陳鵬 邱奕鴻

【摘要】? ? 高層建筑的增加能夠推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，但是與之同來(lái)的，還有火災(zāi)發(fā)生概率的增加。高層火災(zāi)撲滅作為消防領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)，對(duì)滅火救援的傳統(tǒng)模式提出了挑戰(zhàn)，也使相關(guān)滅火決策的革新一直成為一個(gè)熱門討論點(diǎn)。本文對(duì)高層火災(zāi)救援的難點(diǎn)進(jìn)行了針對(duì)通信決策與行動(dòng)決策的具體分析，爾后又詳談無(wú)人機(jī)在上述兩個(gè)決策上的應(yīng)用，并對(duì)一種滅火救援新模式展開(kāi)了假想分析，旨在得到可適用于高層建筑滅火救援的一般可行規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】? ? 無(wú)人機(jī)? ? 高層建筑滅火救援? ? 通信決策

引言：

21世紀(jì)，隨著社會(huì)人口的不斷增多，城市建筑用地面積趨向于不足，高層建筑的建設(shè)需求呈現(xiàn)井噴式增加。高層建筑雖然有著節(jié)約用地，集中人口等多方面優(yōu)勢(shì)，但也存在著火災(zāi)隱患大，火勢(shì)撲滅難等缺點(diǎn)。依靠傳統(tǒng)的地面通信工具與經(jīng)驗(yàn)判斷的滅火救援策略，在面對(duì)高層建筑火災(zāi)，尤其是超高層建筑火災(zāi)時(shí)往往表現(xiàn)不盡如人意?，F(xiàn)今，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的交互發(fā)展趨于成熟，以無(wú)人機(jī)為載體輔助形成滅火救援的通信決策與行動(dòng)決策擁有了更多可行性。本文通過(guò)分析高層建筑滅火救援的決策難點(diǎn)，對(duì)無(wú)人機(jī)具體應(yīng)用展開(kāi)分析，并對(duì)高層建筑滅火救援進(jìn)行關(guān)于無(wú)人機(jī)任務(wù)的理想過(guò)程下模式分析。

一、高層建筑火災(zāi)救援難點(diǎn)分析

（一）高層建筑空間結(jié)構(gòu)通順，火勢(shì)蔓延速度快

一般高層建筑以門、窗、走廊等橫向渠道和以樓梯、電梯、管井等縱向空間交錯(cuò)作為其主體空間結(jié)構(gòu)。這種空間結(jié)構(gòu)具有相對(duì)通順性，對(duì)于火災(zāi)幾乎起不到任何阻礙作用。一旦火災(zāi)發(fā)生，火勢(shì)就能借助縱橫兩向的通順空間完成短時(shí)間內(nèi)的迅速蔓延。有數(shù)據(jù)表明，150米左右的高層建筑，在高溫作用下，僅需40秒左右的時(shí)間，煙氣即可完成從最底層向樓頂天臺(tái)的蔓延。這也造成了滅火救援的通信決策難題與行動(dòng)決策難題，即火勢(shì)變化過(guò)快情況如何判斷傳達(dá)，火勢(shì)蔓延過(guò)快行動(dòng)如何指揮部署。

（二）高層建筑內(nèi)部情況復(fù)雜，人員疏散難度大

高層建筑雖然空間結(jié)構(gòu)相對(duì)通順，但是一旦火災(zāi)發(fā)生，其結(jié)構(gòu)將發(fā)生一定的畸形，表現(xiàn)在橫向渠道易受煙霧與火勢(shì)的阻擋，而縱向空間極有可能發(fā)生樓道坍塌和電梯安全停用?；馂?zāi)發(fā)生后，內(nèi)部人員受困于有限空間，長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，情緒上容易滋生恐懼，無(wú)法配合正常的救援行動(dòng)，難以被施救。而且當(dāng)火災(zāi)煙霧過(guò)大，內(nèi)部人員的情況包括人員數(shù)目和位置信息將難以被指戰(zhàn)員們獲取，這在一定程度上其實(shí)更加大了高層建筑救援難度。這里有很明顯的一個(gè)通信決策難題，在于如何確定內(nèi)部人員具體位置和所處地點(diǎn)火勢(shì)情況，從而為救援力量的部署提供依據(jù)。而這里的行動(dòng)決策難題，則在于依靠有限不完整的信息，無(wú)法作出符合實(shí)際的指揮部署，也無(wú)法組織有序撤出被困人員。

