多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的應用與發(fā)展

黃贊輝

摘要：得益于鋼結(jié)構(gòu)、玻璃幕墻和電梯等三項技術(shù)的發(fā)明，使得人們能夠把房子越建越高，據(jù)不完全統(tǒng)計，中國現(xiàn)有24m以上的高層建筑近4萬座，百米以上的超高層建筑有8千余座，傳統(tǒng)消防裝備器材和滅火救援手段面臨著“夠不著、進不去、展不開、打不準”等問題，高層建筑滅火救援被稱為是“世界難題”?，F(xiàn)有的高層建筑滅火救援手段不能適應高樓的建設發(fā)展，但如今隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展進步，這一難題有望得以突破，將多旋翼無人機應用于高層建筑滅火救援中，提供了新選擇、開辟了新道路。

關(guān)鍵詞：高層建筑; 滅火救援; 無人機; 應用發(fā)展

近年來，國內(nèi)外高層建筑發(fā)生火災的事故比比皆是，人員傷亡、財產(chǎn)損失慘重，如2009年2月的央視大樓火災、2010年11月的上海靜安區(qū)高層住宅大火、2017年6月的倫敦大火等。高層建筑一旦發(fā)生火災，由于火勢蔓延快、人員疏散難、滅火撲救難，再加上高樓結(jié)構(gòu)復雜、人員密集，往往難以控制，后果嚴重。據(jù)我國消防部門火災數(shù)據(jù)顯示，高層建筑火災的死亡人數(shù)呈逐年上升趨勢，形勢不容樂觀。

1 ? 傳統(tǒng)高層建筑滅火救援存在的問題與不足

1.1 ?夠不著

目前，我國主流配備的舉高類消防車在50～60m左右，遠遠夠不著超高層建筑，世界上舉升高度最高的云梯車雖然可以升高到110m左右，實際上也只能抵達三四十層樓的高度，不僅價格昂貴（千萬以上），而且后期維護保養(yǎng)不便，僅有極少部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)購置。此外，大多數(shù)消防水槍、水炮的噴射高度也只有50m左右?？梢哉f，百米左右的高層建筑發(fā)生火災，以目前的消防裝備實力狀況，大部分地區(qū)幾乎沒有快速有效的滅火救援方法，更別提百米以上的超高層建筑。

1.2 ?進不去

主要體現(xiàn)在兩方面，一是高層建筑周邊地理環(huán)境因素，道路的寬度、轉(zhuǎn)彎半徑等不能滿足消防車進出要求，也常有私家車、隔離樁等占用消防車通道，消防車很難快速、順利進入火災現(xiàn)場。二是消防員體能有限，高層火災消防員內(nèi)攻滅火時，負重登樓超過20層后，挑戰(zhàn)人體體能極限，就無法有效開展滅火救援行動。

1.3 ?展不開

舉高類消防車為確保操作穩(wěn)定，舉升高度越高，支腿展開的幅度就越大，并且要求地面堅實、平整，地面的傾斜度不能夠超過30°等，對現(xiàn)場作業(yè)場地要求較高。目前50m左右的舉高類消防車，車身重量達二三十噸，至少需要7m以上寬度的空曠開闊、厚實平整的道路用于支腿的展開。此外，受架空私拉電線、廣告牌等的影響，臂架也不能快速順利舉升展開至目標位置。

1.4 ?打不準

舉高類消防車要求臂架、工作斗運行穩(wěn)定，不得有爬行、抖動等現(xiàn)場，以確保滅火救援時的準度和精度，但由于高層受風力的影響（風速隨高度的上升而逐漸加大），或者操作人員的動作不夠平穩(wěn)，將導致臂架頂端的工作平臺擺動幅度過大，同時，火場中的強熱對流、蔓延煙氣等因素也給滅火帶來阻礙，致使滅火救援時不夠準確。

2 ? 多旋翼無人機的實戰(zhàn)應用與展望

2.1 ?火情偵察

消防員在地面上無法準確掌握了解高層建筑上方的火災情況，無人機素有“上帝視角”之稱，可以全方位、實時監(jiān)測火災的發(fā)展程度與方向。筆者建議未來的消防無人機要與5G、VR技術(shù)相結(jié)合， 5G通信具有高速度、低功耗、低時延等特點，在5G基礎(chǔ)上融合VR技術(shù)，可實現(xiàn)如同在現(xiàn)場一般體驗，遠程進行火情偵察，不僅可以及時掌握情況進行指揮決策，而且消防員不用進入現(xiàn)場偵察，可以避免傷亡。

