無人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用研究

引言

在城市化進(jìn)程中，高層建筑火災(zāi)呈現(xiàn)立體蔓延、多點(diǎn)燃燒等新特征，傳統(tǒng)救援模式受限于裝備效能與作業(yè)環(huán)境，難以滿足快速控火需求。無人機(jī)憑借其空間機(jī)動優(yōu)勢與智能載荷擴(kuò)展能力，為消除高層火場偵察盲區(qū)、優(yōu)化滅火戰(zhàn)術(shù)路徑提供了全新解決方案。本文將探討無人機(jī)系統(tǒng)在災(zāi)情研判、力量協(xié)同與戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行等環(huán)節(jié)的應(yīng)用范式，旨在構(gòu)建適應(yīng)超高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)的智能救援理論框架。

一、高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)及傳統(tǒng)撲救方式的局限性

（一）高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)

高層建筑火災(zāi)的動力學(xué)特征顯著區(qū)別于低層建筑，其災(zāi)變過程呈現(xiàn)立體化、復(fù)合化發(fā)展趨勢。建筑內(nèi)部復(fù)雜的豎向管井與幕墻空腔形成天然煙道，火災(zāi)初期產(chǎn)生的熱煙氣在浮力作用下沿垂直通道快速上升，形成強(qiáng)烈的煙囪效應(yīng)。這種效應(yīng)不僅加速了火勢向未燃區(qū)域蔓延，還導(dǎo)致建筑內(nèi)部能見度驟降。高溫有毒煙氣在避難層、設(shè)備層等封閉空間內(nèi)積聚，嚴(yán)重壓縮人員安全疏散的黃金時(shí)間。建筑外立面幕墻系統(tǒng)與內(nèi)部裝修材料的可燃性，進(jìn)一步加劇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。幕墻空腔內(nèi)的空氣對流為火焰提供了持續(xù)的供氧環(huán)境，而保溫材料的熱解特性可能引發(fā)熔融滴落現(xiàn)象，形成垂直方向的飛火傳播路徑。在超高層建筑中，受限于結(jié)構(gòu)自重與風(fēng)荷載要求，核心筒與避難層的防火分隔設(shè)計(jì)往往難以完全阻斷高溫?zé)煔庠诮ㄖ?nèi)部的擴(kuò)散，形成多點(diǎn)燃燒的復(fù)雜火場態(tài)勢。

（二）傳統(tǒng)高層建筑火災(zāi)撲救方式的局限性

傳統(tǒng)滅火救援體系在應(yīng)對高層建筑火災(zāi)時(shí)呈現(xiàn)明顯的效能衰減。舉高類消防車輛受機(jī)械臂展與道路承載力的雙重制約，其作業(yè)高度通常難以突破，展開場地受周邊建筑密度與高空障礙物影響顯著。當(dāng)火勢突破建筑中區(qū)向頂層發(fā)展時(shí)，地面供水系統(tǒng)面臨靜水壓力不足的物理瓶頸，垂直鋪設(shè)水帶所需的時(shí)間成本與人力消耗往往超過火勢發(fā)展速度。建筑內(nèi)部消防設(shè)施的作戰(zhàn)效能受火場環(huán)境影響顯著。機(jī)械排煙系統(tǒng)在高溫?zé)煔庵幸装l(fā)生電機(jī)過載停機(jī)，防火卷簾的熔斷裝置可能因局部溫升過快而提前啟動，導(dǎo)致防火分區(qū)失效。消防員內(nèi)攻作業(yè)時(shí)，攜帶裝備的負(fù)重限制與空氣呼吸器有效使用時(shí)間的矛盾突出，熱輻射引發(fā)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)迫使內(nèi)攻小組頻繁輪換，嚴(yán)重影響滅火進(jìn)程?，F(xiàn)有指揮體系的信息感知能力難以匹配火場動態(tài)變化。建筑內(nèi)部信號屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致無線通信中斷，火場偵察主要依賴人工抵近觀察，信息傳遞的滯后性使得指揮決策與火情發(fā)展形成時(shí)間差。

