徐逸杰

摘 要：近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市建筑也越來(lái)越高。現(xiàn)有消防設(shè)備根本無(wú)法滿(mǎn)足樓層高度，難以準(zhǔn)確掌握起火點(diǎn)，對(duì)高層建筑被困人員進(jìn)行及時(shí)救援，導(dǎo)致人員死傷及財(cái)產(chǎn)重大損失，高層建筑火災(zāi)的防控已經(jīng)成為一個(gè)社會(huì)性的難題。與此同時(shí)，我國(guó)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，無(wú)人機(jī)應(yīng)用更是遍地開(kāi)花，給予了我開(kāi)發(fā)利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行消防救援的思路。通過(guò)組裝并反復(fù)試驗(yàn)，研制了一套依托無(wú)人機(jī)掛載，可用于高層建筑消防救援的多功能設(shè)備裝置，從而提高救援效率，將大大減少火災(zāi)人員傷亡。

關(guān)鍵詞：高層建筑；火災(zāi)；無(wú)人機(jī)；遠(yuǎn)程遙控；搜救；測(cè)距；投射；裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TP101 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0186-03

1 引言

1.1 選題背景和研究動(dòng)力

2009年2月9日晚，北京市朝陽(yáng)區(qū)中央電視臺(tái)30層中心大樓發(fā)生火災(zāi)，造成1人死亡和7人受傷。

2014年11月15日下午，上海靜安區(qū)一幢28層住宅起火，最終導(dǎo)致58人遇難，70余人受傷，房產(chǎn)損失接近5億元人民幣，震驚全國(guó)。

2017年7月18日凌晨，杭州市著名的保姆縱火案，現(xiàn)場(chǎng)搶救出的4人經(jīng)搶救無(wú)效死亡。

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，土地資源越來(lái)越緊缺，為高效利用土地城市建筑也越來(lái)越高。目前我國(guó)有高層建筑（指高度在24米到100米之間一類(lèi)高層，以及100米以上的超高層）34.7萬(wàn)棟，數(shù)量居世界第一?，F(xiàn)有消防設(shè)備根本無(wú)法滿(mǎn)足樓層高度，高層建筑失火后，救援人員很難準(zhǔn)確掌握起火點(diǎn)，也很難對(duì)高層建筑被困人員進(jìn)行及時(shí)救援，導(dǎo)致人員死傷及財(cái)產(chǎn)損失，高層建筑火災(zāi)的防控已經(jīng)成為一個(gè)社會(huì)性的難題。如何才能戰(zhàn)勝火魔，挽救生命。

1.2 創(chuàng)新靈感

看到上面一組組駭人的數(shù)據(jù)，誰(shuí)都會(huì)一聲嘆息。發(fā)生火災(zāi)時(shí)濃煙是致死的主要原因之一，黑色濃煙不僅會(huì)遮擋住視線(xiàn)，影響逃生，更重要的是一氧化碳含量較高的濃煙吸入后會(huì)讓人失去知覺(jué)十幾分鐘后就會(huì)死亡。

一個(gè)偶爾的機(jī)會(huì)，我接觸到了無(wú)人機(jī)。它有很多優(yōu)點(diǎn)：小型輕便、低噪節(jié)能、高效機(jī)動(dòng)，起飛降落受場(chǎng)地限制較小，具有良好的穩(wěn)定性和安全性。航拍影像具有高清晰、大比例尺、高現(xiàn)勢(shì)性的優(yōu)點(diǎn)。

我受到很大的啟發(fā)，如果無(wú)人機(jī)能夠應(yīng)用到消防救援上，一定能夠幫助到更多的人。但無(wú)人機(jī)消防救援裝置的功能需要具備哪些？無(wú)人機(jī)載重量的計(jì)算？如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制？帶著各種問(wèn)題和想法，我首先進(jìn)行了相關(guān)資料的查閱。并開(kāi)展一系列的實(shí)用性調(diào)研。

