基于無人機裝備的高層建筑火災通信體系建設

陳鵬 邱奕鴻

【摘要】? ? 高層建筑的增加能夠推動經(jīng)濟社會的發(fā)展，但是與之同來的，還有火災發(fā)生概率的增加。高層火災撲滅作為消防領域的一個難點，對滅火救援的傳統(tǒng)模式提出了挑戰(zhàn)，也使相關滅火決策的革新一直成為一個熱門討論點。本文對高層火災救援的難點進行了針對通信決策與行動決策的具體分析，爾后又詳談無人機在上述兩個決策上的應用，并對一種滅火救援新模式展開了假想分析，旨在得到可適用于高層建筑滅火救援的一般可行規(guī)律。

【關鍵詞】? ? 無人機? ? 高層建筑滅火救援? ? 通信決策

引言：

21世紀，隨著社會人口的不斷增多，城市建筑用地面積趨向于不足，高層建筑的建設需求呈現(xiàn)井噴式增加。高層建筑雖然有著節(jié)約用地，集中人口等多方面優(yōu)勢，但也存在著火災隱患大，火勢撲滅難等缺點。依靠傳統(tǒng)的地面通信工具與經(jīng)驗判斷的滅火救援策略，在面對高層建筑火災，尤其是超高層建筑火災時往往表現(xiàn)不盡如人意?，F(xiàn)今，隨著無人機技術與通信技術的交互發(fā)展趨于成熟，以無人機為載體輔助形成滅火救援的通信決策與行動決策擁有了更多可行性。本文通過分析高層建筑滅火救援的決策難點，對無人機具體應用展開分析，并對高層建筑滅火救援進行關于無人機任務的理想過程下模式分析。

一、高層建筑火災救援難點分析

（一）高層建筑空間結(jié)構(gòu)通順，火勢蔓延速度快

一般高層建筑以門、窗、走廊等橫向渠道和以樓梯、電梯、管井等縱向空間交錯作為其主體空間結(jié)構(gòu)。這種空間結(jié)構(gòu)具有相對通順性，對于火災幾乎起不到任何阻礙作用。一旦火災發(fā)生，火勢就能借助縱橫兩向的通順空間完成短時間內(nèi)的迅速蔓延。有數(shù)據(jù)表明，150米左右的高層建筑，在高溫作用下，僅需40秒左右的時間，煙氣即可完成從最底層向樓頂天臺的蔓延。這也造成了滅火救援的通信決策難題與行動決策難題，即火勢變化過快情況如何判斷傳達，火勢蔓延過快行動如何指揮部署。

（二）高層建筑內(nèi)部情況復雜，人員疏散難度大

高層建筑雖然空間結(jié)構(gòu)相對通順，但是一旦火災發(fā)生，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生一定的畸形，表現(xiàn)在橫向渠道易受煙霧與火勢的阻擋，而縱向空間極有可能發(fā)生樓道坍塌和電梯安全停用?；馂陌l(fā)生后，內(nèi)部人員受困于有限空間，長期處于高溫狀態(tài)，情緒上容易滋生恐懼，無法配合正常的救援行動，難以被施救。而且當火災煙霧過大，內(nèi)部人員的情況包括人員數(shù)目和位置信息將難以被指戰(zhàn)員們獲取，這在一定程度上其實更加大了高層建筑救援難度。這里有很明顯的一個通信決策難題，在于如何確定內(nèi)部人員具體位置和所處地點火勢情況，從而為救援力量的部署提供依據(jù)。而這里的行動決策難題，則在于依靠有限不完整的信息，無法作出符合實際的指揮部署，也無法組織有序撤出被困人員。

（三）燃燒物質(zhì)荷載密度較大，燃燒情況復雜多變

燃燒時，火災的荷載密度是指建筑體單位特征面積所產(chǎn)生的完全燃燒熱量。由于高層建筑面積有限，并且火勢蔓延快，燃燒程度高，易使高層建筑在短時間內(nèi)產(chǎn)生較高火災荷載。較高的火災荷載又會持續(xù)提高火場溫度，使火勢的劇烈峰期維持較久，對被困人員與施救人員造成較大生命威脅。

