無人機搭載消防救援裝置應用研究

摘 要：【目的】隨著社會和科學技術不斷發(fā)展，無人機運用范圍也愈加廣泛。無人機也可應用于消防救援。【方法】本研究主要探討將無人機應用于消防救援中的優(yōu)勢，基于無人機搭載救援裝置的設計方案，無人機在進行消防救援工作時的主要用途。【結果】在火災現(xiàn)場，利用無人機救援技術可以對火災做出全面?zhèn)刹欤龀龈侠淼南谰仍袆樱Ｕ鲜芾罕姷纳踩！窘Y論】無人機救援技術剛剛起步，還需繼續(xù)努力創(chuàng)新，才能滿足消防救援條件。

關鍵詞：無人機；消防；救援裝置；設計

中圖分類號：TP13? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）10-0040-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.008

Abstract：[Purposes] In the wake of developments in science and technology， the use of unmanned aerial vehicle is becoming increasingly extensive. UAV can also be used in fire rescue. [Methods] This study mainly discusses the advantages of using UAVs in fire rescue， as well as the design scheme based on UAVs carrying rescue devices and its main uses in fire rescue work. [Findings] At the fire scene， UAV rescue technology can be used to make a comprehensive reconnaissance of it， to arrange rescue operations more reasonably and thus to ensure the life safety of the trapped people. [Conclusions] Drone rescue technology has just started， and it needs to continue to strive for innovation to meet the conditions of fire rescue.

Keywords：UAV; fireprotection; rescuedevice; design

0 引言

隨著社會經濟建設的快速發(fā)展，城市規(guī)模和人口密度大幅增加，城市更加擁擠，高層建筑鱗次櫛比且越建越高，社會產業(yè)結構也在進行深入調整，使得我國消防安全工作的形勢更加復雜。截至2022年，我國已擁有萬棟100 m以上的高層建筑。在我國，大跨度的建筑數量已超過1.5萬棟，已布局的燃氣管道數量也在持續(xù)增加。同時，隨著大型新能源汽車與大型綜合體等城市運行系統(tǒng)的復雜，城市的脆弱性也愈發(fā)突出，災害事故的鏈式效益也處于一種不斷增加的趨勢。當高樓層建筑發(fā)生火災時，常因為樓房建設、違法搭建、物品堆放等問題，導致救援車輛很難對樓房受災樓層中的群眾進行有效救援。據相關報道，目前世界上高噴車出水最高為60～80 m，即便是101 m的登高平臺車，其實際使用效果也會大打折扣，如圖1所示。當消防員因火勢較大暫時無法實施救援行動，且消防車滅火高度不足時，受災群眾必須自保自救。但一般情況下受災群眾的自保手段非常有限，周圍能用于自保或逃生的物品也十分有限，甚至連從窗口進行逃生的救援繩索都沒有。因此，消防滅火救援面臨著新的挑戰(zhàn)。無人機具有“垂直起降、懸停”的特點，消防部門將消防工作與無人機技術有機結合起來，可有效解決傳統(tǒng)消防救援方式存在的問題，使消防滅火的救援水平得到顯著提升，在消防救援中的應用具有重要意義。

1 無人機概述

無人機是指不需要人工駕駛的飛機。在消防救援工作中，無人機可通過近距離觀察進行消防救援，在消防救援領域有著較好的應用前景［1］。無人機可有效實施多種復雜性的救援任務，并能在遠程操控模式下，按照提前設計好的航線進行飛行，外界環(huán)境對無人機的影響較小。

消防無人機包含先進的遙感技術、遠程控制技術、通信技術、GPS定位及微型高清數碼相機系統(tǒng)，配合完善的飛行管理及地面保障系統(tǒng)，能觀察到使用傳統(tǒng)消防手段無法觀察的區(qū)域，提前觀測火災現(xiàn)場周圍情況。其中，無人機的主要系統(tǒng)為飛行管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。飛行管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可保證無人機穩(wěn)定飛行及準確及時地傳遞火災現(xiàn)場的數據資料。GPS定位、微型高清數碼相機系統(tǒng)等都是消防無人機的標準設備。

