CN107308559A - 一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统。具体的说是一种利用无人机系统将缆绳送至高层建筑内部或顶部，利用缆绳搭建逃生索道，利用逃生索道固定应急救生滑梯，利用应急救生滑梯疏散受困人员的技术。

Description

一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统

技术领域

本发明涉及高空救生器材技术领域，具体的说是一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统。

背景技术

随着城市现代化建设，高层建筑越来越多，一旦遇到特殊事件，如火灾等，高层建筑的电梯井、排风通道、楼梯间会形成烟囱效应，导致这些区域内聚集大量浓烟、热量和有毒气体，从而导致处于高层的人员疏散、救援难度极大。传统救生器械多采用云梯车、救援索等设施。由于受环境、地域及器材的限制，云梯车不能满足所有的救援需要，而专业的攀援绳索类救生产品，其使用需要一定的专业技能，并且存在一定安全隐患，不是所有普通人员都能掌握并熟练使用的。如果火势蔓延到楼体之外，紧贴楼层进行索降还有可能遇到火焰从窗口喷出等意外情况，更进一步增加了受困者可能会遇到的危险。同时，当今大中型城市交通拥堵十分严重。传统云梯车体积巨大，对道路要求非常高。一旦出现道路拥堵，云梯车往往难以在短时间内快速到达事故现场。

发明内容

本发明公开了一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统。具体的说是一种利用无人机系统将缆绳送至高层建筑内部或顶部，利用缆绳搭建逃生索道，利用逃生索道固定应急救生滑梯，利用应急救生滑梯疏散受困人员的技术。

近年来，高分子材料技术发展极为迅猛，各种高分子纤维材料的力学强度已经远超传统的金属材料。利用高分子材料制作的缆绳能够达到传统钢丝强度的几十倍，而重量却只有前者的几十分之一。同时，无人机技术近年来也逐渐成为了一项热门技术。其体积小，重量轻，智能化的特征已经越来越受到人们的喜爱。基于现有的高分子纤维材料技术和无人机技术，本发明设计出一种能够迅速在高层建筑与地面之间架设应急救生滑梯的技术。

无人机技术的发展如火如荼，由无人机搭建索道已经不是新闻了。电力行业早在2014年就开始使用无人机在难以跨越的区域之间搭建索道，最出名的要数川藏联网工程中采用八旋翼飞行器进行放线，搭建索道的事迹了。其工作原理如下：

首先，由无人机牵引一条较细的轻质绳索，从需要搭建索道区域的一端将绳索牵引至另一端。然后利用轻质绳索作为牵引绳，牵引较粗但强度更高的绳索。之所以采用这种方法是因为无人机系统载重有限，高强度绳索自重较大，搭建大跨度索道所需要的绳索太重，小型无人机载重不足以牵引全部绳索升空。在本发明中，采用相同的技术能够迅速在高层建筑与地面之间搭建索道。

虽然上述技术能够快速搭建索道，但这种解决方案存在诸多瑕疵。

首先，单纯的索道结构对于大多数普通人来说用来逃生几乎是一个不可能完成的任务。现实生活不是电影，虽然电影中经常出现英雄手握皮带从索道上滑行的画面，可现实中基本上很少有人能够做到。更不要说高空气流等各种不利因素对索道滑行的影响造成利用索道逃生的危险性一点也不低。虽然有一些旅游景点开发了安全索道游览项目，但对于行动不便的老人、受伤人员、昏迷人员等，均无法利用简单的索道结构进行逃生。为了解决上述问题，我将索道结构与“应急救生滑梯”技术相结合，设计出了一种可快速搭建的应急救生滑梯。

传统意义上的应急救生滑梯是指一种飞机上必备的逃生装置，当今主流的应急救生滑梯是采用充气结构的折叠气囊装置。有关应急救生滑梯的新闻经常见诸报端，他的特点是：展开前体积小、重量轻、运输方便、储藏安全、便于携带，展开后拥有足够的空间，能够让大多数未经培训的普通人迅速滑行撤离。

