陳躍光 袁狄平 張嘉毅 倪衛(wèi)國

摘要：針對(duì)目前超高層建筑滅火救援普遍存在的救援裝備外攻手段匱乏、消防員內(nèi)攻滅火效率低等問題，研發(fā)繩索布放無人機(jī)、負(fù)重爬繩機(jī)器人、懸掛式遙控滅火平臺(tái)、懸掛式救援平臺(tái)等新型系留式智能滅火救援裝備，構(gòu)建基于跨越超高層建筑人字形繩索通道的多裝備協(xié)同新型無人智能滅火救援平臺(tái)，為超高層建筑滅火救援補(bǔ)充提供一種新型的外攻手段。選取上海某超高層建筑開展平臺(tái)測試，結(jié)果表明：無人智能滅火救援平臺(tái)安全有效，全面提升了超高層建筑滅火救援能力，同時(shí)為后續(xù)新型無人智能滅火救援平臺(tái)在超高層建筑的推廣應(yīng)用提供了參考和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：滅火救援;智能滅火救援裝備;無人智能滅火救援平臺(tái);超高層建筑

超高層建筑的滅火救援一直是公認(rèn)的世界性難題。超高層建筑是指高度>100m的建筑物，因其高度高、體量大、功能復(fù)雜、危險(xiǎn)源多且火災(zāi)荷載大，一旦發(fā)生火災(zāi)，超高層建筑具有火勢蔓延快、人員疏散難和火災(zāi)撲救難度大等特點(diǎn)，易造成較大的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和社會(huì)恐慌等嚴(yán)重后果[1]。

針對(duì)超高層建筑的滅火救援，國內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究。魏捍東[2]等針對(duì)央視“2·9”火災(zāi)特點(diǎn)，分析超高層建筑火災(zāi)危險(xiǎn)性與火災(zāi)撲救難點(diǎn)，探討超高層建筑滅火對(duì)策;王璐[3]針對(duì)超高層建筑火災(zāi)環(huán)境，提出滅火機(jī)器人外部介入式執(zhí)行機(jī)構(gòu)和輔助軌道攀爬形式，開展超高層建筑外部介入式智能滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì);張延偉[4]圍繞無人機(jī)在消防救援領(lǐng)域的應(yīng)用，研究超高層建筑火災(zāi)撲救的解決方案，利用無人機(jī)開展機(jī)載輔助滅火和救援;汪映標(biāo)[5]等針對(duì)超高層建筑火災(zāi)特點(diǎn)，發(fā)明一種能夠?qū)⒏邏簢婌F槍與無人機(jī)有效結(jié)合，并能方便實(shí)現(xiàn)與高壓噴霧槍和無人機(jī)連接的管道及線纜同步收放的超高層建筑無人機(jī)消防車;涂文兵[6]等利用現(xiàn)有導(dǎo)彈消防車精準(zhǔn)投放消防滅火導(dǎo)彈的特點(diǎn)，在消防導(dǎo)彈運(yùn)載艙內(nèi)部加設(shè)救援機(jī)器人，發(fā)明一種基于導(dǎo)彈消防車的超高層建筑火災(zāi)救援方法和裝置。

綜上所述，目前國內(nèi)暫未開展無人智能滅火平臺(tái)在超高層建筑的應(yīng)用研究，因此有必要研發(fā)新型系留式無人智能滅火救援裝備，構(gòu)建集偵察、滅火、救援于一體的基于跨越超高層建筑人字形繩索通道的多裝備協(xié)同新型智能滅火救援作業(yè)平臺(tái)，有效提升超高層建筑滅火救援能力。

1? 消防救援難點(diǎn)分析

目前，我國超高層建筑數(shù)量眾多，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，已達(dá)全球六成以上的數(shù)量規(guī)模，且每年仍有大量超高層建筑落成，消防安全壓力極大。針對(duì)超高層建筑消防滅火救援措施，筆者通過現(xiàn)場調(diào)研并與當(dāng)?shù)叵谰仍畽C(jī)構(gòu)交流，發(fā)現(xiàn)主要存在如下問題：

