無人機(jī)高層建筑消防救援的應(yīng)用與研究

徐逸杰

摘 要：近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建筑也越來越高。現(xiàn)有消防設(shè)備根本無法滿足樓層高度，難以準(zhǔn)確掌握起火點，對高層建筑被困人員進(jìn)行及時救援，導(dǎo)致人員死傷及財產(chǎn)重大損失，高層建筑火災(zāi)的防控已經(jīng)成為一個社會性的難題。與此同時，我國無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，無人機(jī)應(yīng)用更是遍地開花，給予了我開發(fā)利用無人機(jī)進(jìn)行消防救援的思路。通過組裝并反復(fù)試驗，研制了一套依托無人機(jī)掛載，可用于高層建筑消防救援的多功能設(shè)備裝置，從而提高救援效率，將大大減少火災(zāi)人員傷亡。

關(guān)鍵詞：高層建筑；火災(zāi)；無人機(jī)；遠(yuǎn)程遙控；搜救；測距；投射；裝置

中圖分類號：TP101 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)中央電視臺30層中心大樓發(fā)生火災(zāi)，造成1人死亡和7人受傷。

2014年11月15日下午，上海靜安區(qū)一幢28層住宅起火，最終導(dǎo)致58人遇難，70余人受傷，房產(chǎn)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(xiàn)場搶救出的4人經(jīng)搶救無效死亡。

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(shù)量居世界第一。現(xiàn)有消防設(shè)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(zhǔn)確掌握起火點，也很難對高層建筑被困人員進(jìn)行及時救援，導(dǎo)致人員死傷及財產(chǎn)損失，高層建筑火災(zāi)的防控已經(jīng)成為一個社會性的難題。如何才能戰(zhàn)勝火魔，挽救生命。

1.2 創(chuàng)新靈感

看到上面一組組駭人的數(shù)據(jù)，誰都會一聲嘆息。發(fā)生火災(zāi)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(jī)會，我接觸到了無人機(jī)。它有很多優(yōu)點：小型輕便、低噪節(jié)能、高效機(jī)動，起飛降落受場地限制較小，具有良好的穩(wěn)定性和安全性。航拍影像具有高清晰、大比例尺、高現(xiàn)勢性的優(yōu)點。

我受到很大的啟發(fā)，如果無人機(jī)能夠應(yīng)用到消防救援上，一定能夠幫助到更多的人。但無人機(jī)消防救援裝置的功能需要具備哪些？無人機(jī)載重量的計算？如何實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制？帶著各種問題和想法，我首先進(jìn)行了相關(guān)資料的查閱。并開展一系列的實用性調(diào)研。

1.3 調(diào)研

1.3.1 現(xiàn)有消防救援裝置

經(jīng)過調(diào)查我得知，現(xiàn)有消防救援裝置主要分以下幾個大類：

（1）救援人員防護(hù)裝備（防護(hù)頭盔、防護(hù)服等）；（2）消防槍炮及供水器具（消防槍、水幕發(fā)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(hù)裝備和救援裝備兩個方面。

1.3.2 現(xiàn)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(nèi)最高的云梯車應(yīng)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(xiàn)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(xiàn)場火情無法掌握。高層建筑空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平面布置和立面體型復(fù)雜。讓消防人員無法掌握火情，無法了解現(xiàn)場破壞程度，無法制訂準(zhǔn)確的救援方案。

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

現(xiàn)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(zāi)這種特殊情況下，看似很先進(jìn)的工具卻無法派上用場。

2 研發(fā)改進(jìn)歷程

2.1 高層消防救援功能需求采集

當(dāng)我確定了研發(fā)主題和概念之后，便開始思考如何著手創(chuàng)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(lián)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(fā)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(yuǎn)，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(zāi)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的恐懼，無法冷靜的面對環(huán)境，甚至于會做出跳樓等不理性的行為。如果能夠遠(yuǎn)程呼叫喊話，及時給予正確的指導(dǎo)，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(huán)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(yuǎn)程操控功能。遠(yuǎn)程控制是完成救援任務(wù)的關(guān)鍵，包括：現(xiàn)場視頻、音頻數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸；拋投物品設(shè)備的遠(yuǎn)程操控；照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。

（5）救援裝置需要具有夜間照明功能。能夠提供強(qiáng)光照明設(shè)施，從多角度照亮火災(zāi)現(xiàn)場。解決夜間環(huán)境復(fù)雜，能見度低，提高滅火救援行動效率。

