无人机搭载消防救援装置应用研究

摘 要：【目的】随着社会和科学技术不断发展，无人机运用范围也愈加广泛。无人机也可应用于消防救援。【方法】本研究主要探讨将无人机应用于消防救援中的优势，基于无人机搭载救援装置的设计方案，无人机在进行消防救援工作时的主要用途。【结果】在火灾现场，利用无人机救援技术可以对火灾做出全面侦察，做出更合理的消防救援行动，保障受困群众的生命安全。【结论】无人机救援技术刚刚起步，还需继续努力创新，才能满足消防救援条件。

关键词：无人机；消防；救援装置；设计

中图分类号：TP13      文献标识码：A           文章编号：1003-5168（2023）10-0040-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.008

Abstract：[Purposes] In the wake of developments in science and technology， the use of unmanned aerial vehicle is becoming increasingly extensive. UAV can also be used in fire rescue. [Methods] This study mainly discusses the advantages of using UAVs in fire rescue， as well as the design scheme based on UAVs carrying rescue devices and its main uses in fire rescue work. [Findings] At the fire scene， UAV rescue technology can be used to make a comprehensive reconnaissance of it， to arrange rescue operations more reasonably and thus to ensure the life safety of the trapped people. [Conclusions] Drone rescue technology has just started， and it needs to continue to strive for innovation to meet the conditions of fire rescue.

Keywords：UAV; fireprotection; rescuedevice; design

0 引言

隨着社会经济建设的快速发展，城市规模和人口密度大幅增加，城市更加拥挤，高层建筑鳞次栉比且越建越高，社会产业结构也在进行深入调整，使得我国消防安全工作的形势更加复杂。截至2022年，我国已拥有万栋100 m以上的高层建筑。在我国，大跨度的建筑数量已超过1.5万栋，已布局的燃气管道数量也在持续增加。同时，随着大型新能源汽车与大型综合体等城市运行系统的复杂，城市的脆弱性也愈发突出，灾害事故的链式效益也处于一种不断增加的趋势。当高楼层建筑发生火灾时，常因为楼房建设、违法搭建、物品堆放等问题，导致救援车辆很难对楼房受灾楼层中的群众进行有效救援。据相关报道，目前世界上高喷车出水最高为60～80 m，即便是101 m的登高平台车，其实际使用效果也会大打折扣，如图1所示。当消防员因火势较大暂时无法实施救援行动，且消防车灭火高度不足时，受灾群众必须自保自救。但一般情况下受灾群众的自保手段非常有限，周围能用于自保或逃生的物品也十分有限，甚至连从窗口进行逃生的救援绳索都没有。因此，消防灭火救援面临着新的挑战。无人机具有“垂直起降、悬停”的特点，消防部门将消防工作与无人机技术有机结合起来，可有效解决传统消防救援方式存在的问题，使消防灭火的救援水平得到显著提升，在消防救援中的应用具有重要意义。

1 无人机概述

无人机是指不需要人工驾驶的飞机。在消防救援工作中，无人机可通过近距离观察进行消防救援，在消防救援领域有着较好的应用前景［1］。无人机可有效实施多种复杂性的救援任务，并能在远程操控模式下，按照提前设计好的航线进行飞行，外界环境对无人机的影响较小。

消防无人机包含先进的遥感技术、远程控制技术、通信技术、GPS定位及微型高清数码相机系统，配合完善的飞行管理及地面保障系统，能观察到使用传统消防手段无法观察的区域，提前观测火灾现场周围情况。其中，无人机的主要系统为飞行管理系统和控制系统。飞行管理系统和控制系统可保证无人机稳定飞行及准确及时地传递火灾现场的数据资料。GPS定位、微型高清数码相机系统等都是消防无人机的标准设备。

2 无人机及其救援装置优势

无人机具有相对较低的操作和运行费用，易于维护和修理，训练周期相对较短。无人机操作简单且有较高的机动性和灵活性，操纵人员只需掌握简单的操作技能，便可掌握无人机的飞行。在外部环境条件恶劣时，传统消防救援工作无法及时展开，这时可利用无人机开展救援工作，无人机还能在危险地点或发生其他不利天气情况下执行紧急任务，大大提高消防救援人员的安全系数。

在大型高楼火灾事故中，消防员无法到达该高楼进行勘测，通过对装有GPS的无人机设置预达目的点，使无人机能精准、快速地到达目的点［2］。消防员无法快速获得现场情况，而无人机到达后可有效快速地勘测。通过无人机实时拍摄传递火灾现场画面，消防人员在地面便能快速了解现场情况，通过图像传送有效信息到消防指挥中心，指挥中心人员可对传回的信息进行总结归纳分析［3］，找出灭火点及观察是否还有受困人员，为救援人员选择一条最合理、最快速的救援和逃生通道，并指挥相关人员沿着逃生通道逃离，加快救援速度，确保救援人员和被困人员的生命安全。此外，无人机还配备有红外探测设备，可将火灾现场的地表探测温度数据传回地面，利用计算机构建地表温度分布图，使消防指挥中心人员能了解整个火灾现场，及时指挥消防员对其进行扑救。

