一種無人機和無人車結(jié)合的高層建筑消防裝備的設(shè)計

徐鵬凱

（武漢理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 設(shè)計背景

隨著中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，高樓大廈如雨后春筍般拔地而起，根據(jù)不完全統(tǒng)計，中國有超過24 m的高層建筑35萬幢以上，超過100 m的高層建筑1萬幢以上，超過200 m的高層建筑900幢以上。數(shù)量眾多的高樓大廈在見證中國繁榮發(fā)展的同時，也留下很多消防安全隱患。假如不配合相應(yīng)的防火措施、固定消防設(shè)施以及相關(guān)的滅火救援技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)，則會嚴(yán)重威脅高層建筑物內(nèi)人們的生命以及財產(chǎn)安全[1]。根據(jù)中國應(yīng)急管理部消防救援局的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在2012—2021年間，全國住宅場所共發(fā)生火災(zāi)132.4萬起，造成11 634人遇難、6 738人受傷，直接財產(chǎn)損失77.7億元；其中較大火災(zāi)429起，造成1 579人遇難、329人受傷；重大火災(zāi)2起，造成26人遇難。在全部住宅場所火災(zāi)中，城市地區(qū)占比50.5%[2]。其中的高層建筑消防存在隱患排除難度高、火勢蔓延速度快、救援滅火難度高、火災(zāi)對人民生命財產(chǎn)危害大等特點，這一直是世界性的消防難題。而無人機在消防中的應(yīng)用，會為高層建筑消防難題的解決提供新的可能性。

2 高層建筑消防滅火方式現(xiàn)狀分析

2.1 建筑內(nèi)的消防設(shè)計

高層建筑在設(shè)計時都會配備相應(yīng)的消防設(shè)施，目前常見的有：①建筑自動滅火系統(tǒng)，煙霧傳感器檢測到火災(zāi)發(fā)生時，能夠自動發(fā)出警報，并啟動樓層天花板上的噴頭裝置，用噴水方式滅火，這種系統(tǒng)反應(yīng)快，對于普通初發(fā)火災(zāi)有著很好的作用，往往能將火災(zāi)抑制在萌芽階段，但面對特殊火災(zāi)和火勢較大時的作用較??；②便攜干粉滅火器，建筑內(nèi)一般儲有便攜滅火器，但便攜滅火器的滅火能力較弱，在火勢較小時比較有效，這就要求火災(zāi)發(fā)生時能夠及時發(fā)現(xiàn)、及時反應(yīng)，否則在火勢蔓延開后就會失去作用；③室內(nèi)消防栓，建筑內(nèi)消防供水可以送至各樓層的消防栓處，利用消防栓處的水槍可以滅火，水槍的滅火效果較好且水源充足，但使用難度較高，更適合專業(yè)消防員使用，而一般情況下消防員很難快速抵達(dá)較高樓層，室內(nèi)消防栓的反應(yīng)時間較長。

2.2 云梯消防車滅火

“云梯消防車”其實質(zhì)上是一種舉高消防車，其工作臂為可伸縮式的云梯，平時也被稱為“云梯車”[3]，云梯消防車工作時，消防人員進(jìn)入云梯上的滅火平臺，隨著工作臂的伸長舉高，到達(dá)指定高度的工作地點，消防人員使用噴槍等滅火裝置進(jìn)行消防作業(yè)。云梯消防車受限于水壓、結(jié)構(gòu)和高空風(fēng)力影響等因素，一般有效作業(yè)高度都在30～50 m，即使最高的也難超100 m，這就導(dǎo)致云梯消防車對如今動輒300 m、400 m的建筑火災(zāi)無能為力；另一方面，云梯消防車體積較大，不夠靈活，如果面對小區(qū)住宅或其他地處城市中心區(qū)等周邊環(huán)境較為復(fù)雜的高層建筑時，可能會因為路況不佳而減慢抵達(dá)任務(wù)地點的速度，進(jìn)而導(dǎo)致無法及時進(jìn)行滅火作業(yè)，延誤滅火時機，造成更大的人員財產(chǎn)損失；最后，由于云梯消防車的造價成本和維持成本較高，且對作業(yè)人員的技術(shù)要求較高，目前中國保有的云梯消防車數(shù)量較少，對于部分高層建筑無法做到全覆蓋。

