基于CMF的火灾救援无人机研究

史耀军　周慧　王新宇

摘要：为提高火灾救援无人机的使用效率和使用寿命，发掘无人机在辅助逃生领域的价值与应用，对火灾救援无人机进行研究。从火灾场景下，以无人机的颜色（C）、材料（M）、表面加工工艺（F）为切入点对火灾辅助救援无人机进行分析与研究，总结火灾救援无人机设计中CMF的影响因素。结合色彩分析无人机救援过程中的人机交互设计，研究色彩对于逃生的引导作用。分析现有的救援无人机，得出火灾救援无人机不同于普通消费级无人机，对CMF的要求更高，整体性设计能更好地保证无人机在使用过程中的安全问题。CMF在救援无人机中的应用能极大提升救援效率和安全性，延长使用寿命，着火环境下无人机色彩的交互功能具有引导性的作用，能够帮助火灾受困者安全逃生。火灾救援无人机的设计要结合CMF，重点研发更加耐火轻质的材料。

关键词：无人机 CMF 火灾救援 人机交互 辅助逃生

中图分类号：TB35 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2020）10-0106-03

引言

（一）研究背景：城市生活现代化程度高速发展，市区内高楼林立，随着建筑工程条件的改善和材料的创新应用，高层建筑物内部环境也愈发复杂，各种不安全因素交织，一旦高层建筑内发生火灾，救援工作将变得极为困难。

在高楼火灾救援中，因城市道路乱停车辆造成交通拥堵，阻挡消防车通过消防通道，高楼垂直高度大，火灾情况下电梯无法正常运用，消防员不能及时携带救援设备到达火灾现场。一旦救援不及时，高楼内复杂的建筑结构，未知的火灾危险使火灾救援行动难上加难。而高新材料在建筑中的使用，加剧了火势的迅速蔓延。火灾发生时，楼道环境昏暗，在受困者情绪不稳定的紧急情况下容易造成踩踏事故，各种不确定因素的增加，使受困者逃出火灾现场困难重重，如表1所示。

（二）火灾救援产品现状：现有的消防云梯和登高平台车等救援设备，如图1所示，在底层火灾救援中具有明显的优势，但并不能解决高层灭火救援问题。我国消防车云梯高度大部分停留在68米以下，仅相当于高层建筑的18层"，高层建筑的高度限制救援的正常进行，消防员的安全不能得到保证，各类火灾事故危险系数较大，消防人员的救援难度以及救援风险也会随之增大2）;高楼攀爬费事费力，救援物资无法及时赶到现场对火灾进行有效控制。一般火灾现场会出现秩序混乱、烟雾弥漫、气氛恐慌等情况3，受困者对外界的情况了解少，加之情绪极度不稳定乃至奔溃，逃生机率大大降低，终将造成不可估量的伤亡。在这种情况下无人机的使用大大提高了救援效率，为高楼火灾的救援提供了更加安全可行的方案。

本文提出的CMF主要应用于消防救援无人机，通过对火灾救援无人机材质、色彩和表面处理的分析，延长无人机在火灾救援中的耐火性和持久性，结合色彩对人机交互进行分析，研究烟雾中无人机灯光的色彩辨识度和引导性。

一、CMF的应用现状

工业设计中CMF分别表示颜色（Color）材质（Material）和表面加工工艺（Finishing），是产品设计中最不可或缺的一部分，在满足产品基本需求的情况下，CMF能极大改变产品的调性，赋予产品情感属性。材料作为载体承载着色彩和表面处理工艺，反过来，色彩和表面处理也会由于材料的不同而产生视觉效果的差异*。设计常常通过材料表现出产品的质感和特点，一些特定颜色和表面处理工艺的使用则能展现其功能特点和用途。

以往CMF主要作为产品最直观的一面，从色彩和材质上给用户视觉体验和触觉感受，通过表面加工赋予产品更加吸引消费者注意的特点，从情感需求层面吸引消费者的目光。随着研究的深入和产品的不断改进，在设计中CMF的研究已经从能展现的效果转变为能达到的功能，希望通过在设计之初对于CMF的考虑和选择，使得产品在功能和结构上得以优化和突破。

在无人机设计领域，当前设计的重点在于研究其不同情境下的功能，随着技术的成熟，功能达到饱和的状态，在结构和技术相对完善的情况下，开发商和设计师对造型也有了新的要求，无人机的设计要体现美学性和观赏性。但是对于专门用于消防类产品的CMF涉及很少，本文通过对火灾辅助救援无人机的CMF分析研究，增加了消防无人机的设计要素。

