基于无人机装备的高层建筑火灾通信体系建设

陈鹏 邱奕鸿

【摘要】    高层建筑的增加能够推动经济社会的发展，但是与之同来的，还有火灾发生概率的增加。高层火灾扑灭作为消防领域的一个难点，对灭火救援的传统模式提出了挑战，也使相关灭火决策的革新一直成为一个热门讨论点。本文对高层火灾救援的难点进行了针对通信决策与行动决策的具体分析，尔后又详谈无人机在上述两个决策上的应用，并对一种灭火救援新模式展开了假想分析，旨在得到可适用于高层建筑灭火救援的一般可行规律。

【关键词】    无人机    高层建筑灭火救援    通信决策

引言：

21世纪，随着社会人口的不断增多，城市建筑用地面积趋向于不足，高层建筑的建设需求呈现井喷式增加。高层建筑虽然有着节约用地，集中人口等多方面优势，但也存在着火灾隐患大，火势扑灭难等缺点。依靠传统的地面通信工具与经验判断的灭火救援策略，在面对高层建筑火灾，尤其是超高层建筑火灾时往往表现不尽如人意。现今，随着无人机技术与通信技术的交互发展趋于成熟，以无人机为载体辅助形成灭火救援的通信决策与行动决策拥有了更多可行性。本文通过分析高层建筑灭火救援的決策难点，对无人机具体应用展开分析，并对高层建筑灭火救援进行关于无人机任务的理想过程下模式分析。

一、高层建筑火灾救援难点分析

（一）高层建筑空间结构通顺，火势蔓延速度快

一般高层建筑以门、窗、走廊等横向渠道和以楼梯、电梯、管井等纵向空间交错作为其主体空间结构。这种空间结构具有相对通顺性，对于火灾几乎起不到任何阻碍作用。一旦火灾发生，火势就能借助纵横两向的通顺空间完成短时间内的迅速蔓延。有数据表明，150米左右的高层建筑，在高温作用下，仅需40秒左右的时间，烟气即可完成从最底层向楼顶天台的蔓延。这也造成了灭火救援的通信决策难题与行动决策难题，即火势变化过快情况如何判断传达，火势蔓延过快行动如何指挥部署。

（二）高层建筑内部情况复杂，人员疏散难度大

高层建筑虽然空间结构相对通顺，但是一旦火灾发生，其结构将发生一定的畸形，表现在横向渠道易受烟雾与火势的阻挡，而纵向空间极有可能发生楼道坍塌和电梯安全停用。火灾发生后，内部人员受困于有限空间，长期处于高温状态，情绪上容易滋生恐惧，无法配合正常的救援行动，难以被施救。而且当火灾烟雾过大，内部人员的情况包括人员数目和位置信息将难以被指战员们获取，这在一定程度上其实更加大了高层建筑救援难度。这里有很明显的一个通信决策难题，在于如何确定内部人员具体位置和所处地点火势情况，从而为救援力量的部署提供依据。而这里的行动决策难题，则在于依靠有限不完整的信息，无法作出符合实际的指挥部署，也无法组织有序撤出被困人员。

（三）燃烧物质荷载密度较大，燃烧情况复杂多变

燃烧时，火灾的荷载密度是指建筑体单位特征面积所产生的完全燃烧热量。由于高层建筑面积有限，并且火势蔓延快，燃烧程度高，易使高层建筑在短时间内产生较高火灾荷载。较高的火灾荷载又会持续提高火场温度，使火势的剧烈峰期维持较久，对被困人员与施救人员造成较大生命威胁。

另一方面，高层建筑作为集合了人口与用地两大优势的建筑产物，其商业化价值广泛，可以被普遍用作娱乐，饮食，酒店和办公等场所。其功能的多样性也导致了其起火原因与燃烧物质的不确定性，并进一步影响到下一步灭火策略的部署，既明显降低了救援效率，又无形中使指战员的作战信心受到打击。

综合这两方面的难点分析，其主要特点在于救援时受有限的探测装备影响，导致通信决策效果差，获取的信息无法支撑合理的行动决策。火情要素的不明确使得救援指挥处于被动局面。

（四）现阶段灭火装备受限大，超高层火灾扑救有心无力

即使有了绝对可靠的通信决策，在面对已经蔓延到海拔超过百米的超高层火灾，受到现阶段消防装备的相对限制，火灾扑救工作同样难以展开。现阶段，一般消防站的登高消防车普遍只能接触到100米上下的高度，而地面消防车的满功率水压也只能勉强支撑100米左右的水高，依靠重型装备对超高层建筑进行灭火救援在现阶段还难以做到。同时，由于楼层过高，进行攀登时会严重消耗指战员们的体力，再加上楼层作战空间有限，供水困难，使得内攻的难度也同样巨大。在这里面主要是行动决策上的技术无法达到理想救援效果的难题。依托强化重型装备也许是解决方案，但也一定带来巨额成本和普及的困难。而随着无人机技术的不断发展和新型飞行材料的推广，应用灭火用无人机可能更将成为一个新的解题思路。