2.3 高壓水炮滅火

高壓水炮依靠泵機水壓發(fā)射高壓水柱，以起到滅火作用，分為固定式和車載式。消防水炮由于具有射程遠(yuǎn)、射高大、覆蓋面積廣、滅火威力大等特點，在現(xiàn)代消防設(shè)備中占有重要地位，是目前解決大型高層建筑物消防安全的主要設(shè)備之一[4]。與云梯消防車相比，高壓水炮的有效作業(yè)高度更高，威力更大，但同樣受限于泵機的水壓，一般的水炮難以滿足200 m以上的高層建筑的滅火需求，同時固定式水炮和車載水炮也存在不夠靈活的問題。

2.4 消防直升機滅火

消防直升機配備專用消防水箱，裝備消防水炮，可以懸停在空中進(jìn)行消防作業(yè)。其工作高度可以覆蓋目前所有高層建筑的高度，且由于直升機性能特性，可以較為快速地抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場，并且載重較大，可以裝備3 000～5 000 L的大容量水箱，少數(shù)重型消防直升機甚至可以高達(dá)10 000 L左右，水量較為充足，滅火能力強，比較適合高層建筑消防。但消防直升機也存在一些痛點：①消防直升機的經(jīng)濟(jì)成本十分昂貴，很難做到普及化，僅有極少的地區(qū)和區(qū)域有能力裝配消防直升機；②高層建筑附近一般地處城市，附近高層建筑較多，空氣流動情況復(fù)雜，會在一定程度上干擾直升機的穩(wěn)定性，不利于作業(yè)效率和安全性；③消防直升機只能進(jìn)行建筑外圍的滅火，對于內(nèi)部難以觸及，還是需要消防員進(jìn)入建筑進(jìn)行內(nèi)部滅火的配合。

3 高層建筑消防無人機的應(yīng)用意義

3.1 縮短反應(yīng)時間

根據(jù)之前對于現(xiàn)狀的研究，目前較為有效的高層建筑消防方式大多都是地面方式，或憑借較為重型的專業(yè)器械、或依靠消防隊員直接進(jìn)入建筑，受限于高層建筑物的分布區(qū)域及周邊交通狀況，這些方式在路程中和準(zhǔn)備過程中耗費的時間較多，很難做到及時反應(yīng)、及時滅火救援。而消防無人機一方面體量相對較小、成本較低，可維持的數(shù)量相對多，適合更為廣泛分散的分布，可以做到每個社區(qū)甚至每棟建筑都配有，大大減少了裝備地點到可能火災(zāi)高層建筑的距離；另一方面，無人機是空中方式，在前往目標(biāo)地點的過程中受到地形和周圍路況等環(huán)境因素的影響小，速度相對較快，可以大大縮減從有關(guān)人員反應(yīng)到滅火救援正式生效的反應(yīng)時間，每提前抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場一分，火災(zāi)造成的損失就會少一分。在未來，消防無人機也可能與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)自動反應(yīng)、及時到場、有效滅火，更大程度地縮短滅火反應(yīng)時間。

3.2 提高消防救援能力

現(xiàn)有的很多消防裝備能較好地對普通高層建筑進(jìn)行消防作業(yè)，但面對100 m以上的超高層建筑時往往無能為力，消防人員只能通過進(jìn)入建筑內(nèi)，憑借建筑內(nèi)消防設(shè)計進(jìn)行滅火，難度和危險性都大大增加；而消防直升機雖然工作高度足夠，但成本門檻過高，難以普及。這就對高層建筑消防裝備提出了工作高度足夠、滅火效率高、成本較低便于普及的要求，而無人機能較好的滿足。一方面無人機的反應(yīng)速度快，可以率先執(zhí)行偵察任務(wù)，以輔助其他方式的滅火救援，從而提高消防救援能力，例如無人機可以探查火災(zāi)情況、確定火源位置，也可以評估火場內(nèi)的地形結(jié)構(gòu)，幫助消防戰(zhàn)士探明路線和被困人員位置；另一方面，無人機也可以直接參與滅火及救援任務(wù)，例如攜帶滅火彈或滅火噴射器，在建筑物周圍飛行，進(jìn)行滅火作業(yè)，甚至可以飛入建筑物內(nèi)，對內(nèi)部的火災(zāi)進(jìn)行更近距離的、更精準(zhǔn)滅火作業(yè)，也可以攜帶呼吸面罩等設(shè)備遞送給被困人員，保證被困人員的生命安全，提高了滅火和救援的效率和能力。