2 無人機及其救援裝置優(yōu)勢

無人機具有相對較低的操作和運行費用，易于維護和修理，訓練周期相對較短。無人機操作簡單且有較高的機動性和靈活性，操縱人員只需掌握簡單的操作技能，便可掌握無人機的飛行。在外部環(huán)境條件惡劣時，傳統(tǒng)消防救援工作無法及時展開，這時可利用無人機開展救援工作，無人機還能在危險地點或發(fā)生其他不利天氣情況下執(zhí)行緊急任務，大大提高消防救援人員的安全系數。

在大型高樓火災事故中，消防員無法到達該高樓進行勘測，通過對裝有GPS的無人機設置預達目的點，使無人機能精準、快速地到達目的點［2］。消防員無法快速獲得現(xiàn)場情況，而無人機到達后可有效快速地勘測。通過無人機實時拍攝傳遞火災現(xiàn)場畫面，消防人員在地面便能快速了解現(xiàn)場情況，通過圖像傳送有效信息到消防指揮中心，指揮中心人員可對傳回的信息進行總結歸納分析［3］，找出滅火點及觀察是否還有受困人員，為救援人員選擇一條最合理、最快速的救援和逃生通道，并指揮相關人員沿著逃生通道逃離，加快救援速度，確保救援人員和被困人員的生命安全。此外，無人機還配備有紅外探測設備，可將火災現(xiàn)場的地表探測溫度數據傳回地面，利用計算機構建地表溫度分布圖，使消防指揮中心人員能了解整個火災現(xiàn)場，及時指揮消防員對其進行撲救。

如果勘測到有人員被困在較高樓層，消防員很難在短時間到達高層進行救援。無人機不受地形約束，可利用其靈活輕便的優(yōu)勢，使用搭載的救援裝置將受救生繩投遞給受困人員［4］。受困人員可使用救生繩從窗口向下攀爬到安全地帶，如圖2所示。若樓層較高，且云梯救援還差點距離，可采用救生繩加云梯的救援方式。若樓層過高，受困人員可使用救生繩向下攀爬到無火情或者火情較小的低樓層，自行逃離火場或等待消防員救援。如果高樓層有防護欄，則須啟動切割裝置，再將救生繩投遞給受困人員；若沒有，則無須切割，直接投遞救生繩。

面對各種消防事故，將消防救援無人機投入使用，能更好地完成各類滅火救援和搶火救災任務。

3 救援裝置的設計

3.1 救援裝置構造

救援裝置主要由防護欄切割模塊、物品傳遞投送模塊及水霧噴灑模塊組成。遙控發(fā)射電路以集成塊IC1（TX-2BS）為核心組成，遙控接收電路以集成塊IC2 （RX-2）為核心，機械臂使用51單片機與電位器控制模塊，通過遙控器上的電位器姿態(tài)對機械臂的張開角度、伸縮長度與鋸片角度進行實時控制。壓力檢查與控制模塊采用Arduino開發(fā)板對切割器的推力進行檢測和調整，提升切割效果。

3.2 設計方案

救援裝置采用單獨的控制系統(tǒng)，一人負責監(jiān)視控制無人機飛行狀態(tài)，防止突發(fā)情況的發(fā)生；另一人控制救援裝置，使用者控制飛行器的飛行高度和方向，從而確保對準目標，使裝置的前置探桿搭在窗口和防護網上，以探桿為導軌，切割裝置移動到防護網前，偵測系統(tǒng)對裝置的移動距離進行控制。通過調整發(fā)射裝置上的電位器姿態(tài)來控制機械臂的伸出與角度，對窗戶防護網進行抓取固定。機械臂固定到防護網后，無人機不對機械臂提供支撐，或只提供少量支撐。