与飞机上携带的应急救生滑梯不同，在本发明中采用的应急救生滑梯与水上滑梯结构类似。常见的水上滑梯一般有两种结构，一种是凹形槽结构，一种是O型管结构。无论是凹形槽结构还是O型管结构，水上滑梯都拥有足够的安全性和易用性。也就是说，如果能够利用无人机在发生火灾的高层建筑与地面之间迅速建立索道，然后利用索道作为承重装置支撑类似水上滑梯的结构，就能为大多数受困人员迅速提供逃生通道。

当今很多水上游乐场都有水上滑梯项目，水上滑梯的制造材质主要有硬质（塑料、玻璃钢等）和软质（充气结构、充水结构）两种。在本发明中所述的应急救生滑梯与充气结构的水上滑梯结构大致相同。

权利要求3中所述无人机系统1是一种能够利用遥控装置进行远程操控，能够携带一定重量的重物，拥有探测功能、摄像功能、通讯功能、牵引绳索功能，装备有高音扬声器的无人飞行装置。无人机技术近年来发展愈发成熟，其拥有智能化、小型化、专业化的特征。在本发明中，无人机能够起到多种用途。首先，由无人机携带大功率扬声器（高音喇叭）对受灾区域进行喊话，通知发生火情，敦促人员应及早撤离。

因为不同的建筑条件、不同的救灾环境导致突发情况多种多样。有些情况下，消防员能够冲破火场进入楼层顶部，而有些情况下只能由受困群众进行自救。针对不同情况，无人机操作员能够提供不同的帮助。

首先是消防员能够绕行或利用消防服冲破火场与受困人员汇合，但受困人员较多的情况。

这种情况下，消防员组织受困人员躲避燃烧区进入楼层顶部或阳台，并利用对讲装置与地面联系。由无人机牵引缆绳与滑轮装置从地面飞行至楼顶，由消防员自行评估楼顶环境，利用无人机上携带的射钉器、膨胀钉等攀岩装备将缆绳固定或是捆绑到梁柱结构等较为坚固的楼体上。利用消防员的专业知识保证缆绳的固定强度，利用多点固定的方式搭建一条稳定的索道。

其次是如果发现因火灾造成楼梯无法使用，火势过大导致消防员无法进入高层的情况。

居住在高层的人员无法撤离，同时因为缺乏专业知识与技能，无法由人工方式固定缆绳搭建索道，则开始利用无人机在楼顶与地面之间搭建索道系统。利用无人机牵引绳索至楼层顶端后，利用射钉器将锚钉射入大楼墙体固定缆绳，或是利用无人机环绕大楼梁柱飞行，自行对缆绳进行打结，并利用机械爪、机械钳、挂钩、钩爪、等设备对缆绳进行固定，建造一条安全救生索道。利用无人机搭建索道存在一定危险性与不确定性，因此建议每条无人机搭建的索道要进行多点固定，也就是说一条无人机搭建的索道在楼体一端要有多个固定点。一旦发生因某个固定点不稳造成脱落的现象也不至于让整个索道坍塌。

权利要求4中所述缆绳（2）是一种轻质高强度绳索。绳索是人类生产生活不可缺少的一部分。在本发明中，根据不同环境会应用多种不同材质、不同强度、不同结构的绳索。例如在靠近火场区域，为了防止缆绳因高温而断裂损毁，应选用钢丝绳结构与耐高温高分子结构混编的阻燃耐火绳索,或是给耐高温绳索配备阻燃保护套、保护层。而索道承重结构则应选用轻质高强度的高分子材料制成的绳索。具体情况应根据实际环境进行调整。缆绳（2）与滑轮系统（7）能够组成省力滑轮组，利用滑轮组能够将较重的物体快速牵引至高层建筑，为消防、解救被困人员提供帮助。缆绳（2）由金属、非金属高分子材质制成，其拥有阻燃、抗燃、抗腐蚀、耐热、耐磨特性。缆绳（2）由单股或多股绳索组成。