1.1? 救援裝備外攻手段匱乏

目前，國內(nèi)消防救援隊(duì)伍配置的超高層建筑滅火用消防車最大工作高度僅為101m，且自重大、展開準(zhǔn)備時(shí)間長、作業(yè)約束條件多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足超高層建筑的滅火救援需求;超高層建筑因其高度高、豎井多，火災(zāi)豎向蔓延快，且燃燒滴落物易形成二次災(zāi)害，對(duì)消防救援人員和裝備不利;直升機(jī)、無人機(jī)等新型消防救援裝備在我國目前消防救援工作中尚未得到有效發(fā)揮[7]。

1.2? 消防員內(nèi)攻滅火效率低

超高層建筑發(fā)生火災(zāi)，消防員穿戴個(gè)人防護(hù)用品并攜帶相關(guān)消防救援裝備，首先乘坐消防電梯到達(dá)著火層的下一層，然后通過樓梯間進(jìn)入著火樓層滅火，如果火勢較大導(dǎo)致消防電梯系統(tǒng)斷電，消防員僅能通過樓梯間進(jìn)入著火樓層，因個(gè)人防護(hù)用品、消防救援裝備較重且建筑較高，到達(dá)著火樓層會(huì)消耗大量體力，導(dǎo)致滅火救援效率降低;固定消防設(shè)施完好率低，供水方式主要靠消防員沿樓梯間蜿蜒垂直敷設(shè)水帶，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且供水可靠性低[7-8]。

2? 研發(fā)智能滅火救援裝備

根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)超高層建筑滅火救援存在的問題，堅(jiān)持“以固為主、固移結(jié)合”的滅火作戰(zhàn)原則，研發(fā)繩索布放無人機(jī)、負(fù)重爬繩機(jī)器人、懸掛式遙控滅火平臺(tái)、懸掛式救援平臺(tái)等新型系留式智能滅火救援裝備，有效補(bǔ)充豐富消防救援隊(duì)伍外攻手段。

2.1? 繩索布放無人機(jī)

文章主要研發(fā)無人機(jī)（圖1）和放繩器（圖2）、消防專用繩索等輔助裝置。無人機(jī)從結(jié)構(gòu)上分為機(jī)臂、機(jī)身、電源系統(tǒng)、繩索布放系統(tǒng)等，拆卸容易、組裝維護(hù)方便;具有較大載荷能力、續(xù)航能力、抗風(fēng)能力和高可靠性，利用基于離線模型與在線建模相結(jié)合的自適應(yīng)控制、實(shí)時(shí)優(yōu)化復(fù)雜環(huán)境下的避障技術(shù)和飛行軌跡實(shí)時(shí)重規(guī)劃技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航跡上障礙的避碰避危。放繩器主要包括固定安裝機(jī)構(gòu)、繩索纏繞機(jī)構(gòu)、繩索拋放和鎖定裝置等，采用雙通道冗余控制繩索布放投擲，雙差分GPS/北斗模塊精準(zhǔn)定位布放，精確控制繩索的拋放角度和力度、下放速度和長度，從而保證投放可靠性，還可對(duì)繩索進(jìn)行鎖定，避免打滑。消防專用繩索考慮超高層建筑應(yīng)用場景的特殊性，重點(diǎn)關(guān)注繩索的機(jī)械性能和防火性能，分析其在縱向和橫向上的抗拉伸和抗扭曲等形變能力，保證其在滅火救援過程中可以被反復(fù)地拉伸和纏繞，并能適應(yīng)不同類型火災(zāi)的現(xiàn)場高溫等惡劣條件。

繩索布放無人機(jī)除跨越超高層建筑構(gòu)建繩索滅火救援通道外，還具備火情偵察功能?；诳臻g火焰、煙霧圖像、建筑內(nèi)外熱流場特征的多信息融合識(shí)別模型和火點(diǎn)定位算法，搭載紅外相機(jī)和可見光相機(jī)同時(shí)拍攝燃燒區(qū)域，紅外相機(jī)負(fù)責(zé)跟蹤火點(diǎn)，通過對(duì)火點(diǎn)特征較清晰的紅外圖像進(jìn)行分析處理，輸出控制信號(hào)及時(shí)調(diào)整云臺(tái)的角度，保證燃燒區(qū)域目標(biāo)不會(huì)移出同步拍攝的可見光鏡頭畫面，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫區(qū)域的自動(dòng)追蹤。