二、基于无人机系统开展高层建筑灭火救援的具体路径

（一）全方位高空拍摄，传输火势信息

无人机系统借助其搭载的高精度摄像头，可以在空中围绕着火建筑进行持续摄影作业，并将火势情况实时传输至地面指挥中心。通过这种实时有源的高空摄影作业，目的是迅速得到火势蔓延趋向与蔓延速度，从而对整个高层建筑火灾发展趋势作出整体有效判断。在得到无人机传输回来的火势信息后，指挥员可以进行更为有效的灭火行动部署，争对火势蔓延方向，在蔓延扩张处对火势进行拦截削减，从而对建筑火灾进行直接控制。在作战过程中，无人机将高层火势情况传递给指挥员，指挥员作出下一步灭火行动部署，在完成本阶段行动部署后，又可以控制无人机进行最新的摄影摄制，并将新的火势情况反馈给指挥员，从而继续形成下一阶段作战部署。通过这一持续的过程，就实现了无人机与火灾扑救行动的有源联系。通过这一交互负反馈不断形成有效的通信决策，从而达成顺利解决火势蔓延速度过快的行动决策。

（二）搭载热成像图像识别系统，锁定火场目标位置

红外热成像系统具有远距离非接触探测的特点，易穿越烟雾与一般墙体障碍，并借助一定的学习和算法获得从高温火场中识别被困人员与救援人员位置的能力。通过在无人机上搭载热成像系统，并借助于一定软件算法，就可以在情况复杂的高层上以较高正确率获得被困人员位置信息。一旦能够精准锁定被困人员的位置信息，就可以有效分配救援力量，还可以通过搭载的大功率扩音器有效指导人员朝较安全地方疏散。而通过实时锁定火场中指战员位置，也可以避免指战员盲冲狠冲从而减少了消防员的伤亡率。

通过无人机上的热成像系统，实时向地面指挥中心传输被困人员与救援人员在楼层中的位置信息，经指挥中心接收并处理后就可以形成有效的火场救援信息。依托这种热成像锁定目标位置的通信决策，可作出切合实际相关的行动决策，即针对被困人员的位置部署救援力量和根据救援人员的位置设置救援路线。需要注意的是，由于火场情况既复杂也多变，救援人员与被困人员的位置信息都有可能处于剧烈变化的程度，这就要求获得持续的信息来形成持续的通信决策，并不断更新救援的行动决策。通过这个交互正反馈过程，目的是为了在变化的火场环境中能获得任一时刻有效的灭火决策。

（三）依据传感器感知燃烧物质，避免意外事故发生

依据各类可燃气体对其特殊响应的涂层具有交叉选择性，我们可以设计符合无人机结构原理的可搭载传感器阵列，并通过数据选取的训练，使搭载的传感器能识别各类可燃气体。当控制耐高温材料特制无人机靠近烟雾处时，传感器对燃烧气体会产生不同响应模式，通过通信链路将这些响应模式传输回地面指挥中心，指挥中心的专业人员经过相关计量学技术分析，就可以得到相关燃烧物质具体情况。得到燃烧物质的情况后，可以进一步获得更加详细的注意事项，诸如是否佩戴防毒面具以及是否可采取水枪灭火等，避免造成消防员中毒及人为加剧燃烧的意外事故发生。

到达火场采取救援行动前，必须要确定燃烧物质的种类情况，即得到火灾的燃烧发生条件。首先要进行的通信决策是依据无人机得到燃烧信息，然后指挥员做出有关装备穿戴与打火方式的初期行动决策。利用飞行器的感知形成的通信决策与指挥员初期救援部署的行动决策，为灭火救援前的准备工作打下坚实基础。

（四）高空定点投射灭火弹或灭火剂，实现高层及超高层直接灭火

在新技术的支持下，消防无人机已经能够搭载小型装备在超过100米的空域展开救援作业。在地面消防车水压无法给水的高度发生的火灾，可以通过在无人机上吊载灭火弹或者灭火剂，控制人员基于通信用无人机收集的信息，遥控无人机对火势较大点或者火源中心进行定点投射，控制火灾发生程度。

消防无人机进行灭火行动的有效性，依托于通信侦察无人机给予的实时信息的有效性。通信无人机感知火势与营救目标，向指挥员传递有效信息，指挥员依靠得到的火场信息就能形成当前行动决策，部署安排由无人机实行定点灭火。在这个应用过程中，无人机系统已经同时成为通信决策与行动决策的主体，并实现了以无人机为载体的高层灭火救援决策的闭环。

