一种无人机和无人车结合的高层建筑消防装备的设计

徐鹏凯

（武汉理工大学艺术与设计学院，湖北 武汉 430070）

1 设计背景

随着中国经济迅速发展，城市化进程不断推进，高楼大厦如雨后春笋般拔地而起，根据不完全统计，中国有超过24 m的高层建筑35万幢以上，超过100 m的高层建筑1万幢以上，超过200 m的高层建筑900幢以上。数量众多的高楼大厦在见证中国繁荣发展的同时，也留下很多消防安全隐患。假如不配合相应的防火措施、固定消防设施以及相关的灭火救援技术、战术，则会严重威胁高层建筑物内人们的生命以及财产安全[1]。根据中国应急管理部消防救援局的数据统计，在2012—2021年间，全国住宅场所共发生火灾132.4万起，造成11 634人遇难、6 738人受伤，直接财产损失77.7亿元；其中较大火灾429起，造成1 579人遇难、329人受伤；重大火灾2起，造成26人遇难。在全部住宅场所火灾中，城市地区占比50.5%[2]。其中的高层建筑消防存在隐患排除难度高、火势蔓延速度快、救援灭火难度高、火灾对人民生命财产危害大等特点，这一直是世界性的消防难题。而无人机在消防中的应用，会为高层建筑消防难题的解决提供新的可能性。

2 高层建筑消防灭火方式现状分析

2.1 建筑内的消防设计

高层建筑在设计时都会配备相应的消防设施，目前常见的有：①建筑自动灭火系统，烟雾传感器检测到火灾发生时，能够自动发出警报，并启动楼层天花板上的喷头装置，用喷水方式灭火，这种系统反应快，对于普通初发火灾有着很好的作用，往往能将火灾抑制在萌芽阶段，但面对特殊火灾和火势较大时的作用较小；②便携干粉灭火器，建筑内一般储有便携灭火器，但便携灭火器的灭火能力较弱，在火势较小时比较有效，这就要求火灾发生时能够及时发现、及时反应，否则在火势蔓延开后就会失去作用；③室内消防栓，建筑内消防供水可以送至各楼层的消防栓处，利用消防栓处的水枪可以灭火，水枪的灭火效果较好且水源充足，但使用难度较高，更适合专业消防员使用，而一般情况下消防员很难快速抵达较高楼层，室内消防栓的反应时间较长。

2.2 云梯消防车灭火

“云梯消防车”其实质上是一种举高消防车，其工作臂为可伸缩式的云梯，平时也被称为“云梯车”[3]，云梯消防车工作时，消防人员进入云梯上的灭火平台，随着工作臂的伸长举高，到达指定高度的工作地点，消防人员使用喷枪等灭火装置进行消防作业。云梯消防车受限于水压、结构和高空风力影响等因素，一般有效作业高度都在30～50 m，即使最高的也难超100 m，这就导致云梯消防车对如今动辄300 m、400 m的建筑火灾无能为力；另一方面，云梯消防车体积较大，不够灵活，如果面对小区住宅或其他地处城市中心区等周边环境较为复杂的高层建筑时，可能会因为路况不佳而减慢抵达任务地点的速度，进而导致无法及时进行灭火作业，延误灭火时机，造成更大的人员财产损失；最后，由于云梯消防车的造价成本和维持成本较高，且对作业人员的技术要求较高，目前中国保有的云梯消防车数量较少，对于部分高层建筑无法做到全覆盖。

2.3 高压水炮灭火

高压水炮依靠泵机水压发射高压水柱，以起到灭火作用，分为固定式和车载式。消防水炮由于具有射程远、射高大、覆盖面积广、灭火威力大等特点，在现代消防设备中占有重要地位，是目前解决大型高层建筑物消防安全的主要设备之一[4]。与云梯消防车相比，高压水炮的有效作业高度更高，威力更大，但同样受限于泵机的水压，一般的水炮难以满足200 m以上的高层建筑的灭火需求，同时固定式水炮和车载水炮也存在不够灵活的问题。

2.4 消防直升机灭火

消防直升机配备专用消防水箱，装备消防水炮，可以悬停在空中进行消防作业。其工作高度可以覆盖目前所有高层建筑的高度，且由于直升机性能特性，可以较为快速地抵达火灾现场，并且载重较大，可以装备3 000～5 000 L的大容量水箱，少数重型消防直升机甚至可以高达10 000 L左右，水量较为充足，灭火能力强，比较适合高层建筑消防。但消防直升机也存在一些痛点：①消防直升机的经济成本十分昂贵，很难做到普及化，仅有极少的地区和区域有能力装配消防直升机；②高层建筑附近一般地处城市，附近高层建筑较多，空气流动情况复杂，会在一定程度上干扰直升机的稳定性，不利于作业效率和安全性；③消防直升机只能进行建筑外围的灭火，对于内部难以触及，还是需要消防员进入建筑进行内部灭火的配合。