二、无人机在火灾救援中的应用分析

（一）消防救援行为分析：在高层建筑火灾中，一旦上层着火，一是高层建筑垂直高度限制了逃生的路徑，在电梯不能正常使用以及楼道内断电的情况下，消防员攀爬楼梯费时费力且极度不安全;二是救援物资难以及时送达受困者身边，高层建筑周边地理环境不能满足消防车及时进出要求，受困者逃生安全问题得不到保障;三是建筑物内部环境的复杂性加剧火势的蔓延;四是被困在火灾之中的受困者没有安全的逃生指向，在恐惧中失去理智，由于求生的本能容易发生踩踏事故。以及火灾影响受困者在紧急情况下不能做出及时有效的判断，容易在对情况不熟悉的条件下跑到火势严重的区域或者闯入下一个爆发着火点，加剧火灾事故的危害。

因此在救援中行动中消防无人机的作用在于帮助探测火势以及搜索救援，首先对火情进行分析，以便于消防员了解火场情况并制订合理的救援灭火方案，安全进行后续的救援工作。其次是受困者的搜寻定位，找到火灾受困人员是灭火救援工作的重中之重。最后是帮助受困中安全逃生，为每一个生命提供生存的可能性。

（二）消防无人机产品分析：传统的救援需要由救援人员深入受困者被困区域开展侦察检测后再救援，容易行动不及时或其他未知的不安全因素造成意外二次爆炸，致使更多的人员伤亡。无人机作为工作平台，为解决人们生产生活的问题提供了更多的可能问。火灾救援无人机能以最短的时间进入火灾内部环境中，应用生命探测仪、热成像云台相机和GPS定位系统，快速精准的确定受困者的具体位置，通过实时图像传输手段来描绘火灾现场的情况。有些无人机能够搭载灭火弹释放细干粉达到局部灭火的效果，甚至可以搭载一定重量的救援物资，帮助火灾受困者获得逃生的必要工具。具备喊话功能的无人机可以引导受困者以最安全的路径逃生，还可以起到安抚人心的作用。以下是现有消防无人机的调研分析，如图2所示。

1.三一启天无人机，该无人机为六旋翼消防无人机，飞行控制系统专业，旋翼和支架方便拆卸，主要功能是监控火灾现场以及发射灭火弹，材料为复合纤维材料，色彩运用为红色。针对的用户为消防员和无人机操控者。

2.国飞无人机，是现有消防无人机中功能最全的产品，机翼的双层式设计增加飞行稳定性和飞行动力，底部配备灭火投弹装置，机身为铝合金和碳纤维材料，具有良好的耐火性。机架为红色和金属银设计，沉稳大气。

3.哈瓦特消防无人机，机壁可以进行折叠，成像技术清晰流畅，主要应用于火场检测，碳纤维机身具有优良的防火防水性能。主体色彩为红色搭配次要颜色黑色。

4.黑鸢消防无人机，同时搭载多个相机，能够全方位的探测火灾现场的情况并实时传输图像，方便消防员对整体环境进行分析评估。机身主题颜色为红色，机翼及部分结构组件为黑色。

对以上四种无人机的调研进行总结，现有无人机在功能上基本实现了着火点的探测和实时图像传输功能，技术应用热成像技术扫描火势和受困人员的大概方位，应用GPS定位确定受困者的具体位置。基本配色均为红色，在材质上主要选择耐高温的铝合金和复合纤维材料，使用用户群体以消防员和操控人员为主，没有与受困者的交互行为。

（三）火灾救援中用户分析：消防员在救援活动中的自身安全得不到有效的保障，高楼灭火中还需进行极度考验体力的负重攀爬活动，所以现在消防无人机的设计中，基本功能是检测火灾搜索受困者，还有局部灭火以及破窗等功能，这些要素为了满足消防员对救援活动的需求而存在，在用户定位上以消防员为主。

但是另一个火灾救援活动的主要群体一受困人员，在救援活动中缺少与救援无人机的交互行为，如图3所示。受困人员在逃生过程中很大程度上属于自救行为，无人机只是确定了他们的位置以及环境信息，没有对后续的辅助逃生过程进行功能设计，这也导致了受困人群在火灾逃生中情绪过度紧张，没有及时有效的逃生指导。

根据不同的用户群体对火灾救援需求进行用户调研，如图4所示。消防员在救援中希望无人机首要功能是受困者救援，其次是着火点探测和环境图像传输，以及局部灭火。受困者首先需要呼吸罩，其他紧急物资辅助逃生，通信设备与消防员取得联系获得逃生方式或等待救援。

