多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的应用与发展

黄赞辉

摘要：得益于钢结构、玻璃幕墙和电梯等三项技术的发明，使得人们能够把房子越建越高，据不完全统计，中国现有24m以上的高层建筑近4万座，百米以上的超高层建筑有8千余座，传统消防装备器材和灭火救援手段面临着“够不着、进不去、展不开、打不准”等问题，高层建筑灭火救援被称为是“世界难题”。现有的高层建筑灭火救援手段不能适应高楼的建设发展，但如今随着无人机技术的不断发展进步，这一难题有望得以突破，将多旋翼无人机应用于高层建筑灭火救援中，提供了新选择、开辟了新道路。

关键词：高层建筑; 灭火救援; 无人机; 应用发展

近年来，国内外高层建筑发生火灾的事故比比皆是，人员伤亡、财产损失惨重，如2009年2月的央视大楼火灾、2010年11月的上海静安区高层住宅大火、2017年6月的伦敦大火等。高层建筑一旦发生火灾，由于火势蔓延快、人员疏散难、灭火扑救难，再加上高楼结构复杂、人员密集，往往难以控制，后果严重。据我国消防部门火灾数据显示，高层建筑火灾的死亡人数呈逐年上升趋势，形势不容乐观。

1   传统高层建筑灭火救援存在的问题与不足

1.1  够不着

目前，我国主流配备的举高类消防车在50～60m左右，远远够不着超高层建筑，世界上举升高度最高的云梯车虽然可以升高到110m左右，实际上也只能抵达三四十层楼的高度，不仅价格昂贵（千万以上），而且后期维护保养不便，仅有极少部分经济发达地区购置。此外，大多数消防水枪、水炮的喷射高度也只有50m左右。可以说，百米左右的高层建筑发生火灾，以目前的消防装备实力状况，大部分地区几乎没有快速有效的灭火救援方法，更别提百米以上的超高层建筑。

1.2  进不去

主要体现在两方面，一是高层建筑周边地理环境因素，道路的宽度、转弯半径等不能满足消防车进出要求，也常有私家车、隔离桩等占用消防车通道，消防车很难快速、顺利进入火灾现场。二是消防员体能有限，高层火灾消防员内攻灭火时，负重登楼超过20层后，挑战人体体能极限，就无法有效开展灭火救援行动。

1.3  展不开

举高类消防车为确保操作稳定，举升高度越高，支腿展开的幅度就越大，并且要求地面坚实、平整，地面的倾斜度不能够超过30°等，对现场作业场地要求较高。目前50m左右的举高类消防车，车身重量达二三十吨，至少需要7m以上宽度的空旷开阔、厚实平整的道路用于支腿的展开。此外，受架空私拉电线、广告牌等的影响，臂架也不能快速顺利举升展开至目标位置。

1.4  打不准

举高类消防车要求臂架、工作斗运行稳定，不得有爬行、抖动等现场，以确保灭火救援时的准度和精度，但由于高层受风力的影响（风速随高度的上升而逐渐加大），或者操作人员的动作不够平稳，将导致臂架顶端的工作平台摆动幅度过大，同时，火场中的强热对流、蔓延烟气等因素也给灭火带来阻碍，致使灭火救援时不够准确。

2   多旋翼无人机的实战应用与展望

2.1  火情侦察

消防员在地面上无法准确掌握了解高层建筑上方的火灾情况，无人机素有“上帝视角”之称，可以全方位、实时监测火灾的发展程度与方向。笔者建议未来的消防无人机要与5G、VR技术相结合， 5G通信具有高速度、低功耗、低时延等特点，在5G基础上融合VR技术，可实现如同在现场一般体验，远程进行火情侦察，不仅可以及时掌握情况进行指挥决策，而且消防员不用进入现场侦察，可以避免伤亡。

2.2  辅助搜救

通过搭载红外热像仪，可以检测到室内被困人员的方位，以便消防员内攻时有目的性地进行搜救，节约救援时间，特别是在浓烟环境中，时间意味着生命。通过搭载的喊话器，还可以组织室内被困人员有序进行疏散逃生，安抚其情绪。

2.3  运送物资

受限于消防员体能，为确保消防员高层火灾内攻时有效开展灭火救援，可将所需的灭火器材装备通过无人机运送去施救地点（如水带、空气呼吸器等），以节省消防员负重登楼的体力消耗。还可以运送救生物资以供被困人员使用（如防毒面具、灭火毯等）。

2.4  实施救人

高层建筑火灾，因其建筑结构复杂，人员疏散逃生存在一定的难度，将举高类消防车工作斗与无人机结合，改造成可任意升降、懸停的飞行工作斗，可抵达目前举高类消防车无法到达的高度实施救人，将被困人员从高楼运送至地面，起降的速度比举高消防车的升降速度快，救人效率高。目前的消防救生气垫只适用于10m以下高度的救人，将高层防坠落网兜的四个角分别用无人机固定牵引，用于接住在高空不慎坠落的人员或者提供给被困人员逃生，将不受使用高度限制，开辟新的救生通道。

2.5  高空灭火

可在消防员进入火灾现场前，通过灭火无人机携带高效灭火剂或灭火弹，远程控制发射到重点火情区域，防止灾情大范围蔓延，只要载重足够携带充足的灭火剂甚至直接可以扑灭火灾。还可以研发智能集群无人机灭火系统，通过多台无人机串联的形式，将水带牵引至着火层实施灭火作业，可以有效降低高楼灭火时消防员的安全风险。