2.2 ?輔助搜救

通過搭載紅外熱像儀，可以檢測到室內(nèi)被困人員的方位，以便消防員內(nèi)攻時有目的性地進行搜救，節(jié)約救援時間，特別是在濃煙環(huán)境中，時間意味著生命。通過搭載的喊話器，還可以組織室內(nèi)被困人員有序進行疏散逃生，安撫其情緒。

2.3 ?運送物資

受限于消防員體能，為確保消防員高層火災內(nèi)攻時有效開展滅火救援，可將所需的滅火器材裝備通過無人機運送去施救地點（如水帶、空氣呼吸器等），以節(jié)省消防員負重登樓的體力消耗。還可以運送救生物資以供被困人員使用（如防毒面具、滅火毯等）。

2.4 ?實施救人

高層建筑火災，因其建筑結(jié)構(gòu)復雜，人員疏散逃生存在一定的難度，將舉高類消防車工作斗與無人機結(jié)合，改造成可任意升降、懸停的飛行工作斗，可抵達目前舉高類消防車無法到達的高度實施救人，將被困人員從高樓運送至地面，起降的速度比舉高消防車的升降速度快，救人效率高。目前的消防救生氣墊只適用于10m以下高度的救人，將高層防墜落網(wǎng)兜的四個角分別用無人機固定牽引，用于接住在高空不慎墜落的人員或者提供給被困人員逃生，將不受使用高度限制，開辟新的救生通道。

2.5 ?高空滅火

可在消防員進入火災現(xiàn)場前，通過滅火無人機攜帶高效滅火劑或滅火彈，遠程控制發(fā)射到重點火情區(qū)域，防止災情大范圍蔓延，只要載重足夠攜帶充足的滅火劑甚至直接可以撲滅火災。還可以研發(fā)智能集群無人機滅火系統(tǒng)，通過多臺無人機串聯(lián)的形式，將水帶牽引至著火層實施滅火作業(yè)，可以有效降低高樓滅火時消防員的安全風險。

3 ? 多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的作用與優(yōu)勢

3.1 ?節(jié)省到場時間

高層建筑起火后，如果在初期火災時間內(nèi)不能及時撲滅，火勢就會迅速向上下蔓延，形成立體燃燒。而高層建筑多地處鬧市區(qū)經(jīng)常會出現(xiàn)交通堵塞等問題，導致消防車輛無法第一時間抵達現(xiàn)場，浪費了很多寶貴、有利的滅火救援時間。多旋翼無人機因其具有機動靈活、垂直起降、空中懸停、原地回轉(zhuǎn)等優(yōu)勢，對道路交通情況無要求，可以在交通堵塞等情況下快速到達現(xiàn)場，實時傳回現(xiàn)場火情，為消防救援指揮員及時提供依據(jù)，以便制訂最優(yōu)的滅火方案和決策，極有可能將火災消滅在發(fā)展階段或初期階段。

3.2 ?提升救援效率

舉高類消防車因其舉升高度受限（普遍為50m左右）、場地要求較高、周邊環(huán)境影響等因素，到達現(xiàn)場后不能迅速、順利、有效展開舉升至目標位置，舉高類消防車從停車后支腿展開至作戰(zhàn)狀態(tài)，需要10min，利用工作斗救人時，一次性僅能夠承載3-5個成年人。多旋翼無人機理論飛行高度可達數(shù)千米，基本不受場地條件或建筑高度的限制，可沿高樓的垂直面無障礙升空，快速到達火災樓層，任意高度懸停，大大節(jié)約了消防救援時間。還可以同時采用無人機智能編隊，多臺無人機協(xié)同作戰(zhàn)，進一步提升滅火救援的效率。

3.3 ?提高滅火精度

火場中的強熱對流、蔓延煙氣、現(xiàn)場風力等因素的存在常常導致舉高類消防車在高層滅火時打不準，一定程度上影響了滅火救援的順利進行。高層建筑專用消防滅火無人機，采用了智能飛控、任務規(guī)劃、圖像識別、彈道設計等技術(shù)，地面指揮人員控制無人機發(fā)射滅火彈或滅火劑，可以快速、精確地瞄準火災區(qū)域。

