引言

在城市化進程中，高層建筑火災呈現(xiàn)立體蔓延、多點燃燒等新特征，傳統(tǒng)救援模式受限于裝備效能與作業(yè)環(huán)境，難以滿足快速控火需求。無人機憑借其空間機動優(yōu)勢與智能載荷擴展能力，為消除高層火場偵察盲區(qū)、優(yōu)化滅火戰(zhàn)術(shù)路徑提供了全新解決方案。本文將探討無人機系統(tǒng)在災情研判、力量協(xié)同與戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行等環(huán)節(jié)的應用范式，旨在構(gòu)建適應超高層建筑火災特點的智能救援理論框架。

一、高層建筑火災特點及傳統(tǒng)撲救方式的局限性

（一）高層建筑火災特點

高層建筑火災的動力學特征顯著區(qū)別于低層建筑，其災變過程呈現(xiàn)立體化、復合化發(fā)展趨勢。建筑內(nèi)部復雜的豎向管井與幕墻空腔形成天然煙道，火災初期產(chǎn)生的熱煙氣在浮力作用下沿垂直通道快速上升，形成強烈的煙囪效應。這種效應不僅加速了火勢向未燃區(qū)域蔓延，還導致建筑內(nèi)部能見度驟降。高溫有毒煙氣在避難層、設備層等封閉空間內(nèi)積聚，嚴重壓縮人員安全疏散的黃金時間。建筑外立面幕墻系統(tǒng)與內(nèi)部裝修材料的可燃性，進一步加劇火災風險。幕墻空腔內(nèi)的空氣對流為火焰提供了持續(xù)的供氧環(huán)境，而保溫材料的熱解特性可能引發(fā)熔融滴落現(xiàn)象，形成垂直方向的飛火傳播路徑。在超高層建筑中，受限于結(jié)構(gòu)自重與風荷載要求，核心筒與避難層的防火分隔設計往往難以完全阻斷高溫煙氣在建筑內(nèi)部的擴散，形成多點燃燒的復雜火場態(tài)勢。

（二）傳統(tǒng)高層建筑火災撲救方式的局限性

傳統(tǒng)滅火救援體系在應對高層建筑火災時呈現(xiàn)明顯的效能衰減。舉高類消防車輛受機械臂展與道路承載力的雙重制約，其作業(yè)高度通常難以突破，展開場地受周邊建筑密度與高空障礙物影響顯著。當火勢突破建筑中區(qū)向頂層發(fā)展時，地面供水系統(tǒng)面臨靜水壓力不足的物理瓶頸，垂直鋪設水帶所需的時間成本與人力消耗往往超過火勢發(fā)展速度。建筑內(nèi)部消防設施的作戰(zhàn)效能受火場環(huán)境影響顯著。機械排煙系統(tǒng)在高溫煙氣中易發(fā)生電機過載停機，防火卷簾的熔斷裝置可能因局部溫升過快而提前啟動，導致防火分區(qū)失效。消防員內(nèi)攻作業(yè)時，攜帶裝備的負重限制與空氣呼吸器有效使用時間的矛盾突出，熱輻射引發(fā)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)風險迫使內(nèi)攻小組頻繁輪換，嚴重影響滅火進程。現(xiàn)有指揮體系的信息感知能力難以匹配火場動態(tài)變化。建筑內(nèi)部信號屏蔽效應導致無線通信中斷，火場偵察主要依賴人工抵近觀察，信息傳遞的滯后性使得指揮決策與火情發(fā)展形成時間差。

二、無人機消防應用關(guān)鍵技術(shù)分析

（一）無人機平臺技術(shù)

