智能無人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用

王滕

摘要：本項目旨在為城市高層建筑消防滅火問題尋找比傳統(tǒng)人工撲救更為有效的方式方法，團(tuán)隊將目標(biāo)鎖定新型的無人機(jī)領(lǐng)域，希望借助這一新技術(shù)來突破傳統(tǒng)滅火方式無法完全適應(yīng)的高層建筑撲救難題。團(tuán)隊對常規(guī)高層建筑的消防安全設(shè)計與無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行深入研究，并借助現(xiàn)有所得資料進(jìn)行合理設(shè)計與實踐，以得出無人機(jī)搭載消防設(shè)備進(jìn)行高層滅火的合理方式。

關(guān)鍵詞：智能無人機(jī);消防安全設(shè)計;高層建筑

一、高層建筑的現(xiàn)狀與問題

隨著我國城市化水平的不斷提高，城市人口密度不斷增加催生了越來越多高層建筑的落地，而追逐數(shù)量、規(guī)模與形象的結(jié)果導(dǎo)致了建筑的公共消防安全風(fēng)險也急劇攀升。一旦發(fā)生火災(zāi)，高層建筑體量龐大、功能復(fù)雜、人員密集、危險源多，人民生命財產(chǎn)將面臨極大的損害，同時火災(zāi)救援的武警士兵生命安全也會受到威脅。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)火災(zāi)撲救方式對越建越高的寫字樓辦公樓等而言已無法完全適應(yīng)，而近年新興的多旋翼無人機(jī)通過智能技術(shù)已開發(fā)出傾斜攝影的技術(shù)，并可以實現(xiàn)載重功能。因此，本團(tuán)隊項目通過多種調(diào)研方式對常規(guī)高層建筑的消防安全設(shè)計與無人機(jī)智能技術(shù)進(jìn)行深入研究，且運(yùn)用計算機(jī)建模來進(jìn)行攜帶式無人機(jī)與等尺度建筑復(fù)原模擬火災(zāi)場景驗證其滅火性能，在有可能的情況下實現(xiàn)利用可攜帶式無人機(jī)的高層建筑滅火救援技術(shù)的市場推廣應(yīng)用。

二、項目研究主要方向

1.總結(jié)高層建筑的消防安全設(shè)計

團(tuán)隊將系統(tǒng)化地研究當(dāng)代高層建筑在消防設(shè)計上的原則與實際防火的措施手段，并總結(jié)當(dāng)下消防安全的設(shè)計原則及合理性問題。

2.探究高層建筑火災(zāi)救援的特點(diǎn)

結(jié)合以往的消防救援案例與消防部門的公開報告來整體性總結(jié)高層建筑火災(zāi)撲救中高頻率發(fā)生的救援事故及火災(zāi)撲救難點(diǎn)痛點(diǎn)，針對這些特點(diǎn)進(jìn)行橫縱向?qū)Ρ忍接懜邔踊馂?zāi)在救援上的更高一層次的剛性需求。

3.設(shè)計利用智能搭載消防設(shè)備的無人機(jī)在火災(zāi)現(xiàn)場發(fā)揮高效救援滅火作用

高層建筑火災(zāi)蔓延速度極快，極易形成立體火災(zāi)，而僅憑現(xiàn)有的滅火云梯水槍等很難與高層火災(zāi)相抗衡，因此團(tuán)隊將基于5G網(wǎng)絡(luò)的高速高效、低延遲等特性將無人機(jī)進(jìn)行適用于火災(zāi)現(xiàn)場救援的智能化改造創(chuàng)新，將滅火消防栓等消防設(shè)備搭載于無人機(jī)之上，對高層建筑進(jìn)行及時精準(zhǔn)滅火，以盡量減少人員的傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)與社會效益。

4.實驗?zāi)M無人機(jī)與各式消防設(shè)備的連接與安裝方式的火災(zāi)撲救作用

團(tuán)隊將在對高層建筑消防安全設(shè)計的調(diào)研與無人機(jī)性能在火災(zāi)中偵查與滅火撲救利用的研究后利用研究成果設(shè)計出合適的無人機(jī)組合方式并搭建等比例高層建筑模型，進(jìn)行實際的模擬實驗以探討團(tuán)隊研究結(jié)論的合理性，并將總結(jié)出最佳的無人機(jī)工作路徑與方式，記錄有效數(shù)據(jù)，在有可能的情況下尋找合適的團(tuán)隊進(jìn)行溝通將想法進(jìn)行更進(jìn)一步的精確與更大范圍的市場推廣。

