無人機在超高層建筑火災(zāi)中的應(yīng)用

張世超 朱紅偉 王善超

摘要：據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國有100米以上超高層建筑數(shù)萬座，200米以上超高層建筑895座（含在建）。傳統(tǒng)的消防裝備就出現(xiàn)了“夠不著、進不去、展不開、打不準(zhǔn)”的短板，在這種大環(huán)境中，無人機應(yīng)用在消防救援領(lǐng)域是勢不可擋的趨勢。文章主要對無人機在超高層建筑中火災(zāi)撲救的應(yīng)用進行了分析，結(jié)合實際的高層火災(zāi)案例，提出無人機在火場中具有火情偵察、人員疏散、運送物資、輔助滅火等作用，同時通過數(shù)值模擬軟件Matlab尋找無人機在超高層建筑火災(zāi)偵察中的最優(yōu)路徑。

關(guān)鍵詞：超高層建筑;消防裝備;無人機;消防救援

一、引言

無人駕駛航空器簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，就是一種不需要操作人員，只是通過無線遙控便可以控制并執(zhí)行任務(wù)的動力空中飛行器，它和有人操控的飛機相比較，不需要考慮人員的忍耐極限，可以在危險環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。飛行器的升力由空氣動力提供，能夠按照航線自主飛行;從技術(shù)角度來看，可分為無人直升機、無人固定翼飛機、無人多旋翼飛機、無人飛艇等。早在20世紀(jì)初，考慮到飛機駕駛員的安全問題，研制無人駕駛飛機這種想法就已經(jīng)出現(xiàn)在了人們的腦海中。直到20世紀(jì)30年代，英國費雷爾公司將一架“女王”雙固定翼飛機改造成無人駕駛飛機，并開始將無人駕駛飛行器用于軍事領(lǐng)域。

現(xiàn)階段建筑業(yè)迅速發(fā)展，消防裝備的先進性還有待提高，移動消防設(shè)施在高層建筑中的作用不明顯，消防水罐車作為滅高層建筑火災(zāi)的主力裝備，其噴水射程也僅僅為8層樓高，消防云梯車是主要的高空救援裝備，現(xiàn)階段最高的消防云梯車約為101米，但是達到這個高度時受風(fēng)力等條件影響嚴重，一般來說，救援能力在50米左右，在超高層建筑火災(zāi)中，這些消防救援裝備的作用便會大打折扣。超高層建筑火災(zāi)由于建筑樓層太高，高噴車的射程達不到，消防云梯車穩(wěn)定性不佳，再加上煙囪效應(yīng)，火勢垂直蔓延5米/秒，無法對火勢進行壓制，現(xiàn)場逃生混亂，給救援帶來了一定困難。例如，一些百米以上的典型火災(zāi)事例，由于救援的局限性導(dǎo)致重大人員傷亡或巨大財產(chǎn)損失，如表1所示。

二、高層建筑火災(zāi)案例分析

以上海市某公寓火災(zāi)為例。2010年11月15日14時，因無證電焊工違章操作引發(fā)火災(zāi)。因為樓太高，高壓噴車根本夠不著。加上煙囪效應(yīng)，火勢以5米/秒的速度垂直蔓延，導(dǎo)致火勢迅速發(fā)展，濃煙滾滾，現(xiàn)場逃生混亂。20多人聚集在著火大樓的頂層，揮手等待救援，另外還有人爬到樓外的腳手架上等待救援。上海市消防部門接警后迅速出動消防云梯、舉高梯等裝備，并出動近200名消防隊員進行強攻，由于火場內(nèi)部的環(huán)境以及被困人員的位置等因素都無法確定，消防員只能挨家挨戶的搜救被困人員，這使救援速度大打折扣，降低了被困人員的獲救率。

