超高层建筑无人智能灭火救援平台研发与测试

陈跃光 袁狄平 张嘉毅 倪卫国

摘要：针对目前超高层建筑灭火救援普遍存在的救援装备外攻手段匮乏、消防员内攻灭火效率低等问题，研发绳索布放无人机、负重爬绳机器人、悬挂式遥控灭火平台、悬挂式救援平台等新型系留式智能灭火救援装备，构建基于跨越超高层建筑人字形绳索通道的多装备协同新型无人智能灭火救援平台，为超高层建筑灭火救援补充提供一种新型的外攻手段。选取上海某超高层建筑开展平台测试，结果表明：无人智能灭火救援平台安全有效，全面提升了超高层建筑灭火救援能力，同时为后续新型无人智能灭火救援平台在超高层建筑的推广应用提供了参考和技术支持。

关键词：灭火救援;智能灭火救援装备;无人智能灭火救援平台;超高层建筑

超高层建筑的灭火救援一直是公认的世界性难题。超高层建筑是指高度>100m的建筑物，因其高度高、体量大、功能复杂、危险源多且火灾荷载大，一旦发生火灾，超高层建筑具有火势蔓延快、人员疏散难和火灾扑救难度大等特点，易造成较大的人员伤亡、财产损失和社会恐慌等严重后果[1]。

针对超高层建筑的灭火救援，国内学者开展了大量的研究。魏捍东[2]等针对央视“2·9”火灾特点，分析超高层建筑火灾危险性与火灾扑救难点，探讨超高层建筑灭火对策;王璐[3]针对超高层建筑火灾环境，提出灭火机器人外部介入式执行机构和辅助轨道攀爬形式，开展超高层建筑外部介入式智能灭火系统设计;张延伟[4]围绕无人机在消防救援领域的应用，研究超高层建筑火灾扑救的解决方案，利用无人机开展机载辅助灭火和救援;汪映标[5]等针对超高层建筑火灾特点，发明一种能够将高压喷雾枪与无人机有效结合，并能方便实现与高压喷雾枪和无人机连接的管道及线缆同步收放的超高层建筑无人机消防车;涂文兵[6]等利用现有导弹消防车精准投放消防灭火导弹的特点，在消防导弹运载舱内部加设救援机器人，发明一种基于导弹消防车的超高层建筑火灾救援方法和装置。

综上所述，目前国内暂未开展无人智能灭火平台在超高层建筑的应用研究，因此有必要研发新型系留式无人智能灭火救援装备，构建集侦察、灭火、救援于一体的基于跨越超高层建筑人字形绳索通道的多装备协同新型智能灭火救援作业平台，有效提升超高层建筑灭火救援能力。

1  消防救援难点分析

目前，我国超高层建筑数量众多，据不完全统计，已达全球六成以上的数量规模，且每年仍有大量超高层建筑落成，消防安全压力极大。针对超高层建筑消防灭火救援措施，笔者通过现场调研并与当地消防救援机构交流，发现主要存在如下问题：

1.1  救援装备外攻手段匮乏

目前，国内消防救援队伍配置的超高层建筑灭火用消防车最大工作高度仅为101m，且自重大、展开准备时间长、作业约束条件多，远远不能满足超高层建筑的灭火救援需求;超高层建筑因其高度高、竖井多，火灾竖向蔓延快，且燃烧滴落物易形成二次灾害，对消防救援人员和装备不利;直升机、无人机等新型消防救援装备在我国目前消防救援工作中尚未得到有效发挥[7]。

1.2  消防員内攻灭火效率低

超高层建筑发生火灾，消防员穿戴个人防护用品并携带相关消防救援装备，首先乘坐消防电梯到达着火层的下一层，然后通过楼梯间进入着火楼层灭火，如果火势较大导致消防电梯系统断电，消防员仅能通过楼梯间进入着火楼层，因个人防护用品、消防救援装备较重且建筑较高，到达着火楼层会消耗大量体力，导致灭火救援效率降低;固定消防设施完好率低，供水方式主要靠消防员沿楼梯间蜿蜒垂直敷设水带，费时费力，且供水可靠性低[7-8]。

