范镇
摘要：当今，建筑结构不断改变，楼层高度不断增加，传统的技战术措施及器材装备已经难以有效适应高层建筑灭火救援实战处置的需要。随着无人机技术的日趋成熟，面对高层建筑火灾灭火救援工作新形势、新任务的实际需求，将多旋翼无人机应用在高层建筑灭火救援工作中，借助无人机系统的独特使用效能，最大限度发挥队伍实战处置能力，能够有效降低队伍处置工作开展过程中的安全风险。通过探讨多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的实际应用，总结分析无人机处置此类灾害事故的相关优势以及不足之处，力争提出符合实战需要的战术战法，保障队伍实战打赢能力的有效提升。
关键词：多旋翼无人机；高层建筑；火灾特点；灭火救援
近年来，随着无人机技术的迅速发展，其在农业、空中侦察测绘、航拍等民用领域已经得到较为广泛的实际应用，并取得良好的效果。面对日益复杂的消防应急救援形势，将无人机系统合理应用到消防领域，必将取得意想不到的辅助效果。从多起事故救援现场的实际应用情况来看，无人机在火灾应急救援现场使用的频次越来越多，发挥的作用越来越明显，使用的领域也越来越宽，无人机所独有的部分功能具有明显的不可替代性，使用过程中能够有效提高队伍的实战处置效率，降低人员安全风险。
1 我国高层建筑现状以及火灾扑救难度
随着我国社会经济的飞速发展，城市化进程的不断加快，我国高层建筑的数量增长较为迅速，建筑整体规模也随之不断扩大，高层建筑灭火救援工作面临着极大的挑战。
近年来，国内国外发生过多起高层建筑火灾事故：
案例一：2009年在建的中央电视台电视文化中心发生特大火灾，火势短时间内蔓延至整幢大楼。由于央视北配楼建筑高度高达159m，消防车辆救援高度受限，扑救极为困难。大火燃烧近6h才被有效控制。
案例二：2020年“1·1重庆加州花园火灾事故”，因该小区A4幢某住户不慎引燃建筑外墙雨棚，继而导致该高层建筑外立面起火。火势迅速从建筑第2层蔓延至第30层（顶层）并窜至部分居民房屋内。火灾处置过程中，消防举高喷射车辆水柱只能勉强够到大楼顶端，上层外立面火势及部分室内火势无法得到有效处置。该起火灾整体扑救时长达到2.5h，事故处置过程中共调集40余辆消防车、200余名指战员参与处置。
案例三：2021年“3·9石家庄众鑫大厦起火事件”，从大厦东南侧五楼外部平台发生明火，引燃外墙保温材料并迅速蔓延至顶层。该大厦共26层，建筑高度111.6m。扑救中举高喷射消防车由于作业高度有限，无法有效扑灭火势。借助101m登高平台消防车才有效地控制住楼体外立面火势。但登高平台消防车在扑救火势时，需要人员在高空平台操作，增大了消防员处置过程中的安全风险。
案例四：2019年“4·15巴黎圣母院火灾事故”造成了整座建筑的严重损毁，该起火灾起火位置位于圣母院顶部塔楼，标志性的尖顶被烧断。由于建筑高度较高，超过100m，事故处置过程中共调集了400余名消防员参与处置，15h后才将明火成功扑灭[1]。
从公共安全的角度来看，高层建筑火灾的社会关注度高，事故发生后极易造成重大人员伤亡及财产损毁，给国民经济发展和社会和谐稳定带来较大的负面影响。从灭火救援角度来看，高层建筑体量大、建筑主体功能多样、内部结构复杂、人员密集、火灾荷载大。建筑内部一旦发生各类火灾事故，普遍具有火势蔓延快、高温浓烟有毒气体聚集、容易形成立体燃烧、人员疏散救援困难、火灾扑救时间长等特点。从以上四起典型火灾事故来看，扑救时间长、调集人员车辆多、火势蔓延高度高范围广、内攻作战危险大、车辆装备性能有限、无法精准扑救、够不着打不进、火灾现场高温浓烟等共性问题导致高层建筑火灾实战处置的难度日益加大，已经逐渐成了世界性的消防难题。
2 多旋翼无人机
2.1 多旋翼无人机概况及特点
多旋翼无人机是一种具有三个及以上旋翼轴的无人驾驶旋翼飞行器。其通过每个轴上的电动机转动带动旋翼，从而产生升推力使无人机升空作业。该种机型旋翼的总距相对固定，不像一般直升机那样能适当调整。通过改变不同旋翼之间的相对转速，可以改变单轴推进力的大小，从而控制飞行器的运行轨迹。具有操控性强、稳定、可垂直起降以及悬停作业等优点，主要适用于低空、低速、有垂直起降和悬停要求的任务类型。