二、無人機(jī)消防應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）無人機(jī)平臺技術(shù)

無人機(jī)平臺作為消防作業(yè)的空中載體，其技術(shù)成熟度直接決定任務(wù)執(zhí)行效能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面，需突破傳統(tǒng)氣動布局限制，采用可變構(gòu)型機(jī)翼與矢量推進(jìn)系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合式設(shè)計(jì)。通過機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)飛行模態(tài)智能切換，在狹窄空間采用四旋翼模式保持懸停穩(wěn)定性，進(jìn)入開闊空域后自動切換固定翼模式，提升巡航效率。動力系統(tǒng)需兼顧能量密度與熱防護(hù)性能，開發(fā)耐高溫固態(tài)電池與渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的混合動力方案，確保在熱羽流擾動環(huán)境下的持續(xù)作業(yè)能力。針對高層建筑特有的電磁干擾環(huán)境，推進(jìn)多頻段跳頻通信與慣性導(dǎo)航的深度融合，構(gòu)建不依賴衛(wèi)星信號的自主定位系統(tǒng)。材料科學(xué)領(lǐng)域的突破為平臺性能提升提供支撐。機(jī)身主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維－陶瓷基復(fù)合材料，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)熱輻射反射率最大化。旋翼系統(tǒng)引入形狀記憶合金材料，高溫形變后可自主恢復(fù)氣動特性。起落裝置集成壓電傳感器與主動減震模塊，實(shí)現(xiàn)在傾斜屋面、破碎幕墻等非結(jié)構(gòu)化著陸面的自適應(yīng)吸附。模塊化設(shè)計(jì)理念貫穿平臺研發(fā)全過程，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)偵察、滅火、運(yùn)輸?shù)裙δ芙M件的快速換裝，滿足火場態(tài)勢動態(tài)變化對任務(wù)重構(gòu)的迫切需求。

（二）感知與控制技術(shù)

多源感知系統(tǒng)的深度融合是突破火場信息壁壘的核心。采用多光譜成像雷達(dá)與激光氣體檢測儀聯(lián)用技術(shù)，構(gòu)建三維立體偵察網(wǎng)絡(luò)。可見光攝像機(jī)負(fù)責(zé)獲取建筑外部破損情況，紅外熱像儀穿透煙霧識別隱蔽火點(diǎn)，紫外傳感器實(shí)時(shí)捕捉電弧放電現(xiàn)象。氣體檢測單元通過飛行軌跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)煙氣成分動態(tài)采樣，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法預(yù)測有毒氣體擴(kuò)散路徑[2]。針對玻璃幕墻造成的信號衰減問題，開發(fā)毫米波雷達(dá)與超寬帶穿透成像技術(shù)，準(zhǔn)確識別墻體后方的人員熱源與結(jié)構(gòu)變形。智能飛行控制系統(tǒng)需破解復(fù)雜擾流環(huán)境下的穩(wěn)定控制難題。建立基于計(jì)算流體力學(xué)的高層建筑繞流模型，預(yù)判不同高度層的湍流強(qiáng)度分布。采用模型預(yù)測控制算法，使無人機(jī)在強(qiáng)風(fēng)干擾下仍能保持航跡精度。多機(jī)協(xié)同作業(yè)時(shí)，通過分布式群體智能算法實(shí)現(xiàn)動態(tài)任務(wù)分配，當(dāng)某架無人機(jī)因熱上升氣流偏離預(yù)定航線時(shí)，系統(tǒng)自動調(diào)整編隊(duì)構(gòu)型并重新分配偵察區(qū)域。

（三）專業(yè)消防裝備技術(shù)

