无人机高层建筑消防救援的应用与研究

2018-02-18徐逸杰

中国科技纵横 2018年21期

徐逸杰

摘要：近年来，随着社会经济的不断发展，城市建筑也越来越高。现有消防设备根本无法满足楼层高度，难以准确掌握起火点，对高层建筑被困人员进行及时救援，导致人员死伤及财产重大损失，高层建筑火灾的防控已经成为一个社会性的难题。与此同时，我国无人机产业发展迅速，无人机应用更是遍地开花，给予了我开发利用无人机进行消防救援的思路。通过组装并反复试验，研制了一套依托无人机挂载，可用于高层建筑消防救援的多功能设备装置，从而提高救援效率，将大大减少火灾人员伤亡。

关键词：高层建筑；火灾；无人机；远程遥控；搜救；测距；投射；装置

中图分类号：TP101 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0186-03

1 引言

1.1 选题背景和研究动力

2009年2月9日晚，北京市朝阳区中央电视台30层中心大楼发生火灾，造成1人死亡和7人受伤。

2014年11月15日下午，上海静安区一幢28层住宅起火，最终导致58人遇难，70余人受伤，房产损失接近5亿元人民币，震惊全国。

2017年7月18日凌晨，杭州市著名的保姆纵火案，现场抢救出的4人经抢救无效死亡。

近年来，随着社会经济的不断发展，土地资源越来越紧缺，为高效利用土地城市建筑也越来越高。目前我国有高层建筑（指高度在24米到100米之间一类高层，以及100米以上的超高层）34.7万栋，数量居世界第一。现有消防设备根本无法满足楼层高度，高层建筑失火后，救援人员很难准确掌握起火点，也很难对高层建筑被困人员进行及时救援，导致人员死伤及财产损失，高层建筑火灾的防控已经成为一个社会性的难题。如何才能战胜火魔，挽救生命。

1.2 创新灵感

看到上面一组组骇人的数据，谁都会一声叹息。发生火灾时浓烟是致死的主要原因之一，黑色浓烟不仅会遮挡住视线，影响逃生，更重要的是一氧化碳含量较高的浓烟吸入后会让人失去知觉十几分钟后就会死亡。

一个偶尔的机会，我接触到了无人机。它有很多优点：小型轻便、低噪节能、高效机动，起飞降落受场地限制较小，具有良好的稳定性和安全性。航拍影像具有高清晰、大比例尺、高现势性的优点。

我受到很大的启发，如果无人机能够应用到消防救援上，一定能够帮助到更多的人。但無人机消防救援装置的功能需要具备哪些？无人机载重量的计算？如何实现远程控制？带着各种问题和想法，我首先进行了相关资料的查阅。并开展一系列的实用性调研。

1.3 调研

1.3.1 现有消防救援装置

经过调查我得知，现有消防救援装置主要分以下几个大类：

（1）救援人员防护装备（防护头盔、防护服等）；（2）消防枪炮及供水器具（消防枪、水幕发生器等）；（3）消防车辆（罐类消防车、举高类消防车等）；（4）抢险救援装备（防化装备、救生装备等）。消防救援装置品目繁多。于是，我将研究方向重点放在防护装备和救援装备两个方面。

1.3.2 现有消防装置高层救援的局限性

（1）楼层高度无法突破。通过查询资料，目前的消防车及消防云梯扑救高度有限，国内最高的云梯车应该101米左右（陕西西安），世界最高的也就是125米左右，比较普及的是54米款，但越是高的云梯车，场地要求就越高，地基要求就要地面足够平坦、承重足够重量、空地足够大，很多时候云梯车到现场都无法展开。以至于高层建筑和超高层建筑消防只能立足于自救。

（2）现场火情无法掌握。高层建筑空间结构复杂，平面布置和立面体型复杂。让消防人员无法掌握火情，无法了解现场破坏程度，无法制订准确的救援方案。

（3）剧毒烟雾无法防护。高层房间着火后，烟雾会通过门窗等孔洞或缝隙向四周扩散，一旦火灾被困者在吸入浓烟后，便会出现中毒、晕倒、丧失逃生能力，甚至窒息而死。

现有的高层消防救援装置成本高昂，外部条件制约，救援效率有限。在高层火灾这种特殊情况下，看似很先进的工具却无法派上用场。

2 研发改进历程

2.1 高层消防救援功能需求采集

当我确定了研发主题和概念之后，便开始思考如何着手创作。首先开展作品的需求采集和需求分析。我首先想到的是消防队，从消防队员着手能够获得第一手的需求。通过多方联系，我找到了市消防大队的崔队长。崔队长向我罗列了高层消防救援中遇到的诸多困难与不便，提出了具体需求，希望研发作品能够具备五大功能。

