高層建筑滅火救援過程中多旋翼無人機的合理使用

范鎮(zhèn)

摘要：當(dāng)今，建筑結(jié)構(gòu)不斷改變，樓層高度不斷增加，傳統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)措施及器材裝備已經(jīng)難以有效適應(yīng)高層建筑滅火救援實戰(zhàn)處置的需要。隨著無人機技術(shù)的日趨成熟，面對高層建筑火災(zāi)滅火救援工作新形勢、新任務(wù)的實際需求，將多旋翼無人機應(yīng)用在高層建筑滅火救援工作中，借助無人機系統(tǒng)的獨特使用效能，最大限度發(fā)揮隊伍實戰(zhàn)處置能力，能夠有效降低隊伍處置工作開展過程中的安全風(fēng)險。通過探討多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的實際應(yīng)用，總結(jié)分析無人機處置此類災(zāi)害事故的相關(guān)優(yōu)勢以及不足之處，力爭提出符合實戰(zhàn)需要的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法，保障隊伍實戰(zhàn)打贏能力的有效提升。

關(guān)鍵詞：多旋翼無人機；高層建筑；火災(zāi)特點；滅火救援

近年來，隨著無人機技術(shù)的迅速發(fā)展，其在農(nóng)業(yè)、空中偵察測繪、航拍等民用領(lǐng)域已經(jīng)得到較為廣泛的實際應(yīng)用，并取得良好的效果。面對日益復(fù)雜的消防應(yīng)急救援形勢，將無人機系統(tǒng)合理應(yīng)用到消防領(lǐng)域，必將取得意想不到的輔助效果。從多起事故救援現(xiàn)場的實際應(yīng)用情況來看，無人機在火災(zāi)應(yīng)急救援現(xiàn)場使用的頻次越來越多，發(fā)揮的作用越來越明顯，使用的領(lǐng)域也越來越寬，無人機所獨有的部分功能具有明顯的不可替代性，使用過程中能夠有效提高隊伍的實戰(zhàn)處置效率，降低人員安全風(fēng)險。

1 我國高層建筑現(xiàn)狀以及火災(zāi)撲救難度

隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的不斷加快，我國高層建筑的數(shù)量增長較為迅速，建筑整體規(guī)模也隨之不斷擴大，高層建筑滅火救援工作面臨著極大的挑戰(zhàn)。

近年來，國內(nèi)國外發(fā)生過多起高層建筑火災(zāi)事故：

案例一：2009年在建的中央電視臺電視文化中心發(fā)生特大火災(zāi)，火勢短時間內(nèi)蔓延至整幢大樓。由于央視北配樓建筑高度高達(dá)159m，消防車輛救援高度受限，撲救極為困難。大火燃燒近6h才被有效控制。

案例二：2020年“1·1重慶加州花園火災(zāi)事故”，因該小區(qū)A4幢某住戶不慎引燃建筑外墻雨棚，繼而導(dǎo)致該高層建筑外立面起火。火勢迅速從建筑第2層蔓延至第30層（頂層）并竄至部分居民房屋內(nèi)?；馂?zāi)處置過程中，消防舉高噴射車輛水柱只能勉強夠到大樓頂端，上層外立面火勢及部分室內(nèi)火勢無法得到有效處置。該起火災(zāi)整體撲救時長達(dá)到2.5h，事故處置過程中共調(diào)集40余輛消防車、200余名指戰(zhàn)員參與處置。

案例三：2021年“3·9石家莊眾鑫大廈起火事件”，從大廈東南側(cè)五樓外部平臺發(fā)生明火，引燃外墻保溫材料并迅速蔓延至頂層。該大廈共26層，建筑高度111.6m。撲救中舉高噴射消防車由于作業(yè)高度有限，無法有效撲滅火勢。借助101m登高平臺消防車才有效地控制住樓體外立面火勢。但登高平臺消防車在撲救火勢時，需要人員在高空平臺操作，增大了消防員處置過程中的安全風(fēng)險。

案例四：2019年“4·15巴黎圣母院火災(zāi)事故”造成了整座建筑的嚴(yán)重?fù)p毀，該起火災(zāi)起火位置位于圣母院頂部塔樓，標(biāo)志性的尖頂被燒斷。由于建筑高度較高，超過100m，事故處置過程中共調(diào)集了400余名消防員參與處置，15h后才將明火成功撲滅[1]。