2.2 多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的实战应用
多旋翼无人机在一定领域的实际应用上弥补了传统侦察装备的技术缺陷，属于新型的科技装备。从目前在实战应用中来看，多旋翼无人机在高层建筑灭火救援使用中发挥了独有的优势和作用[2]。
2.2.1 垂直起降和悬停，快速抵达现场
多旋翼无人机能够垂直起降和悬停，使用时可以快速抵达火灾现场。由于高层建筑普遍位于市区人员较为密集处，消防车辆可能会因为交通拥堵不能第一时间抵达现场。当无人机高空运行时，可以侦明道路情况和火灾现场方位，为车辆行驶道路和进入现场提供图画支持，传输火灾现场信息，从而有效提高灭火救援效率。多旋翼无人机升空航拍过程中，不受场地和建筑高度的限制，能够短时间内迅速抵达起火楼层，为现场参战人员提供火灾现场图，带有红外热成像的无人机在进行火情侦察时，可以有效发现起火部位，为现场指战员内攻或者外围扑救时提供精准图像，有效协助参战力量实现精准扑救。由于高层建筑的复杂性和功能多样性，发生火灾过程中通常会出现各类不可预测的突发情况。如2014年5月1日，上海市徐汇区龙吴路2888弄24号某室发生火灾，在对现场进行破拆灭火时，3名消防队员受轰燃和热气浪推力影响，从13楼跌落最终导致2死1伤的恶性事故。在人员不方便抵达的高度或者较为复杂的火灾现场，可以利用无人机携带灭火剂或简易灭火器材，通过操作人员在地面安全区域操作无人机，充分发挥其能够悬停作业的稳定优势，对起火点位进行精准扑灭，既提高了现场的处置效率，又减少了作业人员的自身危险，同时还可以通过多台无人机进行编组作业，实现对火灾现场的有效控制。
2.2.2 当前多旋翼无人机主要应用于火场侦察
通过无人机系统配置的火情侦测系统软件及红外热成像仪、有毒气体分析仪、高清摄像头、测风仪等相关装置，能够快速采集火灾现场的烟气、温度、湿度、风力、风向等相关信息，全面详细地显示火灾现场的实际情况，为现场指挥部的灭火救援决策提供可靠的信息支撑。此外，合理应用无人机系统还可以将采集到的信息与3D建模系统有机结合，使火灾现场呈现立体化、形象化、可视化的特点，使现场救援人员详细了解火灾现场的基本信息，及时掌握处置现场的灾情变化。
此外，多旋翼无人机在开展火场侦察时，还可以同步开展辅助救援。事故处置过程中可以利用无人机运转应急救援设备，如携带投放救援物资、搭载扬声器、照明、通信设备等器材装备以及呼吸面罩、救生绳索、饮用水、食品、急救药品等救援物资，提高被困人员的生存物资保障，使其可以支撑到救援人员到来。利用多旋翼无人机的扬声器可以实现紧急广播，实现远距离定向广播功能，及时完成人员疏散任务，尽量减少被困群众恐慌，避免各类踩踏事故发生。此外，合理利用多旋翼无人机上的探照灯，不仅能为消防救援人员提供现场照明，也能够提高照明的清晰度，在一些光照条件有限的环境中得到有效应用，是确保救援工作稳定开展的关键环节。当通信受到火灾阻碍时，无人机本身配备的通信中继模块可以作为中继平台，保证通信线路的正常应用，避免极端环境下对指挥工作造成的干扰[3]。
2.3 多旋翼无人机在实战应用中存在的不足之处
虽然多旋翼无人机在高层建筑灭火救援工作开展过程中发挥了良好的辅助作用，并取得了很好的实战效能，但在实战应用中同样也暴露了不少短板，亟须改进与优化。
2.3.1 续航使用时间方面
高层建筑火灾处置往往需要很长的时间，而无人机系统在进行升空作业时需要一定的时间保障。目前，灭火救援工作开展过程中普遍使用的多旋翼无人机多采用电驱动作为系统动力源，升空作业时间相对较短，不得不频繁地升降进行更换动力源。因此，可以研发续航时间相对较长的无人机，比如使用油电混合或者氢能源作为动力驱动。
2.3.2 机身载物能力方面
目前，使用无人机可以有效实现携带灭火剂对起火区域相对较小、人员进入危险性较高的事故区域进行精准扑救。但是在进行高层建筑火灾扑救过程中，无人机系统常常受限于荷载能力，超过一定重量的器材装备无人机无法进行运输。此外，无人机系统现有技术还无法保障机体在空中进行转换连接等相应操作，实际使用范围也受到不同程度的影响。
2.3.3 性能方面