滅火載荷的精準(zhǔn)投送依賴專用裝備的技術(shù)突破。研發(fā)耐高溫壓縮空氣泡沫噴射系統(tǒng)，通過文丘里效應(yīng)實(shí)現(xiàn)滅火劑的高效霧化。設(shè)計(jì)可變徑矢量噴管，根據(jù)火場高度自動調(diào)節(jié)射流形態(tài)，低空作業(yè)時(shí)采用廣角覆蓋模式壓制地表火，高空噴射時(shí)切換為集束模式穿透窗戶玻璃。針對幕墻空腔火災(zāi)特點(diǎn)，開發(fā)電磁吸附式滅火彈，彈體接觸建筑立面后自動激活延時(shí)引信，待穿透至空腔內(nèi)部再釋放全氟已酮?dú)怏w，實(shí)施室息滅火。特種任務(wù)裝備需與無人機(jī)平臺形成深度耦合。系留式供電系統(tǒng)采用輕質(zhì)復(fù)合電纜與自動收放機(jī)構(gòu)，在確保持續(xù)能源供給的同時(shí)，避免線纜纏繞風(fēng)險(xiǎn)。破拆救援吊艙集成激光切割器與液壓擴(kuò)張鉗，通過力反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操作。生命探測陣列采用MEMS傳感器與微波雷達(dá)融合探測，在廢墟堆積場景中實(shí)現(xiàn)被困人員的厘米級定位。

三、無人機(jī)技術(shù)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用優(yōu)勢

無人機(jī)技術(shù)在高層建筑火災(zāi)處置中展現(xiàn)出多維度的戰(zhàn)術(shù)革新價(jià)值。相較于傳統(tǒng)救援手段，其核心優(yōu)勢在于突破物理空間限制，構(gòu)建起立體化作戰(zhàn)能力體系。通過多源感知融合與智能決策支持，無人機(jī)可快速穿透濃煙屏障，實(shí)時(shí)捕捉火勢蔓延路徑、結(jié)構(gòu)損傷程度及人員受困位置等關(guān)鍵信息，為指揮中樞提供動態(tài)更新的三維態(tài)勢圖。這種全維感知能力有效地彌補(bǔ)了人工偵察的視野盲區(qū)與響應(yīng)遲滯，尤其在建筑內(nèi)部通信中斷的極端工況下，無人機(jī)搭載的自主導(dǎo)航系統(tǒng)仍能持續(xù)回傳火場核心區(qū)數(shù)據(jù)，顯著提升災(zāi)情研判的時(shí)效性與準(zhǔn)確性。在戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行層面，無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了滅火救援的精準(zhǔn)化與前置化。通過模塊化掛載設(shè)計(jì)，無人機(jī)可靈活切換破拆、滅火、物資投送等任務(wù)模式，直接對建筑中上部火源實(shí)施定點(diǎn)打擊。耐高溫噴射系統(tǒng)配合可變徑噴管技術(shù)，使滅火劑能夠穿透幕墻空腔或玻璃幕墻縫隙，精準(zhǔn)覆蓋傳統(tǒng)水槍難以觸及的隱蔽火點(diǎn)[3]。同時(shí)，多機(jī)協(xié)同編組形成的空中作業(yè)網(wǎng)絡(luò)，可構(gòu)建起從地面到高區(qū)的立體供水鏈路，突破靜水壓力限制導(dǎo)致的垂直供水瓶頸，確保滅火劑持續(xù)輸送至作戰(zhàn)高度。