無人機平臺作為消防作業(yè)的空中載體，其技術(shù)成熟度直接決定任務執(zhí)行效能。在結(jié)構(gòu)設計層面，需突破傳統(tǒng)氣動布局限制，采用可變構(gòu)型機翼與矢量推進系統(tǒng)相結(jié)合的復合式設計。通過機翼折疊機構(gòu)實現(xiàn)飛行模態(tài)智能切換，在狹窄空間采用四旋翼模式保持懸停穩(wěn)定性，進入開闊空域后自動切換固定翼模式，提升巡航效率。動力系統(tǒng)需兼顧能量密度與熱防護性能，開發(fā)耐高溫固態(tài)電池與渦輪增壓內(nèi)燃機的混合動力方案，確保在熱羽流擾動環(huán)境下的持續(xù)作業(yè)能力。針對高層建筑特有的電磁干擾環(huán)境，推進多頻段跳頻通信與慣性導航的深度融合，構(gòu)建不依賴衛(wèi)星信號的自主定位系統(tǒng)。材料科學領域的突破為平臺性能提升提供支撐。機身主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維－陶瓷基復合材料，在保證結(jié)構(gòu)強度的同時，實現(xiàn)熱輻射反射率最大化。旋翼系統(tǒng)引入形狀記憶合金材料，高溫形變后可自主恢復氣動特性。起落裝置集成壓電傳感器與主動減震模塊，實現(xiàn)在傾斜屋面、破碎幕墻等非結(jié)構(gòu)化著陸面的自適應吸附。模塊化設計理念貫穿平臺研發(fā)全過程，通過標準化接口實現(xiàn)偵察、滅火、運輸?shù)裙δ芙M件的快速換裝，滿足火場態(tài)勢動態(tài)變化對任務重構(gòu)的迫切需求。

（二）感知與控制技術(shù)

多源感知系統(tǒng)的深度融合是突破火場信息壁壘的核心。采用多光譜成像雷達與激光氣體檢測儀聯(lián)用技術(shù)，構(gòu)建三維立體偵察網(wǎng)絡?？梢姽鈹z像機負責獲取建筑外部破損情況，紅外熱像儀穿透煙霧識別隱蔽火點，紫外傳感器實時捕捉電弧放電現(xiàn)象。氣體檢測單元通過飛行軌跡規(guī)劃實現(xiàn)煙氣成分動態(tài)采樣，結(jié)合深度學習算法預測有毒氣體擴散路徑[2]。針對玻璃幕墻造成的信號衰減問題，開發(fā)毫米波雷達與超寬帶穿透成像技術(shù)，準確識別墻體后方的人員熱源與結(jié)構(gòu)變形。智能飛行控制系統(tǒng)需破解復雜擾流環(huán)境下的穩(wěn)定控制難題。建立基于計算流體力學的高層建筑繞流模型，預判不同高度層的湍流強度分布。采用模型預測控制算法，使無人機在強風干擾下仍能保持航跡精度。多機協(xié)同作業(yè)時，通過分布式群體智能算法實現(xiàn)動態(tài)任務分配，當某架無人機因熱上升氣流偏離預定航線時，系統(tǒng)自動調(diào)整編隊構(gòu)型并重新分配偵察區(qū)域。

（三）專業(yè)消防裝備技術(shù)

滅火載荷的精準投送依賴專用裝備的技術(shù)突破。研發(fā)耐高溫壓縮空氣泡沫噴射系統(tǒng)，通過文丘里效應實現(xiàn)滅火劑的高效霧化。設計可變徑矢量噴管，根據(jù)火場高度自動調(diào)節(jié)射流形態(tài)，低空作業(yè)時采用廣角覆蓋模式壓制地表火，高空噴射時切換為集束模式穿透窗戶玻璃。針對幕墻空腔火災特點，開發(fā)電磁吸附式滅火彈，彈體接觸建筑立面后自動激活延時引信，待穿透至空腔內(nèi)部再釋放全氟已酮氣體，實施室息滅火。特種任務裝備需與無人機平臺形成深度耦合。系留式供電系統(tǒng)采用輕質(zhì)復合電纜與自動收放機構(gòu)，在確保持續(xù)能源供給的同時，避免線纜纏繞風險。破拆救援吊艙集成激光切割器與液壓擴張鉗，通過力反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程精準操作。生命探測陣列采用MEMS傳感器與微波雷達融合探測，在廢墟堆積場景中實現(xiàn)被困人員的厘米級定位。