類似這種發(fā)生火災(zāi)的建筑超過50米，一般的移動消防裝備已經(jīng)無法完全發(fā)揮作用，要充分利用建筑內(nèi)的固定消防設(shè)施展開內(nèi)攻，所以火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)部的信息采集至關(guān)重要，無人機可以通過搭載高清攝像儀、紅外熱像儀、氣體分析儀等設(shè)備，實時傳輸火場內(nèi)部的關(guān)鍵信息以及被困人員的位置信息，有利于發(fā)生火災(zāi)時對被困人員的搜救。據(jù)統(tǒng)計，在火災(zāi)中大多數(shù)人員是吸入過多例如CO2、CO、SO2、NO2等有毒有害氣體導(dǎo)致失去行動能力而喪生，無人機則可以為被困人員拋投防毒面具等裝備，提升被困人員的存活率。

三、無人機在高層建筑火災(zāi)撲救中的常規(guī)應(yīng)用

（一）火情偵察

在超高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，火場環(huán)境具有很多不確定性，由于無法直接到達著火樓層，僅憑經(jīng)驗和詢問在場人員難以確定現(xiàn)場的情況，4G單兵亦無法靠近拍攝，而選擇使用無人機對火場內(nèi)部進行偵查則效果更佳。因此，可以將無人機與5G技術(shù)、VR技術(shù)相結(jié)合，5G速度之快可以實現(xiàn)畫面實時傳輸，確定著火點位置、被困人員位置以及獲取重點部位的清晰圖像;同時在無人機上搭載可燃氣體探測儀、有毒氣體探測儀等設(shè)備確定火場的危險區(qū)域，防止消防員貿(mào)然進入發(fā)生不必要的危險。

（二）人員疏散

在消防無人機上搭載紅外熱像儀可以很好的確定火場中被困人員的位置，同時根據(jù)無人機傳輸?shù)幕饒銮闆r，消防指揮員可以為被困人員制定最優(yōu)逃生路線，如果發(fā)現(xiàn)有被困人員由于受傷或者行動不便一直在原地不動，則可以出動消防員內(nèi)攻，進行有目的性的救人。此外，無人機可以配備照明指示器和廣播引導(dǎo)系統(tǒng)，直接引導(dǎo)高層建筑中的人員疏散到正確的樓層。在無人機上面搭載喊話器也是極為必要的，被困人員突逢大火，身體與心理都會受到創(chuàng)傷，可以利用喊話器安撫被困人員的情緒，使他們冷靜地進行逃離。

（三）運送物資

在超高層建筑火災(zāi)中，拋投設(shè)備會存在一定的局限性，出現(xiàn)無法準(zhǔn)確投放物資或者樓層太高超出拋投物資的距離的情況，位于較高樓層來不及逃離的人員以及沖向高層實施救援的消防員則會存在資源匱乏的問題，這種情況下無人機便可以取代拋投設(shè)備完成高層投放物資的任務(wù)，例如，為被困人員投放防毒面具、藥品、逃生緩降器等應(yīng)急物資，為長時間呆在火場的消防員投放新的空氣呼吸器等，在很大程度上延長了消防員的救援時間以及被困人員的逃生時間。

（四）輔助滅火

無人機具有輕快便捷的特點，不受城市內(nèi)交通擁堵的影響，當(dāng)火警指揮中心收到出警信息時，可以派遣無人機優(yōu)先到達火災(zāi)現(xiàn)場，在無人機上面裝載滅火彈，在火災(zāi)初期將滅火彈發(fā)射到重點燃燒的區(qū)域，防止火勢的蔓延擴散，為消防隊伍爭取更有利的條件。時至今日，無人機越來越多的功能被開發(fā)出來，例如，消防系留無人機可以將DN25水帶和DN40水帶分別拉至100米、55米的高空且能長時間的滯空停留，這個功能可以代替消防員拖拉水帶至高層，實現(xiàn)超高層建筑滅火，同時也降低了消防員的危險性。

四、無人機編隊路徑規(guī)劃

（一）MTSP多商旅問題

多商旅問題MTSP可以描述為多個商品推銷員要去若干個城市推銷商品，這些推銷員最開始都在同一個城市，他們可以被分配到不同路徑，在經(jīng)過所有城市之后，大家都回到出發(fā)的城市，以四個城市為例，假設(shè)這四個城市編號分別為0、1、2、3，且0號為MTSP中起始的城市，再假設(shè)一共有3個旅行商，這時的解應(yīng)該是00123的一個隨機排列，如果不考慮重復(fù)的可能，那么所有的情況一共有5?=120種。