四、無人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用場景

（一）火災(zāi)前期偵察與風(fēng)險(xiǎn)評估

在火情初起階段，無人機(jī)系統(tǒng)可快速構(gòu)建三維偵察網(wǎng)絡(luò)，突破傳統(tǒng)人工偵察的時(shí)空限制。通過多光譜成像設(shè)備與激光雷達(dá)的協(xié)同作業(yè)，無人機(jī)能夠穿透建筑外立面玻璃幕墻與濃煙屏障，精準(zhǔn)識別起火點(diǎn)熱源分布與煙氣擴(kuò)散路徑。紅外熱像儀以每秒30幀的采樣頻率對建筑外立面進(jìn)行全景掃描，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法自動標(biāo)注溫度異常區(qū)域，實(shí)時(shí)解譯火勢垂直蔓延趨勢。針對建筑內(nèi)部復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)，無人機(jī)搭載的毫米波雷達(dá)可生成三維點(diǎn)云模型，準(zhǔn)確還原樓梯井、設(shè)備層等關(guān)鍵部位的煙氣積聚狀態(tài)，為預(yù)判火場動力學(xué)演變提供數(shù)據(jù)支撐。在結(jié)構(gòu)安全評估方面，無人機(jī)采用聲發(fā)射檢測與視覺應(yīng)變分析相結(jié)合的技術(shù)手段。壓電傳感器陣列實(shí)時(shí)采集建筑承重構(gòu)件在高熱環(huán)境下的應(yīng)力波信號，通過模態(tài)分析算法識別鋼結(jié)構(gòu)梁柱的屈曲風(fēng)險(xiǎn)。高清攝像機(jī)配合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對幕墻連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行亞像素級位移監(jiān)測，當(dāng)檢測到超過安全閾值的形變量時(shí)，系統(tǒng)自動觸發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)預(yù)警。此類多維數(shù)據(jù)通過邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)時(shí)融合后，可生成動態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評估矩陣，為指揮員制定力量部署方案提供科學(xué)依據(jù)。

（二）火災(zāi)撲救過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)控與指揮

火場態(tài)勢的動態(tài)感知需要構(gòu)建空地協(xié)同的立體監(jiān)控體系。無人機(jī)編隊(duì)采用蜂群控制算法，在建筑外圍形成多層偵察環(huán)。外層無人機(jī)群搭載廣域監(jiān)控設(shè)備，持續(xù)追蹤飛火飄落軌跡與玻璃幕墻爆裂范圍；中層機(jī)群通過可變焦云臺對窗口噴火現(xiàn)象進(jìn)行特寫拍攝，結(jié)合火焰顏色光譜分析燃燒物質(zhì)類別；抵近偵察單元利用超寬帶穿墻雷達(dá)，實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)人員生命體征與疏散通道阻塞情況。所有感知數(shù)據(jù)通過抗干擾數(shù)據(jù)鏈回傳至指揮中樞，經(jīng)時(shí)空配準(zhǔn)后形成分鐘級更新的數(shù)字孿生火場模型。在戰(zhàn)術(shù)指揮層面，無人機(jī)系統(tǒng)深度融入指揮決策閉環(huán)?；趶?qiáng)化學(xué)習(xí)算法的路徑規(guī)劃模塊，可自動生成內(nèi)攻小組最優(yōu)行進(jìn)路線，規(guī)避已識別的高溫區(qū)域與結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)。當(dāng)火場出現(xiàn)爆燃征兆時(shí)，機(jī)載氣體檢測單元通過監(jiān)測CO濃度梯度變化，提前30秒觸發(fā)撤離警報(bào)。多機(jī)協(xié)同的通信中繼功能有效解決建筑內(nèi)部信號屏蔽問題，通過構(gòu)建動態(tài)自組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地下車庫至頂層避難層的全樓層語音通信覆蓋。指揮員可通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)終端，實(shí)時(shí)查看無人機(jī)投射在建筑立面的熱力分布圖與安全作業(yè)邊界標(biāo)識，顯著提升戰(zhàn)術(shù)指令的精準(zhǔn)性與時(shí)效性[4]。