1.3 調(diào)研

1.3.1 現(xiàn)有消防救援裝置

經(jīng)過(guò)調(diào)查我得知，現(xiàn)有消防救援裝置主要分以下幾個(gè)大類(lèi)：

（1）救援人員防護(hù)裝備（防護(hù)頭盔、防護(hù)服等）；（2）消防槍炮及供水器具（消防槍、水幕發(fā)生器等）；（3）消防車(chē)輛（罐類(lèi)消防車(chē)、舉高類(lèi)消防車(chē)等）；（4）搶險(xiǎn)救援裝備（防化裝備、救生裝備等）。消防救援裝置品目繁多。于是，我將研究方向重點(diǎn)放在防護(hù)裝備和救援裝備兩個(gè)方面。

1.3.2 現(xiàn)有消防裝置高層救援的局限性

（1）樓層高度無(wú)法突破。通過(guò)查詢(xún)資料，目前的消防車(chē)及消防云梯撲救高度有限，國(guó)內(nèi)最高的云梯車(chē)應(yīng)該101米左右（陜西西安），世界最高的也就是125米左右，比較普及的是54米款，但越是高的云梯車(chē)，場(chǎng)地要求就越高，地基要求就要地面足夠平坦、承重足夠重量、空地足夠大，很多時(shí)候云梯車(chē)到現(xiàn)場(chǎng)都無(wú)法展開(kāi)。以至于高層建筑和超高層建筑消防只能立足于自救。

（2）現(xiàn)場(chǎng)火情無(wú)法掌握。高層建筑空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，平面布置和立面體型復(fù)雜。讓消防人員無(wú)法掌握火情，無(wú)法了解現(xiàn)場(chǎng)破壞程度，無(wú)法制訂準(zhǔn)確的救援方案。

（3）劇毒煙霧無(wú)法防護(hù)。高層房間著火后，煙霧會(huì)通過(guò)門(mén)窗等孔洞或縫隙向四周擴(kuò)散，一旦火災(zāi)被困者在吸入濃煙后，便會(huì)出現(xiàn)中毒、暈倒、喪失逃生能力，甚至窒息而死。

現(xiàn)有的高層消防救援裝置成本高昂，外部條件制約，救援效率有限。在高層火災(zāi)這種特殊情況下，看似很先進(jìn)的工具卻無(wú)法派上用場(chǎng)。

2 研發(fā)改進(jìn)歷程

2.1 高層消防救援功能需求采集

當(dāng)我確定了研發(fā)主題和概念之后，便開(kāi)始思考如何著手創(chuàng)作。首先開(kāi)展作品的需求采集和需求分析。我首先想到的是消防隊(duì)，從消防隊(duì)員著手能夠獲得第一手的需求。通過(guò)多方聯(lián)系，我找到了市消防大隊(duì)的崔隊(duì)長(zhǎng)。崔隊(duì)長(zhǎng)向我羅列了高層消防救援中遇到的諸多困難與不便，提出了具體需求，希望研發(fā)作品能夠具備五大功能。

（1）救援裝置需要具有實(shí)時(shí)觀測(cè)功能。高層建筑因?yàn)楦叨雀?、距離遠(yuǎn)，消防隊(duì)員視覺(jué)受到限制，給火場(chǎng)營(yíng)救增加了許多困難，甚至威脅消防隊(duì)員的生命安全。

（2）救援裝置需要具有互動(dòng)交流功能。很多人面臨火災(zāi)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的恐懼，無(wú)法冷靜的面對(duì)環(huán)境，甚至于會(huì)做出跳樓等不理性的行為。如果能夠遠(yuǎn)程呼叫喊話(huà)，及時(shí)給予正確的指導(dǎo)，安撫被困者的情緒，幫助其自救。

（3）救援裝置需要具有投送物品功能。高層建筑救援裝置最好能夠克服環(huán)境限制，靠近火場(chǎng)，拋投提供救援物品，將會(huì)大大減少人員死亡率。

（4）救援裝置需要具有遠(yuǎn)程操控功能。遠(yuǎn)程控制是完成救援任務(wù)的關(guān)鍵，包括：現(xiàn)場(chǎng)視頻、音頻數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程傳輸；拋投物品設(shè)備的遠(yuǎn)程操控；照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控。