（1）救援装置需要具有实时观测功能。高层建筑因为高度高、距离远，消防队员视觉受到限制，给火场营救增加了许多困难，甚至威胁消防队员的生命安全。

（2）救援装置需要具有互动交流功能。很多人面临火灾，会产生强烈的恐惧，无法冷静的面对环境，甚至于会做出跳楼等不理性的行为。如果能够远程呼叫喊话，及时给予正确的指导，安抚被困者的情绪，帮助其自救。

（3）救援装置需要具有投送物品功能。高层建筑救援装置最好能够克服环境限制，靠近火场，抛投提供救援物品，将会大大减少人员死亡率。

（4）救援装置需要具有远程操控功能。远程控制是完成救援任务的关键，包括：现场视频、音频数据信息的远程传输；抛投物品设备的远程操控；照明系统的远程操控。

（5）救援装置需要具有夜间照明功能。能够提供强光照明设施，从多角度照亮火灾现场。解决夜间环境复杂，能见度低，提高灭火救援行动效率。

2.2 无人机高层建筑消防救援装置原理验证与设计

为了实现消防人员提出的五大功能，我着手进行了原理验证和整体设计。

2.2.1 工作原理

通过多旋翼无人机远程操控，承载救援物资到达高层建筑救援地点，通过高清摄像头和强光照明灯观察确认火情，通过实时视频及热成像确认搜救人员目标，通过远程喊话器通知指导被困人员正确执行自救措施。

2.2.2 整体结构

整体结构主要由多旋翼无人机、高清摄像头及热成像仪、远程无线遥控喊话系统，强光照明灯，超声波测距仪，救援物品弹射器和自带供电充电系统等配件组成。如图1、2所示。

2.3 无人机高层建筑消防救援装置的制作和改进过程

在初步确定了工作原理和整体设计方案后，救援装置进入材料选择和制作阶段。针对所需功能不同，进行了多次改进和完善。

（1）喊话器+步话机独立模块。智能喊话系统属于独立模块，目的是满足实时空中喊话，实时录音并播放，播放警示与报警声音等功能。

（2）超声波测距模块。主要用于高空抛投定位，确定抛投范围，保证救援物资能够准确投递给火灾被困人员，具有一定的防水性，体积小、低功耗，距离基本设定在5米范围内。

（3）弹射装置。关于弹射装置，困扰了我很久。起初，设想利用弹簧原理设计制作，根据公式测算：500克物品弹射3米以上需要6.930N力量，由弹簧的劲度系数计算公式进行一系列计算得出此方案不可行。多番考虑之后，我选择了低温燃料助剂弹射器，利用低温燃料推进剂弹力弹射物品。通过改装，主体采用强度高、重量轻的碳纤维结构弹射桶。

（4）警灯与警示灯条。为了在空中更醒目，我选择了LED超亮警灯，加装了两条LED灯条，用于超声波测距提示到达投射距离。

（5）强光照明灯。直接安装多组强光照明手电。

（6）遥控操作开关。灯光遥控和投射装置遥控，全部用PWM信号，实现远程遥控操作，可遥控3千米。

（7）装置盒制作及无人机挂架。对于无人机来说，重量越轻越好，为实现整体装置自重不超过5公斤的目标。利用亚克力材料特制了装置盒，增设无人机挂架，妥善解决了问题。

3 无人机高层建筑消防救援装置的测试

3.1 公开展示

无人机高层建筑消防救援装置现已制作出成品，该装置自重4.62公斤，各项成本合计2863元。经过查新，未见同类产品。如图3所示。

3.2 试验测试

（1）测试环境：室外、陰天、温度6-15度，风力3-4级。

（2）测试项目：

1）远程喊话，音量调一半，未调至最大，声音清晰响亮，传输覆盖2公里以上，测试成功。

2）定位测距，距离3米是，灯光闪烁，提示可投射，测试成功。