一種無人機和無人車結合的高層建筑消防裝備的設計

徐鵬凱

（武漢理工大學藝術與設計學院，湖北 武漢 430070）

1 設計背景

隨著中國經濟迅速發展，城市化進程不斷推進，高樓大廈如雨后春筍般拔地而起，根據不完全統計，中國有超過24 m的高層建筑35萬幢以上，超過100 m的高層建筑1萬幢以上，超過200 m的高層建筑900幢以上。數量眾多的高樓大廈在見證中國繁榮發展的同時，也留下很多消防安全隱患。假如不配合相應的防火措施、固定消防設施以及相關的滅火救援技術、戰術，則會嚴重威脅高層建筑物內人們的生命以及財產安全[1]。根據中國應急管理部消防救援局的數據統計，在2012—2021年間，全國住宅場所共發生火災132.4萬起，造成11 634人遇難、6 738人受傷，直接財產損失77.7億元；其中較大火災429起，造成1 579人遇難、329人受傷；重大火災2起，造成26人遇難。在全部住宅場所火災中，城市地區占比50.5%[2]。其中的高層建筑消防存在隱患排除難度高、火勢蔓延速度快、救援滅火難度高、火災對人民生命財產危害大等特點，這一直是世界性的消防難題。而無人機在消防中的應用，會為高層建筑消防難題的解決提供新的可能性。

2 高層建筑消防滅火方式現狀分析

2.1 建筑內的消防設計

高層建筑在設計時都會配備相應的消防設施，目前常見的有：①建筑自動滅火系統，煙霧傳感器檢測到火災發生時，能夠自動發出警報，并啟動樓層天花板上的噴頭裝置，用噴水方式滅火，這種系統反應快，對于普通初發火災有著很好的作用，往往能將火災抑制在萌芽階段，但面對特殊火災和火勢較大時的作用較小；②便攜干粉滅火器，建筑內一般儲有便攜滅火器，但便攜滅火器的滅火能力較弱，在火勢較小時比較有效，這就要求火災發生時能夠及時發現、及時反應，否則在火勢蔓延開后就會失去作用；③室內消防栓，建筑內消防供水可以送至各樓層的消防栓處，利用消防栓處的水槍可以滅火，水槍的滅火效果較好且水源充足，但使用難度較高，更適合專業消防員使用，而一般情況下消防員很難快速抵達較高樓層，室內消防栓的反應時間較長。

2.2 云梯消防車滅火

“云梯消防車”其實質上是一種舉高消防車，其工作臂為可伸縮式的云梯，平時也被稱為“云梯車”[3]，云梯消防車工作時，消防人員進入云梯上的滅火平臺，隨著工作臂的伸長舉高，到達指定高度的工作地點，消防人員使用噴槍等滅火裝置進行消防作業。云梯消防車受限于水壓、結構和高空風力影響等因素，一般有效作業高度都在30～50 m，即使最高的也難超100 m，這就導致云梯消防車對如今動輒300 m、400 m的建筑火災無能為力；另一方面，云梯消防車體積較大，不夠靈活，如果面對小區住宅或其他地處城市中心區等周邊環境較為復雜的高層建筑時，可能會因為路況不佳而減慢抵達任務地點的速度，進而導致無法及時進行滅火作業，延誤滅火時機，造成更大的人員財產損失；最后，由于云梯消防車的造價成本和維持成本較高，且對作業人員的技術要求較高，目前中國保有的云梯消防車數量較少，對于部分高層建筑無法做到全覆蓋。

2.3 高壓水炮滅火

高壓水炮依靠泵機水壓發射高壓水柱，以起到滅火作用，分為固定式和車載式。消防水炮由于具有射程遠、射高大、覆蓋面積廣、滅火威力大等特點，在現代消防設備中占有重要地位，是目前解決大型高層建筑物消防安全的主要設備之一[4]。與云梯消防車相比，高壓水炮的有效作業高度更高，威力更大，但同樣受限于泵機的水壓，一般的水炮難以滿足200 m以上的高層建筑的滅火需求，同時固定式水炮和車載水炮也存在不夠靈活的問題。

2.4 消防直升機滅火

消防直升機配備專用消防水箱，裝備消防水炮，可以懸停在空中進行消防作業。其工作高度可以覆蓋目前所有高層建筑的高度，且由于直升機性能特性，可以較為快速地抵達火災現場，并且載重較大，可以裝備3 000～5 000 L的大容量水箱，少數重型消防直升機甚至可以高達10 000 L左右，水量較為充足，滅火能力強，比較適合高層建筑消防。但消防直升機也存在一些痛點：①消防直升機的經濟成本十分昂貴，很難做到普及化，僅有極少的地區和區域有能力裝配消防直升機；②高層建筑附近一般地處城市，附近高層建筑較多，空氣流動情況復雜，會在一定程度上干擾直升機的穩定性，不利于作業效率和安全性；③消防直升機只能進行建筑外圍的滅火，對于內部難以觸及，還是需要消防員進入建筑進行內部滅火的配合。