另一方面，高層建筑作為集合了人口與用地兩大優(yōu)勢的建筑產(chǎn)物，其商業(yè)化價值廣泛，可以被普遍用作娛樂，飲食，酒店和辦公等場所。其功能的多樣性也導致了其起火原因與燃燒物質(zhì)的不確定性，并進一步影響到下一步滅火策略的部署，既明顯降低了救援效率，又無形中使指戰(zhàn)員的作戰(zhàn)信心受到打擊。

綜合這兩方面的難點分析，其主要特點在于救援時受有限的探測裝備影響，導致通信決策效果差，獲取的信息無法支撐合理的行動決策?；鹎橐氐牟幻鞔_使得救援指揮處于被動局面。

（四）現(xiàn)階段滅火裝備受限大，超高層火災撲救有心無力

即使有了絕對可靠的通信決策，在面對已經(jīng)蔓延到海拔超過百米的超高層火災，受到現(xiàn)階段消防裝備的相對限制，火災撲救工作同樣難以展開。現(xiàn)階段，一般消防站的登高消防車普遍只能接觸到100米上下的高度，而地面消防車的滿功率水壓也只能勉強支撐100米左右的水高，依靠重型裝備對超高層建筑進行滅火救援在現(xiàn)階段還難以做到。同時，由于樓層過高，進行攀登時會嚴重消耗指戰(zhàn)員們的體力，再加上樓層作戰(zhàn)空間有限，供水困難，使得內(nèi)攻的難度也同樣巨大。在這里面主要是行動決策上的技術無法達到理想救援效果的難題。依托強化重型裝備也許是解決方案，但也一定帶來巨額成本和普及的困難。而隨著無人機技術的不斷發(fā)展和新型飛行材料的推廣，應用滅火用無人機可能更將成為一個新的解題思路。

二、基于無人機系統(tǒng)開展高層建筑滅火救援的具體路徑

（一）全方位高空拍攝，傳輸火勢信息

無人機系統(tǒng)借助其搭載的高精度攝像頭，可以在空中圍繞著火建筑進行持續(xù)攝影作業(yè)，并將火勢情況實時傳輸至地面指揮中心。通過這種實時有源的高空攝影作業(yè)，目的是迅速得到火勢蔓延趨向與蔓延速度，從而對整個高層建筑火災發(fā)展趨勢作出整體有效判斷。在得到無人機傳輸回來的火勢信息后，指揮員可以進行更為有效的滅火行動部署，爭對火勢蔓延方向，在蔓延擴張?zhí)帉饎葸M行攔截削減，從而對建筑火災進行直接控制。在作戰(zhàn)過程中，無人機將高層火勢情況傳遞給指揮員，指揮員作出下一步滅火行動部署，在完成本階段行動部署后，又可以控制無人機進行最新的攝影攝制，并將新的火勢情況反饋給指揮員，從而繼續(xù)形成下一階段作戰(zhàn)部署。通過這一持續(xù)的過程，就實現(xiàn)了無人機與火災撲救行動的有源聯(lián)系。通過這一交互負反饋不斷形成有效的通信決策，從而達成順利解決火勢蔓延速度過快的行動決策。

（二）搭載熱成像圖像識別系統(tǒng)，鎖定火場目標位置

紅外熱成像系統(tǒng)具有遠距離非接觸探測的特點，易穿越煙霧與一般墻體障礙，并借助一定的學習和算法獲得從高溫火場中識別被困人員與救援人員位置的能力。通過在無人機上搭載熱成像系統(tǒng)，并借助于一定軟件算法，就可以在情況復雜的高層上以較高正確率獲得被困人員位置信息。一旦能夠精準鎖定被困人員的位置信息，就可以有效分配救援力量，還可以通過搭載的大功率擴音器有效指導人員朝較安全地方疏散。而通過實時鎖定火場中指戰(zhàn)員位置，也可以避免指戰(zhàn)員盲沖狠沖從而減少了消防員的傷亡率。

通過無人機上的熱成像系統(tǒng)，實時向地面指揮中心傳輸被困人員與救援人員在樓層中的位置信息，經(jīng)指揮中心接收并處理后就可以形成有效的火場救援信息。依托這種熱成像鎖定目標位置的通信決策，可作出切合實際相關的行動決策，即針對被困人員的位置部署救援力量和根據(jù)救援人員的位置設置救援路線。需要注意的是，由于火場情況既復雜也多變，救援人員與被困人員的位置信息都有可能處于劇烈變化的程度，這就要求獲得持續(xù)的信息來形成持續(xù)的通信決策，并不斷更新救援的行動決策。通過這個交互正反饋過程，目的是為了在變化的火場環(huán)境中能獲得任一時刻有效的滅火決策。