3 高层建筑消防无人机的应用意义

3.1 缩短反应时间

根据之前对于现状的研究，目前较为有效的高层建筑消防方式大多都是地面方式，或凭借较为重型的专业器械、或依靠消防队员直接进入建筑，受限于高层建筑物的分布区域及周边交通状况，这些方式在路程中和准备过程中耗费的时间较多，很难做到及时反应、及时灭火救援。而消防无人机一方面体量相对较小、成本较低，可维持的数量相对多，适合更为广泛分散的分布，可以做到每个社区甚至每栋建筑都配有，大大减少了装备地点到可能火灾高层建筑的距离；另一方面，无人机是空中方式，在前往目标地点的过程中受到地形和周围路况等环境因素的影响小，速度相对较快，可以大大缩减从有关人员反应到灭火救援正式生效的反应时间，每提前抵达火灾现场一分，火灾造成的损失就会少一分。在未来，消防无人机也可能与人工智能、物联网大数据等技术相结合，实现自动反应、及时到场、有效灭火，更大程度地缩短灭火反应时间。

3.2 提高消防救援能力

现有的很多消防装备能较好地对普通高层建筑进行消防作业，但面对100 m以上的超高层建筑时往往无能为力，消防人员只能通过进入建筑内，凭借建筑内消防设计进行灭火，难度和危险性都大大增加；而消防直升机虽然工作高度足够，但成本门槛过高，难以普及。这就对高层建筑消防装备提出了工作高度足够、灭火效率高、成本较低便于普及的要求，而无人机能较好的满足。一方面无人机的反应速度快，可以率先执行侦察任务，以辅助其他方式的灭火救援，从而提高消防救援能力，例如无人机可以探查火灾情况、确定火源位置，也可以评估火场内的地形结构，帮助消防战士探明路线和被困人员位置；另一方面，无人机也可以直接参与灭火及救援任务，例如携带灭火弹或灭火喷射器，在建筑物周围飞行，进行灭火作业，甚至可以飞入建筑物内，对内部的火灾进行更近距离的、更精准灭火作业，也可以携带呼吸面罩等设备递送给被困人员，保证被困人员的生命安全，提高了灭火和救援的效率和能力。

3.3 减小救援危险性

高层建筑内部环境错综复杂，火情瞬息万变，消防战士们在进入建筑执行任务时可能面对各种各样的危险。据不完全统计，中国平均每年约有20名消防员牺牲，而通过消防无人机可以一定程度地减小救援的危险性，为消防战士们保驾护航。一方面，消防无人机可以通过传感器和摄像头不断地实时地侦测火场情况，消防人员可以借此不断观察火情的变化情况，及时对可能出现的突发情况作出反应，规避其中可以避免的危险，如及时检测到爆炸危险品，避免爆炸危险，以在不影响任务完成的情况下，尽可能地保护了消防战士的安全；另一方面，消防无人机也可以深入火场，替代消防战士执行一些高危险性的任务，如穿过大火，优先对被困人员周围进行灭火降温等任务，从而降低了消防战士在任务中受伤的可能性，既保证了消防战士的安全，也保护了消防力量，使任务可以更好地执行。

4 无人机和无人车结合的高层建筑消防装备的设计

根据目前现有的高层建筑消防方式和装备的特点，针对部分存在的痛点，设计了一种以无人机作为主要侦察、灭火、救援力量，无人车作为后勤保障力量的新型智能高层建筑消防装备，设计整体三视图如图1所示。根据现有技术，这种装备可行性较高，且成本相对较低，可以控制在20～30万元，适合数量多、范围广的使用，在火灾发生时，以集群化执行灭火救援任务。