三、CMF在火灾救援无人机中的应用

近年来CMF在各个领域的应用已经相对成熟，在未来产品的开发设计中，材料、色彩以及表面处理的应用在创新设计中占据越来越大的比重。但是在火灾救援无人机领域尚未形成具有针对性的无人机CMF系统，首先是消防无人机的发展时间较短，市场上还处在以消费级无人机设计为主导的阶段，对于火灾救援的研究涉及较浅;其次是消防无人机目前尚处于探索阶段，功能性是首要选择，在材料和色彩上还是循规蹈矩的沿用传统，关于表面加工的处理更是少之又少;最后是现有的投入使用的无人机多为组装型无人机，在功能上针对性的增加一些功能性组件，比如承载灭火榴弹，增加紧固装置用来携带救援物资，从而缺乏整体性，因此造型的创新能方便整体结构的合计。

（一）火灾救援无人机的色彩影响因素：消防物资总是随着鲜艳的红色出现，消防车、灭火器、消防栓等均是红色的，选择红色作为主导色的主要原因是红色非常显眼，能够在较远的距离被辨认出来，也容易穿过烟雾和灰尘被人们所看见，同时红色和火焰颜色相近，在消防中能起到警示作用。黄色作为消防的辅助色，因为具有极佳的反光特性，特别是荧光黄，在火灾中辨识度高，应用广泛。

但是对于进入火场内的消防无人机，红色的警示性和指导性并不强。首先是火灾场景中，明亮的火焰色掩饰住消防物品的红色，降低了红色的色彩辨识度;其次是当楼道中没有灯光的时候，无人机机身的红色会随着环境的变化显得暗沉，在引导受困者逃生的时候不具有强烈的引导性。红色作为标志性警示色在一般情况下，会让受困者自发产生真实的感受以及情感、功能上的需求”，但是在火灾情境下，身处其境的受困者看见与火焰相近的色彩，会产生排斥心理。

（二）火灾救援无人机的材料影响：CMF设计中恰当的表面处理工艺可以完美地表达并升华材料的特性图，作为特殊用途的消防无人机，对材料的要求更为严格，合适的材料不但可以增加无人机的耐火性和防水性，还可以延长使用寿命，降低经济成本。

ABS塑料加工的無人机大多适用于消费级无人机市场，虽然廉价而且加工简单，但是这样的无人机一般自身重量大，能够负载的物品少，续航时间较短、飞行的速度和效果均受自重影响。复合金属铝制无人机是另一大主要材料，但是金属铝的耐火性较弱，为了保证质轻不得不在复合材料中使用大量的铝，导致无人机的耐火性差，用于一般的航拍或者电力巡检中完全可以负担，但是在火灾救援这样，需要进入建筑物内部高温环境中作业的特定情况下，特别是当内部环境复杂以及各种突发状况的频频发生，要求救援无人机长时间持续在高温环境中作业，更有危险物品的突然爆炸会影响无人机的正常飞行，损坏无人机的零部件导致系统误判造成更加严重的后果。因此传统的材料不能充分满足救援无人机的性能需求。

火灾救援无人机设计中，应用新型复合材料能有效解决上述问题，首先是耐火性优异，能够长时间在高温环境下进行持续性作业;其次是用新材料加工的无人机质量轻、硬度强，在救援过程中搭载更多的救援物资。

（三）火灾救援无人机的加工工艺影响：现有的救援无人机主要是组装成品，大多数的组件和连接件暴露在外，容易与火焰或者爆炸物直接接触，从而发生熔断或折断的情况。除去造型不美观的因素，整体性不强的特点也为消防无人机表面处理工艺增加了难度。

作为特殊用途的无人机，表面处理工艺中最重要的就是镀覆，优良的镀覆材料比如纤维阻燃物，遇火后碳化能减少局部燃烧，但缺点是应用在无人机上镀层过厚，增加无人机的自身负荷。在消防无人机外壳喷涂铝膜，在一定时间内可以抵抗高温度的火焰。

四、火灾救援无人机设计中CMF研究实践

（一）用户定位：主要用户为消防员，帮助消防员安全执行救援工作。次要用户为受困人群。帮助受困者在逃生过程中有效避免二次爆炸的危害，为他们在楼道内的逃生过程照亮路途，以及满足他们在浓烟高温环境下对救援物资的需求。

（二）功能定位：在功能上要满足火情探测，实时环境扫描，人物热成像扫描及定位功能，满足局部灭火的需求。在辅助受困者逃生工作的功能定位中，要实现安全指导疏散的功能，如指示燈光和道路照射强光的应用，帮助受困者在黑暗的楼道内安全有序逃生，语音提示系统和话筒功能帮助消防员疏导受困者的情绪。携带必要的救援物资如牵引绳和呼吸罩等。

