摘 要：【目的】隨著社會和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，無人機(jī)運(yùn)用范圍也愈加廣泛。無人機(jī)也可應(yīng)用于消防救援?！痉椒ā勘狙芯恐饕接憣o人機(jī)應(yīng)用于消防救援中的優(yōu)勢，基于無人機(jī)搭載救援裝置的設(shè)計(jì)方案，無人機(jī)在進(jìn)行消防救援工作時(shí)的主要用途?！窘Y(jié)果】在火災(zāi)現(xiàn)場，利用無人機(jī)救援技術(shù)可以對火災(zāi)做出全面?zhèn)刹欤龀龈侠淼南谰仍袆?，保障受困群眾的生命安全?！窘Y(jié)論】無人機(jī)救援技術(shù)剛剛起步，還需繼續(xù)努力創(chuàng)新，才能滿足消防救援條件。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；消防；救援裝置；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP13? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）10-0040-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.008

Abstract：[Purposes] In the wake of developments in science and technology， the use of unmanned aerial vehicle is becoming increasingly extensive. UAV can also be used in fire rescue. [Methods] This study mainly discusses the advantages of using UAVs in fire rescue， as well as the design scheme based on UAVs carrying rescue devices and its main uses in fire rescue work. [Findings] At the fire scene， UAV rescue technology can be used to make a comprehensive reconnaissance of it， to arrange rescue operations more reasonably and thus to ensure the life safety of the trapped people. [Conclusions] Drone rescue technology has just started， and it needs to continue to strive for innovation to meet the conditions of fire rescue.

Keywords：UAV; fireprotection; rescuedevice; design

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市規(guī)模和人口密度大幅增加，城市更加擁擠，高層建筑鱗次櫛比且越建越高，社會產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)也在進(jìn)行深入調(diào)整，使得我國消防安全工作的形勢更加復(fù)雜。截至2022年，我國已擁有萬棟100 m以上的高層建筑。在我國，大跨度的建筑數(shù)量已超過1.5萬棟，已布局的燃?xì)夤艿罃?shù)量也在持續(xù)增加。同時(shí)，隨著大型新能源汽車與大型綜合體等城市運(yùn)行系統(tǒng)的復(fù)雜，城市的脆弱性也愈發(fā)突出，災(zāi)害事故的鏈?zhǔn)叫б嬉蔡幱谝环N不斷增加的趨勢。當(dāng)高樓層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，常因?yàn)闃欠拷ㄔO(shè)、違法搭建、物品堆放等問題，導(dǎo)致救援車輛很難對樓房受災(zāi)樓層中的群眾進(jìn)行有效救援。據(jù)相關(guān)報(bào)道，目前世界上高噴車出水最高為60～80 m，即便是101 m的登高平臺車，其實(shí)際使用效果也會大打折扣，如圖1所示。當(dāng)消防員因火勢較大暫時(shí)無法實(shí)施救援行動，且消防車滅火高度不足時(shí)，受災(zāi)群眾必須自保自救。但一般情況下受災(zāi)群眾的自保手段非常有限，周圍能用于自?；蛱由奈锲芬彩钟邢?，甚至連從窗口進(jìn)行逃生的救援繩索都沒有。因此，消防滅火救援面臨著新的挑戰(zhàn)。無人機(jī)具有“垂直起降、懸?！钡奶攸c(diǎn)，消防部門將消防工作與無人機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，可有效解決傳統(tǒng)消防救援方式存在的問題，使消防滅火的救援水平得到顯著提升，在消防救援中的應(yīng)用具有重要意義。

1 無人機(jī)概述

無人機(jī)是指不需要人工駕駛的飛機(jī)。在消防救援工作中，無人機(jī)可通過近距離觀察進(jìn)行消防救援，在消防救援領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景［1］。無人機(jī)可有效實(shí)施多種復(fù)雜性的救援任務(wù)，并能在遠(yuǎn)程操控模式下，按照提前設(shè)計(jì)好的航線進(jìn)行飛行，外界環(huán)境對無人機(jī)的影響較小。

消防無人機(jī)包含先進(jìn)的遙感技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、通信技術(shù)、GPS定位及微型高清數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)，配合完善的飛行管理及地面保障系統(tǒng)，能觀察到使用傳統(tǒng)消防手段無法觀察的區(qū)域，提前觀測火災(zāi)現(xiàn)場周圍情況。其中，無人機(jī)的主要系統(tǒng)為飛行管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。飛行管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)可保證無人機(jī)穩(wěn)定飛行及準(zhǔn)確及時(shí)地傳遞火災(zāi)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)資料。GPS定位、微型高清數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)等都是消防無人機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。