（三）依據(jù)傳感器感知燃燒物質(zhì)，避免意外事故發(fā)生

依據(jù)各類可燃氣體對其特殊響應的涂層具有交叉選擇性，我們可以設計符合無人機結(jié)構(gòu)原理的可搭載傳感器陣列，并通過數(shù)據(jù)選取的訓練，使搭載的傳感器能識別各類可燃氣體。當控制耐高溫材料特制無人機靠近煙霧處時，傳感器對燃燒氣體會產(chǎn)生不同響應模式，通過通信鏈路將這些響應模式傳輸回地面指揮中心，指揮中心的專業(yè)人員經(jīng)過相關計量學技術分析，就可以得到相關燃燒物質(zhì)具體情況。得到燃燒物質(zhì)的情況后，可以進一步獲得更加詳細的注意事項，諸如是否佩戴防毒面具以及是否可采取水槍滅火等，避免造成消防員中毒及人為加劇燃燒的意外事故發(fā)生。

到達火場采取救援行動前，必須要確定燃燒物質(zhì)的種類情況，即得到火災的燃燒發(fā)生條件。首先要進行的通信決策是依據(jù)無人機得到燃燒信息，然后指揮員做出有關裝備穿戴與打火方式的初期行動決策。利用飛行器的感知形成的通信決策與指揮員初期救援部署的行動決策，為滅火救援前的準備工作打下堅實基礎。

（四）高空定點投射滅火彈或滅火劑，實現(xiàn)高層及超高層直接滅火

在新技術的支持下，消防無人機已經(jīng)能夠搭載小型裝備在超過100米的空域展開救援作業(yè)。在地面消防車水壓無法給水的高度發(fā)生的火災，可以通過在無人機上吊載滅火彈或者滅火劑，控制人員基于通信用無人機收集的信息，遙控無人機對火勢較大點或者火源中心進行定點投射，控制火災發(fā)生程度。

消防無人機進行滅火行動的有效性，依托于通信偵察無人機給予的實時信息的有效性。通信無人機感知火勢與營救目標，向指揮員傳遞有效信息，指揮員依靠得到的火場信息就能形成當前行動決策，部署安排由無人機實行定點滅火。在這個應用過程中，無人機系統(tǒng)已經(jīng)同時成為通信決策與行動決策的主體，并實現(xiàn)了以無人機為載體的高層滅火救援決策的閉環(huán)。

目前受到結(jié)構(gòu)載荷的限制，消防無人機無法搭載大型滅火裝備在空域作業(yè)，只能吊裝滅火劑或者滅火彈等小型裝備，來對初期火災進行打擊和對火勢峰點進行控制。另外消防無人機從地面搭載一次滅火彈到進行一次高層投射滅火再返回，需要消耗一定的時間，這對分秒必爭的火災現(xiàn)場無疑會形成巨大壓力。因此消防無人機想要大面積普廣應用，必須提高其載荷能力與飛行速度，達到一次作業(yè)多次投射與一次裝彈迅速到位的標準。

三、運用無人機開展高層建設滅火實戰(zhàn)方案

現(xiàn)實中的非人為因素包括天氣、地理位置與溫度等都會直接影響整個火災救援的策略，這些都是指揮員需要結(jié)合實際進行考慮的。我們針對一場模擬的高層火災，進行只與無人機任務有關的理想狀態(tài)下的決策分析，來得到一般高層滅火可實現(xiàn)的救援程序，但具體救援程序仍需視具體因素而定。

（一）準備

準備過程應該包括日常訓練與接警出動兩部分。

在日常訓練中，要對滅火救援需要用到的無人機進行定期檢查、保養(yǎng)與維護，確保一旦高層火災發(fā)生，相關用無人機能隨時拉得出。同時，消防站也要在日常的訓練中充分學習無人機操作方法，注重相關通信專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)，一旦高層火災發(fā)生，確保相關用無人機能隨時打得贏。在接警出動過程中，要將相關滅火裝備與無人機裝備迅速裝車出動。在到達火災現(xiàn)場前，根據(jù)接收到的初期情報，應迅速做好初步通信決策，即擬啟動多少輛無人機，在什么地點架設飛無人機等。

