城市滅火救援中消防無人機的應(yīng)用探討

引言

隨著城市化進程的加速，高層及超高層建筑、大型城市綜合體、地下空間等大量涌現(xiàn)。這些建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣、人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，火勢蔓延迅速，疏散和救援難度大。傳統(tǒng)的滅火救援手段在應(yīng)對這些復(fù)雜火災(zāi)時，存在諸多局限性，如救援人員難以快速接近火源、偵查火情困難、滅火效率低等。消防無人機作為一種新型滅火救援裝備，憑借其獨特優(yōu)勢，逐漸在城市滅火救援領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為提升城市滅火救援能力提供了新的途徑。深入研究消防無人機在城市滅火救援中的應(yīng)用，對于提高城市消防安全保障水平具有重要的現(xiàn)實意義。

一、消防無人機的關(guān)鍵技術(shù)

（一）飛控技術(shù)

先進的飛控技術(shù)是消防無人機穩(wěn)定飛行和精確執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵。目前，眾多消防無人機已采用基于模型預(yù)測控制（MPC）和自適應(yīng)控制的飛控算法。MPC算法能夠依據(jù)無人機的當前狀態(tài)及未來預(yù)測狀態(tài)，優(yōu)化控制輸人，實現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境的迅速響應(yīng)和精準控制1。自適應(yīng)控制算法能根據(jù)無人機飛行過程中環(huán)境參數(shù)的變化，自動調(diào)節(jié)控制參數(shù)，確保無人機持續(xù)保持優(yōu)異的飛行性能。例如，在強風(fēng)環(huán)境中，自適應(yīng)控制算法可自動提升電機輸出功率，以保障無人機的穩(wěn)定飛行。

（二）導(dǎo)航技術(shù)

全球定位系統(tǒng)（GPS）是廣泛應(yīng)用的導(dǎo)航手段之一，它能夠為無人機提供高精度的位置信息，確保其按照預(yù)設(shè)路徑飛行。然而，在城市環(huán)境中，高樓大廈的遮擋可能導(dǎo)致GPS信號受到干擾。因此，一些高端消防無人機還配備了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）和視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。INS通過測量無人機的加速度和角速度，推算出其位置和姿態(tài)，不受外界信號干擾，隨時間推移會產(chǎn)生累積誤差。視覺導(dǎo)航系統(tǒng)利用攝像頭拍攝的圖像，通過圖像識別和分析技術(shù)，實現(xiàn)對無人機的精確定位和導(dǎo)航。

（三）通信技術(shù)

為了實現(xiàn)無人機與地面控制站之間穩(wěn)定、高速的數(shù)據(jù)傳輸，消防無人機采用了多樣化的通信技術(shù)。傳統(tǒng)的2.4GHz 和 5.8GHz 無線通信頻段雖然在短距離內(nèi)表現(xiàn)良好，但傳輸距離有限，易受干擾[2]。隨著通信技術(shù)的進步，一些消防無人機開始應(yīng)用4G、5G通信技術(shù)。4G、5G通信具備高速率、低延遲、大帶寬的優(yōu)勢，能夠?qū)崟r傳輸高清視頻和大量傳感器數(shù)據(jù)，使地面控制人員更全面、準確地掌握火災(zāi)現(xiàn)場情況。同時，為確保通信安全，還采用了加密技術(shù)，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。

（四）負載技術(shù)

消防無人機需搭載各類負載設(shè)備以執(zhí)行不同任務(wù)，如偵查設(shè)備、滅火設(shè)備、物資投送設(shè)備等。負載技術(shù)的核心在于如何在保證無人機飛行性能的前提下，實現(xiàn)負載的合理搭載和高效使用。例如，搭載滅火藥劑的無人機需精確控制藥劑的噴灑量和噴灑范圍，以達到最佳滅火效果。在設(shè)計負載系統(tǒng)時，需綜合考慮負載的重量、體積、重心分布等因素，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和采用輕質(zhì)高強度材料，減輕負載對無人機飛行性能的影響。此外，還需研發(fā)高效的負載釋放和控制裝置，確保在必要時能夠準確、可靠地投放物資或啟動滅火設(shè)備。

二、消防無人機在城市滅火救援中的應(yīng)用

（一）災(zāi)情偵察與監(jiān)測

1.實時獲取火災(zāi)現(xiàn)場信息

在城市火災(zāi)發(fā)生初期，消防無人機可迅速飛抵現(xiàn)場，利用搭載的高清攝像頭、紅外熱成像儀等設(shè)備，對火災(zāi)現(xiàn)場進行全方位、多角度的偵查。高清攝像頭能夠拍攝清晰的現(xiàn)場圖像，將火災(zāi)發(fā)生的具體位置、火勢大小、燃燒范圍、建筑物結(jié)構(gòu)等信息實時傳輸至地面控制站，使指揮人員能夠直觀了解現(xiàn)場情況[3]。紅外熱成像儀可以通過檢測物體發(fā)出的紅外輻射，識別出高溫區(qū)域，即使在濃煙、黑暗等惡劣環(huán)境下，也能精準定位火源位置，判斷火勢蔓延方向，為制定滅火救援方案提供關(guān)鍵依據(jù)。例如，在高層建筑火災(zāi)中，無人機可以圍繞建筑飛行，拍攝不同樓層的起火情況，通過紅外熱成像儀確定高溫區(qū)域是否存在人員被困，為救援行動提供準確信息。

