無人機高層建筑消防救援的應用與研究

徐逸杰

摘 要：近年來，隨著社會經濟的不斷發展，城市建筑也越來越高。現有消防設備根本無法滿足樓層高度，難以準確掌握起火點，對高層建筑被困人員進行及時救援，導致人員死傷及財產重大損失，高層建筑火災的防控已經成為一個社會性的難題。與此同時，我國無人機產業發展迅速，無人機應用更是遍地開花，給予了我開發利用無人機進行消防救援的思路。通過組裝并反復試驗，研制了一套依托無人機掛載，可用于高層建筑消防救援的多功能設備裝置，從而提高救援效率，將大大減少火災人員傷亡。

關鍵詞：高層建筑；火災；無人機；遠程遙控；搜救；測距；投射；裝置

中圖分類號：TP101 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0186-03

1 引言

1.1 選題背景和研究動力

2009年2月9日晚，北京市朝陽區中央電視臺30層中心大樓發生火災，造成1人死亡和7人受傷。

2014年11月15日下午，上海靜安區一幢28層住宅起火，最終導致58人遇難，70余人受傷，房產損失接近5億元人民幣，震驚全國。

2017年7月18日凌晨，杭州市著名的保姆縱火案，現場搶救出的4人經搶救無效死亡。

近年來，隨著社會經濟的不斷發展，土地資源越來越緊缺，為高效利用土地城市建筑也越來越高。目前我國有高層建筑（指高度在24米到100米之間一類高層，以及100米以上的超高層）34.7萬棟，數量居世界第一。現有消防設備根本無法滿足樓層高度，高層建筑失火后，救援人員很難準確掌握起火點，也很難對高層建筑被困人員進行及時救援，導致人員死傷及財產損失，高層建筑火災的防控已經成為一個社會性的難題。如何才能戰勝火魔，挽救生命。

1.2 創新靈感

看到上面一組組駭人的數據，誰都會一聲嘆息。發生火災時濃煙是致死的主要原因之一，黑色濃煙不僅會遮擋住視線，影響逃生，更重要的是一氧化碳含量較高的濃煙吸入后會讓人失去知覺十幾分鐘后就會死亡。

一個偶爾的機會，我接觸到了無人機。它有很多優點：小型輕便、低噪節能、高效機動，起飛降落受場地限制較小，具有良好的穩定性和安全性。航拍影像具有高清晰、大比例尺、高現勢性的優點。

我受到很大的啟發，如果無人機能夠應用到消防救援上，一定能夠幫助到更多的人。但無人機消防救援裝置的功能需要具備哪些？無人機載重量的計算？如何實現遠程控制？帶著各種問題和想法，我首先進行了相關資料的查閱。并開展一系列的實用性調研。

1.3 調研

1.3.1 現有消防救援裝置

經過調查我得知，現有消防救援裝置主要分以下幾個大類：

（1）救援人員防護裝備（防護頭盔、防護服等）；（2）消防槍炮及供水器具（消防槍、水幕發生器等）；（3）消防車輛（罐類消防車、舉高類消防車等）；（4）搶險救援裝備（防化裝備、救生裝備等）。消防救援裝置品目繁多。于是，我將研究方向重點放在防護裝備和救援裝備兩個方面。

1.3.2 現有消防裝置高層救援的局限性

（1）樓層高度無法突破。通過查詢資料，目前的消防車及消防云梯撲救高度有限，國內最高的云梯車應該101米左右（陜西西安），世界最高的也就是125米左右，比較普及的是54米款，但越是高的云梯車，場地要求就越高，地基要求就要地面足夠平坦、承重足夠重量、空地足夠大，很多時候云梯車到現場都無法展開。以至于高層建筑和超高層建筑消防只能立足于自救。

（2）現場火情無法掌握。高層建筑空間結構復雜，平面布置和立面體型復雜。讓消防人員無法掌握火情，無法了解現場破壞程度，無法制訂準確的救援方案。

（3）劇毒煙霧無法防護。高層房間著火后，煙霧會通過門窗等孔洞或縫隙向四周擴散，一旦火災被困者在吸入濃煙后，便會出現中毒、暈倒、喪失逃生能力，甚至窒息而死。

現有的高層消防救援裝置成本高昂，外部條件制約，救援效率有限。在高層火災這種特殊情況下，看似很先進的工具卻無法派上用場。

2 研發改進歷程

2.1 高層消防救援功能需求采集

當我確定了研發主題和概念之后，便開始思考如何著手創作。首先開展作品的需求采集和需求分析。我首先想到的是消防隊，從消防隊員著手能夠獲得第一手的需求。通過多方聯系，我找到了市消防大隊的崔隊長。崔隊長向我羅列了高層消防救援中遇到的諸多困難與不便，提出了具體需求，希望研發作品能夠具備五大功能。

（1）救援裝置需要具有實時觀測功能。高層建筑因為高度高、距離遠，消防隊員視覺受到限制，給火場營救增加了許多困難，甚至威脅消防隊員的生命安全。

（2）救援裝置需要具有互動交流功能。很多人面臨火災，會產生強烈的恐懼，無法冷靜的面對環境，甚至于會做出跳樓等不理性的行為。如果能夠遠程呼叫喊話，及時給予正確的指導，安撫被困者的情緒，幫助其自救。