（二）偵察

到達火災現(xiàn)場后，應在相對安全且距起火高層不宜過遠的地方架設好無人機。

架設工作就緒后，應區(qū)分不同任務模塊同時起飛多臺無人機。所有分配好任務的無人機，需要互相協(xié)調(diào)配合完成地面給予的通信要求，以快速準確輔助指揮員作出通信決策。

第一任務模塊的無人機群，要對高層周圍的水源分布、是否有易燃隱患以及人員疏散程度作出偵察，形成現(xiàn)場環(huán)境情報。這個模塊的通信決策，將直接決定重型救援裝備和防護帶的部署位置，從而將火勢控制在高層內(nèi)，既減少了財產(chǎn)損失，也提高了救援效率。

第二任務模塊是以識別燃燒物質(zhì)為主的火場作業(yè)。這一任務模塊對無人機的要求較高，因為需要相對近距離接觸煙霧，因此需要無人機耐高溫、抗煙塵且飛行穩(wěn)定性高。對傳感器的精度也有一定要求，要能快速識別多種不同燃燒氣體，準確全面地感應燃燒情況。燃燒物質(zhì)的具體情況作為火情要素的重要組成部分，直接影響滅火方式與防護工作的開展。利用無人機群得到燃燒物質(zhì)信息的通信決策，在滅火救援開始前為指揮員的行動決策提供了指向。

第三任務模塊的無人機群主要完成高空攝制與鎖定目標任務，地面指戰(zhàn)員需要控制多臺無人機飛行圍繞高層建筑進行較精細作業(yè)。其中高空攝制的無人機群重點關注火勢較大處，通過多方位攝制，將火勢大小、蔓延速度、蔓延方向等信息反饋給地面指揮中心。而負責鎖定目標的無人機群則重點搜索被困人員信息，為地面指揮中心規(guī)劃重點救援區(qū)域。通過這個任務模塊的無人機群，地面指揮員能進行火情要素的判斷，并為下一步的行動決策奠定基礎。由于火情要素信息是動態(tài)變化的，因此第三任務模塊的無人機群需要持續(xù)作業(yè)整個救援過程，并不斷依據(jù)新的通信決策，來輔助救援過程中的所有行動部署。

其他任務模塊的無人機群可依據(jù)當時氣象、溫度、地理位置等其他需要考慮因素進行添加部署。

（三）實戰(zhàn)

依托多個任務模塊并根據(jù)通信決策所得到的全部火場信息，指揮員制定好一套有效滅火救援行動決策。

從第一任務模塊得到高層建筑周邊環(huán)境情況，在靠近水源處布設消防車，在相對安全處架設無人機，并做好防護隔離帶，防止火勢蔓延及無關人員誤入。

從第二任務模塊得到燃燒物質(zhì)信息，讓每個指戰(zhàn)員做好相關防護工作，并選擇水或者泡沫等來進行接下來的滅火救援。

從第三任務模塊得到有關火勢與人員位置信息，開始集中組織力量打擊火勢較大處，并根據(jù)被困人員位置進行內(nèi)攻救出。在這個過程中也需要時刻鎖定火勢變化情況與救援人員位置信息，使整個救援過程可控主動，盡量避免人員傷亡情況。

從其他偵察任務模塊中得到有依據(jù)的行動決策。

（四）總結(jié)

在完成了高層滅火后，參與救援的消防站或者指揮員應該進行經(jīng)驗總結(jié)，針對此次滅火過程中出現(xiàn)的失誤與不足提出改進方法，并爭取在下一次遇到同樣情況時能采取更有效的決策，提高救援效率，充分保護好人民生命財產(chǎn)安全。

四、結(jié)束語

隨著滅火救援效率提高的需求與無人機技術的發(fā)展，通過無人機輔助指揮員作出救援決策已經(jīng)成為非常值得展望的事情。實現(xiàn)救援過程的信息化與可視化不僅是高層建筑滅火救援的需要，也是所有涉及大量復雜未知信息的救援過程的需要。無人機輔助指揮員形成救援過程通信決策與行動決策的思路，不僅僅只適用于高層建筑火災，也應該推廣到工廠，地下停車場等相關火災事故中，來發(fā)揮出色的作用。

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