2.2 無人機(jī)高層建筑消防救援裝置原理驗證與設(shè)計

為了實現(xiàn)消防人員提出的五大功能，我著手進(jìn)行了原理驗證和整體設(shè)計。

2.2.1 工作原理

通過多旋翼無人機(jī)遠(yuǎn)程操控，承載救援物資到達(dá)高層建筑救援地點，通過高清攝像頭和強(qiáng)光照明燈觀察確認(rèn)火情，通過實時視頻及熱成像確認(rèn)搜救人員目標(biāo)，通過遠(yuǎn)程喊話器通知指導(dǎo)被困人員正確執(zhí)行自救措施。

2.2.2 整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)主要由多旋翼無人機(jī)、高清攝像頭及熱成像儀、遠(yuǎn)程無線遙控喊話系統(tǒng)，強(qiáng)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(tǒng)等配件組成。如圖1、2所示。

2.3 無人機(jī)高層建筑消防救援裝置的制作和改進(jìn)過程

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

（1）喊話器+步話機(jī)獨立模塊。智能喊話系統(tǒng)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(zhǔn)確投遞給火災(zāi)被困人員，具有一定的防水性，體積小、低功耗，距離基本設(shè)定在5米范圍內(nèi)。

（3）彈射裝置。關(guān)于彈射裝置，困擾了我很久。起初，設(shè)想利用彈簧原理設(shè)計制作，根據(jù)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(shù)計算公式進(jìn)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(jìn)劑彈力彈射物品。通過改裝，主體采用強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維結(jié)構(gòu)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(dá)投射距離。

（5）強(qiáng)光照明燈。直接安裝多組強(qiáng)光照明手電。

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

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

3 無人機(jī)高層建筑消防救援裝置的測試

3.1 公開展示

無人機(jī)高層建筑消防救援裝置現(xiàn)已制作出成品，該裝置自重4.62公斤，各項成本合計2863元。經(jīng)過查新，未見同類產(chǎn)品。如圖3所示。

3.2 試驗測試

（1）測試環(huán)境：室外、陰天、溫度6-15度，風(fēng)力3-4級。

（2）測試項目：

1）遠(yuǎn)程喊話，音量調(diào)一半，未調(diào)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(chǎn)生一定后座力，無人機(jī)機(jī)身產(chǎn)生部分晃動，能夠自動修正角度，位置基本準(zhǔn)確，投射距離3-5米，測試成功。

5）遙控操作，未出現(xiàn)信號丟失，測試距離50-60米，測試成功。

（3）消防中隊模擬實戰(zhàn)測試。為進(jìn)一步檢驗作品的功能用途，學(xué)校輔導(dǎo)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(jìn)行了實地測試，讓消防隊員們測試點評，消防隊員們都認(rèn)為該裝置概念創(chuàng)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(zāi)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(lǐng)導(dǎo)還為此作品作了專門的情況說明。如圖5所示。

4 后續(xù)改進(jìn)設(shè)想

（1）整體自重優(yōu)化減少，將總重量盡可能壓縮。

（2）裝置內(nèi)部設(shè)計可以進(jìn)一步優(yōu)化，組合更緊湊科學(xué)。

（3）拓展裝置遙控系統(tǒng)與無人機(jī)飛控系統(tǒng)集成融合。

（4）裝置投射物品可增加多彈頭滅火彈，實現(xiàn)高空滅火功能。

（5）模擬信號步話機(jī)改用數(shù)字信號，減少對無人機(jī)操作干擾。

5 項目創(chuàng)新特點及推廣應(yīng)用前景

5.1 創(chuàng)新特點主要有

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

（2）現(xiàn)場高清視頻功能，能夠真實反映現(xiàn)場火災(zāi)情況。

（3）熱成像搜尋功能，能夠準(zhǔn)確定位救援對象。

（4）遠(yuǎn)程無線遙控喊話系統(tǒng)，可以指導(dǎo)被困人員正確面對火災(zāi)，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(zāi)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(jī)，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(zāi)死亡率。

5.2 推廣應(yīng)用前景

該裝置主要用于消防機(jī)構(gòu)輔助救援使用，可進(jìn)入火場偵查監(jiān)測、拋投救援物資。同時，隨著無人機(jī)技術(shù)的普及，還可擴(kuò)展應(yīng)用于各個高層建筑小區(qū)物業(yè)的消防配套裝備。

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