2 無人機(jī)及其救援裝置優(yōu)勢

無人機(jī)具有相對較低的操作和運(yùn)行費(fèi)用，易于維護(hù)和修理，訓(xùn)練周期相對較短。無人機(jī)操作簡單且有較高的機(jī)動性和靈活性，操縱人員只需掌握簡單的操作技能，便可掌握無人機(jī)的飛行。在外部環(huán)境條件惡劣時(shí)，傳統(tǒng)消防救援工作無法及時(shí)展開，這時(shí)可利用無人機(jī)開展救援工作，無人機(jī)還能在危險(xiǎn)地點(diǎn)或發(fā)生其他不利天氣情況下執(zhí)行緊急任務(wù)，大大提高消防救援人員的安全系數(shù)。

在大型高樓火災(zāi)事故中，消防員無法到達(dá)該高樓進(jìn)行勘測，通過對裝有GPS的無人機(jī)設(shè)置預(yù)達(dá)目的點(diǎn)，使無人機(jī)能精準(zhǔn)、快速地到達(dá)目的點(diǎn)［2］。消防員無法快速獲得現(xiàn)場情況，而無人機(jī)到達(dá)后可有效快速地勘測。通過無人機(jī)實(shí)時(shí)拍攝傳遞火災(zāi)現(xiàn)場畫面，消防人員在地面便能快速了解現(xiàn)場情況，通過圖像傳送有效信息到消防指揮中心，指揮中心人員可對傳回的信息進(jìn)行總結(jié)歸納分析［3］，找出滅火點(diǎn)及觀察是否還有受困人員，為救援人員選擇一條最合理、最快速的救援和逃生通道，并指揮相關(guān)人員沿著逃生通道逃離，加快救援速度，確保救援人員和被困人員的生命安全。此外，無人機(jī)還配備有紅外探測設(shè)備，可將火災(zāi)現(xiàn)場的地表探測溫度數(shù)據(jù)傳回地面，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建地表溫度分布圖，使消防指揮中心人員能了解整個(gè)火災(zāi)現(xiàn)場，及時(shí)指揮消防員對其進(jìn)行撲救。

如果勘測到有人員被困在較高樓層，消防員很難在短時(shí)間到達(dá)高層進(jìn)行救援。無人機(jī)不受地形約束，可利用其靈活輕便的優(yōu)勢，使用搭載的救援裝置將受救生繩投遞給受困人員［4］。受困人員可使用救生繩從窗口向下攀爬到安全地帶，如圖2所示。若樓層較高，且云梯救援還差點(diǎn)距離，可采用救生繩加云梯的救援方式。若樓層過高，受困人員可使用救生繩向下攀爬到無火情或者火情較小的低樓層，自行逃離火場或等待消防員救援。如果高樓層有防護(hù)欄，則須啟動切割裝置，再將救生繩投遞給受困人員；若沒有，則無須切割，直接投遞救生繩。

面對各種消防事故，將消防救援無人機(jī)投入使用，能更好地完成各類滅火救援和搶火救災(zāi)任務(wù)。

3 救援裝置的設(shè)計(jì)

3.1 救援裝置構(gòu)造

救援裝置主要由防護(hù)欄切割模塊、物品傳遞投送模塊及水霧噴灑模塊組成。遙控發(fā)射電路以集成塊IC1（TX-2BS）為核心組成，遙控接收電路以集成塊IC2 （RX-2）為核心，機(jī)械臂使用51單片機(jī)與電位器控制模塊，通過遙控器上的電位器姿態(tài)對機(jī)械臂的張開角度、伸縮長度與鋸片角度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。壓力檢查與控制模塊采用Arduino開發(fā)板對切割器的推力進(jìn)行檢測和調(diào)整，提升切割效果。

3.2 設(shè)計(jì)方案

救援裝置采用單獨(dú)的控制系統(tǒng)，一人負(fù)責(zé)監(jiān)視控制無人機(jī)飛行狀態(tài)，防止突發(fā)情況的發(fā)生；另一人控制救援裝置，使用者控制飛行器的飛行高度和方向，從而確保對準(zhǔn)目標(biāo)，使裝置的前置探桿搭在窗口和防護(hù)網(wǎng)上，以探桿為導(dǎo)軌，切割裝置移動到防護(hù)網(wǎng)前，偵測系統(tǒng)對裝置的移動距離進(jìn)行控制。通過調(diào)整發(fā)射裝置上的電位器姿態(tài)來控制機(jī)械臂的伸出與角度，對窗戶防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行抓取固定。機(jī)械臂固定到防護(hù)網(wǎng)后，無人機(jī)不對機(jī)械臂提供支撐，或只提供少量支撐。