（三）燃燒物質(zhì)荷載密度較大，燃燒情況復(fù)雜多變

燃燒時(shí)，火災(zāi)的荷載密度是指建筑體單位特征面積所產(chǎn)生的完全燃燒熱量。由于高層建筑面積有限，并且火勢(shì)蔓延快，燃燒程度高，易使高層建筑在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生較高火災(zāi)荷載。較高的火災(zāi)荷載又會(huì)持續(xù)提高火場(chǎng)溫度，使火勢(shì)的劇烈峰期維持較久，對(duì)被困人員與施救人員造成較大生命威脅。

另一方面，高層建筑作為集合了人口與用地兩大優(yōu)勢(shì)的建筑產(chǎn)物，其商業(yè)化價(jià)值廣泛，可以被普遍用作娛樂(lè)，飲食，酒店和辦公等場(chǎng)所。其功能的多樣性也導(dǎo)致了其起火原因與燃燒物質(zhì)的不確定性，并進(jìn)一步影響到下一步滅火策略的部署，既明顯降低了救援效率，又無(wú)形中使指戰(zhàn)員的作戰(zhàn)信心受到打擊。

綜合這兩方面的難點(diǎn)分析，其主要特點(diǎn)在于救援時(shí)受有限的探測(cè)裝備影響，導(dǎo)致通信決策效果差，獲取的信息無(wú)法支撐合理的行動(dòng)決策?；鹎橐氐牟幻鞔_使得救援指揮處于被動(dòng)局面。

（四）現(xiàn)階段滅火裝備受限大，超高層火災(zāi)撲救有心無(wú)力

即使有了絕對(duì)可靠的通信決策，在面對(duì)已經(jīng)蔓延到海拔超過(guò)百米的超高層火災(zāi)，受到現(xiàn)階段消防裝備的相對(duì)限制，火災(zāi)撲救工作同樣難以展開(kāi)?，F(xiàn)階段，一般消防站的登高消防車普遍只能接觸到100米上下的高度，而地面消防車的滿功率水壓也只能勉強(qiáng)支撐100米左右的水高，依靠重型裝備對(duì)超高層建筑進(jìn)行滅火救援在現(xiàn)階段還難以做到。同時(shí)，由于樓層過(guò)高，進(jìn)行攀登時(shí)會(huì)嚴(yán)重消耗指戰(zhàn)員們的體力，再加上樓層作戰(zhàn)空間有限，供水困難，使得內(nèi)攻的難度也同樣巨大。在這里面主要是行動(dòng)決策上的技術(shù)無(wú)法達(dá)到理想救援效果的難題。依托強(qiáng)化重型裝備也許是解決方案，但也一定帶來(lái)巨額成本和普及的困難。而隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和新型飛行材料的推廣，應(yīng)用滅火用無(wú)人機(jī)可能更將成為一個(gè)新的解題思路。

二、基于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)展高層建筑滅火救援的具體路徑

（一）全方位高空拍攝，傳輸火勢(shì)信息

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)借助其搭載的高精度攝像頭，可以在空中圍繞著火建筑進(jìn)行持續(xù)攝影作業(yè)，并將火勢(shì)情況實(shí)時(shí)傳輸至地面指揮中心。通過(guò)這種實(shí)時(shí)有源的高空攝影作業(yè)，目的是迅速得到火勢(shì)蔓延趨向與蔓延速度，從而對(duì)整個(gè)高層建筑火災(zāi)發(fā)展趨勢(shì)作出整體有效判斷。在得到無(wú)人機(jī)傳輸回來(lái)的火勢(shì)信息后，指揮員可以進(jìn)行更為有效的滅火行動(dòng)部署，爭(zhēng)對(duì)火勢(shì)蔓延方向，在蔓延擴(kuò)張?zhí)帉?duì)火勢(shì)進(jìn)行攔截削減，從而對(duì)建筑火災(zāi)進(jìn)行直接控制。在作戰(zhàn)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)將高層火勢(shì)情況傳遞給指揮員，指揮員作出下一步滅火行動(dòng)部署，在完成本階段行動(dòng)部署后，又可以控制無(wú)人機(jī)進(jìn)行最新的攝影攝制，并將新的火勢(shì)情況反饋給指揮員，從而繼續(xù)形成下一階段作戰(zhàn)部署。通過(guò)這一持續(xù)的過(guò)程，就實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)與火災(zāi)撲救行動(dòng)的有源聯(lián)系。通過(guò)這一交互負(fù)反饋不斷形成有效的通信決策，從而達(dá)成順利解決火勢(shì)蔓延速度過(guò)快的行動(dòng)決策。