2  研发智能灭火救援装备

根据调研发现超高层建筑灭火救援存在的问题，坚持“以固为主、固移结合”的灭火作战原则，研发绳索布放无人机、负重爬绳机器人、悬挂式遥控灭火平台、悬挂式救援平台等新型系留式智能灭火救援装备，有效补充丰富消防救援队伍外攻手段。

2.1  绳索布放无人机

文章主要研发无人机（图1）和放绳器（图2）、消防专用绳索等辅助装置。无人机从结构上分为机臂、机身、电源系统、绳索布放系统等，拆卸容易、组装维护方便;具有较大载荷能力、续航能力、抗风能力和高可靠性，利用基于离线模型与在线建模相结合的自适应控制、实时优化复杂环境下的避障技术和飞行轨迹实时重规划技术，实现对航迹上障碍的避碰避危。放绳器主要包括固定安装机构、绳索缠绕机构、绳索抛放和锁定装置等，采用双通道冗余控制绳索布放投掷，双差分GPS/北斗模块精准定位布放，精确控制绳索的抛放角度和力度、下放速度和长度，从而保证投放可靠性，还可对绳索进行锁定，避免打滑。消防专用绳索考虑超高层建筑应用场景的特殊性，重点关注绳索的机械性能和防火性能，分析其在纵向和横向上的抗拉伸和抗扭曲等形变能力，保证其在灭火救援过程中可以被反复地拉伸和缠绕，并能适应不同类型火灾的现场高温等恶劣条件。

绳索布放无人机除跨越超高层建筑构建绳索灭火救援通道外，还具备火情侦察功能。基于空间火焰、烟雾图像、建筑内外热流场特征的多信息融合识别模型和火点定位算法，搭载红外相机和可见光相机同时拍摄燃烧区域，红外相机负责跟踪火点，通过对火点特征较清晰的红外图像进行分析处理，输出控制信号及时调整云台的角度，保证燃烧区域目标不会移出同步拍摄的可见光镜头画面，实现对高温区域的自动追踪。

图1  绳索布放无人机                 图2  放绳器

2.2  负重爬绳机器人

主要研发绳索用负重爬绳机器人，含紧绳器等辅助装置（图3）。负重爬绳机器人主要由绳索导引机构、缠绕机构和驱动机构组成，其中导引机构用于提供绳索由下至上穿过爬绳机器人的通道，缠绕机构用于提供绳索在爬绳机器人中的缠绕固定结构，驱动机构用于驱动爬绳机器人沿绳索通道进行上下运动。为保证爬绳机器人所携带悬挂式遥控灭火平台和救援平台在作业过程中的稳定性，并综合考虑救援效率，研发自主智能控制和空中平衡稳定技术，确保爬绳机器人可沿绳索灭火救援通道按设定速度上下运动，并能在任意设定高度通过紧绳器进行固定，开展相应灭火和救援作业。爬绳机器人采用直流无刷机器驱动，由大功率大容量的锂电池进行供电，具备视频传送、应急广播、应急供电和断电稳定悬挂等功能。

图3  负重爬绳机器人

2.3  悬挂式遥控灭火平台

主要研发高压水炮（图4）、旋转平台改变装置和遥控指令接收器等，构建悬挂式遥控灭火平台（图5）。负重爬绳机器人携带悬挂式遥控灭火平台沿绳索灭火救援通道到达作业点，开展精准定位喷水灭火。遥控灭火平台采用无后坐力的超高层建筑专用高压水炮，安装增压泵等喷射加速装置保障高压水的有效喷射距离，利用智能化控制的电机驱动器和陀螺仪传感器自动调节高压水炮的水平和俯仰覆盖角度，并通过在平台框架上安装电动高速喷气发生器来稳定保持高压水炮的工作姿态，满足灭火作业时间要求。针对不同高度范圍的着火点，研究悬挂式遥控灭火平台高压水稳定射流实现方案，保证高压水灭火所需的流量和压力。悬挂式遥控灭火平台还配置高清摄像头，实时将高压水炮出水和火灾灭火情况传回地面控制台，以便操作人员实时监控并能更快更精准地调节灭火角度，提高灭火效率。