目前受到结构载荷的限制，消防无人机无法搭载大型灭火装备在空域作业，只能吊装灭火剂或者灭火弹等小型装备，来对初期火灾进行打击和对火势峰点进行控制。另外消防无人机从地面搭载一次灭火弹到进行一次高层投射灭火再返回，需要消耗一定的时间，这对分秒必争的火灾现场无疑会形成巨大压力。因此消防无人机想要大面积普广应用，必须提高其载荷能力与飞行速度，达到一次作业多次投射与一次装弹迅速到位的标准。

三、运用无人机开展高层建设灭火实战方案

现实中的非人为因素包括天气、地理位置与温度等都会直接影响整个火灾救援的策略，这些都是指挥员需要结合实际进行考虑的。我们针对一场模拟的高层火灾，进行只与无人机任务有关的理想状态下的决策分析，来得到一般高层灭火可实现的救援程序，但具体救援程序仍需视具体因素而定。

（一）准备

准备过程应该包括日常训练与接警出动两部分。

在日常训练中，要对灭火救援需要用到的无人机进行定期检查、保养与维护，确保一旦高層火灾发生，相关用无人机能随时拉得出。同时，消防站也要在日常的训练中充分学习无人机操作方法，注重相关通信专业素质培养，一旦高层火灾发生，确保相关用无人机能随时打得赢。在接警出动过程中，要将相关灭火装备与无人机装备迅速装车出动。在到达火灾现场前，根据接收到的初期情报，应迅速做好初步通信决策，即拟启动多少辆无人机，在什么地点架设飞无人机等。

（二）侦察

到达火灾现场后，应在相对安全且距起火高层不宜过远的地方架设好无人机。

架设工作就绪后，应区分不同任务模块同时起飞多台无人机。所有分配好任务的无人机，需要互相协调配合完成地面给予的通信要求，以快速准确辅助指挥员作出通信决策。

第一任务模块的无人机群，要对高层周围的水源分布、是否有易燃隐患以及人员疏散程度作出侦察，形成现场环境情报。这个模块的通信决策，将直接决定重型救援装备和防护带的部署位置，从而将火势控制在高层内，既减少了财产损失，也提高了救援效率。

第二任务模块是以识别燃烧物质为主的火场作业。这一任务模块对无人机的要求较高，因为需要相对近距离接触烟雾，因此需要无人机耐高温、抗烟尘且飞行稳定性高。对传感器的精度也有一定要求，要能快速识别多种不同燃烧气体，准确全面地感应燃烧情况。燃烧物质的具体情况作为火情要素的重要组成部分，直接影响灭火方式与防护工作的开展。利用无人机群得到燃烧物质信息的通信决策，在灭火救援开始前为指挥员的行动决策提供了指向。

第三任务模块的无人机群主要完成高空摄制与锁定目标任务，地面指战员需要控制多台无人机飞行围绕高层建筑进行较精细作业。其中高空摄制的无人机群重点关注火势较大处，通过多方位摄制，将火势大小、蔓延速度、蔓延方向等信息反馈给地面指挥中心。而负责锁定目标的无人机群则重点搜索被困人员信息，为地面指挥中心规划重点救援区域。通过这个任务模块的无人机群，地面指挥员能进行火情要素的判断，并为下一步的行动决策奠定基础。由于火情要素信息是动态变化的，因此第三任务模块的无人机群需要持续作业整个救援过程，并不断依据新的通信决策，来辅助救援过程中的所有行动部署。

其他任务模块的无人机群可依据当时气象、温度、地理位置等其他需要考虑因素进行添加部署。

（三）实战

依托多个任务模块并根据通信决策所得到的全部火场信息，指挥员制定好一套有效灭火救援行动决策。

从第一任务模块得到高层建筑周边环境情况，在靠近水源处布设消防车，在相对安全处架设无人机，并做好防护隔离带，防止火势蔓延及无关人员误入。

从第二任务模块得到燃烧物质信息，让每个指战员做好相关防护工作，并选择水或者泡沫等来进行接下来的灭火救援。

从第三任务模块得到有关火势与人员位置信息，开始集中组织力量打击火势较大处，并根据被困人员位置进行内攻救出。在这个过程中也需要时刻锁定火势变化情况与救援人员位置信息，使整个救援过程可控主动，尽量避免人员伤亡情况。

从其他侦察任务模块中得到有依據的行动决策。

（四）总结

在完成了高层灭火后，参与救援的消防站或者指挥员应该进行经验总结，针对此次灭火过程中出现的失误与不足提出改进方法，并争取在下一次遇到同样情况时能采取更有效的决策，提高救援效率，充分保护好人民生命财产安全。

四、结束语

随着灭火救援效率提高的需求与无人机技术的发展，通过无人机辅助指挥员作出救援决策已经成为非常值得展望的事情。实现救援过程的信息化与可视化不仅是高层建筑灭火救援的需要，也是所有涉及大量复杂未知信息的救援过程的需要。无人机辅助指挥员形成救援过程通信决策与行动决策的思路，不仅仅只适用于高层建筑火灾，也应该推广到工厂，地下停车场等相关火灾事故中，来发挥出色的作用。

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