三、無人機技術(shù)在高層建筑火災撲救中的應用優(yōu)勢

無人機技術(shù)在高層建筑火災處置中展現(xiàn)出多維度的戰(zhàn)術(shù)革新價值。相較于傳統(tǒng)救援手段，其核心優(yōu)勢在于突破物理空間限制，構(gòu)建起立體化作戰(zhàn)能力體系。通過多源感知融合與智能決策支持，無人機可快速穿透濃煙屏障，實時捕捉火勢蔓延路徑、結(jié)構(gòu)損傷程度及人員受困位置等關(guān)鍵信息，為指揮中樞提供動態(tài)更新的三維態(tài)勢圖。這種全維感知能力有效地彌補了人工偵察的視野盲區(qū)與響應遲滯，尤其在建筑內(nèi)部通信中斷的極端工況下，無人機搭載的自主導航系統(tǒng)仍能持續(xù)回傳火場核心區(qū)數(shù)據(jù)，顯著提升災情研判的時效性與準確性。在戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行層面，無人機技術(shù)實現(xiàn)了滅火救援的精準化與前置化。通過模塊化掛載設計，無人機可靈活切換破拆、滅火、物資投送等任務模式，直接對建筑中上部火源實施定點打擊。耐高溫噴射系統(tǒng)配合可變徑噴管技術(shù)，使滅火劑能夠穿透幕墻空腔或玻璃幕墻縫隙，精準覆蓋傳統(tǒng)水槍難以觸及的隱蔽火點[3]。同時，多機協(xié)同編組形成的空中作業(yè)網(wǎng)絡，可構(gòu)建起從地面到高區(qū)的立體供水鏈路，突破靜水壓力限制導致的垂直供水瓶頸，確保滅火劑持續(xù)輸送至作戰(zhàn)高度。

四、無人機在高層建筑火災撲救中的應用場景

（一）火災前期偵察與風險評估

在火情初起階段，無人機系統(tǒng)可快速構(gòu)建三維偵察網(wǎng)絡，突破傳統(tǒng)人工偵察的時空限制。通過多光譜成像設備與激光雷達的協(xié)同作業(yè)，無人機能夠穿透建筑外立面玻璃幕墻與濃煙屏障，精準識別起火點熱源分布與煙氣擴散路徑。紅外熱像儀以每秒30幀的采樣頻率對建筑外立面進行全景掃描，結(jié)合深度學習算法自動標注溫度異常區(qū)域，實時解譯火勢垂直蔓延趨勢。針對建筑內(nèi)部復雜空間結(jié)構(gòu)，無人機搭載的毫米波雷達可生成三維點云模型，準確還原樓梯井、設備層等關(guān)鍵部位的煙氣積聚狀態(tài)，為預判火場動力學演變提供數(shù)據(jù)支撐。在結(jié)構(gòu)安全評估方面，無人機采用聲發(fā)射檢測與視覺應變分析相結(jié)合的技術(shù)手段。壓電傳感器陣列實時采集建筑承重構(gòu)件在高熱環(huán)境下的應力波信號，通過模態(tài)分析算法識別鋼結(jié)構(gòu)梁柱的屈曲風險。高清攝像機配合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，對幕墻連接節(jié)點進行亞像素級位移監(jiān)測，當檢測到超過安全閾值的形變量時，系統(tǒng)自動觸發(fā)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)預警。此類多維數(shù)據(jù)通過邊緣計算設備實時融合后，可生成動態(tài)風險評估矩陣，為指揮員制定力量部署方案提供科學依據(jù)。

（二）火災撲救過程中的實時監(jiān)控與指揮

火場態(tài)勢的動態(tài)感知需要構(gòu)建空地協(xié)同的立體監(jiān)控體系。無人機編隊采用蜂群控制算法，在建筑外圍形成多層偵察環(huán)。外層無人機群搭載廣域監(jiān)控設備，持續(xù)追蹤飛火飄落軌跡與玻璃幕墻爆裂范圍；中層機群通過可變焦云臺對窗口噴火現(xiàn)象進行特寫拍攝，結(jié)合火焰顏色光譜分析燃燒物質(zhì)類別；抵近偵察單元利用超寬帶穿墻雷達，實時監(jiān)測室內(nèi)人員生命體征與疏散通道阻塞情況。所有感知數(shù)據(jù)通過抗干擾數(shù)據(jù)鏈回傳至指揮中樞，經(jīng)時空配準后形成分鐘級更新的數(shù)字孿生火場模型。在戰(zhàn)術(shù)指揮層面，無人機系統(tǒng)深度融入指揮決策閉環(huán)?；趶娀瘜W習算法的路徑規(guī)劃模塊，可自動生成內(nèi)攻小組最優(yōu)行進路線，規(guī)避已識別的高溫區(qū)域與結(jié)構(gòu)危險區(qū)。當火場出現(xiàn)爆燃征兆時，機載氣體檢測單元通過監(jiān)測CO濃度梯度變化，提前30秒觸發(fā)撤離警報。多機協(xié)同的通信中繼功能有效解決建筑內(nèi)部信號屏蔽問題，通過構(gòu)建動態(tài)自組網(wǎng)，實現(xiàn)地下車庫至頂層避難層的全樓層語音通信覆蓋。指揮員可通過增強現(xiàn)實終端，實時查看無人機投射在建筑立面的熱力分布圖與安全作業(yè)邊界標識，顯著提升戰(zhàn)術(shù)指令的精準性與時效性[4]。

