智能无人机在高层建筑火灾扑救中的应用

王滕

摘要：本项目旨在为城市高层建筑消防灭火问题寻找比传统人工扑救更为有效的方式方法，团队将目标锁定新型的无人机领域，希望借助这一新技术来突破传统灭火方式无法完全适应的高层建筑扑救难题。团队对常规高层建筑的消防安全设计与无人机技术进行深入研究，并借助现有所得资料进行合理设计与实践，以得出无人机搭载消防设备进行高层灭火的合理方式。

关键词：智能无人机;消防安全设计;高层建筑

一、高层建筑的现状与问题

随着我国城市化水平的不断提高，城市人口密度不断增加催生了越来越多高层建筑的落地，而追逐数量、规模与形象的结果导致了建筑的公共消防安全风险也急剧攀升。一旦发生火灾，高层建筑体量庞大、功能复杂、人员密集、危险源多，人民生命财产将面临极大的损害，同时火灾救援的武警士兵生命安全也會受到威胁。

现有的传统火灾扑救方式对越建越高的写字楼办公楼等而言已无法完全适应，而近年新兴的多旋翼无人机通过智能技术已开发出倾斜摄影的技术，并可以实现载重功能。因此，本团队项目通过多种调研方式对常规高层建筑的消防安全设计与无人机智能技术进行深入研究，且运用计算机建模来进行携带式无人机与等尺度建筑复原模拟火灾场景验证其灭火性能，在有可能的情况下实现利用可携带式无人机的高层建筑灭火救援技术的市场推广应用。

二、项目研究主要方向

1.总结高层建筑的消防安全设计

团队将系统化地研究当代高层建筑在消防设计上的原则与实际防火的措施手段，并总结当下消防安全的设计原则及合理性问题。

2.探究高层建筑火灾救援的特点

结合以往的消防救援案例与消防部门的公开报告来整体性总结高层建筑火灾扑救中高频率发生的救援事故及火灾扑救难点痛点，针对这些特点进行横纵向对比探讨高层火灾在救援上的更高一层次的刚性需求。

3.设计利用智能搭载消防设备的无人机在火灾现场发挥高效救援灭火作用

高层建筑火灾蔓延速度极快，极易形成立体火灾，而仅凭现有的灭火云梯水枪等很难与高层火灾相抗衡，因此团队将基于5G网络的高速高效、低延迟等特性将无人机进行适用于火灾现场救援的智能化改造创新，将灭火消防栓等消防设备搭载于无人机之上，对高层建筑进行及时精准灭火，以尽量减少人员的伤亡与经济损失，具有广泛的经济与社会效益。

4.实验模拟无人机与各式消防设备的连接与安装方式的火灾扑救作用

团队将在对高层建筑消防安全设计的调研与无人机性能在火灾中侦查与灭火扑救利用的研究后利用研究成果设计出合适的无人机组合方式并搭建等比例高层建筑模型，进行实际的模拟实验以探讨团队研究结论的合理性，并将总结出最佳的无人机工作路径与方式，记录有效数据，在有可能的情况下寻找合适的团队进行沟通将想法进行更进一步的精确与更大范围的市场推广。

三、项目主要成果

团队对无人机与消防车、消防装置的连接方式与安装方式进行了深入探究与实验，得出了四种连接与安装方式，同时通过实验验证无人机与消防车、消防装置的不同连接形式与安装方式灭火性能，总结出了最佳的无人机工作路径与方式：

1.无人机吊舱荷载搭载各式灭火弹的连接与安装方式

无人机在高层建筑灭火的应用中，吊舱荷载搭载各式灭火弹灭火是其基本功能之一。无人机与地面控制终端和消防车均以GPS信号进行无线连接，将下方原用于搭载摄像机的吊舱进行包括搭载方式、承重量等方面的改装之后，搭载各式灭火弹（包括储压超细干粉灭火剂、水基高效灭火药剂、系留高压液体灭火剂、外墙专用灭火剂等）、火灾探测摄像头以及灭火弹控制器到达目标区域后，通过可见光或热成像向地面控制终端与监控中心传递视频数据信息。地面控制终端向无人机发射投射信号后，无人机根据接受到的指令与探测信息，自主将灭火剂投射至灭火点，对着火区域进行扑救，并随时将火灾现场状况传递回地面，地面控制终端与监控中心可全程掌握火灾扑救情况。

通过性能模拟实验得出以下结论：此种连接方式同时也存在扑救范围小的缺点，因此其适用于对高层建筑初期火势较小时，对着火区域进行针对性点式扑救，能够有效扑灭或控制初期火情。但在若火势较大时，则需考虑其他连接方式。

2.无人机搭载高压水枪的连接与安装方式

无人机搭载高压水枪对着火区域进行扑救，能够有效解决传统火灾救援中的扑救高度受限缺点。通过地面控制终端对无人机的飞行高度进行控制，无人机搭载的高压水枪可对高层建筑的任一一层进行扑救。由于消防水带的长度极长，无人机承载能力有限，故而需多架无人机组配合进行火灾扑灭。

无人机与消防水车的连接：

第一无人机下方吊舱搭载连接消防水带的入水口、加压泵和高压喷头的水箱、用于测距及确定位置的火灾探测摄像头，在无人机脚架上设置安装高压喷头及高压喷头控制器。同时第一无人机、地面控制终端以及消防车彼此之间也均以GPS信号进行无线连接，第一无人机搭载的火灾探测摄像头通过可见光热成像向地面控制终端、监控中心和消防车传递视频数据信息。地面控制终端同时向无人机和消防车发射投射信号后，消防车向消防水带进行持续供水，同时无人机自主定位灭火点，高压喷头将水喷至灭火点，对着火区域进行扑救。

