王滕

摘要：本項目旨在為城市高層建筑消防滅火問題尋找比傳統(tǒng)人工撲救更為有效的方式方法，團隊將目標鎖定新型的無人機領域，希望借助這一新技術來突破傳統(tǒng)滅火方式無法完全適應的高層建筑撲救難題。團隊對常規(guī)高層建筑的消防安全設計與無人機技術進行深入研究，并借助現(xiàn)有所得資料進行合理設計與實踐，以得出無人機搭載消防設備進行高層滅火的合理方式。

關鍵詞：智能無人機;消防安全設計;高層建筑

一、高層建筑的現(xiàn)狀與問題

隨著我國城市化水平的不斷提高，城市人口密度不斷增加催生了越來越多高層建筑的落地，而追逐數(shù)量、規(guī)模與形象的結果導致了建筑的公共消防安全風險也急劇攀升。一旦發(fā)生火災，高層建筑體量龐大、功能復雜、人員密集、危險源多，人民生命財產將面臨極大的損害，同時火災救援的武警士兵生命安全也會受到威脅。

現(xiàn)有的傳統(tǒng)火災撲救方式對越建越高的寫字樓辦公樓等而言已無法完全適應，而近年新興的多旋翼無人機通過智能技術已開發(fā)出傾斜攝影的技術，并可以實現(xiàn)載重功能。因此，本團隊項目通過多種調研方式對常規(guī)高層建筑的消防安全設計與無人機智能技術進行深入研究，且運用計算機建模來進行攜帶式無人機與等尺度建筑復原模擬火災場景驗證其滅火性能，在有可能的情況下實現(xiàn)利用可攜帶式無人機的高層建筑滅火救援技術的市場推廣應用。

二、項目研究主要方向

1.總結高層建筑的消防安全設計

團隊將系統(tǒng)化地研究當代高層建筑在消防設計上的原則與實際防火的措施手段，并總結當下消防安全的設計原則及合理性問題。

2.探究高層建筑火災救援的特點

結合以往的消防救援案例與消防部門的公開報告來整體性總結高層建筑火災撲救中高頻率發(fā)生的救援事故及火災撲救難點痛點，針對這些特點進行橫縱向對比探討高層火災在救援上的更高一層次的剛性需求。

3.設計利用智能搭載消防設備的無人機在火災現(xiàn)場發(fā)揮高效救援滅火作用

高層建筑火災蔓延速度極快，極易形成立體火災，而僅憑現(xiàn)有的滅火云梯水槍等很難與高層火災相抗衡，因此團隊將基于5G網(wǎng)絡的高速高效、低延遲等特性將無人機進行適用于火災現(xiàn)場救援的智能化改造創(chuàng)新，將滅火消防栓等消防設備搭載于無人機之上，對高層建筑進行及時精準滅火，以盡量減少人員的傷亡與經濟損失，具有廣泛的經濟與社會效益。

4.實驗模擬無人機與各式消防設備的連接與安裝方式的火災撲救作用

團隊將在對高層建筑消防安全設計的調研與無人機性能在火災中偵查與滅火撲救利用的研究后利用研究成果設計出合適的無人機組合方式并搭建等比例高層建筑模型，進行實際的模擬實驗以探討團隊研究結論的合理性，并將總結出最佳的無人機工作路徑與方式，記錄有效數(shù)據(jù)，在有可能的情況下尋找合適的團隊進行溝通將想法進行更進一步的精確與更大范圍的市場推廣。

三、項目主要成果

團隊對無人機與消防車、消防裝置的連接方式與安裝方式進行了深入探究與實驗，得出了四種連接與安裝方式，同時通過實驗驗證無人機與消防車、消防裝置的不同連接形式與安裝方式滅火性能，總結出了最佳的無人機工作路徑與方式：