從公共安全的角度來看，高層建筑火災(zāi)的社會關(guān)注度高，事故發(fā)生后極易造成重大人員傷亡及財產(chǎn)損毀，給國民經(jīng)濟發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定帶來較大的負(fù)面影響。從滅火救援角度來看，高層建筑體量大、建筑主體功能多樣、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、人員密集、火災(zāi)荷載大。建筑內(nèi)部一旦發(fā)生各類火災(zāi)事故，普遍具有火勢蔓延快、高溫濃煙有毒氣體聚集、容易形成立體燃燒、人員疏散救援困難、火災(zāi)撲救時間長等特點。從以上四起典型火災(zāi)事故來看，撲救時間長、調(diào)集人員車輛多、火勢蔓延高度高范圍廣、內(nèi)攻作戰(zhàn)危險大、車輛裝備性能有限、無法精準(zhǔn)撲救、夠不著打不進(jìn)、火災(zāi)現(xiàn)場高溫濃煙等共性問題導(dǎo)致高層建筑火災(zāi)實戰(zhàn)處置的難度日益加大，已經(jīng)逐漸成了世界性的消防難題。

2 多旋翼無人機

2.1? 多旋翼無人機概況及特點

多旋翼無人機是一種具有三個及以上旋翼軸的無人駕駛旋翼飛行器。其通過每個軸上的電動機轉(zhuǎn)動帶動旋翼，從而產(chǎn)生升推力使無人機升空作業(yè)。該種機型旋翼的總距相對固定，不像一般直升機那樣能適當(dāng)調(diào)整。通過改變不同旋翼之間的相對轉(zhuǎn)速，可以改變單軸推進(jìn)力的大小，從而控制飛行器的運行軌跡。具有操控性強、穩(wěn)定、可垂直起降以及懸停作業(yè)等優(yōu)點，主要適用于低空、低速、有垂直起降和懸停要求的任務(wù)類型。

2.2? 多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的實戰(zhàn)應(yīng)用

多旋翼無人機在一定領(lǐng)域的實際應(yīng)用上彌補了傳統(tǒng)偵察裝備的技術(shù)缺陷，屬于新型的科技裝備。從目前在實戰(zhàn)應(yīng)用中來看，多旋翼無人機在高層建筑滅火救援使用中發(fā)揮了獨有的優(yōu)勢和作用[2]。

2.2.1? 垂直起降和懸停，快速抵達(dá)現(xiàn)場

多旋翼無人機能夠垂直起降和懸停，使用時可以快速抵達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場。由于高層建筑普遍位于市區(qū)人員較為密集處，消防車輛可能會因為交通擁堵不能第一時間抵達(dá)現(xiàn)場。當(dāng)無人機高空運行時，可以偵明道路情況和火災(zāi)現(xiàn)場方位，為車輛行駛道路和進(jìn)入現(xiàn)場提供圖畫支持，傳輸火災(zāi)現(xiàn)場信息，從而有效提高滅火救援效率。多旋翼無人機升空航拍過程中，不受場地和建筑高度的限制，能夠短時間內(nèi)迅速抵達(dá)起火樓層，為現(xiàn)場參戰(zhàn)人員提供火災(zāi)現(xiàn)場圖，帶有紅外熱成像的無人機在進(jìn)行火情偵察時，可以有效發(fā)現(xiàn)起火部位，為現(xiàn)場指戰(zhàn)員內(nèi)攻或者外圍撲救時提供精準(zhǔn)圖像，有效協(xié)助參戰(zhàn)力量實現(xiàn)精準(zhǔn)撲救。由于高層建筑的復(fù)雜性和功能多樣性，發(fā)生火災(zāi)過程中通常會出現(xiàn)各類不可預(yù)測的突發(fā)情況。如2014年5月1日，上海市徐匯區(qū)龍吳路2888弄24號某室發(fā)生火災(zāi)，在對現(xiàn)場進(jìn)行破拆滅火時，3名消防隊員受轟燃和熱氣浪推力影響，從13樓跌落最終導(dǎo)致2死1傷的惡性事故。在人員不方便抵達(dá)的高度或者較為復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場，可以利用無人機攜帶滅火劑或簡易滅火器材，通過操作人員在地面安全區(qū)域操作無人機，充分發(fā)揮其能夠懸停作業(yè)的穩(wěn)定優(yōu)勢，對起火點位進(jìn)行精準(zhǔn)撲滅，既提高了現(xiàn)場的處置效率，又減少了作業(yè)人員的自身危險，同時還可以通過多臺無人機進(jìn)行編組作業(yè)，實現(xiàn)對火災(zāi)現(xiàn)場的有效控制。