3.3 減小救援危險性

高層建筑內(nèi)部環(huán)境錯綜復(fù)雜，火情瞬息萬變，消防戰(zhàn)士們在進(jìn)入建筑執(zhí)行任務(wù)時可能面對各種各樣的危險。據(jù)不完全統(tǒng)計，中國平均每年約有20名消防員犧牲，而通過消防無人機可以一定程度地減小救援的危險性，為消防戰(zhàn)士們保駕護(hù)航。一方面，消防無人機可以通過傳感器和攝像頭不斷地實時地偵測火場情況，消防人員可以借此不斷觀察火情的變化情況，及時對可能出現(xiàn)的突發(fā)情況作出反應(yīng)，規(guī)避其中可以避免的危險，如及時檢測到爆炸危險品，避免爆炸危險，以在不影響任務(wù)完成的情況下，盡可能地保護(hù)了消防戰(zhàn)士的安全；另一方面，消防無人機也可以深入火場，替代消防戰(zhàn)士執(zhí)行一些高危險性的任務(wù)，如穿過大火，優(yōu)先對被困人員周圍進(jìn)行滅火降溫等任務(wù)，從而降低了消防戰(zhàn)士在任務(wù)中受傷的可能性，既保證了消防戰(zhàn)士的安全，也保護(hù)了消防力量，使任務(wù)可以更好地執(zhí)行。

4 無人機和無人車結(jié)合的高層建筑消防裝備的設(shè)計

根據(jù)目前現(xiàn)有的高層建筑消防方式和裝備的特點，針對部分存在的痛點，設(shè)計了一種以無人機作為主要偵察、滅火、救援力量，無人車作為后勤保障力量的新型智能高層建筑消防裝備，設(shè)計整體三視圖如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，這種裝備可行性較高，且成本相對較低，可以控制在20～30萬元，適合數(shù)量多、范圍廣的使用，在火災(zāi)發(fā)生時，以集群化執(zhí)行滅火救援任務(wù)。

圖1 設(shè)計整體三視圖

4.1 無人機部分的設(shè)計

無人機部分是直接消防力量，具有偵察和救援、直接滅火功能。

4.1.1 無人機飛行性能

由于消防無人機需要具有直接滅火功能，需要攜帶干粉、泡沫、水或滅火彈等滅火用品，所以需要一定的載重能力，且能夠保持懸停時的穩(wěn)定性；同時它需要進(jìn)入建筑物內(nèi)部進(jìn)行作業(yè)，這就要求尺寸不能過大，且可以高精度避障，以能夠在室內(nèi)靈活地作業(yè)。目前的載重型無人機已經(jīng)比較成熟，現(xiàn)有技術(shù)基本足夠滿足消防無人機的飛行性能要求。參考部分現(xiàn)有此類型無人機的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計出消防無人機，如圖2所示。無人機采用固定式四旋翼的飛行架構(gòu)，使用輕制耐高溫材料，并做出鏤空減少質(zhì)量，外觀最大尺寸為1 280 mm，最大軸距為980 mm，最大載重為10 kg，電池為10 000 mAh，滿載可飛行約20 min；無人機的電池和載重箱為一體式模塊，載重箱的內(nèi)容物有不同種類，如水、干粉和氧氣面罩等，根據(jù)不同情況攜帶不同的載重模塊；無人機配備全向數(shù)字雷達(dá)，并具有智能處理系統(tǒng)，可以在火災(zāi)現(xiàn)場中高溫和煙霧環(huán)境下實現(xiàn)自動繞障，保證了無人機在室內(nèi)行進(jìn)時的安全性；在懸停精度上，使用D-RTK可以使定位精度控制在水平±10 cm、垂直±10 cm，在懸停滅火時擁有比較高的穩(wěn)定性。

