无人机在超高层建筑火灾中的应用

张世超 朱红伟 王善超

摘要：据不完全统计，目前全国有100米以上超高层建筑数万座，200米以上超高层建筑895座（含在建）。传统的消防装备就出现了“够不着、进不去、展不开、打不准”的短板，在这种大环境中，无人机应用在消防救援领域是势不可挡的趋势。文章主要对无人机在超高层建筑中火灾扑救的应用进行了分析，结合实际的高层火灾案例，提出无人机在火场中具有火情侦察、人员疏散、运送物资、辅助灭火等作用，同时通过数值模拟软件Matlab寻找无人机在超高层建筑火灾侦察中的最优路径。

关键词：超高层建筑;消防装备;无人机;消防救援

一、引言

无人驾驶航空器简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，就是一种不需要操作人员，只是通过无线遥控便可以控制并执行任务的动力空中飞行器，它和有人操控的飞机相比较，不需要考虑人员的忍耐极限，可以在危险环境中执行任务。飞行器的升力由空气动力提供，能够按照航线自主飞行;从技术角度来看，可分为无人直升机、无人固定翼飞机、无人多旋翼飞机、无人飞艇等。早在20世纪初，考虑到飞机驾驶员的安全问题，研制无人驾驶飞机这种想法就已经出现在了人们的脑海中。直到20世纪30年代，英国费雷尔公司将一架“女王”双固定翼飞机改造成无人驾驶飞机，并开始将无人驾驶飞行器用于军事领域。

现阶段建筑业迅速发展，消防装备的先进性还有待提高，移动消防设施在高层建筑中的作用不明显，消防水罐车作为灭高层建筑火灾的主力装备，其喷水射程也仅仅为8层楼高，消防云梯车是主要的高空救援装备，现阶段最高的消防云梯车约为101米，但是达到这个高度时受风力等条件影响严重，一般来说，救援能力在50米左右，在超高层建筑火灾中，这些消防救援装备的作用便会大打折扣。超高层建筑火灾由于建筑楼层太高，高喷车的射程达不到，消防云梯车稳定性不佳，再加上烟囱效应，火势垂直蔓延5米/秒，无法对火势进行压制，现场逃生混乱，给救援带来了一定困难。例如，一些百米以上的典型火灾事例，由于救援的局限性导致重大人员伤亡或巨大财产损失，如表1所示。

二、高层建筑火灾案例分析

以上海市某公寓火灾为例。2010年11月15日14时，因无证电焊工违章操作引发火灾。因为楼太高，高压喷车根本够不着。加上烟囱效应，火势以5米/秒的速度垂直蔓延，导致火势迅速发展，浓烟滚滚，现场逃生混乱。20多人聚集在着火大楼的顶层，挥手等待救援，另外还有人爬到楼外的脚手架上等待救援。上海市消防部门接警后迅速出动消防云梯、举高梯等装备，并出动近200名消防队员进行强攻，由于火场内部的环境以及被困人员的位置等因素都无法确定，消防员只能挨家挨户的搜救被困人员，这使救援速度大打折扣，降低了被困人员的获救率。

类似这种发生火灾的建筑超过50米，一般的移动消防装备已经无法完全发挥作用，要充分利用建筑内的固定消防设施展开内攻，所以火灾现场内部的信息采集至关重要，无人机可以通过搭载高清摄像仪、红外热像仪、气体分析仪等设备，实时传输火场内部的关键信息以及被困人员的位置信息，有利于发生火灾时对被困人员的搜救。据统计，在火灾中大多数人员是吸入过多例如CO2、CO、SO2、NO2等有毒有害气体导致失去行动能力而丧生，无人机则可以为被困人员抛投防毒面具等装备，提升被困人员的存活率。

三、无人机在高层建筑火灾扑救中的常规应用

（一）火情侦察

在超高层建筑发生火灾时，火场环境具有很多不确定性，由于无法直接到达着火楼层，仅凭经验和询问在场人员难以确定现场的情况，4G单兵亦无法靠近拍摄，而选择使用无人机对火场内部进行侦查则效果更佳。因此，可以将无人机与5G技术、VR技术相结合，5G速度之快可以实现画面实时传输，确定着火点位置、被困人员位置以及获取重点部位的清晰图像;同时在无人机上搭载可燃气体探测仪、有毒气体探测仪等设备确定火场的危险区域，防止消防员贸然进入发生不必要的危险。

（二）人员疏散

在消防无人机上搭载红外热像仪可以很好的确定火场中被困人员的位置，同时根据无人机传输的火场情况，消防指挥员可以为被困人员制定最优逃生路线，如果发现有被困人员由于受伤或者行动不便一直在原地不动，则可以出动消防员内攻，进行有目的性的救人。此外，无人机可以配备照明指示器和广播引导系统，直接引导高层建筑中的人员疏散到正确的楼层。在无人机上面搭载喊话器也是极为必要的，被困人员突逢大火，身体与心理都会受到创伤，可以利用喊话器安抚被困人员的情绪，使他们冷静地进行逃离。

