高層火災(zāi)救援情境下的無人機(jī)外觀設(shè)計研究

王勐 胡安明

關(guān)鍵詞：高層;火災(zāi)救援;無人機(jī);外觀設(shè)計

1 高層火災(zāi)人員傷亡原因及現(xiàn)有救援方式

1.1 高層火災(zāi)人員傷亡原因

火災(zāi)中人員傷亡的原因有以下四種：

1） 濃煙。煙氣混雜了各種有毒物質(zhì)，一氧化碳、二氧化碳、硫化物、氰化物等，這些有害物對人體的危害尤為嚴(yán)重，人體一旦吸入，短時間內(nèi)就會產(chǎn)生昏厥效應(yīng)，若未被及時發(fā)現(xiàn)就會造成嚴(yán)重的生命安全威脅。

2） 缺氧?；鹪谌紵^程中會消耗空氣中大部分的氧氣，導(dǎo)致氧氣濃度大大降低，從而引起窒息導(dǎo)致死亡，在所有致死原因中80% 為濃煙、缺氧。如果能解決濃煙缺氧的問題，就能爭取自救的逃生時間，減少死亡率。

3） 高溫。當(dāng)周圍溫度環(huán)境超過150℃時，燃燒會產(chǎn)生高濕度的熱煙氣，吸入之后對人體的呼吸道和肺部器官組織的破壞尤為嚴(yán)重。

4） 灼傷。火焰的擴(kuò)大會引起皮膚組織燒傷，就算被救援出來，燒傷患者也會受到身體上的疼痛感和精神上的壓迫感[1]。

1.2 現(xiàn)有救援方式

現(xiàn)有國內(nèi)外主流火災(zāi)救援方式有以下五種：

1） 云梯消防車――這類車上會使用云梯等升降裝備和較為先進(jìn)的滅火裝置，這樣可以有效解決高層建筑滅火困難等問題，同時在較低層時能起到較大作用，但最高的云梯車也不過百米，且每個區(qū)域配備數(shù)量少，購買成本高昂，同時該車對災(zāi)情的地理位置非常挑剔，因為體積龐大，往往沒有在第一時間到達(dá)最佳救火位置，導(dǎo)致進(jìn)出火場速度慢，施救難度大。

2） 高壓水槍滅火――在火災(zāi)現(xiàn)場外利用高壓水槍對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行噴射滅火，它能及時撲滅低層的火及靠窗的火，暫時控制住火情，讓消防員能夠安全的進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場，但無法徹底的根除火源，并且面對高層無能為力。

3） 開辟救援通道――消防員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場偵察相關(guān)情況，它速度較快，發(fā)現(xiàn)被困人員的幾率大，但救援過程中，容易發(fā)生房屋倒塌、物體墜落等，不僅被困者有危險，對施救者也有危險，這也是幾種救援方法中最為危險的一種，不到迫不得已的時候不會選擇。

4） 消防直升機(jī)救援――利用直升機(jī)參與高層建筑對火災(zāi)的撲救和人員疏散，它速度快，能及時傳遞信息，但目前只有少數(shù)發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的消防隊裝備了消防直升機(jī)，由于其造價高昂，而且存在很大一部分局限性，難以普及[2]。

5） 消防無人機(jī)――利用無人機(jī)攜帶的小型滅火器進(jìn)行救火，它速度快，但攜帶的滅火器容量小，這也是最新型的滅火方式，如果加以修改，相信消防無人機(jī)會成為火災(zāi)時的一顆救星。