（三）直接參與滅火救援行動

無人機在戰(zhàn)術(shù)執(zhí)行層面展現(xiàn)出多任務耦合的作業(yè)能力。針對外立面立體火勢，采用“察打一體”作戰(zhàn)模式：前導偵察機通過激光測距儀標定破拆點位，滅火無人機隨即抵近發(fā)射超高壓細水霧，在幕墻空腔內(nèi)部形成局部惰化環(huán)境。對于高層室內(nèi)火點，無人機掛載柔性機械臂穿透窗戶實施精準滅火，末端執(zhí)行器集成溫度反饋系統(tǒng)，可自動調(diào)節(jié)泡沫混合比與噴射角度，確保滅火劑在受限空間內(nèi)的最優(yōu)覆蓋效率。在人員營救領域，無人機突破傳統(tǒng)救援裝備的物理限制。系留式無人機搭載生命探測雷達懸停于受困區(qū)域外圍，通過多普勒效應識別敲擊聲源方位。救援無人機隨后投送應急呼吸面罩與定位信標，為受困者構(gòu)建臨時安全區(qū)。針對無法立即轉(zhuǎn)移的傷員，無人機可構(gòu)建空中物資輸送通道，通過磁力吸附裝置將止血包、生理鹽水等急救物資精準投送至狹窄陽臺或避難間。在極端情況下，重型無人機可配合云梯車實施聯(lián)合救援，利用碳纖維吊索建立高空生命線，實現(xiàn)受困人員的分段轉(zhuǎn)移。

（四）災后評估與重建支持

火災撲滅后，無人機系統(tǒng)轉(zhuǎn)入災損評估與事故調(diào)查工作模式。通過傾斜攝影技術(shù)獲取建筑外立面高清正射影像，結(jié)合點云數(shù)據(jù)自動生成結(jié)構(gòu)損傷分布熱力圖。深度學習算法對裂縫寬度、混凝土剝落面積等損傷特征進行量化分析，輸出建筑安全等級評估報告。在內(nèi)部勘察環(huán)節(jié)，無人機搭載的X射線探傷儀對承重墻內(nèi)部鋼筋銹蝕程度進行無損檢測，微波濕度傳感器精確測定各樓層殘余含水量，為結(jié)構(gòu)加固方案提供數(shù)據(jù)支撐。在事故復盤層面，無人機采集的多模態(tài)數(shù)據(jù)為火災原因調(diào)查提供關(guān)鍵證據(jù)鏈。熱斑演變時序圖可追溯火勢蔓延路徑，氣體濃度變化曲線輔助還原轟燃發(fā)生時間點，結(jié)構(gòu)形變監(jiān)測數(shù)據(jù)則揭示建筑失效機理。所有數(shù)據(jù)接人火災動力學仿真平臺后，可重構(gòu)火災全周期發(fā)展模型，為改進建筑防火設計、優(yōu)化消防應急預案提供科學依據(jù)。此外，無人機生成的數(shù)字化檔案為保險理賠與責任認定提供客觀證據(jù)，其毫米級精度的三維模型可永久保存建筑災后狀態(tài)，形成珍貴的火災研究樣本庫

結(jié)語

無人機技術(shù)的深度應用，標志著高層建筑火災撲救從平面作戰(zhàn)向立體攻防的范式轉(zhuǎn)變。通過多機協(xié)同偵察、智能決策支持與精準戰(zhàn)術(shù)干預，無人機技術(shù)有效延展了消防力量的作戰(zhàn)半徑與響應精度。未來，研究需進一步突破復雜氣流環(huán)境下的穩(wěn)定控制、多任務載荷集成優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，同時完善空地協(xié)同作戰(zhàn)規(guī)程，推動無人機系統(tǒng)深度融入消防救援體系，為超大城市安全治理提供可靠保障。

參考文獻

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