（二）搭載熱成像圖像識(shí)別系統(tǒng)，鎖定火場(chǎng)目標(biāo)位置

紅外熱成像系統(tǒng)具有遠(yuǎn)距離非接觸探測(cè)的特點(diǎn)，易穿越煙霧與一般墻體障礙，并借助一定的學(xué)習(xí)和算法獲得從高溫火場(chǎng)中識(shí)別被困人員與救援人員位置的能力。通過(guò)在無(wú)人機(jī)上搭載熱成像系統(tǒng)，并借助于一定軟件算法，就可以在情況復(fù)雜的高層上以較高正確率獲得被困人員位置信息。一旦能夠精準(zhǔn)鎖定被困人員的位置信息，就可以有效分配救援力量，還可以通過(guò)搭載的大功率擴(kuò)音器有效指導(dǎo)人員朝較安全地方疏散。而通過(guò)實(shí)時(shí)鎖定火場(chǎng)中指戰(zhàn)員位置，也可以避免指戰(zhàn)員盲沖狠沖從而減少了消防員的傷亡率。

通過(guò)無(wú)人機(jī)上的熱成像系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向地面指揮中心傳輸被困人員與救援人員在樓層中的位置信息，經(jīng)指揮中心接收并處理后就可以形成有效的火場(chǎng)救援信息。依托這種熱成像鎖定目標(biāo)位置的通信決策，可作出切合實(shí)際相關(guān)的行動(dòng)決策，即針對(duì)被困人員的位置部署救援力量和根據(jù)救援人員的位置設(shè)置救援路線。需要注意的是，由于火場(chǎng)情況既復(fù)雜也多變，救援人員與被困人員的位置信息都有可能處于劇烈變化的程度，這就要求獲得持續(xù)的信息來(lái)形成持續(xù)的通信決策，并不斷更新救援的行動(dòng)決策。通過(guò)這個(gè)交互正反饋過(guò)程，目的是為了在變化的火場(chǎng)環(huán)境中能獲得任一時(shí)刻有效的滅火決策。

（三）依據(jù)傳感器感知燃燒物質(zhì)，避免意外事故發(fā)生

依據(jù)各類可燃?xì)怏w對(duì)其特殊響應(yīng)的涂層具有交叉選擇性，我們可以設(shè)計(jì)符合無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)原理的可搭載傳感器陣列，并通過(guò)數(shù)據(jù)選取的訓(xùn)練，使搭載的傳感器能識(shí)別各類可燃?xì)怏w。當(dāng)控制耐高溫材料特制無(wú)人機(jī)靠近煙霧處時(shí)，傳感器對(duì)燃燒氣體會(huì)產(chǎn)生不同響應(yīng)模式，通過(guò)通信鏈路將這些響應(yīng)模式傳輸回地面指揮中心，指揮中心的專業(yè)人員經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)量學(xué)技術(shù)分析，就可以得到相關(guān)燃燒物質(zhì)具體情況。得到燃燒物質(zhì)的情況后，可以進(jìn)一步獲得更加詳細(xì)的注意事項(xiàng)，諸如是否佩戴防毒面具以及是否可采取水槍滅火等，避免造成消防員中毒及人為加劇燃燒的意外事故發(fā)生。

到達(dá)火場(chǎng)采取救援行動(dòng)前，必須要確定燃燒物質(zhì)的種類情況，即得到火災(zāi)的燃燒發(fā)生條件。首先要進(jìn)行的通信決策是依據(jù)無(wú)人機(jī)得到燃燒信息，然后指揮員做出有關(guān)裝備穿戴與打火方式的初期行動(dòng)決策。利用飛行器的感知形成的通信決策與指揮員初期救援部署的行動(dòng)決策，為滅火救援前的準(zhǔn)備工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（四）高空定點(diǎn)投射滅火彈或滅火劑，實(shí)現(xiàn)高層及超高層直接滅火

在新技術(shù)的支持下，消防無(wú)人機(jī)已經(jīng)能夠搭載小型裝備在超過(guò)100米的空域展開(kāi)救援作業(yè)。在地面消防車水壓無(wú)法給水的高度發(fā)生的火災(zāi)，可以通過(guò)在無(wú)人機(jī)上吊載滅火彈或者滅火劑，控制人員基于通信用無(wú)人機(jī)收集的信息，遙控?zé)o人機(jī)對(duì)火勢(shì)較大點(diǎn)或者火源中心進(jìn)行定點(diǎn)投射，控制火災(zāi)發(fā)生程度。