1.無人機吊艙荷載搭載各式滅火彈的連接與安裝方式

無人機在高層建筑滅火的應用中，吊艙荷載搭載各式滅火彈滅火是其基本功能之一。無人機與地面控制終端和消防車均以GPS信號進行無線連接，將下方原用于搭載攝像機的吊艙進行包括搭載方式、承重量等方面的改裝之后，搭載各式滅火彈（包括儲壓超細干粉滅火劑、水基高效滅火藥劑、系留高壓液體滅火劑、外墻專用滅火劑等）、火災探測攝像頭以及滅火彈控制器到達目標區(qū)域后，通過可見光或熱成像向地面控制終端與監(jiān)控中心傳遞視頻數(shù)據(jù)信息。地面控制終端向無人機發(fā)射投射信號后，無人機根據(jù)接受到的指令與探測信息，自主將滅火劑投射至滅火點，對著火區(qū)域進行撲救，并隨時將火災現(xiàn)場狀況傳遞回地面，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程掌握火災撲救情況。

通過性能模擬實驗得出以下結論：此種連接方式同時也存在撲救范圍小的缺點，因此其適用于對高層建筑初期火勢較小時，對著火區(qū)域進行針對性點式撲救，能夠有效撲滅或控制初期火情。但在若火勢較大時，則需考慮其他連接方式。

2.無人機搭載高壓水槍的連接與安裝方式

無人機搭載高壓水槍對著火區(qū)域進行撲救，能夠有效解決傳統(tǒng)火災救援中的撲救高度受限缺點。通過地面控制終端對無人機的飛行高度進行控制，無人機搭載的高壓水槍可對高層建筑的任一一層進行撲救。由于消防水帶的長度極長，無人機承載能力有限，故而需多架無人機組配合進行火災撲滅。

無人機與消防水車的連接：

第一無人機下方吊艙搭載連接消防水帶的入水口、加壓泵和高壓噴頭的水箱、用于測距及確定位置的火災探測攝像頭，在無人機腳架上設置安裝高壓噴頭及高壓噴頭控制器。同時第一無人機、地面控制終端以及消防車彼此之間也均以GPS信號進行無線連接，第一無人機搭載的火災探測攝像頭通過可見光熱成像向地面控制終端、監(jiān)控中心和消防車傳遞視頻數(shù)據(jù)信息。地面控制終端同時向無人機和消防車發(fā)射投射信號后，消防車向消防水帶進行持續(xù)供水，同時無人機自主定位滅火點，高壓噴頭將水噴至滅火點，對著火區(qū)域進行撲救。

第二無人機下方設置用于測距及確定位置的探測攝像頭、由電機驅動的繩索，繩索用于連接固定消防水帶，消防水帶連接消防車為第一無人機提供滅火所需水源。同時第二無人機、地面控制終端以及消防車彼此之間也均以GPS信號進行無線連接，以達到遠程控制的目的。第二無人機搭載的探測攝像頭通過位置定距定位第一無人機以及其他障礙物位置，在保證能為第一無人機提供水源的同時不發(fā)生碰撞。第二無人機在為第一無人機搭載消防水帶的同時觀測建筑物其他區(qū)域的情況，一旦發(fā)現(xiàn)火勢蔓延及時向地面控制中心進行反饋，一機兩用。

通過性能模擬實驗，得出以下結論：無人機搭載高壓水槍對著火區(qū)域進行撲救，能夠有效解決傳統(tǒng)火災救援中使用云梯產生的撲救高度受限的缺點。多架無人機組配合進行火災撲滅時，第二無人機在為第一無人機搭載消防水帶的同時觀測建筑物其他區(qū)域的情況，一旦發(fā)現(xiàn)火勢蔓延及時向地面控制中心進行反饋，一機兩用。但存在滅火方式單一的問題，不適用于火勢較大時。