固定在防護欄上的機械臂收縮，由于機械臂一端固定在防護欄上，另一端固定在切割機上，通過無人機圖像傳送功能來觀測切割片的方位和角度，可實時控制其對準目標，這時其會被拉向防護網，施加切割防護欄所需要的壓力，通過力傳感檢測和控制推桿的推力，經51單片機的編輯來控制切割片的角度與往復運動的自動運行。當切割完第一個位置的防護網時，機械臂張開，回收切割裝置。隨后無人機搭載著裝置，飛向第二個切割點，以相同的方式進行切割。同時，機械臂會一直抓著防護網，防止切割后有碎片掉落，或將防護網切割至1/2或2/3處時停止切割，這時受困者能輕易掰開防護網，防止切割時有碎片掉落。

切換裝置或第二架無人機直接搭載救生繩投遞裝置待命，防護網一旦切割完畢，即可飛行到對應的窗口，對準后將前置探桿搭在窗口上，繩子一端連在探桿前端，另一端連著固定裝置，向受困人員投遞救生繩。受困人員可直接在屋內尋找固定點綁上逃生繩，也可使用設計好的鉤子或卡扣，將裝置固定在窗口進行逃生。

為防止低層著火冒出的火焰燒毀繩索，繩索采用防火、耐火材料或吸水材料（吸水材料在吸水后，短時間內難以被火焰燒毀，還可使用無人機對繩索不斷噴水，防止水分蒸發(fā)后繩索被火焰燒斷），必要時水霧噴灑模塊可對逃生人員或燃燒窗口進行水霧噴灑、降溫，防止在攀爬過程中被下方樓層的火焰燒傷，如圖3所示。若樓層過高， 也可使用無人機對下面無火勢或火勢較小的樓層進行防護網切割，被困人員可通過逃生繩攀爬至此窗口，通過切割缺口進入該樓層，使高樓層受困人員先轉移至相對安全的位置，便于后期的救援。

4 無人機搭載救援裝置的運用前景

4.1 開創(chuàng)新型救援方式，提供自救通道

以前無人機消防一般是用于偵察、攜帶滅火裝置滅火。因無人機載重量、續(xù)航和穩(wěn)定性等存在問題，無人機攜帶的滅火裝置小，滅火能力差，根本無法對大火進行撲滅。雖然無人機可直接對高樓層進行滅火，但其滅火能力有限，并受到窗戶防護欄和屋內房門的阻擋，難以進行救援滅火任務，所以導致目前無人機滅火的可行性不高。利用無人機飛行向受災人員投遞自救裝備，協(xié)同救助，是一個行之有效的方式。受困人員從等待救援向自行逃離轉變，為受困人員提供新的逃生方式。

4.2 操作簡單安全，裝置結構簡單

通過機載攝像機進行實時圖像傳輸，能實時觀測火災狀態(tài)，便于偵測和調整狀態(tài)。采用簡單實用的機械原理實現(xiàn)物品的抓取固定和投遞。采用兩套控制系統(tǒng)，兩個人同時進行操作，解決一人同時操作兩個系統(tǒng)無法兼顧的問題，提高操作的穩(wěn)定性。一般來說，簡單裝置的出錯率低，可靠性高。對火災救援來講，時間就是生命，救援更要爭分奪秒，進行救援時出現(xiàn)故障很有可能導致被困人員受傷或延誤救援時間，所以裝置的可靠性必須得到保證。

4.3 救援裝置成本低，切割器和投遞裝置均采用外部插件式

采用插接模式來搭載裝備，一臺無人機可搭載不同的裝置，隨時更換，一般情況一兩臺無人機即可實現(xiàn)救援。無人機在不同場景搭載不同的裝置，救援裝置電量不足時，只需更換電池即可繼續(xù)執(zhí)行任務，且無人機的運行成本也較低。