2.持續(xù)監(jiān)測火勢發(fā)展變化

在整個滅火救援過程中，消防無人機能夠在空中持續(xù)監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場，實時追蹤火勢的發(fā)展變化。通過對比不同時間段拍攝的圖像和數(shù)據(jù)，分析火勢蔓延速度、風(fēng)向變化對火勢的影響等，及時向地面指揮人員報告。例如，在大型城市綜合體火災(zāi)中，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，火勢可能在不同區(qū)域間蔓延。無人機通過持續(xù)監(jiān)測，可以及時發(fā)現(xiàn)新的起火點和火勢突變情況，為指揮人員調(diào)整滅火救援策略提供依據(jù)。

3.特殊環(huán)境下的偵察優(yōu)勢

對于一些傳統(tǒng)偵查手段難以到達的特殊環(huán)境，如危險化學(xué)品泄漏火災(zāi)現(xiàn)場、地下空間火災(zāi)現(xiàn)場等，消防無人機具有顯著優(yōu)勢。在危險化學(xué)品泄漏火災(zāi)現(xiàn)場，存在有毒有害氣體泄漏和爆炸風(fēng)險，救援人員難以靠近偵查。無人機可以在遠距離外，利用搭載的氣體傳感器檢測現(xiàn)場有毒有害氣體濃度，并將數(shù)據(jù)實時回傳地面控制站，為救援人員制定防護措施和滅火方案提供重要參考[4]。在地下空間火災(zāi)中，由于空間狹窄、通風(fēng)不暢、煙霧彌漫，人員進人偵察難度大且危險系數(shù)高。無人機能夠輕松進入地下空間，通過燈光和攝像頭為地面指揮人員提供清晰的內(nèi)部情況，幫助確定人員被困位置和最佳救援路線。

（二）輔助指揮決策

1.提供全面、準確的信息支持

消防無人機通過實時采集火災(zāi)現(xiàn)場的各種信息，并將這些信息迅速傳輸至地面控制站，為指揮人員提供了全面、準確的決策依據(jù)。指揮人員可根據(jù)無人機傳回的圖像、視頻、溫度、氣體濃度等信息，對火災(zāi)現(xiàn)場的形勢進行綜合分析，評估火災(zāi)風(fēng)險，制定科學(xué)合理的滅火救援方案[5]。例如，在某大型商業(yè)建筑火災(zāi)中，指揮人員通過無人機傳回的高清圖像，清晰地觀察到建筑內(nèi)部的通道布局、貨物堆放情況及火勢蔓延路徑，從而準確判斷出最佳的滅火進攻路線和人員疏散通道，合理調(diào)配消防力量，提升救援效率。

2.實現(xiàn)火場態(tài)勢的可視化呈現(xiàn)

借助無人機搭載的圖像傳輸設(shè)備和地面控制站的顯示系統(tǒng)，火災(zāi)現(xiàn)場的實時情況以可視化的方式呈現(xiàn)給指揮人員和全體救援人員。通過指揮中心大屏幕展示的無人機拍攝高清視頻，救援人員可直觀了解火災(zāi)現(xiàn)場的實際情況，包括火勢大小、燃燒范圍、人員分布等信息，有助于各救援小組間更好地協(xié)同作戰(zhàn)。同時，利用地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，將無人機采集的信息與電子地圖相結(jié)合，實現(xiàn)對火災(zāi)現(xiàn)場態(tài)勢的動態(tài)標注和分析，使指揮人員能夠更清晰地掌握現(xiàn)場全局，做出更準確的決策。

3.協(xié)助制定救援方案

在制定滅火救援方案時，指揮人員可依托無人機提供的信息，對不同救援方案進行模擬。例如，通過分析無人機拍攝的火災(zāi)現(xiàn)場圖像，評估采用不同滅火戰(zhàn)術(shù)（如內(nèi)攻滅火、外控滅火等）的可行性和預(yù)期效果，從而選擇最優(yōu)救援方案。在救援行動實施過程中，無人機還可實時監(jiān)測救援效果，通過對比救援前后的火災(zāi)現(xiàn)場情況，判斷滅火藥劑噴灑是否覆蓋整個著火區(qū)域、火勢是否得到有效控制等。若發(fā)現(xiàn)救援效果不理想，指揮人員可根據(jù)無人機反饋的信息及時調(diào)整救援方案，確保救援行動達到預(yù)期目標。

（三）物資投送與人員救援

1.向被困人員投放急需物資

在城市火災(zāi)中，特別是在高層建筑火災(zāi)或因道路堵塞等原因?qū)е戮仍藛T難以迅速抵達被困人員位置的情況下，消防無人機能夠發(fā)揮關(guān)鍵的物資投送作用。無人機可攜帶防毒面具、急救藥品、食品、飲用水等急需物資，精準投放到被困人員所在位置[。例如，在高層建筑火災(zāi)中，部分人員被困于較高樓層且無法通過疏散通道逃生，此時無人機憑借精確的定位和飛行控制，可將防毒面具投送給被困人員，幫助他們抵御濃煙侵襲，為救援爭取寶貴時間。同時，投放的食品和飲用水也能維持被困人員的生命體征，增強他們等待救援的信心。

