高层火灾救援情境下的无人机外观设计研究

王勐 胡安明

关键词：高层;火灾救援;无人机;外观设计

1 高层火灾人员伤亡原因及现有救援方式

1.1 高层火灾人员伤亡原因

火灾中人员伤亡的原因有以下四种：

1） 浓烟。烟气混杂了各种有毒物质，一氧化碳、二氧化碳、硫化物、氰化物等，这些有害物对人体的危害尤为严重，人体一旦吸入，短时间内就会产生昏厥效应，若未被及时发现就会造成严重的生命安全威胁。

2） 缺氧。火在燃烧过程中会消耗空气中大部分的氧气，导致氧气浓度大大降低，从而引起窒息导致死亡，在所有致死原因中80% 为浓烟、缺氧。如果能解决浓烟缺氧的问题，就能争取自救的逃生时间，减少死亡率。

3） 高温。当周围温度环境超过150℃时，燃烧会产生高湿度的热烟气，吸入之后对人体的呼吸道和肺部器官组织的破坏尤为严重。

4） 灼伤。火焰的扩大会引起皮肤组织烧伤，就算被救援出来，烧伤患者也会受到身体上的疼痛感和精神上的压迫感[1]。

1.2 现有救援方式

现有国内外主流火灾救援方式有以下五种：

1） 云梯消防车――这类车上会使用云梯等升降装备和较为先进的灭火装置，这样可以有效解决高层建筑灭火困难等问题，同时在较低层时能起到较大作用，但最高的云梯车也不过百米，且每个区域配备数量少，购买成本高昂，同时该车对灾情的地理位置非常挑剔，因为体积庞大，往往没有在第一时间到达最佳救火位置，导致进出火场速度慢，施救难度大。

2） 高压水枪灭火――在火灾现场外利用高压水枪对火灾现场进行喷射灭火，它能及时扑灭低层的火及靠窗的火，暂时控制住火情，让消防员能够安全的进入火灾现场，但无法彻底的根除火源，并且面对高层无能为力。

3） 开辟救援通道――消防员进入火灾现场侦察相关情况，它速度较快，发现被困人员的几率大，但救援过程中，容易发生房屋倒塌、物体坠落等，不仅被困者有危险，对施救者也有危险，这也是几种救援方法中最为危险的一种，不到迫不得已的时候不会选择。

4） 消防直升机救援――利用直升机参与高层建筑对火灾的扑救和人员疏散，它速度快，能及时传递信息，但目前只有少数发达国家和地区的消防队装备了消防直升机，由于其造价高昂，而且存在很大一部分局限性，难以普及[2]。

5） 消防无人机――利用无人机携带的小型灭火器进行救火，它速度快，但携带的灭火器容量小，这也是最新型的灭火方式，如果加以修改，相信消防无人机会成为火灾时的一颗救星。

现有救援方式虽然种类多，但是在实际救援过程中难度大，容易受地形、天气、交通等影响，救援效果没有自救的效果明显。

2 高层火灾救援情境下的无人机外观设计意义

近年来，消防救援工作仍存在漏洞和不足。特别是在跨度大、空间大的厂房、仓库，由于建筑空间的特殊性和救援设施的不完善，一旦发生火灾，后果不堪設想。因此，有必要设计和开发一种能够在第一时间探测到火灾、控制火灾、协助救援的消防产品。经调查，目前尚无大型化工厂、仓库消防救援产品的研发设计报告。因此，针对这类空间设计消防救援产品具有重要的现实意义。无人机在救援过程中发挥着重要作用，但仍存在产品功能不完善、智能化程度低、实时性差等问题。为此，设计了一种消防救援无人机，将功能优势与外观造型设计相结合，在功能集成后形成技术优势和功能优势，以满足其使用需求。火灾发生后可以在第一时间进行预警救援，有效降低消防人员的劳动强度和报警风险，为我们提供更好的保障，减少生命财产损失，具有重要的社会意义。根据使用环境要求，在消防救援无人机气体检测功能中，对易燃、易爆产品进行实时监控，防止因监管不力造成泄漏或爆炸，可有效减少环境污染和对生态系统的破坏，具有一定的生态意义[3]。