固定在防護(hù)欄上的機(jī)械臂收縮，由于機(jī)械臂一端固定在防護(hù)欄上，另一端固定在切割機(jī)上，通過無人機(jī)圖像傳送功能來觀測切割片的方位和角度，可實(shí)時(shí)控制其對準(zhǔn)目標(biāo)，這時(shí)其會被拉向防護(hù)網(wǎng)，施加切割防護(hù)欄所需要的壓力，通過力傳感檢測和控制推桿的推力，經(jīng)51單片機(jī)的編輯來控制切割片的角度與往復(fù)運(yùn)動的自動運(yùn)行。當(dāng)切割完第一個(gè)位置的防護(hù)網(wǎng)時(shí)，機(jī)械臂張開，回收切割裝置。隨后無人機(jī)搭載著裝置，飛向第二個(gè)切割點(diǎn)，以相同的方式進(jìn)行切割。同時(shí)，機(jī)械臂會一直抓著防護(hù)網(wǎng)，防止切割后有碎片掉落，或?qū)⒎雷o(hù)網(wǎng)切割至1/2或2/3處時(shí)停止切割，這時(shí)受困者能輕易掰開防護(hù)網(wǎng)，防止切割時(shí)有碎片掉落。

切換裝置或第二架無人機(jī)直接搭載救生繩投遞裝置待命，防護(hù)網(wǎng)一旦切割完畢，即可飛行到對應(yīng)的窗口，對準(zhǔn)后將前置探桿搭在窗口上，繩子一端連在探桿前端，另一端連著固定裝置，向受困人員投遞救生繩。受困人員可直接在屋內(nèi)尋找固定點(diǎn)綁上逃生繩，也可使用設(shè)計(jì)好的鉤子或卡扣，將裝置固定在窗口進(jìn)行逃生。

為防止低層著火冒出的火焰燒毀繩索，繩索采用防火、耐火材料或吸水材料（吸水材料在吸水后，短時(shí)間內(nèi)難以被火焰燒毀，還可使用無人機(jī)對繩索不斷噴水，防止水分蒸發(fā)后繩索被火焰燒斷），必要時(shí)水霧噴灑模塊可對逃生人員或燃燒窗口進(jìn)行水霧噴灑、降溫，防止在攀爬過程中被下方樓層的火焰燒傷，如圖3所示。若樓層過高， 也可使用無人機(jī)對下面無火勢或火勢較小的樓層進(jìn)行防護(hù)網(wǎng)切割，被困人員可通過逃生繩攀爬至此窗口，通過切割缺口進(jìn)入該樓層，使高樓層受困人員先轉(zhuǎn)移至相對安全的位置，便于后期的救援。

4 無人機(jī)搭載救援裝置的運(yùn)用前景

4.1 開創(chuàng)新型救援方式，提供自救通道

以前無人機(jī)消防一般是用于偵察、攜帶滅火裝置滅火。因無人機(jī)載重量、續(xù)航和穩(wěn)定性等存在問題，無人機(jī)攜帶的滅火裝置小，滅火能力差，根本無法對大火進(jìn)行撲滅。雖然無人機(jī)可直接對高樓層進(jìn)行滅火，但其滅火能力有限，并受到窗戶防護(hù)欄和屋內(nèi)房門的阻擋，難以進(jìn)行救援滅火任務(wù)，所以導(dǎo)致目前無人機(jī)滅火的可行性不高。利用無人機(jī)飛行向受災(zāi)人員投遞自救裝備，協(xié)同救助，是一個(gè)行之有效的方式。受困人員從等待救援向自行逃離轉(zhuǎn)變，為受困人員提供新的逃生方式。

4.2 操作簡單安全，裝置結(jié)構(gòu)簡單

通過機(jī)載攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像傳輸，能實(shí)時(shí)觀測火災(zāi)狀態(tài)，便于偵測和調(diào)整狀態(tài)。采用簡單實(shí)用的機(jī)械原理實(shí)現(xiàn)物品的抓取固定和投遞。采用兩套控制系統(tǒng)，兩個(gè)人同時(shí)進(jìn)行操作，解決一人同時(shí)操作兩個(gè)系統(tǒng)無法兼顧的問題，提高操作的穩(wěn)定性。一般來說，簡單裝置的出錯(cuò)率低，可靠性高。對火災(zāi)救援來講，時(shí)間就是生命，救援更要爭分奪秒，進(jìn)行救援時(shí)出現(xiàn)故障很有可能導(dǎo)致被困人員受傷或延誤救援時(shí)間，所以裝置的可靠性必須得到保證。

4.3 救援裝置成本低，切割器和投遞裝置均采用外部插件式

采用插接模式來搭載裝備，一臺無人機(jī)可搭載不同的裝置，隨時(shí)更換，一般情況一兩臺無人機(jī)即可實(shí)現(xiàn)救援。無人機(jī)在不同場景搭載不同的裝置，救援裝置電量不足時(shí)，只需更換電池即可繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，且無人機(jī)的運(yùn)行成本也較低。