三、項目主要成果

團(tuán)隊對無人機(jī)與消防車、消防裝置的連接方式與安裝方式進(jìn)行了深入探究與實驗，得出了四種連接與安裝方式，同時通過實驗驗證無人機(jī)與消防車、消防裝置的不同連接形式與安裝方式滅火性能，總結(jié)出了最佳的無人機(jī)工作路徑與方式：

1.無人機(jī)吊艙荷載搭載各式滅火彈的連接與安裝方式

無人機(jī)在高層建筑滅火的應(yīng)用中，吊艙荷載搭載各式滅火彈滅火是其基本功能之一。無人機(jī)與地面控制終端和消防車均以GPS信號進(jìn)行無線連接，將下方原用于搭載攝像機(jī)的吊艙進(jìn)行包括搭載方式、承重量等方面的改裝之后，搭載各式滅火彈（包括儲壓超細(xì)干粉滅火劑、水基高效滅火藥劑、系留高壓液體滅火劑、外墻專用滅火劑等）、火災(zāi)探測攝像頭以及滅火彈控制器到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，通過可見光或熱成像向地面控制終端與監(jiān)控中心傳遞視頻數(shù)據(jù)信息。地面控制終端向無人機(jī)發(fā)射投射信號后，無人機(jī)根據(jù)接受到的指令與探測信息，自主將滅火劑投射至滅火點(diǎn)，對著火區(qū)域進(jìn)行撲救，并隨時將火災(zāi)現(xiàn)場狀況傳遞回地面，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程掌握火災(zāi)撲救情況。

通過性能模擬實驗得出以下結(jié)論：此種連接方式同時也存在撲救范圍小的缺點(diǎn)，因此其適用于對高層建筑初期火勢較小時，對著火區(qū)域進(jìn)行針對性點(diǎn)式撲救，能夠有效撲滅或控制初期火情。但在若火勢較大時，則需考慮其他連接方式。

2.無人機(jī)搭載高壓水槍的連接與安裝方式

無人機(jī)搭載高壓水槍對著火區(qū)域進(jìn)行撲救，能夠有效解決傳統(tǒng)火災(zāi)救援中的撲救高度受限缺點(diǎn)。通過地面控制終端對無人機(jī)的飛行高度進(jìn)行控制，無人機(jī)搭載的高壓水槍可對高層建筑的任一一層進(jìn)行撲救。由于消防水帶的長度極長，無人機(jī)承載能力有限，故而需多架無人機(jī)組配合進(jìn)行火災(zāi)撲滅。

無人機(jī)與消防水車的連接：

第一無人機(jī)下方吊艙搭載連接消防水帶的入水口、加壓泵和高壓噴頭的水箱、用于測距及確定位置的火災(zāi)探測攝像頭，在無人機(jī)腳架上設(shè)置安裝高壓噴頭及高壓噴頭控制器。同時第一無人機(jī)、地面控制終端以及消防車彼此之間也均以GPS信號進(jìn)行無線連接，第一無人機(jī)搭載的火災(zāi)探測攝像頭通過可見光熱成像向地面控制終端、監(jiān)控中心和消防車傳遞視頻數(shù)據(jù)信息。地面控制終端同時向無人機(jī)和消防車發(fā)射投射信號后，消防車向消防水帶進(jìn)行持續(xù)供水，同時無人機(jī)自主定位滅火點(diǎn)，高壓噴頭將水噴至滅火點(diǎn)，對著火區(qū)域進(jìn)行撲救。

第二無人機(jī)下方設(shè)置用于測距及確定位置的探測攝像頭、由電機(jī)驅(qū)動的繩索，繩索用于連接固定消防水帶，消防水帶連接消防車為第一無人機(jī)提供滅火所需水源。同時第二無人機(jī)、地面控制終端以及消防車彼此之間也均以GPS信號進(jìn)行無線連接，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。第二無人機(jī)搭載的探測攝像頭通過位置定距定位第一無人機(jī)以及其他障礙物位置，在保證能為第一無人機(jī)提供水源的同時不發(fā)生碰撞。第二無人機(jī)在為第一無人機(jī)搭載消防水帶的同時觀測建筑物其他區(qū)域的情況，一旦發(fā)現(xiàn)火勢蔓延及時向地面控制中心進(jìn)行反饋，一機(jī)兩用。

通過性能模擬實驗，得出以下結(jié)論：無人機(jī)搭載高壓水槍對著火區(qū)域進(jìn)行撲救，能夠有效解決傳統(tǒng)火災(zāi)救援中使用云梯產(chǎn)生的撲救高度受限的缺點(diǎn)。多架無人機(jī)組配合進(jìn)行火災(zāi)撲滅時，第二無人機(jī)在為第一無人機(jī)搭載消防水帶的同時觀測建筑物其他區(qū)域的情況，一旦發(fā)現(xiàn)火勢蔓延及時向地面控制中心進(jìn)行反饋，一機(jī)兩用。但存在滅火方式單一的問題，不適用于火勢較大時。