3 高层火灾救援情境下的无人机外观设计思路

3.1 形态设计

产品语义学是研究人造物的形态在使用情境中的象征特性，在外观设计中，通过对产品形状、尺度、比例的调整来将产品语义融入进去。在自然界中，许多生物都经历了几千年的进化，从形态到结构都达到了相对优化，风阻和耐水性都非常合理。因此，大部分无人机的设计都是基于形态仿生设计的。根据目前各种无人机的产品语义筛选形态设计原型，常见的形态仿生模型对象有鸟类、昆虫和水下生物等。无人机作为应急消防设备当用户与产品交互时，整个形态的特征，要做到无意识或有意识的使用户产生联想思维，让其通过外形上判断出无人机救援、紧急、可靠的属性。

在机身的设计上可以采用多边形、切割形、双层叠加的设计语言，从造型上体现出救援设备的特点。类似案例有很多，如图1 所示，哈佛大学的一个机器人研究团队研发出了一种机器苍蝇。它利用仿生学，模拟了自然界中的鸟类、蝴蝶等这些生物，并可以像它们一样飞行、栖息。

3.2 造型设计

产品功能决定产品的造型设计，例如手套设计有五个孔洞就是为了满足人手可穿戴的需求，签字笔在持握的位置安装防滑条就是为了给使用者提供一种舒适的感觉，以便人们能够更好的进行书写。因此，产品的造型设计与其功能是密不可分的，任何产品的造型都是产品功能的体现。无人机仿生设计的选择和抽象概括应综合考虑飞行器内部电路结构、机械结构和气动原理布局。因此，造型设计必须满足这些技术要素的安装条件，可以变形、抽象，甚至与不同类型的仿生学相结合，如水下生物的局部仿生，与昆虫或鸟类等局部仿生相结合，使各种仿生的优势能够应用于无人机的设计中，但满足造型的美感。消防救援无人机需要在高温大火的环境下进行人员搜救工作，所以在造型上要体现出功能性的需求。如无人机扇叶需要保护，从造型上就可以加防撞条，并使用耐高温材料，保证工作通畅性，无人机增加的投递设备、摄像录音设备、照明设备在造型上考虑怎么放置既能达到功能性的需求，又能在满足功能性的基础上更加美观，无人机是消防设备，整体造型要突出消防设备的特点等。图2 为哈弗大学研究的“苍蝇”无人机，优势体现在电量问题，他们还模仿动物的栖息研发了静电吸附技术，让机器苍蝇通过栖息来节省能量。在栖息时的它所消耗的电量据称会缩小到飞行时的 1/1000。《科学》杂志的报道里机器苍蝇的研究人员称，这个机器苍蝇顶部有一个铜电极和泡沫底座组成的静电贴片，通过利用其产生的正负电荷之间的吸引力，机器苍蝇可以吸附到任何一个物体上，即使是一片不规整的叶子。

3.3 色彩设计

色彩不仅是产品的点缀，更是产品更深层次的表现。产品颜色对用户的心理感受有着重要的影响。人们对产品颜色语义的感知来自于对颜色的生理刺激和视觉感知，产生相关的心理感受。无人机作为消防救援产品，颜色上就应该用消防救援的红色作为主旋律色彩，在颜色上体现出消防设备的特点。选择合理醒目的颜色也可以让等待救援的人更快更清楚的看到无人机并及时和场外的救援队进行联系，温和的色彩也可以在一定基础上稳定被困者的心理压力，缓解其紧张的心理，让被救者可以保持均匀的呼吸，以免氧气流失过快减少施救时间。

3.4 材料设计

材料的选择就是整个产品设计活动中最至关重要的环节，因为选用合理的材料可以更加突显产品的自身特色，同时也能更好的发挥产品所具有的功能。消防无人机在高温明火环境下使用，材质上应选用耐高温，不易燃烧且重量轻的材质。材料本身的质感也会使整体外观更加具有设计感。

4 总结

高层建筑火灾救援方法多种多样，但在实际救援过程中难度较大。本文通过对国内外实际情况的分析[4]，从技术角度出发，分析了无人机救援的基本原理和特点以及无人机应用目标条件的成因和发展前景，对现有的消防无人机进行了改进和集成。在产品语义仿生设计应用、形态语义交流与视觉感知理论分析、无人机功能结构分割与整合的基础上，加强产品形态研究、仿生研究、美学研究和艺术设计的逻辑分析，并对无人机模型进行了外观的创新设计。本文描述了高层消防救援场景的外观设计，这是一个跨多领域知识系统的集成研究过程。实践证明，无人机是火灾救援的良好选择，体现直接救援功能，在火灾第一现场发挥更重要的作用，从而让救援任务的实施更加快速、全面、有效、安全[5]。