3   多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的作用与优势

3.1  节省到场时间

高层建筑起火后，如果在初期火灾时间内不能及时扑灭，火势就会迅速向上下蔓延，形成立体燃烧。而高层建筑多地处闹市区经常会出现交通堵塞等问题，导致消防车辆无法第一时间抵达现场，浪费了很多宝贵、有利的灭火救援时间。多旋翼无人机因其具有机动灵活、垂直起降、空中悬停、原地回转等优势，对道路交通情况无要求，可以在交通堵塞等情况下快速到达现场，实时传回现场火情，为消防救援指挥员及时提供依据，以便制订最优的灭火方案和决策，极有可能将火灾消灭在发展阶段或初期阶段。

3.2  提升救援效率

举高类消防车因其举升高度受限（普遍为50m左右）、场地要求较高、周边环境影响等因素，到达现场后不能迅速、顺利、有效展开举升至目标位置，举高类消防车从停车后支腿展开至作战状态，需要10min，利用工作斗救人时，一次性仅能够承载3-5个成年人。多旋翼无人机理论飞行高度可达数千米，基本不受场地条件或建筑高度的限制，可沿高楼的垂直面无障碍升空，快速到达火灾楼层，任意高度悬停，大大节约了消防救援时间。还可以同时采用无人机智能编队，多台无人机协同作战，进一步提升灭火救援的效率。

3.3  提高灭火精度

火场中的强热对流、蔓延烟气、现场风力等因素的存在常常导致举高类消防车在高层灭火时打不准，一定程度上影响了灭火救援的顺利进行。高层建筑专用消防灭火无人机，采用了智能飞控、任务规划、图像识别、弹道设计等技术，地面指挥人员控制无人机发射灭火弹或灭火剂，可以快速、精确地瞄准火灾区域。

4   消防用多旋翼无人机面临的技术难题与法律风险

4.1  技术方面

（1） 长续航

在消防灭火救援中，特别是高层建筑火灾，因其火灾特性，常常需要很长时间作战，目前多旋翼电驱动无人机实际续航时间在半小时左右，远不能满足实战需要。可进一步研发长续航的油驱动、油电混合动力或者氢燃料电池的消防无人机，对于使用位置相对固定的无人机，还可以通过系留的方式进行供电，解决续航时间短的问题。

（2）大载荷

在高层灭火救援中，需要通过无人机携带充足的灭火药剂进行灭火，也需要进行人员救生。经笔者计算（m=ρv=ρsl=ρπr 2l，ρ为水的密度1g/cm3，π为圆周率，r为水带的半径，l为水带长度），一盘20m长的Φ65水带，充满水后的重量达66kg;Φ80水带，充满水后的重量达100kg。高层灭火救援中需要出动无人机灭火的基本在50m以上楼层，至少需要携带3盘水带串联供水，目前无人机的载荷还不能满足此要求。为解决此问题，一方面需要不断研发大载荷的无人机，另一方面可以研发无人机串联机组，通过数台无人机固定于相应消防水带接口位置，一盘水带由一台无人机挂载，解决单台无人机承载能力不足问题，可实现高层建筑无人机灭火供水难题。

（3）高性能

在高层建筑灭火救援现场，环境复杂，高热辐射、强热对流、蔓延速度快，对无人机各方面的性能要求较高。无人机是通过无线信号进行控制并传输数据，在实践中，由于受环境中其他无线电信号干扰，轻则导致图像传输停滞模糊，影响灭火救援行动;重则信号丢失，导致无人机坠毁。因此，笔者建议为消防灭火救援用无人机开辟专用的频段信号传输通道。

4.2  法律风险

近年来，常有无人机干扰民航事件发生，不仅造成航班延误，而且存在严重的安全隐患，万一与起降中的飞机相撞将容易导致机毁人亡。国家也越来越重视民用无人机的发展，并出台了一系列规章制度进行规范管理，但几乎没有相应的法律法规进行约束，均为中国民用航空局颁发的部门规章（咨询通告），如：《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》、《民用无人驾驶航空器实名制登记管理规定》、《民用无人机驾驶员管理规定》，其法律效力低于宪法、法律和行政法规。此外，目前还缺乏行之有效的监督管理和高效规范的使用程序，不少无人机玩家和爱好者不知道应该向哪个部门申请批准飞行计划或者申请手续繁琐、审批时间长。笔者所在城区刚好是机场的禁飞区，无人机需要申请解禁后才能正常使用，但是申请解禁手续繁琐且時效有限（三个月），一定程度上影响了使用的效率和便利性。因此，笔者建议，一是要尽快就民用无人机的使用管理进行立法;二是相关职能管理部门明确管理职责、简化审批流程、提高审批效率;三是无人机驾驶员需进行专业的培训学习，学习驾驶技能和各类规章制度，获得相应的驾驶资质。

5   结语

2018年8月10日，国家应急管理部消防局科技项目“旋翼无人机在灭火抢险救援领域中的应用”在郑州成功进行了灭火试验演示，2019年2月26日，应急管理部消防救援局“消防用无人机体系建立项目启动会暨无人机消防应用综合演练”在上海市消防救援总队培训基地成功举行，这些事件意味着无人机在消防灭火救援工作中的应用得到了国家的认可和支持，其重要性越来越强，迎来了新的发展机遇，相信在不远的将来，无人机将成为消防救援队伍的标配装备。

参考文献：

[1]   王冠.无人机在消防灭火救援工作中的应用研究[J].消防界，2017，（02）：52.

[2]   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.