权利要求5中所述应急救生滑梯（3）是一种利用索膜结构与充气结构制作的轻质结构，应急救生滑梯（3）的组成是包括索膜结构、充气结构、伸缩管结构、支撑结构以及由上述结构组成的混合式结构。

索膜结构制成的应急救生滑梯（3）类似早期飞机的应急救生滑梯。第一代飞机用应急救生滑梯是由帆布与缆绳组成的类似吊床的结构，这种结构的优势在于制作成本低，但不利于用户快速滑行。

充气结构制成的应急救生滑梯与当今常见的飞机应急救生滑梯和水上游乐场的水上滑梯项目基本相同，但上述两者大多采用底部支撑结构保证滑梯整体不变形。而在本发明中则是利用索道作为承重索，以悬吊的方式保证滑梯整体不变形。以悬吊方式搭建的应急救生滑梯在充气前体积小，重量轻，便于携带，简单易用。尤其是利用充气结构能够比较容易将应急救生滑梯支撑为O型管结构。O型管结构的优势在于能够确保管道内部滑行人员不会因为滑梯晃动等原因发生掉出滑梯的意外情况。高空气流造成应急救生滑梯晃动是必然发生的状况，在条件允许的环境下，O型管结构更加安全。

伸缩管结构制成的应急救生滑梯是一种设想中的应急救生滑梯，伸缩管结构与充气结构都拥有伸缩特性，可以在一定程度上替代充气结构达成相同的效果。在本发明中，伸缩管是指套管结构与波纹管结构。

支撑结构制成的应急救生滑梯是索膜结构的一个补充。单纯的索膜结构不足以支撑一个应急救生滑梯结构，必须有一定的支撑结构才能组成滑梯腔体。

混合式结构是指由上述各种结构中的两种或两种以上相互搭配组合成的救生滑梯结构。例如由充气结构与伸缩管结构组成的应急救生滑梯，或是由充气结构与索膜结构组成的应急救生滑梯等。

应急救生滑梯由轻质阻燃材料制成，在靠近火场一端安装有隔热层、防火帘、保护垫、水龙接口，在靠近地面一端安装有缓冲气囊（4）。在救援过程中，应急救生滑梯一端很可能会与火灾现场不期而遇。应急救生滑梯除了能够提供疏散功能外还能够为消防员提供一个接近火场的通道。考虑到撤离受困人员后火灾可能会进一步加剧，在应急救生滑梯靠近火场一端设置隔热层、防火帘能够有效保障消防员的安全。同时，利用应急救生滑梯携带自增压水龙带（8）能够让消防员以应急救生滑梯为突破口，直接进行灭火。如果受困人员在室内，可以通过打破窗户的方式进入受困人员所在区域。但被打破的窗口有可能存在大量碎玻璃，为撤离人员造成威胁。本发明所述保护垫的作用在于铺设应急救生滑梯时能够利用保护垫将地面与应急救生滑梯相连，保护垫上设有固定装置，能够利用岩钉等设备将铺设的保护垫进行固定。应急救生滑梯靠近地面一端安装有缓冲气囊（4），其主要作用是保证被疏散人员在高速下滑至地面时，由缓冲气囊（4）吸收冲击力，使被疏散人员不会因为下滑速度过快而受伤。

应急救生滑梯（3）为多段式设计，根据高层建筑的高度计算出所需的应急救生滑梯（3）的数量，将多段应急救生滑梯（3）组合，从而满足长度要求。对消防器材有了解的人都知道，消防用水龙带都是由若干段组成的，段与段之间由快接装置相连。这种设计是为了能够适应不同环境下对水龙带长度的不同要求，避免因水龙带过长或过短造成不便影响消防作业。同理可证，以多段式设计的应急救生滑梯也能够适应不同环境、不同高度的楼层。参考消防水龙带的设计，每段应急救生滑梯（3）之间由快速连接器（6）相连接。