現(xiàn)有救援方式雖然種類多，但是在實際救援過程中難度大，容易受地形、天氣、交通等影響，救援效果沒有自救的效果明顯。

2 高層火災(zāi)救援情境下的無人機(jī)外觀設(shè)計意義

近年來，消防救援工作仍存在漏洞和不足。特別是在跨度大、空間大的廠房、倉庫，由于建筑空間的特殊性和救援設(shè)施的不完善，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。因此，有必要設(shè)計和開發(fā)一種能夠在第一時間探測到火災(zāi)、控制火災(zāi)、協(xié)助救援的消防產(chǎn)品。經(jīng)調(diào)查，目前尚無大型化工廠、倉庫消防救援產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計報告。因此，針對這類空間設(shè)計消防救援產(chǎn)品具有重要的現(xiàn)實意義。無人機(jī)在救援過程中發(fā)揮著重要作用，但仍存在產(chǎn)品功能不完善、智能化程度低、實時性差等問題。為此，設(shè)計了一種消防救援無人機(jī)，將功能優(yōu)勢與外觀造型設(shè)計相結(jié)合，在功能集成后形成技術(shù)優(yōu)勢和功能優(yōu)勢，以滿足其使用需求。火災(zāi)發(fā)生后可以在第一時間進(jìn)行預(yù)警救援，有效降低消防人員的勞動強度和報警風(fēng)險，為我們提供更好的保障，減少生命財產(chǎn)損失，具有重要的社會意義。根據(jù)使用環(huán)境要求，在消防救援無人機(jī)氣體檢測功能中，對易燃、易爆產(chǎn)品進(jìn)行實時監(jiān)控，防止因監(jiān)管不力造成泄漏或爆炸，可有效減少環(huán)境污染和對生態(tài)系統(tǒng)的破壞，具有一定的生態(tài)意義[3]。

3 高層火災(zāi)救援情境下的無人機(jī)外觀設(shè)計思路

3.1 形態(tài)設(shè)計

產(chǎn)品語義學(xué)是研究人造物的形態(tài)在使用情境中的象征特性，在外觀設(shè)計中，通過對產(chǎn)品形狀、尺度、比例的調(diào)整來將產(chǎn)品語義融入進(jìn)去。在自然界中，許多生物都經(jīng)歷了幾千年的進(jìn)化，從形態(tài)到結(jié)構(gòu)都達(dá)到了相對優(yōu)化，風(fēng)阻和耐水性都非常合理。因此，大部分無人機(jī)的設(shè)計都是基于形態(tài)仿生設(shè)計的。根據(jù)目前各種無人機(jī)的產(chǎn)品語義篩選形態(tài)設(shè)計原型，常見的形態(tài)仿生模型對象有鳥類、昆蟲和水下生物等。無人機(jī)作為應(yīng)急消防設(shè)備當(dāng)用戶與產(chǎn)品交互時，整個形態(tài)的特征，要做到無意識或有意識的使用戶產(chǎn)生聯(lián)想思維，讓其通過外形上判斷出無人機(jī)救援、緊急、可靠的屬性。

在機(jī)身的設(shè)計上可以采用多邊形、切割形、雙層疊加的設(shè)計語言，從造型上體現(xiàn)出救援設(shè)備的特點。類似案例有很多，如圖1 所示，哈佛大學(xué)的一個機(jī)器人研究團(tuán)隊研發(fā)出了一種機(jī)器蒼蠅。它利用仿生學(xué)，模擬了自然界中的鳥類、蝴蝶等這些生物，并可以像它們一樣飛行、棲息。