图4  高压水炮         图5  悬挂式遥控灭火平台

2.4  悬挂式救援平台

主要研发救援吊篮及保险绳等相关辅助装置，构建悬挂式救援平台（图6）。负重爬绳机器人携带悬挂式救援平台沿绳索灭火救援通道到达救援登陆点，进行物资输送或开展人员救援作业。救援吊篮空间设计合理，结构坚固可靠，每次可载4人，最大负载1000kg，保障救援的有效性。所有材料均无毒无污染，且具有防火、耐磨和耐腐蚀等功能，吊篮内配置可调节安全带，救援场地配置安全气囊，保证救援人员的安全性。悬挂式救援平台还配置高清摄像头，实时将空中的救援情况和人员状态等信息传回地面控制台，以便操作人员随时调整救援方案，提高救援效率。

图6  悬挂式救援平台

3  构建无人智能灭火救援平台

研发新型系留式智能灭火救援装备，通过系统集成并实现整体功能控制，构建一套集侦察、灭火、救援于一体的新型无人智能灭火救援作业平台，全套设备可装载在小车内，具备较好的城市道路通行性能，可通过宽度600mm的狭窄通道，并可在最小5m2的地域展开并进行灭火救援工作。新型无人智能灭火救援作业平台主要由传感模块、绳索布放模块、升/降控制模块、灭火模块和救援模块等构成（图7）。

图7  新型无人智能灭火救援平台

接到火警后，装载新型无人智能灭火救援平台的小车可以快速到达现场。首先操作无人机升空进行建筑整体外观勘探和火情侦察，无人机通过传感模块将获取的建筑外观和现场火情信息传送至新型无人智能灭火救援平台，通过平台数据分析和现场指挥人员综合研判，生成绳索布放无人机飞行轨迹、通道两侧锚点选择建议和绳索通道布设方案等;然后现场确定建筑两侧锚点，固定起飞侧锚点后通过绳索布放模块操纵绳索布放无人机携带消防专用绳索升空，跨越超高层建筑操作抛绳装置放绳后降落（图8a），固定对侧锚点后形成双作业面跨越超高层建筑的人字形绳索灭火救援通道（图8b）;最后通过升/降控制模块操作负重爬绳机器人携带悬挂式遥控灭火平台沿着绳索灭火救援通道到达着火点，通过紧绳器固定负重爬绳机器人，现场指挥人员通过灭火模块遥控灭火平台牵引的高压水带出水开展灭火工作（图8c）。负重爬绳机器人也可根据现场救援指挥安排，由专业人员通过救援模块操作悬挂式救援平台开展物资运送和救援/受困人员转送。

a.布放绳索                          b.建立人字形绳索灭火救援通道                     c.喷水灭火

图8  新型无人智能灭火救援平台灭火示意图

4  测试分析

选取上海市某超高层公共建筑（建筑高度200m）开展平台应用测试，模拟建筑第30层（105m）发生火灾，利用新型无人智能灭火救援平台开展灭火和救援工作。测试现场悬挂式遥控灭火平台出水灭火情况详见图9。

图9  新型无人智能灭火救援平台测试

4.1  过程时间节点

接到模拟火警指令后，装载无人智能灭火救援平台的小车快速到达测试地点;无人机耗时60s即展开升空开展建筑外观勘探和火情侦察工作，35s后返回并生成无人机飞行轨迹、锚点选择建议和绳索布置方案;绳索布放无人机125s完成布置双作业面跨越超高层建筑的人字形绳索灭火救援通道;负重爬绳机器人携带悬挂式遥控灭火平台225s到达105m着火处并出水开始灭火，30s后火灾被扑灭;悬挂式救援平台每次运送250kg重物至105m处，单程约耗时225s。

4.2  装备性能参数

对各新型系留式智能灭火救援装备进行全过程的性能监测，分析实际灭火救援过程中需重点关注的指标和影响因素，并进行有针对性的专项测试，结果详见表1。

表1  新型无人智能灭火救援平台测试结果

序号 智能灭火救援装备 现场测试结果

1 绳索布放无人机 有效载荷>35kg;抗风能力>6级;空载续航时间>48min，负载25 kg续航时间>20min;上升速度>5m/s，下降速度>3m/s;避障距离<10m;高温回避响应时间<1s;图传有效距离>5km;相对飞行高度>500m

