線的優化顯得尤為關鍵。這種優化涉及到算法的改進和數據的整合，目的是縮短無人機從起飛到達火場的時間，確保其能夠迅速有效投入救援和滅火操作。通過整合地理信息系統（GIS）、實時天氣更新和動態障礙數據，無人機的飛行路線可以實時調整，避開建筑、高壓線等潛在障礙，同時根據風向風速的變化動態選擇最佳飛行路徑。這不僅提升了無人機到達火場的速度，也減少了由于飛行中意外碰撞或誤操作引發的額外損失。飛行路線規劃的優化還涵蓋預設多個備選路線，確保在一條路線因突發情況變得不可行時，無人機可以即刻切換到其他預設路線，保證任務的連續性和安全性[3]。使用高級的飛行控制軟件，結合機器學習算法對歷史飛行數據進行分析，無人機的飛行路徑規劃將更加智能化，極大提升滅火救援的響應速度和操作效率。

2.提高滅火劑投放精度

在多旋翼無人機的滅火任務中，提高滅火劑投放精度是提升操作效率的關鍵措施之一。這需要無人機系統具備高精度的定位技術和精確的投放機制。首先，無人機應配備先進的傳感器，如高分辨率相機和激光測距儀，以精確測定無人機到火源的距離和位置。基于這些數據，無人機可以計算出最佳的投放點和投放角度，確保滅火劑能夠準確到達火焰集中的區域。對無人機投放系統的機械精度進行優化也十分必要，包括改進滅火劑罐的開啟機制和控制系統，使之能在飛行中精確控制滅火劑的釋放量和釋放速度。為實現這一目標，無人機的飛控系統還需集成高級算法，以實時計算和調整飛行狀態，對抗因風力和機動性導致的投放誤差，確保滅火劑的每次投放都達到預期精度。通過這些技術的集成和優化，無人機在滅火操作中的效率和成功率將顯著提升，大幅度減少高層建筑火災損失和風險。

（二）增強無人機的環境適應性

1.改進無人機的耐高溫性能

在高層建筑火災救援任務中，無人機面臨的一個主要技術挑戰是如何在高溫環境下保持正常運作。為了增強無人機的耐高溫性能，必須對其使用的材料和設計進行專門改進。采用耐高溫的復合材料制作無人機外殼，可以有效防止高溫導致的結構變形和功能損失。無人機內部電子設備如傳感器、電池和飛行控制系統等也需進行特別設計，以耐受高溫帶來的影響。例如，使用硅基半導體材料可以提升電子設備在極端溫度下的穩定性和耐用性。無人機可以設計熱隔離層，這種隔離層能有效隔絕外部高溫，保護內部關鍵部件不受熱損傷。在軟件層面，增加溫度監測算法，使無人機能在達到臨界溫度值時自動調整飛行高度或返回，避免因過熱造成系統崩潰。通過這些綜合措施，無人機的耐高溫性能將得到顯著提升，能夠在接近火源的高溫環境中更安全、更有效執行滅火和救援任務。

2.增強無人機在復雜環境中的穩定飛行能力

在多變的高層建筑環境中，無人機的飛行穩定性是確保滅火救援成功的關鍵因素。因此，無人機需要具備適應復雜環境飛行的能力，這依賴于先進的飛行控制系統和環境感知技術。首先，開發高度精確的傳感器系統，如激光雷達（LiDAR）、聲吶和光學流傳感器，可以幫助無人機實時檢測和分析周圍環境，如煙霧密度、障礙物位置和風速風向等因素。這些傳感器提供的數據可由飛行控制系統實時處理，自動調整無人機的飛行態勢，確保其在復雜環境中保持穩定。采用機器學習技術訓練無人機的飛行控制算法，能夠使無人機在遇到未知環境因素時，快速學習并適應新的飛行條件[4]。無人機還應配備緊急避障功能，當感知到突如其來的障礙或強風時，能迅速做出飛行調整，避免撞擊或失穩。通過這些技術和措施的應用，無人機將能在高層建筑的復雜環境中實現更為精確和穩定的飛行，大大提升其在滅火救援任務中的性能和安全性。

