面向高层建筑的消防无人机应用探讨
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作者:刘永军 刘卓斌 王大勇
摘 要：高层建筑火灾扑救是世界性难题，现有灭火装备及战术在应对高层建筑特别是高度大于50m的建筑火灾存在诸多困境。本文通过对国内高层建筑火灾扑救的难点分析，总结和归纳了大载荷工业无人机在高层建筑火灾扑救应用上的突出优势，详细探讨了无人机灭火装备使用的火灾场景和可以运用的灭火战术，用于灭火的难点，对今后无人机高层建筑灭火装备研制和使用具有一定的指导意义。
关键词：无人机 消防装备 高层建筑 火灾
1 引言
伴随我国城市化进程越来越快，人口集中和密集程度越来越高，城市的建筑群规模和高度也在不断刷新纪录，目前仅300m以上的高楼多达64座，100m以上的高楼有2000余栋，如加上石油、电力等行业的工业建筑则更多。但与之配套的应急救援设备的发展相对缓慢，
特别是针对高增建筑着火情况下的灭火装备，基本上还是传统的云梯+消防车模式，灭火效果很差，火情往往无法得到控制，给人民的生命财产带来极大损害，同时火灾救援的武警官兵战士的生命安全也同样无法保障。
2019.4.15法国巴黎圣母院火灾，高层极难扑救，文物损失殆尽（见图1）。2010年11月15日，上海静安胶州路一幢28层公寓楼发生特别重大火灾事故，共造成53人死亡，70人受伤。社会影响极大（见图2）。
据权威数据统计，2017年全国共接报火灾28.1万起，亡1390人，伤881人，直接财产损失36亿元，共接警118.9万起，出动人员1311.5万人次、出动车辆224.8万辆次;2018年全国共接报火灾23.7万起，亡1407人，伤798人，直接财产损失36.75亿元，接警出动115.7万起，出动消防救援人员1273.2万人次，出动消防车辆219.3万辆次;截至2019年6月，伤亡624人，火灾发生次数14.64万起，直接财产损失15.7亿元，统计情况如图3。
其中高层火灾一旦发生，危害性极大，发生次数不超10%，损失却超30%（见图4）。
2 高层火灾的扑救痛点
虽然近年来人类科技的发展迅速，但是高层建筑火灾的救援还一直是世界性难题，未有突破。高层建筑火灾具有“一快两难”的特点。即火势蔓延速度快，人员疏散困难，火灾扑救困难，这就要求灭火救援人员能够准确迅速，科学施救，最大限度挽救人员生命和降低财产损失。
传统的云梯+消防车模式存在着实际使用过程中的痛点：（1）百米数量级高层消防车，价格动辄千万以上、配置数量有限;（2）实际可操作性差，高空作业稳定性不足，晃动极大，人员站不稳，高压水枪难以控制;（3）同时设备使用和维护的成本巨大，桥梁桥洞路面通过性差，很多建筑物的消防回转通道也难以满足。（4）准备时间和展开时间也较长。经常出现火灾现场“进不去”“展不开”“够不着”的问题。因此，在消防车平台上集成大载荷无人机将消防灭火设备或者消防介质输送到更高高度是高层灭火的刚性需求。
3 消防无人机在高层火灾的应用
3.1 辅助灭火救援
突破传统的火灾救援模式，使用无人机对火情检测，生命探测、应急出动、救援设备抛投等众多领域就行辅助灭火。通过空中视角给灭火方案制定提供最真实的依据。
当灾害发生时，使用无人机进行灾情侦查。一是可以无视地形和环境，做到机动灵活开展侦查，特别是一些急难险重的灾害现场，侦查小组无法开展侦查的情况下，无人机能够迅速展开侦查。二是通过无人机侦查能够有效提升侦查的效率，第一时间查明灾害事故的关键因素，以便指挥员作出正确决策。三是能够有效规避人员伤亡，既能避免人进入有毒、易燃易爆等危险环境中，又能全面、细致掌握现场情况。四是集成偵检模块进行检测。比如集成可燃气体探测仪和有毒气体探测仪，对易燃易爆、化学事故灾害现场的相关气体浓度进行远程检测，从而得到危险部位的关键信息。
3.2 直接灭火
研发大载重的灭火飞行平台，通过搭载灭火消防栓等设备，对高层火情实施有效控制和扑灭。在高层灭火实施过程中，以安全作业为核心，采用多传感器数据融合，以适应多作业模式和极端复杂环境，开展消防灭火无人机系统研究，保障高层建筑人民生命财产安全，拥有巨大的社会效益。
高层建筑火灾扑救作业急需大载重消防灭火无人机，百公斤级以上，一次能扑灭200平方面积以上的火灾，具有较大的应用空间。火灾初期：灭火无人机控制高层火情，将火灾扑灭在初期，迅速代替灭火救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场;火灾中期：多机组合灭火战术、与举高类消防车协同作战，采用预先的战术方法扑灭中期火灾。
如我院某型消防无人机是针对高层建筑灭火救援，研发的大载荷八旋翼电动无人直升机，利用和改进现代灭火技术，采用高效灭火药剂扑救高层建筑火灾的一种全新灭火装备（见图5）。