如果勘测到有人员被困在较高楼层，消防员很难在短时间到达高层进行救援。无人机不受地形约束，可利用其灵活轻便的优势，使用搭载的救援装置将受救生绳投递给受困人员［4］。受困人员可使用救生绳从窗口向下攀爬到安全地带，如图2所示。若楼层较高，且云梯救援还差点距离，可采用救生绳加云梯的救援方式。若楼层过高，受困人员可使用救生绳向下攀爬到无火情或者火情较小的低楼层，自行逃离火场或等待消防员救援。如果高楼层有防护栏，则须启动切割装置，再将救生绳投递给受困人员；若没有，则无须切割，直接投递救生绳。

面对各种消防事故，将消防救援无人机投入使用，能更好地完成各类灭火救援和抢火救灾任务。

3 救援装置的设计

3.1 救援装置构造

救援装置主要由防护栏切割模块、物品传递投送模块及水雾喷洒模块组成。遥控发射电路以集成块IC1（TX-2BS）为核心组成，遥控接收电路以集成块IC2 （RX-2）为核心，机械臂使用51单片机与电位器控制模块，通过遥控器上的电位器姿态对机械臂的张开角度、伸缩长度与锯片角度进行实时控制。压力检查与控制模块采用Arduino开发板对切割器的推力进行检测和调整，提升切割效果。

3.2 设计方案

救援装置采用单独的控制系统，一人负责监视控制无人机飞行状态，防止突发情况的发生；另一人控制救援装置，使用者控制飞行器的飞行高度和方向，从而确保对准目标，使装置的前置探杆搭在窗口和防护网上，以探杆为导轨，切割装置移动到防护网前，侦测系统对装置的移动距离进行控制。通过调整发射装置上的电位器姿态来控制机械臂的伸出与角度，对窗户防护网进行抓取固定。机械臂固定到防护网后，无人机不对机械臂提供支撑，或只提供少量支撑。

固定在防护栏上的机械臂收缩，由于机械臂一端固定在防护栏上，另一端固定在切割機上，通过无人机图像传送功能来观测切割片的方位和角度，可实时控制其对准目标，这时其会被拉向防护网，施加切割防护栏所需要的压力，通过力传感检测和控制推杆的推力，经51单片机的编辑来控制切割片的角度与往复运动的自动运行。当切割完第一个位置的防护网时，机械臂张开，回收切割装置。随后无人机搭载着装置，飞向第二个切割点，以相同的方式进行切割。同时，机械臂会一直抓着防护网，防止切割后有碎片掉落，或将防护网切割至1/2或2/3处时停止切割，这时受困者能轻易掰开防护网，防止切割时有碎片掉落。

切换装置或第二架无人机直接搭载救生绳投递装置待命，防护网一旦切割完毕，即可飞行到对应的窗口，对准后将前置探杆搭在窗口上，绳子一端连在探杆前端，另一端连着固定装置，向受困人员投递救生绳。受困人员可直接在屋内寻找固定点绑上逃生绳，也可使用设计好的钩子或卡扣，将装置固定在窗口进行逃生。

为防止低层着火冒出的火焰烧毁绳索，绳索采用防火、耐火材料或吸水材料（吸水材料在吸水后，短时间内难以被火焰烧毁，还可使用无人机对绳索不断喷水，防止水分蒸发后绳索被火焰烧断），必要时水雾喷洒模块可对逃生人员或燃烧窗口进行水雾喷洒、降温，防止在攀爬过程中被下方楼层的火焰烧伤，如图3所示。若楼层过高， 也可使用无人机对下面无火势或火势较小的楼层进行防护网切割，被困人员可通过逃生绳攀爬至此窗口，通过切割缺口进入该楼层，使高楼层受困人员先转移至相对安全的位置，便于后期的救援。

4 无人机搭载救援装置的运用前景

4.1 开创新型救援方式，提供自救通道

以前无人机消防一般是用于侦察、携带灭火装置灭火。因无人机载重量、续航和稳定性等存在问题，无人机携带的灭火装置小，灭火能力差，根本无法对大火进行扑灭。虽然无人机可直接对高楼层进行灭火，但其灭火能力有限，并受到窗户防护栏和屋内房门的阻挡，难以进行救援灭火任务，所以导致目前无人机灭火的可行性不高。利用无人机飞行向受灾人员投递自救装备，协同救助，是一个行之有效的方式。受困人员从等待救援向自行逃离转变，为受困人员提供新的逃生方式。