4.4 無人機靈活，飛行速度快，救援速度提高

無人機體積小、靈活、飛行速度快，飛行速度能達到100 km/h，而人的奔跑速度為5～10 km/h。救援裝置搭載在無人機上時，可利用無人機速度快和靈活的優(yōu)點，對有自救條件的人員先進行自救裝置的投遞和協(xié)助救援，消防員可對無法自救的人員進行救援，兩路救援同時進行，加快救援速度。此外，無人機可對多個窗口投遞救生繩，進行多通道同時救援。

4.5 搭載其他輔助救援裝置

無人機除了在飛行中具有極強的靈活性之外，在攜帶和使用其他設備工具上也有極強的靈活性。無人機除了搭載常規(guī)的攝像頭、紅外探測等設備外，還可根據現(xiàn)場情況來更換可搭載的救援裝置，其種類也比較豐富［5］。可攜帶防毒面具、強照明燈、大功率擴音器等，協(xié)助受困人員逃離火災現(xiàn)場。還可根據災情不同攜帶不同類型的滅火設備，以此來保障救援工作順利展開，盡可能減少人員受傷及保障財產安全。

5 無人機救援裝置存在的問題及改進措施

5.1 承重及續(xù)航能力不足

在進行消防救援時，無人機要攜帶各種救援裝置，當某些裝置過重時，會導致無人機動力不足無法起飛或無法到達發(fā)生火災的樓層。所以，在今后的研發(fā)中應盡可能提高無人機的承重能力，來滿足消防需求。若現(xiàn)場情況復雜，無人機要四處偵察，并為受困人員提供救援設備，導致耗電量增大，時間稍長，無人機就得返回地面更換電池，這就導致救援時間增長，但消防工作不允許被耽擱。這就需要消防無人機使用新型電池、混合動力、無線充電等新型技術，以此來提高無人機的續(xù)航能力，實現(xiàn)持續(xù)救援的目的。

5.2 防火耐高溫性能有待提高

無人機攜帶著全程畫面監(jiān)控設備，在出行任務中要接近火源，熱對流、煙塵、風向等環(huán)境因素都會對無人機及其監(jiān)控設備造成影響。若沒有超高的耐熱性，無人機設備會受損，導致無法傳遞有效信息，且增大救援成本。對此，可讓無人機與火災現(xiàn)場保持一定距離，提高監(jiān)控設備的分辨率，升級無人機機身使用的隔燃材料及在其表面涂上防火絕熱層，以此來延長無人機使用壽命。

5.3 受信號干擾影響較大

高樓火災救援中，建筑物遮擋及周圍存在的信號都會干擾設備，會對無人機信號接收產生影響。為降低其影響，可在火災現(xiàn)場周圍設置信號增強器或移動基站輔助進行信號連接，以此來實現(xiàn)及時接收信號及傳遞信息的目的。

6 結語

消防工作刻不容緩，為了使消防救援工作效率得到有效提高，需要合理運用當代科學技術，如將無人機投入到救援工作中，更好保障人員生命安全，減少財產損失。隨著科技的不斷創(chuàng)新，無人機消防救援技術愈發(fā)成熟，運用也會越來越廣泛。對此，消防部門應對相關技術人員進行無人機操作能力的培訓，并針對無人機承重和續(xù)航問題繼續(xù)研究優(yōu)化，提高無人機的使用性能，促進消防事業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

［1］李萬利，崔巍.無人機在消防滅火救援中的應用分析［J］.今日消防，2020（12）：16-17.

［2］鄭曦，鄭航.無人機在消防滅火救援中的應用分析［J］.低碳世界，2020（6）：209-210.

［3］周亞林.探討無人機在消防滅火救援行動中的應用［J］.科技創(chuàng)新與應用，2018（16）：173-174.

［4］羅娜.無人機在消防滅火救援監(jiān)管工作中的應用［J］.今日消防，2021（1）：37-38.

［5］康凱.無人機在消防滅火救援工作中的應用研究［J］.武警學院學報，2013（10）：27-29.

收稿日期：2023-02-02

作者簡介：張明（2002—），女，本科生，研究方向：電氣工程及其自動化。