假設(shè)有n+1個城市，第0號為起始城市，其他城市編號為1至n，一共有m個旅行商，那么生成的解應(yīng)該為m-1個0和1至n組成的一個隨機排序。例如3、0、2、1、0，表示第一個旅行商的方案為0-3-0，第二個旅行商的方案為0-2-1-0，第三個旅行商不出門;1、0、3、0、2表示第一個旅行商的方案為0-1-0，第二個旅行商的方案為0-3-0，第三個旅行商的方案為0-2-0。

（二）無人機協(xié)同搜索

1.問題概述

單個無人機對火場進行搜索無法發(fā)揮全覆蓋、時間短的優(yōu)勢，利用無人機編隊協(xié)同搜索整個區(qū)域，使得無人機編隊中每一架無人機都有自己的航線，對火場進行徹底的信息搜索且協(xié)同搜索路徑最短。

2.數(shù)學(xué)模型的建立

假定無人機上攜帶的探測裝置在某個時間點探測的范圍為固定的區(qū)域如圖1所示，整個火場可以劃分為若干個這樣的小區(qū)域，無人機需要經(jīng)過所有的小區(qū)域?qū)饒鲞M行全方位的探測，每個小區(qū)域的中心為搜索必經(jīng)點，即無人機需通過每一個區(qū)域的中心位置，如圖2所示。

（三）飛行路徑的算法

確定無人機開始搜索的位置以及完成任務(wù)后離開的位置，然后用遺傳算法求解最短路徑。

1.Matlab求解過程

設(shè)置無人機數(shù)量為3架，種群的個數(shù)為80，最多迭代次數(shù)為5000次：

salesmen = 3;

pop_size = 80;

num_iter = 5e3;

計算距離矩陣：

a =meshgrid（1：n）; ?dmat=reshape（sqrt（sum（（xy（a，：）-xy（a'，：））.^2，2）），n，n）;

下面的迭代用于計算每個個體的對應(yīng)的所有旅行商的總距離：

rng = [[1 pBreak+1];[pBreak n]]';

for s = 1：nSalesmen

d = d + dmat（1，pRoute（rng（s，1）））;

for k = rng（s，1）：rng（s，2）-1

d = d + dmat（pRoute（k），pRoute（k+1））;

end

d = d + dmat（pRoute（rng（s，2）），N）;

end

totalDist（p） = d;

end

下面為尋找最佳路線的方式，若本次迭代時的最佳距離小于歷史全局最小值，就將它記錄在圖上，以此方法記錄直到迭代的最小距離等于歷史全局最小值結(jié)束：

% Find the Best Route in the Population

[min_dist，index] = min（totalDist）;

distHistory（iter） = min_dist;

if min_dist < globalMin

globalMin = min_dist;

當(dāng)本次迭代時的最佳距離等于歷史全局最小值時，記錄此次路線為尋找的最優(yōu)路線。

2.求解結(jié)果

求解結(jié)果如圖3所示，三條顏色的線分別代表三架無人機的航行軌道，三架無人機均從同一個起始點出發(fā)，協(xié)同歷經(jīng)所有必經(jīng)點，最后返回出發(fā)點的最優(yōu)路徑。

五、結(jié)語

我國的城市化率不斷增高，無數(shù)高層建筑拔地而起，這對消防事業(yè)是一項新的挑戰(zhàn)，無人機的作用亦是日益彰顯，其靈活可靠的屬性可以在超高層建筑火災(zāi)中進行現(xiàn)場偵查、實時傳輸，有利于消防員對火場的實際情況進行掌握，并且有利于指揮員的指揮決斷，無人機編隊協(xié)同偵察的方式則可以幫助消防指揮員更全面、更迅速地掌握火場情況，這對于消防救援工作具有積極作用，可促進消防事業(yè)的不斷發(fā)展。

參考文獻：

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