（5）救援裝置需要具有夜間照明功能。能夠提供強(qiáng)光照明設(shè)施，從多角度照亮火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)。解決夜間環(huán)境復(fù)雜，能見(jiàn)度低，提高滅火救援行動(dòng)效率。

2.2 無(wú)人機(jī)高層建筑消防救援裝置原理驗(yàn)證與設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)消防人員提出的五大功能，我著手進(jìn)行了原理驗(yàn)證和整體設(shè)計(jì)。

2.2.1 工作原理

通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程操控，承載救援物資到達(dá)高層建筑救援地點(diǎn)，通過(guò)高清攝像頭和強(qiáng)光照明燈觀察確認(rèn)火情，通過(guò)實(shí)時(shí)視頻及熱成像確認(rèn)搜救人員目標(biāo)，通過(guò)遠(yuǎn)程喊話(huà)器通知指導(dǎo)被困人員正確執(zhí)行自救措施。

2.2.2 整體結(jié)構(gòu)

整體結(jié)構(gòu)主要由多旋翼無(wú)人機(jī)、高清攝像頭及熱成像儀、遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)遙控喊話(huà)系統(tǒng)，強(qiáng)光照明燈，超聲波測(cè)距儀，救援物品彈射器和自帶供電充電系統(tǒng)等配件組成。如圖1、2所示。

2.3 無(wú)人機(jī)高層建筑消防救援裝置的制作和改進(jìn)過(guò)程

在初步確定了工作原理和整體設(shè)計(jì)方案后，救援裝置進(jìn)入材料選擇和制作階段。針對(duì)所需功能不同，進(jìn)行了多次改進(jìn)和完善。

（1）喊話(huà)器+步話(huà)機(jī)獨(dú)立模塊。智能喊話(huà)系統(tǒng)屬于獨(dú)立模塊，目的是滿(mǎn)足實(shí)時(shí)空中喊話(huà)，實(shí)時(shí)錄音并播放，播放警示與報(bào)警聲音等功能。

（2）超聲波測(cè)距模塊。主要用于高空拋投定位，確定拋投范圍，保證救援物資能夠準(zhǔn)確投遞給火災(zāi)被困人員，具有一定的防水性，體積小、低功耗，距離基本設(shè)定在5米范圍內(nèi)。

（3）彈射裝置。關(guān)于彈射裝置，困擾了我很久。起初，設(shè)想利用彈簧原理設(shè)計(jì)制作，根據(jù)公式測(cè)算：500克物品彈射3米以上需要6.930N力量，由彈簧的勁度系數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行一系列計(jì)算得出此方案不可行。多番考慮之后，我選擇了低溫燃料助劑彈射器，利用低溫燃料推進(jìn)劑彈力彈射物品。通過(guò)改裝，主體采用強(qiáng)度高、重量輕的碳纖維結(jié)構(gòu)彈射桶。

（4）警燈與警示燈條。為了在空中更醒目，我選擇了LED超亮警燈，加裝了兩條LED燈條，用于超聲波測(cè)距提示到達(dá)投射距離。

（5）強(qiáng)光照明燈。直接安裝多組強(qiáng)光照明手電。

（6）遙控操作開(kāi)關(guān)。燈光遙控和投射裝置遙控，全部用PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，可遙控3千米。

（7）裝置盒制作及無(wú)人機(jī)掛架。對(duì)于無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，重量越輕越好，為實(shí)現(xiàn)整體裝置自重不超過(guò)5公斤的目標(biāo)。利用亞克力材料特制了裝置盒，增設(shè)無(wú)人機(jī)掛架，妥善解決了問(wèn)題。

3 無(wú)人機(jī)高層建筑消防救援裝置的測(cè)試

3.1 公開(kāi)展示

無(wú)人機(jī)高層建筑消防救援裝置現(xiàn)已制作出成品，該裝置自重4.62公斤，各項(xiàng)成本合計(jì)2863元。經(jīng)過(guò)查新，未見(jiàn)同類(lèi)產(chǎn)品。如圖3所示。