消防無(wú)人機(jī)進(jìn)行滅火行動(dòng)的有效性，依托于通信偵察無(wú)人機(jī)給予的實(shí)時(shí)信息的有效性。通信無(wú)人機(jī)感知火勢(shì)與營(yíng)救目標(biāo)，向指揮員傳遞有效信息，指揮員依靠得到的火場(chǎng)信息就能形成當(dāng)前行動(dòng)決策，部署安排由無(wú)人機(jī)實(shí)行定點(diǎn)滅火。在這個(gè)應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)同時(shí)成為通信決策與行動(dòng)決策的主體，并實(shí)現(xiàn)了以無(wú)人機(jī)為載體的高層滅火救援決策的閉環(huán)。

目前受到結(jié)構(gòu)載荷的限制，消防無(wú)人機(jī)無(wú)法搭載大型滅火裝備在空域作業(yè)，只能吊裝滅火劑或者滅火彈等小型裝備，來(lái)對(duì)初期火災(zāi)進(jìn)行打擊和對(duì)火勢(shì)峰點(diǎn)進(jìn)行控制。另外消防無(wú)人機(jī)從地面搭載一次滅火彈到進(jìn)行一次高層投射滅火再返回，需要消耗一定的時(shí)間，這對(duì)分秒必爭(zhēng)的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)疑會(huì)形成巨大壓力。因此消防無(wú)人機(jī)想要大面積普廣應(yīng)用，必須提高其載荷能力與飛行速度，達(dá)到一次作業(yè)多次投射與一次裝彈迅速到位的標(biāo)準(zhǔn)。

三、運(yùn)用無(wú)人機(jī)開(kāi)展高層建設(shè)滅火實(shí)戰(zhàn)方案

現(xiàn)實(shí)中的非人為因素包括天氣、地理位置與溫度等都會(huì)直接影響整個(gè)火災(zāi)救援的策略，這些都是指揮員需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行考慮的。我們針對(duì)一場(chǎng)模擬的高層火災(zāi)，進(jìn)行只與無(wú)人機(jī)任務(wù)有關(guān)的理想狀態(tài)下的決策分析，來(lái)得到一般高層滅火可實(shí)現(xiàn)的救援程序，但具體救援程序仍需視具體因素而定。

（一）準(zhǔn)備

準(zhǔn)備過(guò)程應(yīng)該包括日常訓(xùn)練與接警出動(dòng)兩部分。

在日常訓(xùn)練中，要對(duì)滅火救援需要用到的無(wú)人機(jī)進(jìn)行定期檢查、保養(yǎng)與維護(hù)，確保一旦高層火災(zāi)發(fā)生，相關(guān)用無(wú)人機(jī)能隨時(shí)拉得出。同時(shí)，消防站也要在日常的訓(xùn)練中充分學(xué)習(xí)無(wú)人機(jī)操作方法，注重相關(guān)通信專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)，一旦高層火災(zāi)發(fā)生，確保相關(guān)用無(wú)人機(jī)能隨時(shí)打得贏。在接警出動(dòng)過(guò)程中，要將相關(guān)滅火裝備與無(wú)人機(jī)裝備迅速裝車出動(dòng)。在到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)前，根據(jù)接收到的初期情報(bào)，應(yīng)迅速做好初步通信決策，即擬啟動(dòng)多少輛無(wú)人機(jī)，在什么地點(diǎn)架設(shè)飛無(wú)人機(jī)等。

（二）偵察

到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)在相對(duì)安全且距起火高層不宜過(guò)遠(yuǎn)的地方架設(shè)好無(wú)人機(jī)。

架設(shè)工作就緒后，應(yīng)區(qū)分不同任務(wù)模塊同時(shí)起飛多臺(tái)無(wú)人機(jī)。所有分配好任務(wù)的無(wú)人機(jī)，需要互相協(xié)調(diào)配合完成地面給予的通信要求，以快速準(zhǔn)確輔助指揮員作出通信決策。

第一任務(wù)模塊的無(wú)人機(jī)群，要對(duì)高層周圍的水源分布、是否有易燃隱患以及人員疏散程度作出偵察，形成現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情報(bào)。這個(gè)模塊的通信決策，將直接決定重型救援裝備和防護(hù)帶的部署位置，從而將火勢(shì)控制在高層內(nèi)，既減少了財(cái)產(chǎn)損失，也提高了救援效率。