圖1? 繩索布放無人機(jī)? ? ? ? ? ? ? ? ?圖2? 放繩器

2.2? 負(fù)重爬繩機(jī)器人

主要研發(fā)繩索用負(fù)重爬繩機(jī)器人，含緊繩器等輔助裝置（圖3）。負(fù)重爬繩機(jī)器人主要由繩索導(dǎo)引機(jī)構(gòu)、纏繞機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其中導(dǎo)引機(jī)構(gòu)用于提供繩索由下至上穿過爬繩機(jī)器人的通道，纏繞機(jī)構(gòu)用于提供繩索在爬繩機(jī)器人中的纏繞固定結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)爬繩機(jī)器人沿繩索通道進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)。為保證爬繩機(jī)器人所攜帶懸掛式遙控滅火平臺(tái)和救援平臺(tái)在作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，并綜合考慮救援效率，研發(fā)自主智能控制和空中平衡穩(wěn)定技術(shù)，確保爬繩機(jī)器人可沿繩索滅火救援通道按設(shè)定速度上下運(yùn)動(dòng)，并能在任意設(shè)定高度通過緊繩器進(jìn)行固定，開展相應(yīng)滅火和救援作業(yè)。爬繩機(jī)器人采用直流無刷機(jī)器驅(qū)動(dòng)，由大功率大容量的鋰電池進(jìn)行供電，具備視頻傳送、應(yīng)急廣播、應(yīng)急供電和斷電穩(wěn)定懸掛等功能。

圖3? 負(fù)重爬繩機(jī)器人

2.3? 懸掛式遙控滅火平臺(tái)

主要研發(fā)高壓水炮（圖4）、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)改變裝置和遙控指令接收器等，構(gòu)建懸掛式遙控滅火平臺(tái)（圖5）。負(fù)重爬繩機(jī)器人攜帶懸掛式遙控滅火平臺(tái)沿繩索滅火救援通道到達(dá)作業(yè)點(diǎn)，開展精準(zhǔn)定位噴水滅火。遙控滅火平臺(tái)采用無后坐力的超高層建筑專用高壓水炮，安裝增壓泵等噴射加速裝置保障高壓水的有效噴射距離，利用智能化控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和陀螺儀傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)高壓水炮的水平和俯仰覆蓋角度，并通過在平臺(tái)框架上安裝電動(dòng)高速噴氣發(fā)生器來穩(wěn)定保持高壓水炮的工作姿態(tài)，滿足滅火作業(yè)時(shí)間要求。針對(duì)不同高度范圍的著火點(diǎn)，研究懸掛式遙控滅火平臺(tái)高壓水穩(wěn)定射流實(shí)現(xiàn)方案，保證高壓水滅火所需的流量和壓力。懸掛式遙控滅火平臺(tái)還配置高清攝像頭，實(shí)時(shí)將高壓水炮出水和火災(zāi)滅火情況傳回地面控制臺(tái)，以便操作人員實(shí)時(shí)監(jiān)控并能更快更精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)滅火角度，提高滅火效率。

圖4? 高壓水炮? ? ? ? ?圖5? 懸掛式遙控滅火平臺(tái)

2.4? 懸掛式救援平臺(tái)

主要研發(fā)救援吊籃及保險(xiǎn)繩等相關(guān)輔助裝置，構(gòu)建懸掛式救援平臺(tái)（圖6）。負(fù)重爬繩機(jī)器人攜帶懸掛式救援平臺(tái)沿繩索滅火救援通道到達(dá)救援登陸點(diǎn)，進(jìn)行物資輸送或開展人員救援作業(yè)。救援吊籃空間設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固可靠，每次可載4人，最大負(fù)載1000kg，保障救援的有效性。所有材料均無毒無污染，且具有防火、耐磨和耐腐蝕等功能，吊籃內(nèi)配置可調(diào)節(jié)安全帶，救援場地配置安全氣囊，保證救援人員的安全性。懸掛式救援平臺(tái)還配置高清攝像頭，實(shí)時(shí)將空中的救援情況和人員狀態(tài)等信息傳回地面控制臺(tái)，以便操作人員隨時(shí)調(diào)整救援方案，提高救援效率。