充气救生滑梯在充气前体积较小，重量较轻，便于运输与携带。以当今常见的充气城堡为例，直径2米的充气管结构充气后每一米重量大约在3公斤左右。假设每一段充气滑梯长度在10米左右，那么每10米长的充气滑梯自重约为30公斤。假设需要搭建100米长的逃生通道，需要携带的充气救生滑梯自重大约为300公斤。再加上索道自重等情况，长100米索道自重总量不超过400公斤。以目前市场上常见的登山绳为例，登山绳主绳长约60-100米，直径约10毫米，抗拉强度大于1800公斤。制成索道往往采用多条绳索结构，因此当今市售缆绳材料完全能够满足上述要求，而且富富有余。同时，上述物品与传统高空消防设备最大区别在于这些设备全部都可以进行分离与组装。也就是说，可以利用几辆摩托车、电动车或三轮车分别携带无人机、缆绳、应急救生滑梯、缓冲气囊、气泵等设备利用小路（人行道等）迅速接近建筑，从而在一定程度上避免诸如因道路拥堵造成大型消防车无法接近造成的问题。

权利要求6所述固定装置（5）是一种能够安装在无人机系统（1）上的扩展零部件。如前文所述，由无人机牵引绳索至高层建筑后，固定绳索的方式可以分为由拥有专业技能的人员进行人工固定和由无人机自行固定两种方式。其中，由无人机进行固定就需要应用到固定装置（5）了。因无人机本身自重较轻，动力有限，对复杂动作操作比较困难。同时，火场环境复杂，安全系数低。这导致由无人机自行固定绳索的强度难以保障。因此，我设计了这种固定装置（5）。因为无人机所面临的环境多种多样，所以针对不同环境我设计了多种解决方案。首先是利用射钉器对绳索进行固定。

射钉器（射钉枪）是一种能够利用化学能或是压缩空气将钉子发射到墙体里的装置。传统射钉器大多为发射钢钉。有一种射钉器的变形装置叫做“远距离抛投器 (锚钩枪，射绳枪，抛绳器)”，其功能是利用化学能或是压缩空气将带有绳索的钉状体（锚钩）发射至远处。利用上述两者结合，可以设计出一种利用化学能或是压缩空气将尾端带有绳索的钉状体射入墙体内。考虑到射钉器发射的锚钉强度有限，可以同时利用绳索环绕的方式解决绳索固定问题。例如无人机拖拽绳索环绕建筑内的梁柱飞行一周或一周以上后，利用射钉器将一端带有绳索的锚钉固定在墙体上。或是将叉形锚钉射入墙体，利用叉形结构固定绳索。

随着无人机智能化程度越来越高，带有机械爪、机械钳，能够自动工作的无人机也逐渐面世。利用机械爪、机械钳等自动化设备能够在一定程度上替代人类工作，由无人机进行绳索固定也会逐渐取代由人完成的部分。

如果高层建筑被困人员中包含拥有受过攀登技能培训的专业人士，可以利用岩钉、膨胀钉、挂钩、钩爪等专业攀登设备自行固定绳索，搭建索道。

如果建筑内部不适合固定绳索，还可以利用无人机以绕楼飞行的方式将绳索缠绕到整个楼体外侧。利用多条缆绳捆绑整个楼体能够有效搭建高强度索道结构。

权利要求7中所述快速连接器（6）是一种快接装置，快速连接器（6）的主要功能是能够为急救生滑梯（3）段与段之间、自增压水龙带（8）段与段之间提供快速连接功能。快速连接器（6）属于成熟技术，无论是高压气体快接装置还是水龙带快接接口都是已有成熟技术。而充气救生滑梯如果采用充气展开结构组成O型管结构，其快速连接装置可以采用前端套后端的套管方式，连接处可以利用魔术贴（HOOk&LOOP）、拉链、绑扎带通过固定在索道上或是段与段之间相互连接的方式进行连接固定。