（三）运送物资

在超高层建筑火灾中，抛投设备会存在一定的局限性，出现无法准确投放物资或者楼层太高超出抛投物资的距离的情况，位于较高楼层来不及逃离的人员以及冲向高层实施救援的消防员则会存在资源匮乏的问题，这种情况下无人机便可以取代抛投设备完成高层投放物资的任务，例如，为被困人员投放防毒面具、药品、逃生缓降器等应急物资，为长时间呆在火场的消防員投放新的空气呼吸器等，在很大程度上延长了消防员的救援时间以及被困人员的逃生时间。

（四）辅助灭火

无人机具有轻快便捷的特点，不受城市内交通拥堵的影响，当火警指挥中心收到出警信息时，可以派遣无人机优先到达火灾现场，在无人机上面装载灭火弹，在火灾初期将灭火弹发射到重点燃烧的区域，防止火势的蔓延扩散，为消防队伍争取更有利的条件。时至今日，无人机越来越多的功能被开发出来，例如，消防系留无人机可以将DN25水带和DN40水带分别拉至100米、55米的高空且能长时间的滞空停留，这个功能可以代替消防员拖拉水带至高层，实现超高层建筑灭火，同时也降低了消防员的危险性。

四、无人机编队路径规划

（一）MTSP多商旅问题

多商旅问题MTSP可以描述为多个商品推销员要去若干个城市推销商品，这些推销员最开始都在同一个城市，他们可以被分配到不同路径，在经过所有城市之后，大家都回到出发的城市，以四个城市为例，假设这四个城市编号分别为0、1、2、3，且0号为MTSP中起始的城市，再假设一共有3个旅行商，这时的解应该是00123的一个随机排列，如果不考虑重复的可能，那么所有的情况一共有5?=120种。

假设有n+1个城市，第0号为起始城市，其他城市编号为1至n，一共有m个旅行商，那么生成的解应该为m-1个0和1至n组成的一个随机排序。例如3、0、2、1、0，表示第一个旅行商的方案为0-3-0，第二个旅行商的方案为0-2-1-0，第三个旅行商不出门;1、0、3、0、2表示第一个旅行商的方案为0-1-0，第二个旅行商的方案为0-3-0，第三个旅行商的方案为0-2-0。

（二）无人机协同搜索

1.问题概述

单个无人机对火场进行搜索无法发挥全覆盖、时间短的优势，利用无人机编队协同搜索整个区域，使得无人机编队中每一架无人机都有自己的航线，对火场进行彻底的信息搜索且协同搜索路径最短。

2.数学模型的建立

假定无人机上携带的探测装置在某个时间点探测的范围为固定的区域如图1所示，整个火场可以划分为若干个这样的小区域，无人机需要经过所有的小区域对火场进行全方位的探测，每个小区域的中心为搜索必经点，即无人机需通过每一个区域的中心位置，如图2所示。

（三）飞行路径的算法

确定无人机开始搜索的位置以及完成任务后离开的位置，然后用遗传算法求解最短路径。

1.Matlab求解过程

设置无人机数量为3架，种群的个数为80，最多迭代次数为5000次：

salesmen = 3;

pop_size = 80;

num_iter = 5e3;

计算距离矩阵：

a =meshgrid（1：n）;  dmat=reshape（sqrt（sum（（xy（a，：）-xy（a'，：））.^2，2）），n，n）;

下面的迭代用于计算每个个体的对应的所有旅行商的总距离：

rng = [[1 pBreak+1];[pBreak n]]';

for s = 1：nSalesmen

d = d + dmat（1，pRoute（rng（s，1）））;

for k = rng（s，1）：rng（s，2）-1

d = d + dmat（pRoute（k），pRoute（k+1））;

end

d = d + dmat（pRoute（rng（s，2）），N）;

end

totalDist（p） = d;

end

下面為寻找最佳路线的方式，若本次迭代时的最佳距离小于历史全局最小值，就将它记录在图上，以此方法记录直到迭代的最小距离等于历史全局最小值结束：

% Find the Best Route in the Population

[min_dist，index] = min（totalDist）;

distHistory（iter） = min_dist;

if min_dist < globalMin

globalMin = min_dist;

当本次迭代时的最佳距离等于历史全局最小值时，记录此次路线为寻找的最优路线。

2.求解结果

求解结果如图3所示，三条颜色的线分别代表三架无人机的航行轨道，三架无人机均从同一个起始点出发，协同历经所有必经点，最后返回出发点的最优路径。

五、结语

我国的城市化率不断增高，无数高层建筑拔地而起，这对消防事业是一项新的挑战，无人机的作用亦是日益彰显，其灵活可靠的属性可以在超高层建筑火灾中进行现场侦查、实时传输，有利于消防员对火场的实际情况进行掌握，并且有利于指挥员的指挥决断，无人机编队协同侦察的方式则可以帮助消防指挥员更全面、更迅速地掌握火场情况，这对于消防救援工作具有积极作用，可促进消防事业的不断发展。

参考文献：

[1]郑金松.无人机在高层消防灭火救援中的应用分析[J].石河子科技，2021（02）：33-35.

[2]梁晓龙，刘流，黄中杰，等.消防无人机集群在消防灭火中的应用研究[J].消防界，2018（18）：63-65.

[3]罗崇文.无人机在消防灭火救援中的应用浅析[J].山东工业技术，2019（03）：247.