2.2.2? 當(dāng)前多旋翼無人機主要應(yīng)用于火場偵察

通過無人機系統(tǒng)配置的火情偵測系統(tǒng)軟件及紅外熱成像儀、有毒氣體分析儀、高清攝像頭、測風(fēng)儀等相關(guān)裝置，能夠快速采集火災(zāi)現(xiàn)場的煙氣、溫度、濕度、風(fēng)力、風(fēng)向等相關(guān)信息，全面詳細(xì)地顯示火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況，為現(xiàn)場指揮部的滅火救援決策提供可靠的信息支撐。此外，合理應(yīng)用無人機系統(tǒng)還可以將采集到的信息與3D建模系統(tǒng)有機結(jié)合，使火災(zāi)現(xiàn)場呈現(xiàn)立體化、形象化、可視化的特點，使現(xiàn)場救援人員詳細(xì)了解火災(zāi)現(xiàn)場的基本信息，及時掌握處置現(xiàn)場的災(zāi)情變化。

此外，多旋翼無人機在開展火場偵察時，還可以同步開展輔助救援。事故處置過程中可以利用無人機運轉(zhuǎn)應(yīng)急救援設(shè)備，如攜帶投放救援物資、搭載揚聲器、照明、通信設(shè)備等器材裝備以及呼吸面罩、救生繩索、飲用水、食品、急救藥品等救援物資，提高被困人員的生存物資保障，使其可以支撐到救援人員到來。利用多旋翼無人機的揚聲器可以實現(xiàn)緊急廣播，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向廣播功能，及時完成人員疏散任務(wù)，盡量減少被困群眾恐慌，避免各類踩踏事故發(fā)生。此外，合理利用多旋翼無人機上的探照燈，不僅能為消防救援人員提供現(xiàn)場照明，也能夠提高照明的清晰度，在一些光照條件有限的環(huán)境中得到有效應(yīng)用，是確保救援工作穩(wěn)定開展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)通信受到火災(zāi)阻礙時，無人機本身配備的通信中繼模塊可以作為中繼平臺，保證通信線路的正常應(yīng)用，避免極端環(huán)境下對指揮工作造成的干擾[3]。

2.3? 多旋翼無人機在實戰(zhàn)應(yīng)用中存在的不足之處

雖然多旋翼無人機在高層建筑滅火救援工作開展過程中發(fā)揮了良好的輔助作用，并取得了很好的實戰(zhàn)效能，但在實戰(zhàn)應(yīng)用中同樣也暴露了不少短板，亟須改進(jìn)與優(yōu)化。

2.3.1? 續(xù)航使用時間方面

高層建筑火災(zāi)處置往往需要很長的時間，而無人機系統(tǒng)在進(jìn)行升空作業(yè)時需要一定的時間保障。目前，滅火救援工作開展過程中普遍使用的多旋翼無人機多采用電驅(qū)動作為系統(tǒng)動力源，升空作業(yè)時間相對較短，不得不頻繁地升降進(jìn)行更換動力源。因此，可以研發(fā)續(xù)航時間相對較長的無人機，比如使用油電混合或者氫能源作為動力驅(qū)動。

2.3.2? 機身載物能力方面

目前，使用無人機可以有效實現(xiàn)攜帶滅火劑對起火區(qū)域相對較小、人員進(jìn)入危險性較高的事故區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)撲救。但是在進(jìn)行高層建筑火災(zāi)撲救過程中，無人機系統(tǒng)常常受限于荷載能力，超過一定重量的器材裝備無人機無法進(jìn)行運輸。此外，無人機系統(tǒng)現(xiàn)有技術(shù)還無法保障機體在空中進(jìn)行轉(zhuǎn)換連接等相應(yīng)操作，實際使用范圍也受到不同程度的影響。