3.2 造型設(shè)計

產(chǎn)品功能決定產(chǎn)品的造型設(shè)計，例如手套設(shè)計有五個孔洞就是為了滿足人手可穿戴的需求，簽字筆在持握的位置安裝防滑條就是為了給使用者提供一種舒適的感覺，以便人們能夠更好的進(jìn)行書寫。因此，產(chǎn)品的造型設(shè)計與其功能是密不可分的，任何產(chǎn)品的造型都是產(chǎn)品功能的體現(xiàn)。無人機(jī)仿生設(shè)計的選擇和抽象概括應(yīng)綜合考慮飛行器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和氣動原理布局。因此，造型設(shè)計必須滿足這些技術(shù)要素的安裝條件，可以變形、抽象，甚至與不同類型的仿生學(xué)相結(jié)合，如水下生物的局部仿生，與昆蟲或鳥類等局部仿生相結(jié)合，使各種仿生的優(yōu)勢能夠應(yīng)用于無人機(jī)的設(shè)計中，但滿足造型的美感。消防救援無人機(jī)需要在高溫大火的環(huán)境下進(jìn)行人員搜救工作，所以在造型上要體現(xiàn)出功能性的需求。如無人機(jī)扇葉需要保護(hù)，從造型上就可以加防撞條，并使用耐高溫材料，保證工作通暢性，無人機(jī)增加的投遞設(shè)備、攝像錄音設(shè)備、照明設(shè)備在造型上考慮怎么放置既能達(dá)到功能性的需求，又能在滿足功能性的基礎(chǔ)上更加美觀，無人機(jī)是消防設(shè)備，整體造型要突出消防設(shè)備的特點等。圖2 為哈弗大學(xué)研究的“蒼蠅”無人機(jī)，優(yōu)勢體現(xiàn)在電量問題，他們還模仿動物的棲息研發(fā)了靜電吸附技術(shù)，讓機(jī)器蒼蠅通過棲息來節(jié)省能量。在棲息時的它所消耗的電量據(jù)稱會縮小到飛行時的 1/1000。《科學(xué)》雜志的報道里機(jī)器蒼蠅的研究人員稱，這個機(jī)器蒼蠅頂部有一個銅電極和泡沫底座組成的靜電貼片，通過利用其產(chǎn)生的正負(fù)電荷之間的吸引力，機(jī)器蒼蠅可以吸附到任何一個物體上，即使是一片不規(guī)整的葉子。

3.3 色彩設(shè)計

色彩不僅是產(chǎn)品的點綴，更是產(chǎn)品更深層次的表現(xiàn)。產(chǎn)品顏色對用戶的心理感受有著重要的影響。人們對產(chǎn)品顏色語義的感知來自于對顏色的生理刺激和視覺感知，產(chǎn)生相關(guān)的心理感受。無人機(jī)作為消防救援產(chǎn)品，顏色上就應(yīng)該用消防救援的紅色作為主旋律色彩，在顏色上體現(xiàn)出消防設(shè)備的特點。選擇合理醒目的顏色也可以讓等待救援的人更快更清楚的看到無人機(jī)并及時和場外的救援隊進(jìn)行聯(lián)系，溫和的色彩也可以在一定基礎(chǔ)上穩(wěn)定被困者的心理壓力，緩解其緊張的心理，讓被救者可以保持均勻的呼吸，以免氧氣流失過快減少施救時間。

3.4 材料設(shè)計

材料的選擇就是整個產(chǎn)品設(shè)計活動中最至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，因為選用合理的材料可以更加突顯產(chǎn)品的自身特色，同時也能更好的發(fā)揮產(chǎn)品所具有的功能。消防無人機(jī)在高溫明火環(huán)境下使用，材質(zhì)上應(yīng)選用耐高溫，不易燃燒且重量輕的材質(zhì)。材料本身的質(zhì)感也會使整體外觀更加具有設(shè)計感。

4 總結(jié)

高層建筑火災(zāi)救援方法多種多樣，但在實際救援過程中難度較大。本文通過對國內(nèi)外實際情況的分析[4]，從技術(shù)角度出發(fā)，分析了無人機(jī)救援的基本原理和特點以及無人機(jī)應(yīng)用目標(biāo)條件的成因和發(fā)展前景，對現(xiàn)有的消防無人機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)和集成。在產(chǎn)品語義仿生設(shè)計應(yīng)用、形態(tài)語義交流與視覺感知理論分析、無人機(jī)功能結(jié)構(gòu)分割與整合的基礎(chǔ)上，加強產(chǎn)品形態(tài)研究、仿生研究、美學(xué)研究和藝術(shù)設(shè)計的邏輯分析，并對無人機(jī)模型進(jìn)行了外觀的創(chuàng)新設(shè)計。本文描述了高層消防救援場景的外觀設(shè)計，這是一個跨多領(lǐng)域知識系統(tǒng)的集成研究過程。實踐證明，無人機(jī)是火災(zāi)救援的良好選擇，體現(xiàn)直接救援功能，在火災(zāi)第一現(xiàn)場發(fā)揮更重要的作用，從而讓救援任務(wù)的實施更加快速、全面、有效、安全[5]。