在扑救高层建筑火灾时，火灾现场普遍呈现高温、浓烟的特点，加上建筑本身的结构较为复杂，无人机在作业过程中，机身受到高温辐射烘烤时可能会出现变形现象，从而严重影响机体飞行的稳定性。特别是事故现场的高温浓烟通常会严重影响红外热成像元件性能，数据图画传输受到影响。由于无人机操作控制、传输图画等工作环节需要无线信号支撑，受火灾现场环境或其他作战通信装备信号等影响干扰，一旦无线信号不稳定，数据传输工作必将受到极大影响，甚至直接影响对无人机系统的操作控制，最终导致无人机失联或坠毁。此外，在高层建筑火灾中，建筑附属物、装饰物在火灾中烧损脱落，可能会从高空坠落，受气流、风速影响，有些火灾现场烧损物在空中飘浮，也将在一定程度上影响无人机的安全飞行，一旦被烧损物击中或碰撞，极有可能导致无人机失去平衡，甚至发生坠机事故。
2.3.4 升空管制方面
目前，我国对于飞行器空中飞行有着严格的管制要求。特别是在禁飞区，使用无人机需要严格审批，审批手续多且有时效性，一定程度上影响了无人机系统的实际使用范围。同时无人机操作员要学习掌握相关规章制度的具体要求，熟练操作技能，在上岗前预先获取相应资质。
3 优化多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的实际应用
多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中承担着火情侦察、数据传输以及相关辅助作用。从长远来看，无人机系统要发挥自身在灭火救援工作中的更多优势，需要在多方面进行性能优化和拓展。
3.1 提升无人机自身性能
目前我国一线消防救援队伍普遍使用的多旋翼无人机机身较小，机载能力与续航时间有限，灭火救援功能不多不精。特别在处置超百米高层建筑火灾救援过程中，这些不足更加凸显[4]。研制载荷能力更大、使用燃油作为动力、续航时间更长、悬停稳定性能更好，是无人机系统下一步的主要研发方向。因此，研制搭载专用灭火装置和高效灭火药剂，可以有效实现无人机对高层建筑有窗房间火势的精准扑灭或快速压制，弥补举高消防车作业展开时间长、登高作业场地固定、灵活机动性较差等不足。目前，我国队伍各级实际配发的各种类型的无人机智能化不高仍是制约队伍实战处置效能有效提高的主要原因。因此，研制适配无人机平台的高压液体系留灭火装置并使其具备持续稳压喷射性能，或者研制系列化模块化应急抢险救援吊舱并使其具备适用于多灾种救援场景的特点就成为各级无人机研发工作者下一步的研发方向。此外，还可以结合实战需求研制无线操作系统，使得无人机与可视VR、5G等“高、精、尖”技术有机融合，在数据传输、图画成像等方面更具操作性、便利性、清晰性、实用性。同时，由于无人机系统追求材轻质高，面对高温浓烟有毒气体等环境，在材料选用上要使用耐高温的阻燃材料，最大限度地满足无人机在实战中的应用效能。
3.2 提升无人机机身设计
机身设计包括外观设计，能够有效提高无人机的灵活性与实用性。通过优化无人机系统的形态设计，模拟飞行的鸟类、昆虫等在外观形状上的改变，在机身上增加防撞安全设施，可以有效增加无人机飞行过程中的稳定性、操作的灵活性以及作业自身安全性，使其能够有效应对特殊复杂多变环境。根据功能需求更改外观设计，可以使无人机满足携带灭火器具、照明、通信、投递等功能的实际需求。
3.3 提高人机统一，发挥更大效能
在实战作业过程中，无人机多是独自作战，在高层建筑灭火应急救援过程中，单个无人机无法完成某些特定作业。因此，可以研究多机编组作战，可以设想4架多旋翼无人机编组分工，持水枪射水、控制水带等针对性操法，通过合理的日常训练使其共同完成高空射水灭火作业。由于无人机操作员岗位在消防救援岗位编制中属于近几年较为新兴的岗位，相关的规章制度、持证上岗等相关规范正逐步完善。对于近年来应用广泛的多旋翼无人机，各单位要培养专业人才，专人操作维护，操作员同样要牢记“五知一能”，强化不同环境下对无人机系统的操作使用，模拟不同作战条件下无人机系统的紧急避险、完成设定科目等专项训练。同时要开放思维，在无人机编组作战上多实践多改进，做到人机统一，发挥更大的作战效能。事实上，无人机、操作员、内攻人员的三体联合作战也是未来灭火救援工作需要面对的形势，特别是在高层建筑火灾灭火救援中，内攻人员深入火场内部时，在物资投递、起火点寻找、紧急避险等环节，需要操作员、无人机的有机配合，共同推动灭火救援工作的顺利开展[5]。
