基于BIM技術(shù)與飛行器的新型消防救援系統(tǒng)研究

高榕廷 吳博琦

（吉林建筑大學(xué) 吉林 長(zhǎng)春 130118）

引言

目前，我國(guó)大部分地區(qū)預(yù)防火災(zāi)的能力差，在人員、財(cái)產(chǎn)方面具有巨大的安全隱患。火災(zāi)具有火災(zāi)發(fā)生場(chǎng)所正逐漸向高層、超高層建筑轉(zhuǎn)移，火災(zāi)發(fā)生原因多樣化，火勢(shì)漫延迅猛，以及人員疏散難度大等問(wèn)題[1]。

傳統(tǒng)火災(zāi)救援以地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System）為基礎(chǔ)，采集、管理、分析和輸出地理實(shí)景。其依據(jù)GIS地圖，顯示事故相關(guān)區(qū)域空間位置信息，通過(guò)電話號(hào)、地址產(chǎn)生電話定位，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)，分析事故周邊消防設(shè)施、水源狀況，從而GIS成為了我國(guó)重要的消防指揮技術(shù)手段。然而，其還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部的消防指揮救援[2]。

而本文依據(jù)BIM三維模型豐富的專(zhuān)業(yè)性族庫(kù)屬性，建立BIM三維建筑物模型，輔助GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了信息的實(shí)時(shí)交互，大大提高了救援效率。

1 BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一種應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、施工、管理的數(shù)據(jù)化工具，通過(guò)對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù)的全生命周期過(guò)程中進(jìn)行共享和傳遞的技術(shù)。

本文以長(zhǎng)春某建筑物為例進(jìn)行分析，建立其BIM三維模型（圖1）。圖2為建筑內(nèi)部設(shè)備安裝模型，墻上安裝的藍(lán)色裝置是信號(hào)接收模塊，通過(guò)信號(hào)接收原理，信號(hào)接收模塊對(duì)飛行器飛行路線形成檢測(cè)作用。頂棚白色裝置是感溫、感煙探測(cè)器，通過(guò)物理信息感應(yīng)，監(jiān)測(cè)火災(zāi)。

根據(jù)建筑物內(nèi)的通道設(shè)置好飛行器的飛行探測(cè)路線，設(shè)置飛行器根據(jù)此路線進(jìn)行自主循跡飛行。

2 飛行器

飛行器采用 STM32系列芯片作為主控板，采用MPU6500獲取飛行數(shù)據(jù)，通過(guò)PID和濾波算法，計(jì)算出航向角、俯仰角和翻滾角[3]。程序流程如圖3所示，實(shí)現(xiàn)了飛行器定高循跡飛行與懸停。飛行器運(yùn)行過(guò)程是非線性的，對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)，通過(guò)第二牛頓定理運(yùn)算三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)方程，采用歐拉方程計(jì)算角度運(yùn)動(dòng)方程，二者有機(jī)結(jié)合，獲得飛行器總運(yùn)動(dòng)方程[4]。

設(shè)基礎(chǔ)坐標(biāo)系為 B（oxyz），地面坐標(biāo)系為 E（OXYZ）。將x、y、z軸旋轉(zhuǎn)至X、Y、Z軸獲得歐拉角φ、θ、ψ。具體步驟為：旋轉(zhuǎn)x軸得到ψ；旋轉(zhuǎn)y軸得θ；旋轉(zhuǎn)z軸得φ。每一次的旋轉(zhuǎn)都有與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)移矩陣，B與E的轉(zhuǎn)換矩陣表達(dá)式（2）表示為[5]

模擬控制系統(tǒng)常用PID方法進(jìn)行控制。PID控制器控制規(guī)律為

其中，Kp為控制器的比例系數(shù)，Ti控制器的積分系數(shù)，Td是控制器的微分系數(shù)。將模擬PID控制規(guī)律引入到計(jì)算機(jī)中，對(duì)式（3）的PID控制規(guī)律進(jìn)行適當(dāng)變換，即實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID控制[6]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有自動(dòng)和手動(dòng)兩種觸發(fā)裝置，其設(shè)備應(yīng)符合國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)市場(chǎng)準(zhǔn)入制度的產(chǎn)品，還應(yīng)設(shè)置一處控制室[3]。本系統(tǒng)符合國(guó)家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[7]。