权利要求8中所述自增压水龙带（8）由若干条水龙带和若干个增压泵组成。已知，水泵设备的扬程对水泵来说是一个重要参数。扬程越高的水泵制造难度越大，体积越大，能耗越大。而高层建筑如果发生火灾，对水泵的要求又特别迫切。传统设计领域，为了能够将自来水送至高层建筑上部，常见方式为采用多级增压的方式完成。例如由一号水泵将自来水增压送至7楼，之后由二号水泵将自来水从7楼送至14楼，再由三号水泵将自来水由14楼送至21楼，以此类推。每一个增压泵只需要单独完成自身扬程即可，无需考虑更高层的问题。在高层建筑楼内进行多级增压比较简单，只要在楼内每隔若干层设计一台增压泵就可以完成多级增压。但发生火灾时这种方案就无法实现了。目前为了给高层进行灭火大多采用车载超高压水枪。在本发明中，利用索道为承重装置将增压泵悬挂至高层建筑外部，利用多级增压原理对水龙带内的水进行多级增压，能够迅速将水流送至高层建筑上部，协助消防员进行灭火操作。自增压水龙带由相对独立的索道负责承重，防止因水龙带与增压泵自重过高导致索道脱落。

举个例子，单一小型增压泵扬程为10米（优势在于体积小重量轻）。那么，采用长度为10米的水龙带与增压泵相连后，结构为：水源→增压泵→水龙带→增压泵→水龙带→增压泵→水龙带…（见图2）。

这种设计对每一个增压泵来说，都只是负担了最大10米的扬程，而不是负担从地面至楼顶的全部扬程。利用这种设计，高层建筑给水难的问题就可以轻松解决。

附图说明：

图1为无人机牵引缆绳飞向高层建筑的过程示意图，其中1为无人机系统，2为缆绳。由无人机牵引缆绳至高层建筑，为后续搭建索道做好准备。

图2为自增压水龙带结构示意图，其中9为增压泵，10为水龙带。此时自增压水龙带承重由索道完成，整个自增压水龙带自身不承重。每个增压泵9只负责一个扬程，后续扬程由后续增压泵完成。整个自增压水龙带利用接力方式将水流送至高空。

具体实施方式：

以10层住宅楼为例，某一小区10层住宅楼发生火灾，楼上群众被困。小区周边车辆拥堵严重，道路不畅，大型消防车辆无法及时进入小区。这一10层住宅楼高约35米，下方1层与2层有一高度为8米的裙楼，裙楼前方有一片广场。

根据实际情况，由多辆摩托式消防车分别携带无人机、缆绳、应急救生滑梯、缓冲气囊、气泵等设备利用小路（人行道等）迅速接近建筑物。

首先，启动无人机对火灾现场进行探测。在探测的同时利用高音喇叭对受灾（受困）人员进行喊话，尽量使受困人员保持冷静。

因楼顶受困群众较多，指挥部决定使用应急救生滑梯。

首先利用激光测距仪测量楼体高度，由消防员遥控无人机牵引绳索至楼顶，利用机载射钉枪发射锚钉，将绳索钉入楼顶水泥板。利用多点固定的方式对牵引绳索进行固定，确保绳索稳固。地面人员利用冲击钻在地面建立锚栓，确保绳索一端固定在楼顶，另一端固定在地面。两端进行紧锢，绳索被拉直，建立稳定的索道结构。

10层住宅楼高约35米，地面锚定点距离楼体约15米，索道与楼体夹角23.2度。因为索道较陡，为了安全在索道地面处安装缓冲气囊。

索道总长度38.08米，应急救生滑梯每一段长度约为10米。启用4段应急救生滑梯，利用快接装置组成一长约40米的应急救生滑梯。

利用滑轮装置牵引应急救生滑梯至楼体，在牵引过程中为应急救生滑梯进行充气。充气后的应急救生滑梯能够迅速解救被困群众。

解救被困群众后，消防员可以利用应急救生滑梯迅速攀爬至高层建筑上端，利用索道牵引自增压水龙带，由上至下进行灭火操作。

简单的说，利用本发明可以在短时间内迅速建立一条方便快捷的临时生命线。

Claims (8)