2.輔助水上和山岳救援

在城市周邊水域或山區(qū)發(fā)生火災(zāi)或其他災(zāi)害事故時，消防無人機同樣能發(fā)揮重要作用。在水上救援中，無人機可攜帶救生圈、救援繩索等裝備，迅速飛抵落水人員附近，將救生設(shè)備投放給落水者，為其提供生存保障。此外，無人機搭載的高清攝像頭可對水域進行搜索，協(xié)助救援人員發(fā)現(xiàn)潛在的被困人員。在山岳救援中，由于地形復(fù)雜、交通不便，救援人員難以快速抵達事故現(xiàn)場。無人機憑借其靈活的飛行能力，可迅速穿越山區(qū)，對事故現(xiàn)場進行偵查，確定被困人員的位置。

3.引導(dǎo)被困人員疏散

消防無人機還可通過搭載的擴音設(shè)備，向被困人員發(fā)出語音指令，引導(dǎo)他們進行安全疏散。在火災(zāi)現(xiàn)場，由于環(huán)境嘈雜、煙霧彌漫，被困人員可能難以清晰聽到地面救援人員的指揮。無人機可在低空飛行，利用擴音設(shè)備向被困人員廣播疏散路線、安全注意事項等，幫助其有序撤離火災(zāi)現(xiàn)場[。例如，在大型商場火災(zāi)中，無人機可在商場內(nèi)部通道上方飛行，通過擴音設(shè)備引導(dǎo)顧客和員工沿著指定安全通道疏散，避免因恐慌導(dǎo)致的擁擠踩踏等二次事故，從而提升疏散效率和保障安全性。

（四）滅火作業(yè)與火場降溫

1.直接參與滅火行動

滅火型消防無人機配備了專業(yè)的滅火裝置，能夠在一定程度上直接參與滅火作業(yè)。部分無人機搭載了滅火藥劑噴灑系統(tǒng)，通過高壓噴頭將干粉、泡沫等滅火藥劑精準地噴灑至火源區(qū)域。例如，在小型建筑火災(zāi)或初期火災(zāi)中，滅火無人機可迅速抵達現(xiàn)場，對火勢進行有效壓制。其可根據(jù)火勢大小和燃燒物質(zhì)的特性，靈活調(diào)整藥劑的噴灑量和噴灑范圍，實現(xiàn)高效滅火[8]。此外，一些無人機還配備了滅火彈發(fā)射裝置，通過發(fā)射滅火彈來撲滅火災(zāi)。滅火彈接觸火源后會迅速爆炸，釋放滅火物質(zhì)，覆蓋著火區(qū)域，達到滅火效果。

2.配合地面消防力量協(xié)同滅火

消防無人機在滅火救援中并非孤立作戰(zhàn)，而是與地面消防力量緊密配合，構(gòu)建立體化的滅火體系。無人機可實時將火災(zāi)現(xiàn)場的火勢、風(fēng)向、地形等信息反饋給地面消防人員，協(xié)助他們及時調(diào)整滅火策略和進攻路線。同時，無人機可在空中為地面消防人員指引火源位置，尤其在濃煙彌漫、視線受阻的情況下，無人機利用熱成像等技術(shù)，準確標記火源點，使地面消防人員能夠更精準地進行滅火作業(yè)，從而提升滅火效率。

3.火場降溫與防止復(fù)燃

在火災(zāi)撲救后期，為防止火勢復(fù)燃，消防無人機可對火場進行降溫處理。無人機搭載的水炮或水霧噴射裝置，能夠持續(xù)向火場噴灑水霧，降低火場溫度，消除潛在的火災(zāi)隱患。特別是對于一些隱藏在建筑內(nèi)部或不易被發(fā)現(xiàn)的陰燃點，無人機可靈活地進行全方位巡查和降溫處理[。例如，在倉庫火災(zāi)撲滅后，無人機通過熱成像儀檢測到倉庫角落存在高溫區(qū)域，存在陰燃風(fēng)險，隨即對該區(qū)域進行水霧噴灑，有效地防正了火災(zāi)復(fù)燃。

結(jié)語

消防無人機憑借其顯著優(yōu)勢，在城市滅火救援中扮演著越來越關(guān)鍵的角色。它能迅速、精準地獲取火災(zāi)現(xiàn)場信息，為指揮決策提供堅實支撐；高效實現(xiàn)物資投送與人員救援，顯著提升救援效率及成功率；直接參與滅火作業(yè)及火場降溫，有效遏制火勢蔓延。未來，應(yīng)持續(xù)關(guān)注消防無人機的發(fā)展趨勢，不斷探索其在城市滅火救援中的創(chuàng)新應(yīng)用模式與方法，以全面增強城市滅火救援能力。

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