3 高層建筑消防無人機的應用意義

3.1 縮短反應時間

根據之前對于現狀的研究，目前較為有效的高層建筑消防方式大多都是地面方式，或憑借較為重型的專業器械、或依靠消防隊員直接進入建筑，受限于高層建筑物的分布區域及周邊交通狀況，這些方式在路程中和準備過程中耗費的時間較多，很難做到及時反應、及時滅火救援。而消防無人機一方面體量相對較小、成本較低，可維持的數量相對多，適合更為廣泛分散的分布，可以做到每個社區甚至每棟建筑都配有，大大減少了裝備地點到可能火災高層建筑的距離；另一方面，無人機是空中方式，在前往目標地點的過程中受到地形和周圍路況等環境因素的影響小，速度相對較快，可以大大縮減從有關人員反應到滅火救援正式生效的反應時間，每提前抵達火災現場一分，火災造成的損失就會少一分。在未來，消防無人機也可能與人工智能、物聯網大數據等技術相結合，實現自動反應、及時到場、有效滅火，更大程度地縮短滅火反應時間。

3.2 提高消防救援能力

現有的很多消防裝備能較好地對普通高層建筑進行消防作業，但面對100 m以上的超高層建筑時往往無能為力，消防人員只能通過進入建筑內，憑借建筑內消防設計進行滅火，難度和危險性都大大增加；而消防直升機雖然工作高度足夠，但成本門檻過高，難以普及。這就對高層建筑消防裝備提出了工作高度足夠、滅火效率高、成本較低便于普及的要求，而無人機能較好的滿足。一方面無人機的反應速度快，可以率先執行偵察任務，以輔助其他方式的滅火救援，從而提高消防救援能力，例如無人機可以探查火災情況、確定火源位置，也可以評估火場內的地形結構，幫助消防戰士探明路線和被困人員位置；另一方面，無人機也可以直接參與滅火及救援任務，例如攜帶滅火彈或滅火噴射器，在建筑物周圍飛行，進行滅火作業，甚至可以飛入建筑物內，對內部的火災進行更近距離的、更精準滅火作業，也可以攜帶呼吸面罩等設備遞送給被困人員，保證被困人員的生命安全，提高了滅火和救援的效率和能力。

3.3 減小救援危險性

高層建筑內部環境錯綜復雜，火情瞬息萬變，消防戰士們在進入建筑執行任務時可能面對各種各樣的危險。據不完全統計，中國平均每年約有20名消防員犧牲，而通過消防無人機可以一定程度地減小救援的危險性，為消防戰士們保駕護航。一方面，消防無人機可以通過傳感器和攝像頭不斷地實時地偵測火場情況，消防人員可以借此不斷觀察火情的變化情況，及時對可能出現的突發情況作出反應，規避其中可以避免的危險，如及時檢測到爆炸危險品，避免爆炸危險，以在不影響任務完成的情況下，盡可能地保護了消防戰士的安全；另一方面，消防無人機也可以深入火場，替代消防戰士執行一些高危險性的任務，如穿過大火，優先對被困人員周圍進行滅火降溫等任務，從而降低了消防戰士在任務中受傷的可能性，既保證了消防戰士的安全，也保護了消防力量，使任務可以更好地執行。

4 無人機和無人車結合的高層建筑消防裝備的設計

根據目前現有的高層建筑消防方式和裝備的特點，針對部分存在的痛點，設計了一種以無人機作為主要偵察、滅火、救援力量，無人車作為后勤保障力量的新型智能高層建筑消防裝備，設計整體三視圖如圖1所示。根據現有技術，這種裝備可行性較高，且成本相對較低，可以控制在20～30萬元，適合數量多、范圍廣的使用，在火災發生時，以集群化執行滅火救援任務。