（3）救援裝置需要具有投送物品功能。高層建筑救援裝置最好能夠克服環境限制，靠近火場，拋投提供救援物品，將會大大減少人員死亡率。

（4）救援裝置需要具有遠程操控功能。遠程控制是完成救援任務的關鍵，包括：現場視頻、音頻數據信息的遠程傳輸；拋投物品設備的遠程操控；照明系統的遠程操控。

（5）救援裝置需要具有夜間照明功能。能夠提供強光照明設施，從多角度照亮火災現場。解決夜間環境復雜，能見度低，提高滅火救援行動效率。

2.2 無人機高層建筑消防救援裝置原理驗證與設計

為了實現消防人員提出的五大功能，我著手進行了原理驗證和整體設計。

2.2.1 工作原理

通過多旋翼無人機遠程操控，承載救援物資到達高層建筑救援地點，通過高清攝像頭和強光照明燈觀察確認火情，通過實時視頻及熱成像確認搜救人員目標，通過遠程喊話器通知指導被困人員正確執行自救措施。

2.2.2 整體結構

整體結構主要由多旋翼無人機、高清攝像頭及熱成像儀、遠程無線遙控喊話系統，強光照明燈，超聲波測距儀，救援物品彈射器和自帶供電充電系統等配件組成。如圖1、2所示。

2.3 無人機高層建筑消防救援裝置的制作和改進過程

在初步確定了工作原理和整體設計方案后，救援裝置進入材料選擇和制作階段。針對所需功能不同，進行了多次改進和完善。

（1）喊話器+步話機獨立模塊。智能喊話系統屬于獨立模塊，目的是滿足實時空中喊話，實時錄音并播放，播放警示與報警聲音等功能。

（2）超聲波測距模塊。主要用于高空拋投定位，確定拋投范圍，保證救援物資能夠準確投遞給火災被困人員，具有一定的防水性，體積小、低功耗，距離基本設定在5米范圍內。

（3）彈射裝置。關于彈射裝置，困擾了我很久。起初，設想利用彈簧原理設計制作，根據公式測算：500克物品彈射3米以上需要6.930N力量，由彈簧的勁度系數計算公式進行一系列計算得出此方案不可行。多番考慮之后，我選擇了低溫燃料助劑彈射器，利用低溫燃料推進劑彈力彈射物品。通過改裝，主體采用強度高、重量輕的碳纖維結構彈射桶。

（4）警燈與警示燈條。為了在空中更醒目，我選擇了LED超亮警燈，加裝了兩條LED燈條，用于超聲波測距提示到達投射距離。

（5）強光照明燈。直接安裝多組強光照明手電。

（6）遙控操作開關。燈光遙控和投射裝置遙控，全部用PWM信號，實現遠程遙控操作，可遙控3千米。

（7）裝置盒制作及無人機掛架。對于無人機來說，重量越輕越好，為實現整體裝置自重不超過5公斤的目標。利用亞克力材料特制了裝置盒，增設無人機掛架，妥善解決了問題。

3 無人機高層建筑消防救援裝置的測試

3.1 公開展示

無人機高層建筑消防救援裝置現已制作出成品，該裝置自重4.62公斤，各項成本合計2863元。經過查新，未見同類產品。如圖3所示。

3.2 試驗測試

（1）測試環境：室外、陰天、溫度6-15度，風力3-4級。

（2）測試項目：

1）遠程喊話，音量調一半，未調至最大，聲音清晰響亮，傳輸覆蓋2公里以上，測試成功。

2）定位測距，距離3米是，燈光閃爍，提示可投射，測試成功。

3）警示燈光，開啟無障礙，測試成功。

4）彈射救援物品，彈射時，產生一定后座力，無人機機身產生部分晃動，能夠自動修正角度，位置基本準確，投射距離3-5米，測試成功。

5）遙控操作，未出現信號丟失，測試距離50-60米，測試成功。

（3）消防中隊模擬實戰測試。為進一步檢驗作品的功能用途，學校輔導老師將我的作品介紹給了中國人民武裝警察部隊無錫市消防支隊江陰中隊，進行了實地測試，讓消防隊員們測試點評，消防隊員們都認為該裝置概念創新，將提升消防隊伍的高層建筑消防救援能力，能夠大大降低高層火災傷亡率。如圖4所示。

該裝置功能突出，操作方便，有較高的實用價值，為此，中國人民武裝警察部隊無錫市消防支隊江陰中隊的領導還為此作品作了專門的情況說明。如圖5所示。

4 后續改進設想

（1）整體自重優化減少，將總重量盡可能壓縮。

（2）裝置內部設計可以進一步優化，組合更緊湊科學。

（3）拓展裝置遙控系統與無人機飛控系統集成融合。

（4）裝置投射物品可增加多彈頭滅火彈，實現高空滅火功能。

（5）模擬信號步話機改用數字信號，減少對無人機操作干擾。

5 項目創新特點及推廣應用前景

5.1 創新特點主要有

（1）無人機概念突破高度限制，可以快速、及時地對高層建筑火災被困人員進行施救，而且可以重復使用。

（2）現場高清視頻功能，能夠真實反映現場火災情況。

（3）熱成像搜尋功能，能夠準確定位救援對象。

（4）遠程無線遙控喊話系統，可以指導被困人員正確面對火災，實施自救和等待救援，避免人員傷亡。

（5）玻璃擊碎器可以及時為火災被困人員打開救援和逃生窗口。

（6）最重要的是救援物品彈射器，彈射器直接連接遙控器接收機，可以將各類救援物資投送給被困人員，如，防煙防塵口罩、逃生繩索、急救包等，將大大減少火災死亡率。

5.2 推廣應用前景

該裝置主要用于消防機構輔助救援使用，可進入火場偵查監測、拋投救援物資。同時，隨著無人機技術的普及，還可擴展應用于各個高層建筑小區物業的消防配套裝備。

參考文獻

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