参考文献：
[1]黄赞辉.多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的应用与发展[J].今日消防，2019，4（3）：14-16.
[2]周亚林.探讨无人机在消防灭火救援行动中的应用[J].科技创新与应用，2018（16）：173-174.
[3]许滨.浅析小型多旋翼无人机在消防大中队级灭火救援行动及日常工作中的应用[J].消防界（电子版），2017，3（3）：72-73.
[4]吴猛.高层建筑灭火救援的难点与方法探析[J].科技创新与应用，2021（8）：135-137.
[5]卫霞，王佳航，朱宇刚，等.新型无人机消防救援系统的设计研究[J].电子设计工程，2021（12）：80-83+88.
Reasonable use of multi-rotor drones in fire fighting and rescue of high-rise buildings
Fan Zhen
（Qiqihar Municipal Fire and Rescue Brigade， Heilongjiang Qiqihar 161000）
Abstract：Nowadays， the building structure is constantly changing and the floor height is constantly increasing. The traditional technical and tactical measures and equipment have been unable to effectively meet the needs of firefighting， rescue and actual combat disposal of high-rise buildings. With the maturity of drone technology， facing the actual needs of the new situation and new tasks of fire fighting and rescue work in high-rise buildings， multi-rotor drones are applied to fire fighting and rescue work in high-rise buildings. With the unique use efficiency of the drone system， the team's actual combat disposal capabilities can be maximized， which can effectively reduce the safety risks in the process of team disposal work. By discussing the practical application of multi-rotor drones in fire fighting and rescue of high-rise buildings， the relevant advantages and disadvantages of drones in dealing with such disasters are summarized and analyzed. It strives to propose tactical tactics that meet the needs of actual combat and ensure the effective improvement of the team's ability to win in actual combat.
Keywords：multi-rotor drone; high-rise building; fire characteristic; fire fighting and rescue