（三）CMF定位：通过研究发现火灾场景下CMF的应用，为火灾救援无人机的设计，提出以下三个建议：

1.根据色彩对比实验发现，黄色和蓝色的光在火焰中具有明显的显色性和透光性，如图4所示。相对来讲，黄色更适应在火灾情境下的救援逃生工作，因此消防无人机的设计中黄色可以作为无人机机身的主色调。

救援无人机在辅助受困者逃生的过程中，需要灯光照亮暗黑的楼道，所以在灯光设计中，用蓝色光代替白色光，穿透火焰以及烟雾的效果比在普通环境下有更加显著的效果。在机身前方和底部探照位置设计蓝色灯光带，受困者能够在火灾情况下清晰辨别方向。蓝色同时具有宁静的情感特性，会使人联想到平静的大海和蓝天，在潜意识里达到心理暗示的效果，安抚受困者的情绪，帮助他们有条不紊的及时逃生。

2.无人机整体外观采用碳纤维复合材料，保证在火场环境中的耐高温性和韧性。碳纤维凭借着优异的性能在设计材料中迅速崛起，相较于塑料，碳纤维复合材料质量更轻、强度更高，并且具有耐腐蚀、耐高温等优点。在火灾救援无人机中使用碳纤维作为机身和机架的主要材料，可以在减轻自身重量的情况下，保证无人机在高温工作环境中的正常使用。

3.机身和螺旋桨通过纳米镀覆的方式得到纳米涂层，纳米涂层具有优良的韧性、耐火性和耐磨性，能够有效延长无人机的使用寿命，保护无人机各个部件不在高温下发生熔断现象。经过多重工艺处理后的纳米涂层在可见光范围内出现荧光色，加强救援信号的指示效果。

机身后侧可以设计灯光带作为装饰，受困者追随在其后向安全区域转移，在引导逃生的过程中更加具有指向性。在火情严重的区域，光线不一定能穿过高浓度的烟雾，此时声音更加具有引导性，救援无人机中搭载的控制系统根据对环境的监测，发出持续不尖锐的警报声，并根据火情的大小调整音量和频率，在引导逃生的过程中让受困者及时了解周围环境的变化，以此做出及时有效的判断。

（四）基于CMF的消防无人机设计实践：根据对消防无人机的用户、功能和CMF定位，对消防辅助救援无人机进行设计实践。

1.功能设计：救援无人机的主要功能是帮助受困者逃生，所以在机架和机身上均设置灯光指示系统用以引导逃生，四个机架底部配备投弹盒，能够在着火点处进行小范围灭火，帮助受困者迅速闯过火点。机架上部设计可拆卸手腕感应盒，无人机靠近受困者，受困者取下感应盒戴在手腕上，实时监控心率脉搏，对某些心跳过快的受困者，消防员接收回馈信号并对其进行专门的指导，根据特殊需要进行紧急救援，如图5所示。

2.色彩设计：为了能够在昏暗的浓烟环境中清无人机，机身选择穿透性最强的黄色作为主体色彩，方便受困者观察无人机并做出反馈动作。顶部的灯光带一般情况下主色调为蓝色光，与环境中红色的火焰形成巨大的反差效果，蓝色能够安抚人的情绪，在心理暗示的作用下帮助受困者平静心情，在紧急情况下为红色光，提示受困者危险信号。四个机架末端有白色灯光系统，为逃生过程提供充足的光源，如图6所示。

3.材料及表面工艺设计：考虑到无人机的使用火场环境，无人机采用着火点在1000C左右的复合碳纤维材料进行整体性加工，能够有效保护没有展露在外面的零部件，有效延长无人机使用寿命。顶部的交互灯光和摄像系统外壳选用质地坚硬的有机玻璃，如图7所示，在保护设备的前提下达到最佳的透明度。整体进行纳米镀覆处理，提高无人机的耐火性。

结语

本文通过对消防无人机CMF的研究，从CMF的角度提出火灾救援无人机设计中，进入火场内部的无人机色彩选择黄色和蓝色比红色更具有辨识度，机身整体性的设计能有效延长消防无人机使用寿命，提高经济价值。总结出CMF在火灾救援无人机设计发展的方向，设计在火灾情境下辅助逃生的消防无人机，为消防救援工作提供更多的选择和安全保障，在保护消防员和受困人群的安全上有积极意义。。

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