1.一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征为利用无人机系统将缆绳送至高层建筑内部或顶部，利用缆绳搭建逃生索道，利用逃生索道固定应急救生滑梯，利用应急救生滑梯疏散受困人员。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其结构是由无人机系统（1）、缆绳（2）、应急救生滑梯（3）、缓冲气囊（4）、固定装置（5）、快速连接器（6）、滑轮系统（7）、自增压水龙带（8）组成。

3.根据权利要求2所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征是权利要求2中所述无人机系统（1）是一种能够利用遥控装置进行远程操控，能够携带一定重量的重物，拥有探测功能、摄像功能、通讯功能、牵引绳索功能，装备有高音扬声器的无人飞行装置，无人机系统（1）能够将缆绳（2）牵引至高层建筑内部或顶部，利用固定装置（5）或是建筑物本身结构固定、缠绕缆绳（2），从而搭建逃生索道。

4.根据权利要求2所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征是权利要求2中所述缆绳（2）是一种轻质高强度绳索，由无人机拖拽缆绳（2）至高层建筑内部或顶部后利用固定装置（5）或是利用建筑物本身结构通过缠绕、打结等方式进行固定，缆绳（2）为一条或多条，为了防止意外，每条缆绳（2）都拥有两个或两个以上的固定点，缆绳（2）一端固定在高层建筑内部或顶部，另一端固定在相邻建筑、地面或是载具上组成索道，在特定情况下利用缆绳（2）与滑轮系统（7）牵引并支撑应急救生滑梯（3）搭建快速逃生通道，在特定情况下利用缆绳（2）与滑轮系统（7）牵引并支撑自增压水龙带（8），将自增压水龙带（8）送至高层建筑，缆绳（2）由金属、非金属高分子材质制成，其拥有阻燃、抗燃、抗腐蚀、耐热、耐磨特性，缆绳（2）由单股或多股绳索组成。

5.根据权利要求2所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征是权利要求2中所述应急救生滑梯（3）是一种利用索膜结构与充气结构制作的轻质结构，应急救生滑梯（3）的组成是包括索膜结构、充气结构、伸缩管结构、支撑结构以及由上述结构组成的混合式结构，应急救生滑梯（3）以缆绳（2）组成的索道为承重索，以膜结构、充气结构、支撑结构组成滑梯主体，应急救生滑梯（3）由轻质阻燃材料制成，在靠近火场一端安装有隔热层、防火帘、保护垫、水龙接口，在靠近地面一端安装有缓冲气囊（4），应急救生滑梯（3）为多段式设计，根据高层建筑的高度计算出所需的应急救生滑梯（3）的段数，将多段应急救生滑梯（3）组合，从而满足长度要求，每段应急救生滑梯（3）之间由快速连接器（6）相连接。

6.根据权利要求2所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征是权利要求2中所述固定装置（5）是一种能够安装在无人机系统（1）上的扩展零部件，其功能为利用机械爪、机械钳、挂钩、钩爪、岩钉、膨胀钉、锚钉、射钉器或其他攀岩运动装备将缆绳（2）固定在高层建筑物内部或顶部，其具体工作方式中包括利用射钉器发射锚钉将带有能够固定缆绳（2）的钉状体钉入建筑墙体或是利用无人机系统（1）环绕建筑内部结构飞行，从而将缆绳（2）缠绕到建筑内部结构的方式将缆绳（2）固定在建筑内部。

7.根据权利要求2所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征是权利要求2中所述快速连接器（6）是一种快接装置，快速连接器（6）的主要功能是能够为急救生滑梯（3）段与段之间、自增压水龙带（8）段与段之间提供快速连接功能。

8.根据权利要求2所述的一种基于无人机技术开发的高层建筑救生系统，其特征是权利要求2中所述自增压水龙带（8）由若干条水龙带和若干个增压泵组成，因单泵扬程有限，利用缆绳（2）组成的索道为承重索将增压泵送至空中悬吊，在空中对水龙带内的水流进行二次增压从而增加扬程，继而能够将水流送至高层建筑之上用以进行灭火。