第二任務(wù)模塊是以識(shí)別燃燒物質(zhì)為主的火場(chǎng)作業(yè)。這一任務(wù)模塊對(duì)無(wú)人機(jī)的要求較高，因?yàn)樾枰鄬?duì)近距離接觸煙霧，因此需要無(wú)人機(jī)耐高溫、抗煙塵且飛行穩(wěn)定性高。對(duì)傳感器的精度也有一定要求，要能快速識(shí)別多種不同燃燒氣體，準(zhǔn)確全面地感應(yīng)燃燒情況。燃燒物質(zhì)的具體情況作為火情要素的重要組成部分，直接影響滅火方式與防護(hù)工作的開(kāi)展。利用無(wú)人機(jī)群得到燃燒物質(zhì)信息的通信決策，在滅火救援開(kāi)始前為指揮員的行動(dòng)決策提供了指向。

第三任務(wù)模塊的無(wú)人機(jī)群主要完成高空攝制與鎖定目標(biāo)任務(wù)，地面指戰(zhàn)員需要控制多臺(tái)無(wú)人機(jī)飛行圍繞高層建筑進(jìn)行較精細(xì)作業(yè)。其中高空攝制的無(wú)人機(jī)群重點(diǎn)關(guān)注火勢(shì)較大處，通過(guò)多方位攝制，將火勢(shì)大小、蔓延速度、蔓延方向等信息反饋給地面指揮中心。而負(fù)責(zé)鎖定目標(biāo)的無(wú)人機(jī)群則重點(diǎn)搜索被困人員信息，為地面指揮中心規(guī)劃重點(diǎn)救援區(qū)域。通過(guò)這個(gè)任務(wù)模塊的無(wú)人機(jī)群，地面指揮員能進(jìn)行火情要素的判斷，并為下一步的行動(dòng)決策奠定基礎(chǔ)。由于火情要素信息是動(dòng)態(tài)變化的，因此第三任務(wù)模塊的無(wú)人機(jī)群需要持續(xù)作業(yè)整個(gè)救援過(guò)程，并不斷依據(jù)新的通信決策，來(lái)輔助救援過(guò)程中的所有行動(dòng)部署。

其他任務(wù)模塊的無(wú)人機(jī)群可依據(jù)當(dāng)時(shí)氣象、溫度、地理位置等其他需要考慮因素進(jìn)行添加部署。

（三）實(shí)戰(zhàn)

依托多個(gè)任務(wù)模塊并根據(jù)通信決策所得到的全部火場(chǎng)信息，指揮員制定好一套有效滅火救援行動(dòng)決策。

從第一任務(wù)模塊得到高層建筑周邊環(huán)境情況，在靠近水源處布設(shè)消防車，在相對(duì)安全處架設(shè)無(wú)人機(jī)，并做好防護(hù)隔離帶，防止火勢(shì)蔓延及無(wú)關(guān)人員誤入。

從第二任務(wù)模塊得到燃燒物質(zhì)信息，讓每個(gè)指戰(zhàn)員做好相關(guān)防護(hù)工作，并選擇水或者泡沫等來(lái)進(jìn)行接下來(lái)的滅火救援。

從第三任務(wù)模塊得到有關(guān)火勢(shì)與人員位置信息，開(kāi)始集中組織力量打擊火勢(shì)較大處，并根據(jù)被困人員位置進(jìn)行內(nèi)攻救出。在這個(gè)過(guò)程中也需要時(shí)刻鎖定火勢(shì)變化情況與救援人員位置信息，使整個(gè)救援過(guò)程可控主動(dòng)，盡量避免人員傷亡情況。

從其他偵察任務(wù)模塊中得到有依據(jù)的行動(dòng)決策。

（四）總結(jié)

在完成了高層滅火后，參與救援的消防站或者指揮員應(yīng)該進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，針對(duì)此次滅火過(guò)程中出現(xiàn)的失誤與不足提出改進(jìn)方法，并爭(zhēng)取在下一次遇到同樣情況時(shí)能采取更有效的決策，提高救援效率，充分保護(hù)好人民生命財(cái)產(chǎn)安全。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著滅火救援效率提高的需求與無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)無(wú)人機(jī)輔助指揮員作出救援決策已經(jīng)成為非常值得展望的事情。實(shí)現(xiàn)救援過(guò)程的信息化與可視化不僅是高層建筑滅火救援的需要，也是所有涉及大量復(fù)雜未知信息的救援過(guò)程的需要。無(wú)人機(jī)輔助指揮員形成救援過(guò)程通信決策與行動(dòng)決策的思路，不僅僅只適用于高層建筑火災(zāi)，也應(yīng)該推廣到工廠，地下停車場(chǎng)等相關(guān)火災(zāi)事故中，來(lái)發(fā)揮出色的作用。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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