圖6? 懸掛式救援平臺(tái)

3? 構(gòu)建無人智能滅火救援平臺(tái)

研發(fā)新型系留式智能滅火救援裝備，通過系統(tǒng)集成并實(shí)現(xiàn)整體功能控制，構(gòu)建一套集偵察、滅火、救援于一體的新型無人智能滅火救援作業(yè)平臺(tái)，全套設(shè)備可裝載在小車內(nèi)，具備較好的城市道路通行性能，可通過寬度600mm的狹窄通道，并可在最小5m2的地域展開并進(jìn)行滅火救援工作。新型無人智能滅火救援作業(yè)平臺(tái)主要由傳感模塊、繩索布放模塊、升/降控制模塊、滅火模塊和救援模塊等構(gòu)成（圖7）。

圖7? 新型無人智能滅火救援平臺(tái)

接到火警后，裝載新型無人智能滅火救援平臺(tái)的小車可以快速到達(dá)現(xiàn)場。首先操作無人機(jī)升空進(jìn)行建筑整體外觀勘探和火情偵察，無人機(jī)通過傳感模塊將獲取的建筑外觀和現(xiàn)場火情信息傳送至新型無人智能滅火救援平臺(tái)，通過平臺(tái)數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場指揮人員綜合研判，生成繩索布放無人機(jī)飛行軌跡、通道兩側(cè)錨點(diǎn)選擇建議和繩索通道布設(shè)方案等;然后現(xiàn)場確定建筑兩側(cè)錨點(diǎn)，固定起飛側(cè)錨點(diǎn)后通過繩索布放模塊操縱繩索布放無人機(jī)攜帶消防專用繩索升空，跨越超高層建筑操作拋繩裝置放繩后降落（圖8a），固定對(duì)側(cè)錨點(diǎn)后形成雙作業(yè)面跨越超高層建筑的人字形繩索滅火救援通道（圖8b）;最后通過升/降控制模塊操作負(fù)重爬繩機(jī)器人攜帶懸掛式遙控滅火平臺(tái)沿著繩索滅火救援通道到達(dá)著火點(diǎn)，通過緊繩器固定負(fù)重爬繩機(jī)器人，現(xiàn)場指揮人員通過滅火模塊遙控滅火平臺(tái)牽引的高壓水帶出水開展滅火工作（圖8c）。負(fù)重爬繩機(jī)器人也可根據(jù)現(xiàn)場救援指揮安排，由專業(yè)人員通過救援模塊操作懸掛式救援平臺(tái)開展物資運(yùn)送和救援/受困人員轉(zhuǎn)送。

a.布放繩索? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? b.建立人字形繩索滅火救援通道? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?c.噴水滅火

圖8? 新型無人智能滅火救援平臺(tái)滅火示意圖

4? 測試分析

選取上海市某超高層公共建筑（建筑高度200m）開展平臺(tái)應(yīng)用測試，模擬建筑第30層（105m）發(fā)生火災(zāi)，利用新型無人智能滅火救援平臺(tái)開展滅火和救援工作。測試現(xiàn)場懸掛式遙控滅火平臺(tái)出水滅火情況詳見圖9。

圖9? 新型無人智能滅火救援平臺(tái)測試

4.1? 過程時(shí)間節(jié)點(diǎn)

接到模擬火警指令后，裝載無人智能滅火救援平臺(tái)的小車快速到達(dá)測試地點(diǎn);無人機(jī)耗時(shí)60s即展開升空開展建筑外觀勘探和火情偵察工作，35s后返回并生成無人機(jī)飛行軌跡、錨點(diǎn)選擇建議和繩索布置方案;繩索布放無人機(jī)125s完成布置雙作業(yè)面跨越超高層建筑的人字形繩索滅火救援通道;負(fù)重爬繩機(jī)器人攜帶懸掛式遙控滅火平臺(tái)225s到達(dá)105m著火處并出水開始滅火，30s后火災(zāi)被撲滅;懸掛式救援平臺(tái)每次運(yùn)送250kg重物至105m處，單程約耗時(shí)225s。