3.2 試驗(yàn)測(cè)試

（1）測(cè)試環(huán)境：室外、陰天、溫度6-15度，風(fēng)力3-4級(jí)。

（2）測(cè)試項(xiàng)目：

1）遠(yuǎn)程喊話(huà)，音量調(diào)一半，未調(diào)至最大，聲音清晰響亮，傳輸覆蓋2公里以上，測(cè)試成功。

2）定位測(cè)距，距離3米是，燈光閃爍，提示可投射，測(cè)試成功。

3）警示燈光，開(kāi)啟無(wú)障礙，測(cè)試成功。

4）彈射救援物品，彈射時(shí)，產(chǎn)生一定后座力，無(wú)人機(jī)機(jī)身產(chǎn)生部分晃動(dòng)，能夠自動(dòng)修正角度，位置基本準(zhǔn)確，投射距離3-5米，測(cè)試成功。

5）遙控操作，未出現(xiàn)信號(hào)丟失，測(cè)試距離50-60米，測(cè)試成功。

（3）消防中隊(duì)模擬實(shí)戰(zhàn)測(cè)試。為進(jìn)一步檢驗(yàn)作品的功能用途，學(xué)校輔導(dǎo)老師將我的作品介紹給了中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)無(wú)錫市消防支隊(duì)江陰中隊(duì)，進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，讓消防隊(duì)員們測(cè)試點(diǎn)評(píng)，消防隊(duì)員們都認(rèn)為該裝置概念創(chuàng)新，將提升消防隊(duì)伍的高層建筑消防救援能力，能夠大大降低高層火災(zāi)傷亡率。如圖4所示。

該裝置功能突出，操作方便，有較高的實(shí)用價(jià)值，為此，中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)無(wú)錫市消防支隊(duì)江陰中隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)還為此作品作了專(zhuān)門(mén)的情況說(shuō)明。如圖5所示。

4 后續(xù)改進(jìn)設(shè)想

（1）整體自重優(yōu)化減少，將總重量盡可能壓縮。

（2）裝置內(nèi)部設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步優(yōu)化，組合更緊湊科學(xué)。

（3）拓展裝置遙控系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)集成融合。

（4）裝置投射物品可增加多彈頭滅火彈，實(shí)現(xiàn)高空滅火功能。

（5）模擬信號(hào)步話(huà)機(jī)改用數(shù)字信號(hào)，減少對(duì)無(wú)人機(jī)操作干擾。

5 項(xiàng)目創(chuàng)新特點(diǎn)及推廣應(yīng)用前景

5.1 創(chuàng)新特點(diǎn)主要有

（1）無(wú)人機(jī)概念突破高度限制，可以快速、及時(shí)地對(duì)高層建筑火災(zāi)被困人員進(jìn)行施救，而且可以重復(fù)使用。

（2）現(xiàn)場(chǎng)高清視頻功能，能夠真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)情況。

（3）熱成像搜尋功能，能夠準(zhǔn)確定位救援對(duì)象。

（4）遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)遙控喊話(huà)系統(tǒng)，可以指導(dǎo)被困人員正確面對(duì)火災(zāi)，實(shí)施自救和等待救援，避免人員傷亡。

（5）玻璃擊碎器可以及時(shí)為火災(zāi)被困人員打開(kāi)救援和逃生窗口。

（6）最重要的是救援物品彈射器，彈射器直接連接遙控器接收機(jī)，可以將各類(lèi)救援物資投送給被困人員，如，防煙防塵口罩、逃生繩索、急救包等，將大大減少火災(zāi)死亡率。

5.2 推廣應(yīng)用前景

該裝置主要用于消防機(jī)構(gòu)輔助救援使用，可進(jìn)入火場(chǎng)偵查監(jiān)測(cè)、拋投救援物資。同時(shí)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的普及，還可擴(kuò)展應(yīng)用于各個(gè)高層建筑小區(qū)物業(yè)的消防配套裝備。

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