应用场景设定为直接扑救500m以下设有外窗的室内空间火灾和建筑外墙（保温层和装饰物）火灾，具有使用范围广，全方位作业，展开迅速，操作简便的优势。
3.3 灭火战术
无人机针对高层建筑灭火战术方法可分为单机单架次，单机多架次，双机组合，多机组合灭火战术及与举高类消防车协同作战战术方法。利用无人机装备可以贯彻先控制后消灭的战术原则和内攻为主，内外夹击，以围为主，围移结合的高层建筑灭火战术方法，实现快速灭火。
首先，在起火区域下方和下方墙体的平台出喷洒专用灭火药剂，防止火势向下蔓延。其次，沿起火区域左右侧，分别由下至上喷洒专用灭火药剂，防止火势向两侧蔓延。最后无人机在保持于建筑物足够安全距离，且无人机产生的气流不会对火场烟气产生扰动的状态下，对燃烧区域直接喷射灭火。
（1）组合方式实施灭火：为了保证喷洒灭火药剂能够持续进行，在进行燃烧区域下部和两侧灭火行动时，可采用系留无人机带高压液体灭火装置，在实施燃烧区域上部喷洒或灭火时，为了避免高压液体管受高温作用，则保持无人机的机动性，可采用储压液体灭火装置进行机动喷洒作业（见图6）。 （2）内攻为主，内外夹击，以围为主，围移结合：无人机高层建筑灭火装备是高层建筑室内空域进行灭火的一种全新手段，其突出的优点是快速展开，灵活机动，与消防队员内攻结合，与举高类消防车协同，可以迅速、有效控制和扑灭高层建筑火灾。
（3）无人机可配置三种灭火载荷：储压干粉灭火装置的优点是可以迅速控制火势，灭火效率高，缺点是有人员的空间不能使用，受风力影响大;系留高压液体灭火装置的优点是可持续不间断灭火，喷射距离远，即可直接喷射灭火，也可开火喷涂外墙专用灭火药剂，缺点是受风力影响较大，储压水泵灭火装置优点是机动灵活，可以在有人员空间进行灭火，缺点是灭火效率没有储压干粉灭火装置高。
作业方式可有以下几种：
（1）单机单架次作业，可根据火场情况，在确定室内区域无生命情况下，选择储压干粉灭火装置对火势进行快速压制和灭火，对于火势较大，多个房间起火或外保温层火灾可选择系留高压液体灭火装置进行持续不间断灭火，对于楼层较高或起火区域与装备车辆存在较大水平间距的可选择储压灭火装置灭火，对有可能室内存在人员的不得选用储压干粉灭火装置作业。
（2）单机多架次作业。可根据火场情况，立足发挥无人机三种灭火装置的优势，系统的有针对性的选择不同灭火装置进行往返升空，多架次灭火作业，最大限度的发挥装备的整体效果。
（3）双机组合作业。两款无人机高层建组灭火装备参加同一火灾区域扑救，应进行合理分工，可分为分区作业，分片作业，分工作业，交叉作业四种方式。分区作业时当建筑两个及以上侧面发生火灾时，两架无人机高层建组灭火装备应停放在不同的建筑侧面各自独立实施作业。分片作业是当建筑的一个侧面发生火灾时，两架无人机高层建筑灭火装备应停放在同意建筑側面相互间距的部位，分片独立对建组上方区域实施灭火作业，防止相互干扰;分工作业是对于检测外保温层火灾。两架无人机高层建筑灭火装备应当个负责燃烧区域一侧的火势控制，交叉作业是指当建筑的一个侧面发生火灾时，两部无人机高层建筑灭火装备对同一区域火灾进行轮番起飞作业。
4 无人机用于灭火的难点
4.1 灭火新模式与传统灭火模式的磨合
传统的高层建筑采用消防车+云梯模式，高层建筑每50m设计避难层，以利于高层消防救援，采用大载荷消防无人机新方式的灭火模式，将带来消防队员培训，消防部门和设备配置，消防灭火战术制定等一系列的改变。甚至建筑标准规则也需要与新的灭火模式进行相配合的改变。
4.2 无人机技术
作为一款消防应急救援产品，需要考虑到贴合消防救援这一特殊用户的使用方便性和火灾救援这一特殊应用场景的紧急性，产品的可靠性和实用性。
消防无人机产品在大载重这一实用性要求下，技术上还需要充分考虑到模块化，安全化，智能化以保证能1min内灭火现场展开，1min内二次装载，作业一次能实际扑灭百平方以上火灾，不产生次生灾害。
4.3 行业标准
高层建筑消防无人机是横跨无人机和消防装备行业的一款产品，其产品销售或者使用，是在最终取得消防行业认证或者相关消防检测单位出备的产品许可证为基础，另建立一套行业或者企业级的高层建筑消防无人机产品配套和作业流程也是关键，需要政府应急管理部门、无人机企业、院所与行业监管部门共同努力探讨。
参考文献
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[2] 陈镔，秦正楠.八旋翼消防预警无人机设计与实现[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2019（3）：424-427.
[3] 崔彦琛，吴立志，朱红伟，等.无人机在消防通信中的应用研究[J].消防科学与技术，2019（4）.
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