（三）直接參與滅火救援行動

無人機(jī)在戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行層面展現(xiàn)出多任務(wù)耦合的作業(yè)能力。針對外立面立體火勢，采用“察打一體”作戰(zhàn)模式：前導(dǎo)偵察機(jī)通過激光測距儀標(biāo)定破拆點(diǎn)位，滅火無人機(jī)隨即抵近發(fā)射超高壓細(xì)水霧，在幕墻空腔內(nèi)部形成局部惰化環(huán)境。對于高層室內(nèi)火點(diǎn)，無人機(jī)掛載柔性機(jī)械臂穿透窗戶實(shí)施精準(zhǔn)滅火，末端執(zhí)行器集成溫度反饋系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)泡沫混合比與噴射角度，確保滅火劑在受限空間內(nèi)的最優(yōu)覆蓋效率。在人員營救領(lǐng)域，無人機(jī)突破傳統(tǒng)救援裝備的物理限制。系留式無人機(jī)搭載生命探測雷達(dá)懸停于受困區(qū)域外圍，通過多普勒效應(yīng)識別敲擊聲源方位。救援無人機(jī)隨后投送應(yīng)急呼吸面罩與定位信標(biāo)，為受困者構(gòu)建臨時(shí)安全區(qū)。針對無法立即轉(zhuǎn)移的傷員，無人機(jī)可構(gòu)建空中物資輸送通道，通過磁力吸附裝置將止血包、生理鹽水等急救物資精準(zhǔn)投送至狹窄陽臺或避難間。在極端情況下，重型無人機(jī)可配合云梯車實(shí)施聯(lián)合救援，利用碳纖維吊索建立高空生命線，實(shí)現(xiàn)受困人員的分段轉(zhuǎn)移。

（四）災(zāi)后評估與重建支持

火災(zāi)撲滅后，無人機(jī)系統(tǒng)轉(zhuǎn)入災(zāi)損評估與事故調(diào)查工作模式。通過傾斜攝影技術(shù)獲取建筑外立面高清正射影像，結(jié)合點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動生成結(jié)構(gòu)損傷分布熱力圖。深度學(xué)習(xí)算法對裂縫寬度、混凝土剝落面積等損傷特征進(jìn)行量化分析，輸出建筑安全等級評估報(bào)告。在內(nèi)部勘察環(huán)節(jié)，無人機(jī)搭載的X射線探傷儀對承重墻內(nèi)部鋼筋銹蝕程度進(jìn)行無損檢測，微波濕度傳感器精確測定各樓層殘余含水量，為結(jié)構(gòu)加固方案提供數(shù)據(jù)支撐。在事故復(fù)盤層面，無人機(jī)采集的多模態(tài)數(shù)據(jù)為火災(zāi)原因調(diào)查提供關(guān)鍵證據(jù)鏈。熱斑演變時(shí)序圖可追溯火勢蔓延路徑，氣體濃度變化曲線輔助還原轟燃發(fā)生時(shí)間點(diǎn)，結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)則揭示建筑失效機(jī)理。所有數(shù)據(jù)接人火災(zāi)動力學(xué)仿真平臺后，可重構(gòu)火災(zāi)全周期發(fā)展模型，為改進(jìn)建筑防火設(shè)計(jì)、優(yōu)化消防應(yīng)急預(yù)案提供科學(xué)依據(jù)。此外，無人機(jī)生成的數(shù)字化檔案為保險(xiǎn)理賠與責(zé)任認(rèn)定提供客觀證據(jù)，其毫米級精度的三維模型可永久保存建筑災(zāi)后狀態(tài)，形成珍貴的火災(zāi)研究樣本庫

結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)的深度應(yīng)用，標(biāo)志著高層建筑火災(zāi)撲救從平面作戰(zhàn)向立體攻防的范式轉(zhuǎn)變。通過多機(jī)協(xié)同偵察、智能決策支持與精準(zhǔn)戰(zhàn)術(shù)干預(yù)，無人機(jī)技術(shù)有效延展了消防力量的作戰(zhàn)半徑與響應(yīng)精度。未來，研究需進(jìn)一步突破復(fù)雜氣流環(huán)境下的穩(wěn)定控制、多任務(wù)載荷集成優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)完善空地協(xié)同作戰(zhàn)規(guī)程，推動無人機(jī)系統(tǒng)深度融入消防救援體系，為超大城市安全治理提供可靠保障。

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