4 ? 消防用多旋翼無人機面臨的技術(shù)難題與法律風險

4.1 ?技術(shù)方面

（1） 長續(xù)航

在消防滅火救援中，特別是高層建筑火災，因其火災特性，常常需要很長時間作戰(zhàn)，目前多旋翼電驅(qū)動無人機實際續(xù)航時間在半小時左右，遠不能滿足實戰(zhàn)需要?？蛇M一步研發(fā)長續(xù)航的油驅(qū)動、油電混合動力或者氫燃料電池的消防無人機，對于使用位置相對固定的無人機，還可以通過系留的方式進行供電，解決續(xù)航時間短的問題。

（2）大載荷

在高層滅火救援中，需要通過無人機攜帶充足的滅火藥劑進行滅火，也需要進行人員救生。經(jīng)筆者計算（m=ρv=ρsl=ρπr 2l，ρ為水的密度1g/cm3，π為圓周率，r為水帶的半徑，l為水帶長度），一盤20m長的Φ65水帶，充滿水后的重量達66kg;Φ80水帶，充滿水后的重量達100kg。高層滅火救援中需要出動無人機滅火的基本在50m以上樓層，至少需要攜帶3盤水帶串聯(lián)供水，目前無人機的載荷還不能滿足此要求。為解決此問題，一方面需要不斷研發(fā)大載荷的無人機，另一方面可以研發(fā)無人機串聯(lián)機組，通過數(shù)臺無人機固定于相應消防水帶接口位置，一盤水帶由一臺無人機掛載，解決單臺無人機承載能力不足問題，可實現(xiàn)高層建筑無人機滅火供水難題。

（3）高性能

在高層建筑滅火救援現(xiàn)場，環(huán)境復雜，高熱輻射、強熱對流、蔓延速度快，對無人機各方面的性能要求較高。無人機是通過無線信號進行控制并傳輸數(shù)據(jù)，在實踐中，由于受環(huán)境中其他無線電信號干擾，輕則導致圖像傳輸停滯模糊，影響滅火救援行動;重則信號丟失，導致無人機墜毀。因此，筆者建議為消防滅火救援用無人機開辟專用的頻段信號傳輸通道。

4.2 ?法律風險

近年來，常有無人機干擾民航事件發(fā)生，不僅造成航班延誤，而且存在嚴重的安全隱患，萬一與起降中的飛機相撞將容易導致機毀人亡。國家也越來越重視民用無人機的發(fā)展，并出臺了一系列規(guī)章制度進行規(guī)范管理，但幾乎沒有相應的法律法規(guī)進行約束，均為中國民用航空局頒發(fā)的部門規(guī)章（咨詢通告），如：《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》、《民用無人駕駛航空器實名制登記管理規(guī)定》、《民用無人機駕駛員管理規(guī)定》，其法律效力低于憲法、法律和行政法規(guī)。此外，目前還缺乏行之有效的監(jiān)督管理和高效規(guī)范的使用程序，不少無人機玩家和愛好者不知道應該向哪個部門申請批準飛行計劃或者申請手續(xù)繁瑣、審批時間長。筆者所在城區(qū)剛好是機場的禁飛區(qū)，無人機需要申請解禁后才能正常使用，但是申請解禁手續(xù)繁瑣且時效有限（三個月），一定程度上影響了使用的效率和便利性。因此，筆者建議，一是要盡快就民用無人機的使用管理進行立法;二是相關(guān)職能管理部門明確管理職責、簡化審批流程、提高審批效率;三是無人機駕駛員需進行專業(yè)的培訓學習，學習駕駛技能和各類規(guī)章制度，獲得相應的駕駛資質(zhì)。

5 ? 結(jié)語

2018年8月10日，國家應急管理部消防局科技項目“旋翼無人機在滅火搶險救援領(lǐng)域中的應用”在鄭州成功進行了滅火試驗演示，2019年2月26日，應急管理部消防救援局“消防用無人機體系建立項目啟動會暨無人機消防應用綜合演練”在上海市消防救援總隊培訓基地成功舉行，這些事件意味著無人機在消防滅火救援工作中的應用得到了國家的認可和支持，其重要性越來越強，迎來了新的發(fā)展機遇，相信在不遠的將來，無人機將成為消防救援隊伍的標配裝備。

參考文獻：

[1] ? 王冠.無人機在消防滅火救援工作中的應用研究[J].消防界，2017，（02）：52.

[2] ? 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.