4.4 無人機(jī)靈活，飛行速度快，救援速度提高

無人機(jī)體積小、靈活、飛行速度快，飛行速度能達(dá)到100 km/h，而人的奔跑速度為5～10 km/h。救援裝置搭載在無人機(jī)上時(shí)，可利用無人機(jī)速度快和靈活的優(yōu)點(diǎn)，對有自救條件的人員先進(jìn)行自救裝置的投遞和協(xié)助救援，消防員可對無法自救的人員進(jìn)行救援，兩路救援同時(shí)進(jìn)行，加快救援速度。此外，無人機(jī)可對多個(gè)窗口投遞救生繩，進(jìn)行多通道同時(shí)救援。

4.5 搭載其他輔助救援裝置

無人機(jī)除了在飛行中具有極強(qiáng)的靈活性之外，在攜帶和使用其他設(shè)備工具上也有極強(qiáng)的靈活性。無人機(jī)除了搭載常規(guī)的攝像頭、紅外探測等設(shè)備外，還可根據(jù)現(xiàn)場情況來更換可搭載的救援裝置，其種類也比較豐富［5］。可攜帶防毒面具、強(qiáng)照明燈、大功率擴(kuò)音器等，協(xié)助受困人員逃離火災(zāi)現(xiàn)場。還可根據(jù)災(zāi)情不同攜帶不同類型的滅火設(shè)備，以此來保障救援工作順利展開，盡可能減少人員受傷及保障財(cái)產(chǎn)安全。

5 無人機(jī)救援裝置存在的問題及改進(jìn)措施

5.1 承重及續(xù)航能力不足

在進(jìn)行消防救援時(shí)，無人機(jī)要攜帶各種救援裝置，當(dāng)某些裝置過重時(shí)，會導(dǎo)致無人機(jī)動力不足無法起飛或無法到達(dá)發(fā)生火災(zāi)的樓層。所以，在今后的研發(fā)中應(yīng)盡可能提高無人機(jī)的承重能力，來滿足消防需求。若現(xiàn)場情況復(fù)雜，無人機(jī)要四處偵察，并為受困人員提供救援設(shè)備，導(dǎo)致耗電量增大，時(shí)間稍長，無人機(jī)就得返回地面更換電池，這就導(dǎo)致救援時(shí)間增長，但消防工作不允許被耽擱。這就需要消防無人機(jī)使用新型電池、混合動力、無線充電等新型技術(shù)，以此來提高無人機(jī)的續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)持續(xù)救援的目的。

5.2 防火耐高溫性能有待提高

無人機(jī)攜帶著全程畫面監(jiān)控設(shè)備，在出行任務(wù)中要接近火源，熱對流、煙塵、風(fēng)向等環(huán)境因素都會對無人機(jī)及其監(jiān)控設(shè)備造成影響。若沒有超高的耐熱性，無人機(jī)設(shè)備會受損，導(dǎo)致無法傳遞有效信息，且增大救援成本。對此，可讓無人機(jī)與火災(zāi)現(xiàn)場保持一定距離，提高監(jiān)控設(shè)備的分辨率，升級無人機(jī)機(jī)身使用的隔燃材料及在其表面涂上防火絕熱層，以此來延長無人機(jī)使用壽命。

5.3 受信號干擾影響較大

高樓火災(zāi)救援中，建筑物遮擋及周圍存在的信號都會干擾設(shè)備，會對無人機(jī)信號接收產(chǎn)生影響。為降低其影響，可在火災(zāi)現(xiàn)場周圍設(shè)置信號增強(qiáng)器或移動基站輔助進(jìn)行信號連接，以此來實(shí)現(xiàn)及時(shí)接收信號及傳遞信息的目的。

6 結(jié)語

消防工作刻不容緩，為了使消防救援工作效率得到有效提高，需要合理運(yùn)用當(dāng)代科學(xué)技術(shù)，如將無人機(jī)投入到救援工作中，更好保障人員生命安全，減少財(cái)產(chǎn)損失。隨著科技的不斷創(chuàng)新，無人機(jī)消防救援技術(shù)愈發(fā)成熟，運(yùn)用也會越來越廣泛。對此，消防部門應(yīng)對相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行無人機(jī)操作能力的培訓(xùn)，并針對無人機(jī)承重和續(xù)航問題繼續(xù)研究優(yōu)化，提高無人機(jī)的使用性能，促進(jìn)消防事業(yè)的發(fā)展。

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［5］康凱.無人機(jī)在消防滅火救援工作中的應(yīng)用研究［J］.武警學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（10）：27-29.

收稿日期：2023-02-02

作者簡介：張明（2002—），女，本科生，研究方向：電氣工程及其自動化。