2.3.3? 性能方面

在撲救高層建筑火災(zāi)時，火災(zāi)現(xiàn)場普遍呈現(xiàn)高溫、濃煙的特點，加上建筑本身的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，無人機在作業(yè)過程中，機身受到高溫輻射烘烤時可能會出現(xiàn)變形現(xiàn)象，從而嚴(yán)重影響機體飛行的穩(wěn)定性。特別是事故現(xiàn)場的高溫濃煙通常會嚴(yán)重影響紅外熱成像元件性能，數(shù)據(jù)圖畫傳輸受到影響。由于無人機操作控制、傳輸圖畫等工作環(huán)節(jié)需要無線信號支撐，受火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境或其他作戰(zhàn)通信裝備信號等影響干擾，一旦無線信號不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸工作必將受到極大影響，甚至直接影響對無人機系統(tǒng)的操作控制，最終導(dǎo)致無人機失聯(lián)或墜毀。此外，在高層建筑火災(zāi)中，建筑附屬物、裝飾物在火災(zāi)中燒損脫落，可能會從高空墜落，受氣流、風(fēng)速影響，有些火災(zāi)現(xiàn)場燒損物在空中飄浮，也將在一定程度上影響無人機的安全飛行，一旦被燒損物擊中或碰撞，極有可能導(dǎo)致無人機失去平衡，甚至發(fā)生墜機事故。

2.3.4? 升空管制方面

目前，我國對于飛行器空中飛行有著嚴(yán)格的管制要求。特別是在禁飛區(qū)，使用無人機需要嚴(yán)格審批，審批手續(xù)多且有時效性，一定程度上影響了無人機系統(tǒng)的實際使用范圍。同時無人機操作員要學(xué)習(xí)掌握相關(guān)規(guī)章制度的具體要求，熟練操作技能，在上崗前預(yù)先獲取相應(yīng)資質(zhì)。

3 優(yōu)化多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中的實際應(yīng)用

多旋翼無人機在高層建筑滅火救援中承擔(dān)著火情偵察、數(shù)據(jù)傳輸以及相關(guān)輔助作用。從長遠(yuǎn)來看，無人機系統(tǒng)要發(fā)揮自身在滅火救援工作中的更多優(yōu)勢，需要在多方面進(jìn)行性能優(yōu)化和拓展。

3.1? 提升無人機自身性能

目前我國一線消防救援隊伍普遍使用的多旋翼無人機機身較小，機載能力與續(xù)航時間有限，滅火救援功能不多不精。特別在處置超百米高層建筑火災(zāi)救援過程中，這些不足更加凸顯[4]。研制載荷能力更大、使用燃油作為動力、續(xù)航時間更長、懸停穩(wěn)定性能更好，是無人機系統(tǒng)下一步的主要研發(fā)方向。因此，研制搭載專用滅火裝置和高效滅火藥劑，可以有效實現(xiàn)無人機對高層建筑有窗房間火勢的精準(zhǔn)撲滅或快速壓制，彌補舉高消防車作業(yè)展開時間長、登高作業(yè)場地固定、靈活機動性較差等不足。目前，我國隊伍各級實際配發(fā)的各種類型的無人機智能化不高仍是制約隊伍實戰(zhàn)處置效能有效提高的主要原因。因此，研制適配無人機平臺的高壓液體系留滅火裝置并使其具備持續(xù)穩(wěn)壓噴射性能，或者研制系列化模塊化應(yīng)急搶險救援吊艙并使其具備適用于多災(zāi)種救援場景的特點就成為各級無人機研發(fā)工作者下一步的研發(fā)方向。此外，還可以結(jié)合實戰(zhàn)需求研制無線操作系統(tǒng)，使得無人機與可視VR、5G等“高、精、尖”技術(shù)有機融合，在數(shù)據(jù)傳輸、圖畫成像等方面更具操作性、便利性、清晰性、實用性。同時，由于無人機系統(tǒng)追求材輕質(zhì)高，面對高溫濃煙有毒氣體等環(huán)境，在材料選用上要使用耐高溫的阻燃材料，最大限度地滿足無人機在實戰(zhàn)中的應(yīng)用效能。