4.2 操作简单安全，装置结构简单

通过机载摄像机进行实时图像传输，能实时观测火灾状态，便于侦测和调整状态。采用简单实用的机械原理实现物品的抓取固定和投递。采用两套控制系统，两个人同时进行操作，解决一人同时操作两个系统无法兼顾的问题，提高操作的稳定性。一般来说，简单装置的出错率低，可靠性高。对火灾救援来讲，时间就是生命，救援更要争分夺秒，进行救援时出现故障很有可能导致被困人员受伤或延误救援时间，所以装置的可靠性必须得到保证。

4.3 救援装置成本低，切割器和投递装置均采用外部插件式

采用插接模式来搭载装备，一台无人机可搭载不同的装置，随时更换，一般情况一两台无人机即可实现救援。无人机在不同场景搭载不同的装置，救援装置电量不足时，只需更换电池即可继续执行任务，且无人机的运行成本也较低。

4.4 无人机灵活，飞行速度快，救援速度提高

无人机体积小、灵活、飞行速度快，飞行速度能达到100 km/h，而人的奔跑速度为5～10 km/h。救援装置搭载在无人机上时，可利用无人机速度快和灵活的优点，对有自救条件的人员先进行自救装置的投递和协助救援，消防员可对无法自救的人员进行救援，两路救援同时进行，加快救援速度。此外，无人机可对多个窗口投递救生绳，进行多通道同时救援。

4.5 搭载其他辅助救援装置

无人机除了在飞行中具有极强的灵活性之外，在携带和使用其他设备工具上也有极强的灵活性。无人机除了搭载常规的摄像头、红外探测等设备外，还可根据现场情况来更换可搭载的救援装置，其种类也比较丰富［5］。可携带防毒面具、强照明灯、大功率扩音器等，协助受困人员逃离火灾现场。还可根据灾情不同携带不同类型的灭火设备，以此来保障救援工作顺利展开，尽可能减少人员受伤及保障财产安全。

5 无人机救援装置存在的问题及改进措施

5.1 承重及续航能力不足

在进行消防救援时，无人机要携带各种救援装置，当某些装置过重时，会导致无人机动力不足无法起飞或无法到达发生火灾的楼层。所以，在今后的研发中应尽可能提高无人机的承重能力，来满足消防需求。若现场情况复杂，无人机要四处侦察，并为受困人员提供救援设备，导致耗电量增大，时间稍长，无人机就得返回地面更换电池，这就导致救援时间增长，但消防工作不允许被耽搁。这就需要消防无人机使用新型电池、混合动力、无线充电等新型技术，以此来提高无人机的续航能力，实现持续救援的目的。

5.2 防火耐高温性能有待提高

无人机携带着全程画面监控设备，在出行任务中要接近火源，热对流、烟尘、风向等环境因素都会对无人机及其监控设备造成影响。若没有超高的耐热性，无人机设备会受损，导致无法传递有效信息，且增大救援成本。对此，可让无人机与火灾现场保持一定距离，提高监控设备的分辨率，升级无人机机身使用的隔燃材料及在其表面涂上防火绝热层，以此来延长无人机使用寿命。

5.3 受信号干扰影响较大

高楼火灾救援中，建筑物遮挡及周围存在的信号都会干扰设备，会对无人机信号接收产生影响。为降低其影响，可在火灾现场周围设置信号增强器或移动基站辅助进行信号连接，以此来实现及时接收信号及传递信息的目的。

6 结语

消防工作刻不容缓，为了使消防救援工作效率得到有效提高，需要合理运用当代科学技术，如将无人机投入到救援工作中，更好保障人员生命安全，减少财产损失。随着科技的不断创新，无人机消防救援技术愈发成熟，运用也会越来越广泛。对此，消防部门应对相关技术人员进行无人机操作能力的培训，并针对无人机承重和续航问题继续研究优化，提高无人机的使用性能，促进消防事业的发展。

参考文献：

［1］李万利，崔巍.无人机在消防灭火救援中的应用分析［J］.今日消防，2020（12）：16-17.

［2］郑曦，郑航.无人机在消防灭火救援中的应用分析［J］.低碳世界，2020（6）：209-210.

［3］周亚林.探讨无人机在消防灭火救援行动中的应用［J］.科技创新与应用，2018（16）：173-174.

［4］罗娜.无人机在消防灭火救援监管工作中的应用［J］.今日消防，2021（1）：37-38.

［5］康凯.无人机在消防灭火救援工作中的应用研究［J］.武警学院学报，2013（10）：27-29.

收稿日期：2023-02-02

作者簡介：张明（2002—），女，本科生，研究方向：电气工程及其自动化。