3.多架無人機(jī)分區(qū)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式

單架無人機(jī)作業(yè)時存在撲救面小、作業(yè)效率低等問題，因此思考多架無人機(jī)分區(qū)工作，以達(dá)到增大撲救面、提高作業(yè)效率、加快撲救速度的作用。

多架無人機(jī)在火情嚴(yán)重之時，可采用分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)的分區(qū)分工方式。由地面控制終端控制，多次搭載適應(yīng)火場具體情況的不同滅火劑（包括儲壓超細(xì)干粉滅火劑、水基高效滅火藥劑、系留高壓液體滅火劑、外墻專用滅火劑等），對火災(zāi)進(jìn)行多次撲救。

通過5G技術(shù)地面控制終端對建筑物進(jìn)行合理分區(qū)，對多架無人機(jī)進(jìn)行合理分工，同時對多架無人機(jī)以及消防水車進(jìn)行無線控制，不同無人機(jī)火災(zāi)探測儀通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回的火災(zāi)現(xiàn)場信息在控制終端進(jìn)行整合，傳輸給控制中心的同時給予無人機(jī)下一步工作內(nèi)容的反饋，使多架無人機(jī)聯(lián)合滅火撲救智能化組合在地面控制終端的反饋信息與自主監(jiān)測信息控制下，高效完成投射滅火劑滅火的救援工作。

通過性能模擬實驗得出以下結(jié)論：多架無人機(jī)分區(qū)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式可采用分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)的分區(qū)分工方式，增大撲救面、提高作業(yè)效率、加快撲救速度。

4.多架無人機(jī)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式

多架無人機(jī)可通過搭載不同功能的消防設(shè)施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，可同時完成火情探測、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)撲救、滅火救援工作。使火災(zāi)救援工作得以在無人機(jī)的輔助之下全面高效開展。

通過地面控制終端對多架同時執(zhí)行不同滅火撲救任務(wù)的無人機(jī)以及消防水車進(jìn)行無線控制，不同無人機(jī)火災(zāi)探測儀通過無線網(wǎng)絡(luò)傳回的火災(zāi)現(xiàn)場信息在控制終端進(jìn)行整合，傳輸給控制中心的同時給予無人機(jī)下一步工作內(nèi)容的反饋，使多架無人機(jī)聯(lián)合滅火撲救智能化組合高效完成包括探測火情、投射滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)救援工作。同時每一架無人機(jī)也隨時向地面反饋所在區(qū)域的火災(zāi)情況，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程、全面掌握建筑的火災(zāi)蔓延、救援、撲救情況。

通過性能模擬實驗得出以下結(jié)論：多架無人機(jī)可通過搭載不同功能的消防設(shè)施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，可同時完成火情探測、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)撲救、滅火救援工作。使火災(zāi)救援工作得以在無人機(jī)的輔助之下全面高效開展，實現(xiàn)效率最大化。

該連接方式可通過搭載不同功能的消防設(shè)施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，同時完成火情探測、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運(yùn)送物資等火災(zāi)撲救、滅火救援工作。使火災(zāi)救援工作得以在無人機(jī)的輔助之下全面高效開展。同時每一架無人機(jī)也隨時向地面反饋所在區(qū)域的火災(zāi)情況，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程、全面掌握建筑的火災(zāi)蔓延、救援、撲救情況。

四、實踐意義和社會影響

項目直擊高層建筑火災(zāi)撲救痛難點(diǎn)，提出基于5G技術(shù)的攜帶式無人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用以適應(yīng)社會急切的需求。本項目一改以往由消防員加救火車的撲救方式，推出了基于5G技術(shù)的攜帶式無人機(jī)在高層建筑火災(zāi)撲救中的應(yīng)用，合理運(yùn)用現(xiàn)代社會新興技術(shù)，為高層建筑安全提供更好的保障，為高層建筑使用者人身與財產(chǎn)安全保駕護(hù)航，存在著在社會上推廣的價值與意義。

傳統(tǒng)建筑火災(zāi)撲救方式難以及時精準(zhǔn)地?fù)渚雀邔咏ㄖ馂?zāi)，本項目可以攻克長久以來高層建筑火災(zāi)難以撲救，發(fā)生火災(zāi)時高層建筑使用者人身財產(chǎn)安全收到嚴(yán)重威脅的艱巨難題，消除社會公眾對高層建筑火災(zāi)存在著的顧忌與畏懼，從而更好地保障社會發(fā)展的穩(wěn)定性與社會治安。

參考文獻(xiàn)：

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