第二无人机下方设置用于测距及确定位置的探测摄像头、由电机驱动的绳索，绳索用于连接固定消防水带，消防水带连接消防车为第一无人机提供灭火所需水源。同时第二无人机、地面控制终端以及消防车彼此之间也均以GPS信号进行无线连接，以达到远程控制的目的。第二无人机搭载的探测摄像头通过位置定距定位第一无人机以及其他障碍物位置，在保证能为第一无人机提供水源的同时不发生碰撞。第二无人机在为第一无人机搭载消防水带的同时观测建筑物其他区域的情况，一旦发现火势蔓延及时向地面控制中心进行反馈，一机两用。

通过性能模拟实验，得出以下结论：无人机搭载高压水枪对着火区域进行扑救，能够有效解决传统火灾救援中使用云梯产生的扑救高度受限的缺点。多架无人机组配合进行火灾扑灭时，第二无人机在为第一无人机搭载消防水带的同时观测建筑物其他区域的情况，一旦发现火势蔓延及时向地面控制中心进行反馈，一机两用。但存在灭火方式单一的问题，不适用于火势较大时。

3.多架无人机分区联合灭火扑救智能化组合的连接与安装方式

单架无人机作业时存在扑救面小、作业效率低等问题，因此思考多架无人机分区工作，以达到增大扑救面、提高作业效率、加快扑救速度的作用。

多架无人机在火情严重之时，可采用分区作业、分片作业、分工作业、交叉作业的分区分工方式。由地面控制终端控制，多次搭载适应火场具体情况的不同灭火剂（包括储压超细干粉灭火剂、水基高效灭火药剂、系留高压液体灭火剂、外墙专用灭火剂等），对火灾进行多次扑救。

通过5G技术地面控制终端对建筑物进行合理分区，对多架无人机进行合理分工，同时对多架无人机以及消防水车进行无线控制，不同无人机火灾探测仪通过无线网络传回的火灾现场信息在控制终端进行整合，传输给控制中心的同时给予无人机下一步工作内容的反馈，使多架无人机联合灭火扑救智能化组合在地面控制终端的反馈信息与自主监测信息控制下，高效完成投射灭火剂灭火的救援工作。

通过性能模拟实验得出以下结论：多架无人机分区联合灭火扑救智能化组合的连接与安装方式可采用分区作业、分片作业、分工作业、交叉作业的分区分工方式，增大扑救面、提高作业效率、加快撲救速度。

4.多架无人机联合灭火扑救智能化组合的连接与安装方式

多架无人机可通过搭载不同功能的消防设施联合作业，分区作业、分片作业、分工作业、交叉作业，可同时完成火情探测、灭火剂灭火、高压水枪灭火、辅助搜救、运送物资等火灾扑救、灭火救援工作。使火灾救援工作得以在无人机的辅助之下全面高效开展。

通过地面控制终端对多架同时执行不同灭火扑救任务的无人机以及消防水车进行无线控制，不同无人机火灾探测仪通过无线网络传回的火灾现场信息在控制终端进行整合，传输给控制中心的同时给予无人机下一步工作内容的反馈，使多架无人机联合灭火扑救智能化组合高效完成包括探测火情、投射灭火剂灭火、高压水枪灭火、辅助搜救、运送物资等火灾救援工作。同时每一架无人机也随时向地面反馈所在区域的火灾情况，地面控制终端与监控中心可全程、全面掌握建筑的火灾蔓延、救援、扑救情况。

通过性能模拟实验得出以下结论：多架无人机可通过搭载不同功能的消防设施联合作业，分区作业、分片作业、分工作业、交叉作业，可同时完成火情探测、灭火剂灭火、高压水枪灭火、辅助搜救、运送物资等火灾扑救、灭火救援工作。使火灾救援工作得以在无人机的辅助之下全面高效开展，实现效率最大化。

该连接方式可通过搭载不同功能的消防设施联合作业，分区作业、分片作业、分工作业、交叉作业，同时完成火情探测、灭火剂灭火、高压水枪灭火、辅助搜救、运送物资等火灾扑救、灭火救援工作。使火灾救援工作得以在无人机的辅助之下全面高效开展。同时每一架无人机也随时向地面反馈所在区域的火灾情况，地面控制终端与监控中心可全程、全面掌握建筑的火灾蔓延、救援、扑救情况。

四、实践意义和社会影响

项目直击高层建筑火灾扑救痛难点，提出基于5G技术的携带式无人机在高层建筑火灾扑救中的应用以适应社会急切的需求。本项目一改以往由消防员加救火车的扑救方式，推出了基于5G技术的携带式无人机在高层建筑火灾扑救中的应用，合理运用现代社会新兴技术，为高层建筑安全提供更好的保障，为高层建筑使用者人身与财产安全保驾护航，存在着在社会上推广的价值与意义。

传统建筑火灾扑救方式难以及时精准地扑救高层建筑火灾，本项目可以攻克长久以来高层建筑火灾难以扑救，发生火灾时高层建筑使用者人身财产安全收到严重威胁的艰巨难题，消除社会公众对高层建筑火灾存在着的顾忌与畏惧，从而更好地保障社会发展的稳定性与社会治安。

参考文献：

[1]邹旭锐.浅析高层建筑火灾扑救存在的问题[J].科技创新与应用，2012（22）;211.

[2]张红生，田晓威.刘忠诚，邢艳丽，李彦，张姮.无人机无线传能技术[J].无人系统技术，2018，1（02）：49-54.