圖1 設計整體三視圖

4.1 無人機部分的設計

無人機部分是直接消防力量，具有偵察和救援、直接滅火功能。

4.1.1 無人機飛行性能

由于消防無人機需要具有直接滅火功能，需要攜帶干粉、泡沫、水或滅火彈等滅火用品，所以需要一定的載重能力，且能夠保持懸停時的穩定性；同時它需要進入建筑物內部進行作業，這就要求尺寸不能過大，且可以高精度避障，以能夠在室內靈活地作業。目前的載重型無人機已經比較成熟，現有技術基本足夠滿足消防無人機的飛行性能要求。參考部分現有此類型無人機的技術參數，設計出消防無人機，如圖2所示。無人機采用固定式四旋翼的飛行架構，使用輕制耐高溫材料，并做出鏤空減少質量，外觀最大尺寸為1 280 mm，最大軸距為980 mm，最大載重為10 kg，電池為10 000 mAh，滿載可飛行約20 min；無人機的電池和載重箱為一體式模塊，載重箱的內容物有不同種類，如水、干粉和氧氣面罩等，根據不同情況攜帶不同的載重模塊；無人機配備全向數字雷達，并具有智能處理系統，可以在火災現場中高溫和煙霧環境下實現自動繞障，保證了無人機在室內行進時的安全性；在懸停精度上，使用D-RTK可以使定位精度控制在水平±10 cm、垂直±10 cm，在懸停滅火時擁有比較高的穩定性。

圖2 消防無人機設計

4.1.2 直接滅火功能

無人機和無人車平時待命時處于結合狀態，當建筑物內火災警報觸發時，無人機接收到信號，快速反應，在人工智能自動控制的情況下率先飛往目標建筑。無人機內配備泵機和1個噴頭，可以根據具體情況選擇水、二氧化碳、干粉或泡沫等不同種類滅火內容物的負載模塊，通過熱成像儀判斷火源、在人工智能控制的情況下或在人工控制下，通過泵機和噴頭將內容物噴射向火源，執行對于不同種類、不同大小的火災的滅火作業。無人機在執行直接滅火作業時，一種是對于火災早期火勢較小時，附近的無人機可以迅速反應進入建筑物內，針對火源進行迅速且精確的滅火，與建筑內自動滅火裝置配合將火災消滅在萌芽狀態；另一種是火勢猛烈，蔓延速度過快，在早期無法及時控制，火勢較大，部分無人機進入建筑物內部配合消防戰士進行滅火作業，部分無人機在建筑物外部滅火，如圖3所示，控制火災向高處蔓延，里應外合，快速完成滅火任務。

圖3 消防無人機外部滅火示意圖

4.1.3 偵察和救援功能

在偵察方面，無人機配備熱成像儀、高清攝像頭，可以記錄經過之處的實時影像和熱成像影像，將影像發送給消防人員，以供了解火勢情況和分析火源位置；配備三維感知傳感器、空間掃描儀和AⅠ智能引擎，可以將經過之處進行環境的簡單三維建模，并自動標注相關信息如高溫危險區域、濃煙區域、可能的爆炸危險品等，并結合VR、AR等技術，使消防人員直接查看VR影像，了解火場內環境情況，更好地規劃滅火路線；在對于被困人員的救援方面，配備聲音傳感器，結合熱成像和人聲信息，智能識別判斷火災中的被困人員，一經識別，可以迅速將被困人員的位置和周邊環境信息發送給消防人員，并將氧氣面罩、防火隔熱服、藥品等救援物資投送給被困人員，保證他們的生命安全，同時根據掃描圖像和消防人員指示，引導被困人員安全地逃離火場。

4.2 無人車部分的設計

無人車是消防無人機的后勤保障，主要為無人機攜帶不同種類、數量充足的負載模塊，供無人機續航和應對不同情況而更換，以提高無人機部分在消防救援中的持續作戰能力和隨機應變能力。在無人機先飛往目標建筑后，無人車也在人工智能控制下開往目標建筑，它的體型小巧，相比傳統消防車更為靈活，受環境和交通狀況的限制較小。

無人車上部為儲存箱，內部有一個可升降平臺，可隨著兩側的滑軌垂直上升下降，負載模塊累疊在平臺上，無人機在需要更換負載模塊時，可以先放下舊的模塊，然后停在無人車上方，攜帶新的負載模塊，如圖4所示。負載模塊數量減少后，平臺可以上升，保證里面的其他負載模塊的高度可供無人機攜帶。無人車下部為履帶底盤，可以適應不同地形，并且具備在樓梯上行進的能力，在協同作業時，無人車可以在建筑外或自行前往建筑內部較為安全的樓層，縮短補給線，減少無人機在更換負載模塊時損耗的時間。

圖4 無人機更換負載模塊

5 結語

雖然目前針對高層建筑的消防手段較為豐富，但都有著一定的短板和局限，無人機在高層建筑消防中的應用，相比于傳統方式，具有成本低、覆蓋廣、反應快、效率高等優點，在與傳統方式配合的情況下，將能夠較好地解決高層建筑消防的難題，在高層建筑消防中發揮重要作用。相信隨著科技的發展，消防無人機會越來越完備和成熟，在高層建筑消防領域乃至其他消防領域發光發熱，成為人民消防戰士的利刃和劍盾，為消防作出突出貢獻。