2 负重爬绳机器人 负重升降速度>0.5m/s;上升牵引力250kg、悬停和下降牵引力500kg;断电应急工作时间>5min

3 悬挂式遥控灭火平台 直径50mm高压水带出水高度为105m，供水强度5L/s，有效喷射距离大于15m;水平覆盖角度>180°，俯仰覆盖角度>90°;花洒和直流出水可调;高压水炮水平摆动<2°

4 悬挂式救援平台 上升载重>250kg，下降载重>400kg

5  结语

测试结果表明，基于跨越超高层建筑人字形绳索通道的多装备协同新型智能灭火救援作业平台在超高层建筑火情监测、动态跟踪、火势研判、灭火扑救和应急救援中发挥了较好的作用。研发的绳索布放无人机、负重爬绳机器人、悬挂式遥控灭火平台、悬掛式救援平台等新型系留式智能灭火救援装备和新型无人智能灭火救援平台属国内外首创，有效填补超高层建筑灭火救援相关技术空白，并带动上下游消防应急救援产业的发展;同时无人智能灭火救援平台操作方便，对救援场地要求较低，为超高层建筑灭火救援补充提供了一种全新、高效、快速、安全的外攻手段，提高装备灭火效能和实战救援能力，全面提升超高层建筑灭火救援水平。后续可针对不同类型的超高层建筑，规划制定不同的绳索通道布设方案，并提供快速的、有针对性的灭火救援处置方案，提高灭火救援水平，减少不必要的人员伤亡和财产损失。

参考文献：

[1]邱仓虎，刘文利，张向阳，等.超高层建筑消防技术发展与研究重点综述[J].建筑科学，2018，34（9）：82-88.

[2]魏捍东，张智.从央视大火探讨超高层建筑灭火对策[J].消防科学与技术，2010，29（7）：606-612.

[3]王璐.超高层建筑智能灭火救援系统设计及动画展示研究[D].西安：西安理工大学，2018.

[4]张延伟.浅析无人机在消防灭火救援领域的应用[J].中国建筑装饰装修，2018（4）：111.

[5]汪映标，廖晓锋，刘亮，等.一种超高层建筑无人机消防车[P].中国，209865100U，2019.

[6]涂文兵，陈元龙，胡承福，等.一种基于导弹消防车的超高层建筑火灾救援方法和装置[P].中国，110420424A，2019.

[7]腾光军，成旭光.超高层建筑灭火救援技术探讨[J].中国安全生产，2018，13（4）：54-55.

[8]许安春.以固为主、固移结合在高层建筑火灾扑救实战中的应用[J].消防界（电子版），2020，6（23）：80-81.

R&D and test of unmanned intelligent

fire-fighting platform for super high-rise buildings

Chen Yueguang1，Yuan Diping1，Zhang Jiayi2，Ni Weiguo2

（1.Shenzhen Urban Public Safety and Technology Institute Co.， Ltd.， Guangdong Shenzhen 518046;2.Shanghai Kunge UAV Technology Co.， Ltd.，Shanghai  201108）

Abstract：To tackle the challenges of being short of external means such as new rescue equipment and low efficiency of internal attack in super high-rise buildings for fire-fighting， intelligent fire-fighting equipment were developed， including rope placement drone， load-bearing climbing robot， suspended remote control fire-fighting platform and suspended rescue platform. Then， a new unmanned intelligent fire-fighting platform integrating multi-equipment collaboration was established， based on chevron rope passages across super high-rise buildings， to provide a new type of external attack. A super high-rise building in Shanghai was selected to carry out development， the results show that the platform is safe and effective， to comprehensively improve the level of fire-fighting，and also provides references and technical support for the promotion of the platform in super high-rise buildings.

Keywords：fire-fighting; intelligent fire-fighting equipment; unmanned intelligent fire-fighting platform; super high-rise buildings.