3.2? 提升無人機機身設(shè)計

機身設(shè)計包括外觀設(shè)計，能夠有效提高無人機的靈活性與實用性。通過優(yōu)化無人機系統(tǒng)的形態(tài)設(shè)計，模擬飛行的鳥類、昆蟲等在外觀形狀上的改變，在機身上增加防撞安全設(shè)施，可以有效增加無人機飛行過程中的穩(wěn)定性、操作的靈活性以及作業(yè)自身安全性，使其能夠有效應(yīng)對特殊復(fù)雜多變環(huán)境。根據(jù)功能需求更改外觀設(shè)計，可以使無人機滿足攜帶滅火器具、照明、通信、投遞等功能的實際需求。

3.3? 提高人機統(tǒng)一，發(fā)揮更大效能

在實戰(zhàn)作業(yè)過程中，無人機多是獨自作戰(zhàn)，在高層建筑滅火應(yīng)急救援過程中，單個無人機無法完成某些特定作業(yè)。因此，可以研究多機編組作戰(zhàn)，可以設(shè)想4架多旋翼無人機編組分工，持水槍射水、控制水帶等針對性操法，通過合理的日常訓(xùn)練使其共同完成高空射水滅火作業(yè)。由于無人機操作員崗位在消防救援崗位編制中屬于近幾年較為新興的崗位，相關(guān)的規(guī)章制度、持證上崗等相關(guān)規(guī)范正逐步完善。對于近年來應(yīng)用廣泛的多旋翼無人機，各單位要培養(yǎng)專業(yè)人才，專人操作維護(hù)，操作員同樣要牢記“五知一能”，強化不同環(huán)境下對無人機系統(tǒng)的操作使用，模擬不同作戰(zhàn)條件下無人機系統(tǒng)的緊急避險、完成設(shè)定科目等專項訓(xùn)練。同時要開放思維，在無人機編組作戰(zhàn)上多實踐多改進(jìn)，做到人機統(tǒng)一，發(fā)揮更大的作戰(zhàn)效能。事實上，無人機、操作員、內(nèi)攻人員的三體聯(lián)合作戰(zhàn)也是未來滅火救援工作需要面對的形勢，特別是在高層建筑火災(zāi)滅火救援中，內(nèi)攻人員深入火場內(nèi)部時，在物資投遞、起火點尋找、緊急避險等環(huán)節(jié)，需要操作員、無人機的有機配合，共同推動滅火救援工作的順利開展[5]。

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[3]許濱.淺析小型多旋翼無人機在消防大中隊級滅火救援行動及日常工作中的應(yīng)用[J].消防界（電子版），2017，3（3）：72-73.

[4]吳猛.高層建筑滅火救援的難點與方法探析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021（8）：135-137.

[5]衛(wèi)霞，王佳航，朱宇剛，等.新型無人機消防救援系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].電子設(shè)計工程，2021（12）：80-83+88.

Reasonable use of multi-rotor drones in fire fighting and rescue of high-rise buildings

Fan Zhen

（Qiqihar Municipal Fire and Rescue Brigade， Heilongjiang Qiqihar 161000）

Abstract：Nowadays， the building structure is constantly changing and the floor height is constantly increasing. The traditional technical and tactical measures and equipment have been unable to effectively meet the needs of firefighting， rescue and actual combat disposal of high-rise buildings. With the maturity of drone technology， facing the actual needs of the new situation and new tasks of fire fighting and rescue work in high-rise buildings， multi-rotor drones are applied to fire fighting and rescue work in high-rise buildings. With the unique use efficiency of the drone system， the team's actual combat disposal capabilities can be maximized， which can effectively reduce the safety risks in the process of team disposal work. By discussing the practical application of multi-rotor drones in fire fighting and rescue of high-rise buildings， the relevant advantages and disadvantages of drones in dealing with such disasters are summarized and analyzed. It strives to propose tactical tactics that meet the needs of actual combat and ensure the effective improvement of the team's ability to win in actual combat.

Keywords：multi-rotor drone; high-rise building; fire characteristic; fire fighting and rescue