（三）提高無人機的救援有效性

1.開發多功能救援模塊

為了提高無人機在高層建筑救援中的有效性，開發配備多功能救援模塊的無人機變得至關重要。這類模塊設計旨在增強無人機的適應性和多樣性，使其能夠執行多種救援任務。具體來說，救援模塊包括自動滅火系統、醫療急救包投放裝置、生命探測器以及可部署的通信中繼設備。滅火系統可以根據不同類型的火情調整滅火劑的類型和投放量，提高滅火效率。醫療急救包投放裝置使無人機能在關鍵時刻向被困者快速提供必要的醫療支持，如止血帶、燃燒護理包等緊急醫療物資。生命探測器，如紅外熱感攝像系統，能夠在煙霧彌漫的環境中識別出人體熱量，為救援人員提供準確的定位。通信中繼設備的部署可以在無線信號不穩定的環境中保障救援通信暢通，確保救援指揮的有效性。通過這些多功能模塊的整合，無人機將成為災難應對中的多面手，能夠在多變的救援場景中發揮關鍵作用，提升救援行動的響應速度和生存率。

2.集成先進的救援通信系統

救援任務中的通信系統對于協調現場救援行動和保證信息流的準確性至關重要。因此，集成先進的救援通信系統到多旋翼無人機中，將極大提升救援操作的整體效率和安全性。這樣的系統應涵蓋高頻率的數據傳輸能力，能夠無縫傳輸高清視頻、音頻及大量的傳感器數據，及時反饋火場情況和被困人員信息。為了實現這一點，無人機需要裝備具有強大數據處理能力的硬件，能夠優化信號傳輸和接收的軟件算法。在無人機的通信系統中，應用先進的加密技術，是保證救援行動中信息安全的關鍵[5]。這一系統應具備自適應網絡技術，能在信號弱的環境下自動尋找并切換到最優的信號源，確保通信的連續性和可靠性。救援通信系統還應具備與地面救援系統的互操作性，通過標準化的通信協議，實現無縫的數據和信息交換，使地面救援團隊能夠根據無人機提供的實時數據做出快速而準確的決策，有效指揮救援行動。通過集成這樣的先進通信系統，無人機不僅能提高救援效率，還能增強救援行動的戰略性和精確性。

結語

近年來，隨著無人機技術的飛速發展，多旋翼無人機因其機動性高、部署快速且能夠進行復雜操作的特點，逐漸在多種應急救援領域中顯示出巨大潛力。特別是在高層建筑火災的滅火與救援中，多旋翼無人機可以快速到達火場，進行災情評估，傳遞實時視頻，甚至直接參與滅火和救援行動，如投放滅火彈、導引逃生路線等。這些操作原本需要大量人力、物力和時間投入，現在通過無人機的介入，可以大幅提升救援效率，降低風險。通過在無人機系統中集成先進的救援通信技術，能夠確保在緊急救援情況下，指揮中心與現場間的信息流通順暢無阻。這一技術的應用不僅提升了救援行動的響應速度，也極大增強了災害現場的情報收集能力。有效的通信連接確保了多部門協作的同步性，加強了多角度的災害評估和資源配置效率。因此，無人機的通信系統升級是提高城市高層建筑災難應對能力的關鍵措施，對保護人民生命財產安全具有重要意義。

參考文獻

[1]王蕊.多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的應用與發展[J].消防界（電子版），2021，7（20）：81+83.

[2]唐曉慶.消防工作中多旋翼無人機的應用探討[J].科學技術創新，2020（22）：166-167.

[3]黃贊輝.多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的應用與發展[J].今日消防，2019，4（03）：14-16.

[4]王海峰.多旋翼無人機在消防工作中的合理化應用[J].消防界（電子版），2017（06）：62.

[5]許濱.淺析小型多旋翼無人機在消防大中隊級滅火救援行動及日常工作中的應用[J].消防界（電子版），2017（03）：72-73.