4.2? 裝備性能參數(shù)

對(duì)各新型系留式智能滅火救援裝備進(jìn)行全過程的性能監(jiān)測，分析實(shí)際滅火救援過程中需重點(diǎn)關(guān)注的指標(biāo)和影響因素，并進(jìn)行有針對(duì)性的專項(xiàng)測試，結(jié)果詳見表1。

表1? 新型無人智能滅火救援平臺(tái)測試結(jié)果

序號(hào) 智能滅火救援裝備 現(xiàn)場測試結(jié)果

1 繩索布放無人機(jī) 有效載荷>35kg;抗風(fēng)能力>6級(jí);空載續(xù)航時(shí)間>48min，負(fù)載25 kg續(xù)航時(shí)間>20min;上升速度>5m/s，下降速度>3m/s;避障距離<10m;高溫回避響應(yīng)時(shí)間<1s;圖傳有效距離>5km;相對(duì)飛行高度>500m

2 負(fù)重爬繩機(jī)器人 負(fù)重升降速度>0.5m/s;上升牽引力250kg、懸停和下降牽引力500kg;斷電應(yīng)急工作時(shí)間>5min

3 懸掛式遙控滅火平臺(tái) 直徑50mm高壓水帶出水高度為105m，供水強(qiáng)度5L/s，有效噴射距離大于15m;水平覆蓋角度>180°，俯仰覆蓋角度>90°;花灑和直流出水可調(diào);高壓水炮水平擺動(dòng)<2°

4 懸掛式救援平臺(tái) 上升載重>250kg，下降載重>400kg

5? 結(jié)語

測試結(jié)果表明，基于跨越超高層建筑人字形繩索通道的多裝備協(xié)同新型智能滅火救援作業(yè)平臺(tái)在超高層建筑火情監(jiān)測、動(dòng)態(tài)跟蹤、火勢研判、滅火撲救和應(yīng)急救援中發(fā)揮了較好的作用。研發(fā)的繩索布放無人機(jī)、負(fù)重爬繩機(jī)器人、懸掛式遙控滅火平臺(tái)、懸掛式救援平臺(tái)等新型系留式智能滅火救援裝備和新型無人智能滅火救援平臺(tái)屬國內(nèi)外首創(chuàng)，有效填補(bǔ)超高層建筑滅火救援相關(guān)技術(shù)空白，并帶動(dòng)上下游消防應(yīng)急救援產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;同時(shí)無人智能滅火救援平臺(tái)操作方便，對(duì)救援場地要求較低，為超高層建筑滅火救援補(bǔ)充提供了一種全新、高效、快速、安全的外攻手段，提高裝備滅火效能和實(shí)戰(zhàn)救援能力，全面提升超高層建筑滅火救援水平。后續(xù)可針對(duì)不同類型的超高層建筑，規(guī)劃制定不同的繩索通道布設(shè)方案，并提供快速的、有針對(duì)性的滅火救援處置方案，提高滅火救援水平，減少不必要的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

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R&D and test of unmanned intelligent

fire-fighting platform for super high-rise buildings

Chen Yueguang1，Yuan Diping1，Zhang Jiayi2，Ni Weiguo2

（1.Shenzhen Urban Public Safety and Technology Institute Co.， Ltd.， Guangdong Shenzhen 518046;2.Shanghai Kunge UAV Technology Co.， Ltd.，Shanghai? 201108）

Abstract：To tackle the challenges of being short of external means such as new rescue equipment and low efficiency of internal attack in super high-rise buildings for fire-fighting， intelligent fire-fighting equipment were developed， including rope placement drone， load-bearing climbing robot， suspended remote control fire-fighting platform and suspended rescue platform. Then， a new unmanned intelligent fire-fighting platform integrating multi-equipment collaboration was established， based on chevron rope passages across super high-rise buildings， to provide a new type of external attack. A super high-rise building in Shanghai was selected to carry out development， the results show that the platform is safe and effective， to comprehensively improve the level of fire-fighting，and also provides references and technical support for the promotion of the platform in super high-rise buildings.

Keywords：fire-fighting; intelligent fire-fighting equipment; unmanned intelligent fire-fighting platform; super high-rise buildings.