圖2 消防無人機設(shè)計

4.1.2 直接滅火功能

無人機和無人車平時待命時處于結(jié)合狀態(tài)，當(dāng)建筑物內(nèi)火災(zāi)警報觸發(fā)時，無人機接收到信號，快速反應(yīng)，在人工智能自動控制的情況下率先飛往目標(biāo)建筑。無人機內(nèi)配備泵機和1個噴頭，可以根據(jù)具體情況選擇水、二氧化碳、干粉或泡沫等不同種類滅火內(nèi)容物的負(fù)載模塊，通過熱成像儀判斷火源、在人工智能控制的情況下或在人工控制下，通過泵機和噴頭將內(nèi)容物噴射向火源，執(zhí)行對于不同種類、不同大小的火災(zāi)的滅火作業(yè)。無人機在執(zhí)行直接滅火作業(yè)時，一種是對于火災(zāi)早期火勢較小時，附近的無人機可以迅速反應(yīng)進(jìn)入建筑物內(nèi)，針對火源進(jìn)行迅速且精確的滅火，與建筑內(nèi)自動滅火裝置配合將火災(zāi)消滅在萌芽狀態(tài)；另一種是火勢猛烈，蔓延速度過快，在早期無法及時控制，火勢較大，部分無人機進(jìn)入建筑物內(nèi)部配合消防戰(zhàn)士進(jìn)行滅火作業(yè)，部分無人機在建筑物外部滅火，如圖3所示，控制火災(zāi)向高處蔓延，里應(yīng)外合，快速完成滅火任務(wù)。

圖3 消防無人機外部滅火示意圖

4.1.3 偵察和救援功能

在偵察方面，無人機配備熱成像儀、高清攝像頭，可以記錄經(jīng)過之處的實時影像和熱成像影像，將影像發(fā)送給消防人員，以供了解火勢情況和分析火源位置；配備三維感知傳感器、空間掃描儀和AⅠ智能引擎，可以將經(jīng)過之處進(jìn)行環(huán)境的簡單三維建模，并自動標(biāo)注相關(guān)信息如高溫危險區(qū)域、濃煙區(qū)域、可能的爆炸危險品等，并結(jié)合VR、AR等技術(shù)，使消防人員直接查看VR影像，了解火場內(nèi)環(huán)境情況，更好地規(guī)劃滅火路線；在對于被困人員的救援方面，配備聲音傳感器，結(jié)合熱成像和人聲信息，智能識別判斷火災(zāi)中的被困人員，一經(jīng)識別，可以迅速將被困人員的位置和周邊環(huán)境信息發(fā)送給消防人員，并將氧氣面罩、防火隔熱服、藥品等救援物資投送給被困人員，保證他們的生命安全，同時根據(jù)掃描圖像和消防人員指示，引導(dǎo)被困人員安全地逃離火場。

4.2 無人車部分的設(shè)計

無人車是消防無人機的后勤保障，主要為無人機攜帶不同種類、數(shù)量充足的負(fù)載模塊，供無人機續(xù)航和應(yīng)對不同情況而更換，以提高無人機部分在消防救援中的持續(xù)作戰(zhàn)能力和隨機應(yīng)變能力。在無人機先飛往目標(biāo)建筑后，無人車也在人工智能控制下開往目標(biāo)建筑，它的體型小巧，相比傳統(tǒng)消防車更為靈活，受環(huán)境和交通狀況的限制較小。

無人車上部為儲存箱，內(nèi)部有一個可升降平臺，可隨著兩側(cè)的滑軌垂直上升下降，負(fù)載模塊累疊在平臺上，無人機在需要更換負(fù)載模塊時，可以先放下舊的模塊，然后停在無人車上方，攜帶新的負(fù)載模塊，如圖4所示。負(fù)載模塊數(shù)量減少后，平臺可以上升，保證里面的其他負(fù)載模塊的高度可供無人機攜帶。無人車下部為履帶底盤，可以適應(yīng)不同地形，并且具備在樓梯上行進(jìn)的能力，在協(xié)同作業(yè)時，無人車可以在建筑外或自行前往建筑內(nèi)部較為安全的樓層，縮短補給線，減少無人機在更換負(fù)載模塊時損耗的時間。

圖4 無人機更換負(fù)載模塊

5 結(jié)語

雖然目前針對高層建筑的消防手段較為豐富，但都有著一定的短板和局限，無人機在高層建筑消防中的應(yīng)用，相比于傳統(tǒng)方式，具有成本低、覆蓋廣、反應(yīng)快、效率高等優(yōu)點，在與傳統(tǒng)方式配合的情況下，將能夠較好地解決高層建筑消防的難題，在高層建筑消防中發(fā)揮重要作用。相信隨著科技的發(fā)展，消防無人機會越來越完備和成熟，在高層建筑消防領(lǐng)域乃至其他消防領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱，成為人民消防戰(zhàn)士的利刃和劍盾，為消防作出突出貢獻(xiàn)。