3.多架無人機分區(qū)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式

單架無人機作業(yè)時存在撲救面小、作業(yè)效率低等問題，因此思考多架無人機分區(qū)工作，以達到增大撲救面、提高作業(yè)效率、加快撲救速度的作用。

多架無人機在火情嚴重之時，可采用分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)的分區(qū)分工方式。由地面控制終端控制，多次搭載適應火場具體情況的不同滅火劑（包括儲壓超細干粉滅火劑、水基高效滅火藥劑、系留高壓液體滅火劑、外墻專用滅火劑等），對火災進行多次撲救。

通過5G技術地面控制終端對建筑物進行合理分區(qū)，對多架無人機進行合理分工，同時對多架無人機以及消防水車進行無線控制，不同無人機火災探測儀通過無線網(wǎng)絡傳回的火災現(xiàn)場信息在控制終端進行整合，傳輸給控制中心的同時給予無人機下一步工作內容的反饋，使多架無人機聯(lián)合滅火撲救智能化組合在地面控制終端的反饋信息與自主監(jiān)測信息控制下，高效完成投射滅火劑滅火的救援工作。

通過性能模擬實驗得出以下結論：多架無人機分區(qū)聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式可采用分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)的分區(qū)分工方式，增大撲救面、提高作業(yè)效率、加快撲救速度。

4.多架無人機聯(lián)合滅火撲救智能化組合的連接與安裝方式

多架無人機可通過搭載不同功能的消防設施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，可同時完成火情探測、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運送物資等火災撲救、滅火救援工作。使火災救援工作得以在無人機的輔助之下全面高效開展。

通過地面控制終端對多架同時執(zhí)行不同滅火撲救任務的無人機以及消防水車進行無線控制，不同無人機火災探測儀通過無線網(wǎng)絡傳回的火災現(xiàn)場信息在控制終端進行整合，傳輸給控制中心的同時給予無人機下一步工作內容的反饋，使多架無人機聯(lián)合滅火撲救智能化組合高效完成包括探測火情、投射滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運送物資等火災救援工作。同時每一架無人機也隨時向地面反饋所在區(qū)域的火災情況，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程、全面掌握建筑的火災蔓延、救援、撲救情況。

通過性能模擬實驗得出以下結論：多架無人機可通過搭載不同功能的消防設施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，可同時完成火情探測、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運送物資等火災撲救、滅火救援工作。使火災救援工作得以在無人機的輔助之下全面高效開展，實現(xiàn)效率最大化。

該連接方式可通過搭載不同功能的消防設施聯(lián)合作業(yè)，分區(qū)作業(yè)、分片作業(yè)、分工作業(yè)、交叉作業(yè)，同時完成火情探測、滅火劑滅火、高壓水槍滅火、輔助搜救、運送物資等火災撲救、滅火救援工作。使火災救援工作得以在無人機的輔助之下全面高效開展。同時每一架無人機也隨時向地面反饋所在區(qū)域的火災情況，地面控制終端與監(jiān)控中心可全程、全面掌握建筑的火災蔓延、救援、撲救情況。

四、實踐意義和社會影響

項目直擊高層建筑火災撲救痛難點，提出基于5G技術的攜帶式無人機在高層建筑火災撲救中的應用以適應社會急切的需求。本項目一改以往由消防員加救火車的撲救方式，推出了基于5G技術的攜帶式無人機在高層建筑火災撲救中的應用，合理運用現(xiàn)代社會新興技術，為高層建筑安全提供更好的保障，為高層建筑使用者人身與財產安全保駕護航，存在著在社會上推廣的價值與意義。

傳統(tǒng)建筑火災撲救方式難以及時精準地撲救高層建筑火災，本項目可以攻克長久以來高層建筑火災難以撲救，發(fā)生火災時高層建筑使用者人身財產安全收到嚴重威脅的艱巨難題，消除社會公眾對高層建筑火災存在著的顧忌與畏懼，從而更好地保障社會發(fā)展的穩(wěn)定性與社會治安。

參考文獻：

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