依據(jù)圖2所示，在建筑物內(nèi)安裝多種功能探測(cè)器，配以飛行器飛行程序。飛行器根據(jù)設(shè)定路線反復(fù)飛行巡視，遇火情時(shí)，（1）飛行器向建筑物功能探測(cè)器發(fā)射信號(hào)，探測(cè)器發(fā)出警報(bào)，指示火災(zāi)位置。與此同時(shí)，（2）飛行器搜索被困人員，并在BIM模型上顯示被困人員位置。由此，省去消防員探測(cè)時(shí)間。其中，三維模型是建筑物建設(shè)時(shí)形成的，并安置信號(hào)接收器。飛行器飛行過(guò)程中，經(jīng)過(guò)點(diǎn)顯示紅色，未經(jīng)過(guò)點(diǎn)顯示綠色，通信節(jié)點(diǎn)如圖4所示。系統(tǒng)工作流程如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)分析表明，我們宜用WLAN技術(shù)將飛行器與終端BIM模型顯示器連接，進(jìn)行二者的信息交互。WLAN技術(shù)通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行計(jì)算機(jī)通信，與傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)相比，WLAN具有速度快、可移動(dòng)、易擴(kuò)展、成本低等特點(diǎn)，它是相當(dāng)便利的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它利用射頻的技術(shù)，使用電磁波，可以在空中進(jìn)行通信連接。飛行器上的WLAN模塊發(fā)出wlan信號(hào)，終端連接飛行器發(fā)出的wlan信號(hào)，通過(guò)無(wú)線AP（Access Point）和以太網(wǎng)，二者即建立聯(lián)系。當(dāng)飛行器探測(cè)到目標(biāo)時(shí)，會(huì)通過(guò)WLAN模塊將信息傳輸?shù)斤@示器，并在BIM模型中顯示出具體位置，方便及時(shí)救援。

4 系統(tǒng)工作流程

火災(zāi)發(fā)生前，飛行器在建筑內(nèi)循跡探測(cè)，重點(diǎn)探測(cè)火災(zāi)易發(fā)區(qū)域，以防患于未然。

若飛行器或感溫、感煙探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)發(fā)生，火災(zāi)信息立刻傳回控制室，此系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，也可由控制室人員手動(dòng)啟動(dòng)，飛行器及時(shí)到達(dá)著火點(diǎn)，對(duì)著火點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并在BIM模型中顯示，指揮員觀測(cè)火勢(shì)大小，及時(shí)制定滅火方案，并指揮相關(guān)人員按照通道進(jìn)行逃離，確保了建筑內(nèi)人員的生命安全。

若現(xiàn)場(chǎng)存在受困人員，飛行器利用其微型攝像頭對(duì)受困人員進(jìn)行探測(cè)，可進(jìn)入人為不方便進(jìn)入的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，將信息傳送至控制室，并在BIM模型中顯示出位置，能幫助了解被困者所處的具體地形和周?chē)h(huán)境，為制定具體的營(yíng)救方式提供幫助。受困人員可使用飛行器上搭載的語(yǔ)音通話設(shè)備與控制室取得聯(lián)系，控制室人員可以對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)被困人員的疏散和自救提供有效的指導(dǎo)[8]。

消防員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，在BIM模型中實(shí)時(shí)顯示消防員的位置，飛行器可在空中偵察為消防員提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息。消防員到達(dá)被困人員位置后，指揮中心通過(guò)飛行器拍攝畫(huà)面確定火勢(shì)，及時(shí)為逃離現(xiàn)場(chǎng)制定可靠方案，并通過(guò)飛行器搭載的語(yǔ)音設(shè)備傳達(dá)給消防員。

救出被困人員后，飛行器配合BIM模型顯示器可輔助滅火及搶救財(cái)產(chǎn)。

5 結(jié)論

研制火災(zāi)救援的設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和緊迫性，飛行器結(jié)合BIM技術(shù)新型消防救援系統(tǒng)能夠滿足火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境，先于救援人員快速的到達(dá)火災(zāi)地點(diǎn)，提供有效的救援信息，為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援提供依據(jù)。與傳統(tǒng)消防系統(tǒng)相比，飛行器和BIM技術(shù)具有更為廣闊的應(yīng)用空間和前景。