图1 设计整体三视图

4.1 无人机部分的设计

无人机部分是直接消防力量，具有侦察和救援、直接灭火功能。

4.1.1 无人机飞行性能

由于消防无人机需要具有直接灭火功能，需要携带干粉、泡沫、水或灭火弹等灭火用品，所以需要一定的载重能力，且能够保持悬停时的稳定性；同时它需要进入建筑物内部进行作业，这就要求尺寸不能过大，且可以高精度避障，以能够在室内灵活地作业。目前的载重型无人机已经比较成熟，现有技术基本足够满足消防无人机的飞行性能要求。参考部分现有此类型无人机的技术参数，设计出消防无人机，如图2所示。无人机采用固定式四旋翼的飞行架构，使用轻制耐高温材料，并做出镂空减少质量，外观最大尺寸为1 280 mm，最大轴距为980 mm，最大载重为10 kg，电池为10 000 mAh，满载可飞行约20 min；无人机的电池和载重箱为一体式模块，载重箱的内容物有不同种类，如水、干粉和氧气面罩等，根据不同情况携带不同的载重模块；无人机配备全向数字雷达，并具有智能处理系统，可以在火灾现场中高温和烟雾环境下实现自动绕障，保证了无人机在室内行进时的安全性；在悬停精度上，使用D-RTK可以使定位精度控制在水平±10 cm、垂直±10 cm，在悬停灭火时拥有比较高的稳定性。

图2 消防无人机设计

4.1.2 直接灭火功能

无人机和无人车平时待命时处于结合状态，当建筑物内火灾警报触发时，无人机接收到信号，快速反应，在人工智能自动控制的情况下率先飞往目标建筑。无人机内配备泵机和1个喷头，可以根据具体情况选择水、二氧化碳、干粉或泡沫等不同种类灭火内容物的负载模块，通过热成像仪判断火源、在人工智能控制的情况下或在人工控制下，通过泵机和喷头将内容物喷射向火源，执行对于不同种类、不同大小的火灾的灭火作业。无人机在执行直接灭火作业时，一种是对于火灾早期火势较小时，附近的无人机可以迅速反应进入建筑物内，针对火源进行迅速且精确的灭火，与建筑内自动灭火装置配合将火灾消灭在萌芽状态；另一种是火势猛烈，蔓延速度过快，在早期无法及时控制，火势较大，部分无人机进入建筑物内部配合消防战士进行灭火作业，部分无人机在建筑物外部灭火，如图3所示，控制火灾向高处蔓延，里应外合，快速完成灭火任务。

图3 消防无人机外部灭火示意图

4.1.3 侦察和救援功能

在侦察方面，无人机配备热成像仪、高清摄像头，可以记录经过之处的实时影像和热成像影像，将影像发送给消防人员，以供了解火势情况和分析火源位置；配备三维感知传感器、空间扫描仪和AⅠ智能引擎，可以将经过之处进行环境的简单三维建模，并自动标注相关信息如高温危险区域、浓烟区域、可能的爆炸危险品等，并结合VR、AR等技术，使消防人员直接查看VR影像，了解火场内环境情况，更好地规划灭火路线；在对于被困人员的救援方面，配备声音传感器，结合热成像和人声信息，智能识别判断火灾中的被困人员，一经识别，可以迅速将被困人员的位置和周边环境信息发送给消防人员，并将氧气面罩、防火隔热服、药品等救援物资投送给被困人员，保证他们的生命安全，同时根据扫描图像和消防人员指示，引导被困人员安全地逃离火场。

4.2 无人车部分的设计

无人车是消防无人机的后勤保障，主要为无人机携带不同种类、数量充足的负载模块，供无人机续航和应对不同情况而更换，以提高无人机部分在消防救援中的持续作战能力和随机应变能力。在无人机先飞往目标建筑后，无人车也在人工智能控制下开往目标建筑，它的体型小巧，相比传统消防车更为灵活，受环境和交通状况的限制较小。

无人车上部为储存箱，内部有一个可升降平台，可随着两侧的滑轨垂直上升下降，负载模块累叠在平台上，无人机在需要更换负载模块时，可以先放下旧的模块，然后停在无人车上方，携带新的负载模块，如图4所示。负载模块数量减少后，平台可以上升，保证里面的其他负载模块的高度可供无人机携带。无人车下部为履带底盘，可以适应不同地形，并且具备在楼梯上行进的能力，在协同作业时，无人车可以在建筑外或自行前往建筑内部较为安全的楼层，缩短补给线，减少无人机在更换负载模块时损耗的时间。

图4 无人机更换负载模块

5 结语

虽然目前针对高层建筑的消防手段较为丰富，但都有着一定的短板和局限，无人机在高层建筑消防中的应用，相比于传统方式，具有成本低、覆盖广、反应快、效率高等优点，在与传统方式配合的情况下，将能够较好地解决高层建筑消防的难题，在高层建筑消防中发挥重要作用。相信随着科技的发展，消防无人机会越来越完备和成熟，在高层建筑消防领域乃至其他消防领域发光发热，成为人民消防战士的利刃和剑盾，为消防作出突出贡献。