高层建筑和陡峭山体森林的空中灭火机器人系统 技术领域 本发明涉及自动控制系统及其应用， 特别是涉及用于高空灭火的自动控制系统及 其实现灭火的方法。
背景技术 世界上已经建成、 在建或计划修建的城市楼宇越来越高， 如果在这类高层建筑的 中部或者顶部发生火灾， 将造成很大的危害和损失。现有技术对一般高度建筑物火灾采用 云梯或者举高车辆实施灭火的方法不能用在高层建筑的中部或者顶部， 所述高层建筑的火 灾处理主要是根据高层建筑结构特征和楼层高度采用沿高层建筑外墙、 楼梯间隙、 消防电 梯井、 中庭、 升降机等铺设水带的方法进行灭火。 这种方法效率低下， 耗费人力， 而且在超高 层建筑内灭火， 灭火水带铺设困难， 消防人员必须临近火灾现场， 这样使消防人员人身安全 受到很大威胁， 消防员实施灭火的成功率和可靠性都受到极大影响。 因此， 对于目前越来越 高的建筑， 上述方法实施起来越来越困难， 甚至不可行。
与之类似地， 在陡峭山体森林发生火灾同样会造成很大危害， 而且灭火实施难度 更大。普通的消防车辆和设备很难进入并使用于所述陡峭山体森林。现有技术使用飞行器 在空中灭火的方法， 但是， 现有技术用于森林灭火的飞行器可装载的灭火媒质有限， 需要经 常返航补充灭火媒质， 错过了灭火最佳时机 ； 另外， 由于现有技术森林灭火是利用高空喷洒 灭火媒质覆盖火场以隔离火源和空气的原理实施灭火， 适用大面积较平坦森林灭火， 对于 陡峭山体上的着火点， 很难对其实施覆盖隔离灭火， 因此， 现有技术森林灭火方法不适于在 陡峭山体森林实施。
现有技术还提出一种配置有水箱的飞行器， 用于实施森林灭火。 但是， 该种飞行器 仍然面临携带水量有限的问题， 需要经常返航补充水， 不能连续供水灭火， 延误灭火时机。 在城市高层建筑火灾处理中虽然可以借鉴采用所述飞行器实施灭火， 并且轮流启用多台所 述飞行器以期缓解上述返航补水造成的缺陷。但是现代城市高楼林立， 在高层建筑密集区 不能满足同时起降多台飞行器的条件， 不仅不能解决返航补水造成的缺陷， 还会给飞行器 自身带来安全隐患。因此， 所述飞行器是很难应用于高层建筑或者陡峭山体灭火的。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于避免现有技术的不足之处而提出一种适用高层建 筑和陡峭山体森林的高空灭火方法及高空灭火系统， 利用高空灭火机器人系统实施高空灭 火。
本发明解决所述技术问题可以通过采用以下技术方案来实现 ：
提出一种对高层建筑和陡峭山体森林的高空灭火方法， 基于包括消防灭火分系统 和高空灭火机器人分系统的高空灭火系统。 所述消防灭火分系统包括设置于地面的消防水 泵， 用于输送灭火媒质的灭火水带， 以及用于对所述消防水泵实施控制的水泵控制子系统。 所述高空灭火机器人分系统包括无人驾驶的可悬停的旋翼式飞行器和用于对该旋翼式飞行器飞行姿态实施控制的飞控子系统。 所述旋翼式飞行器上安装有用于获得火源图像信息 的视觉识别系统。其特征在于所述方法包括如下步骤 ：
D. 将所述灭火水带联结消防水泵 ； 所述旋翼式飞行器可定向地夹持所述灭火水 带之喷射部位升空至位于所述高层建筑或者陡峭山体森林处的着火点高度 ；
E. 所述旋翼式飞行器借助所述视觉识别系统侦测到所述着火点后， 借助所述水泵 控制子系统打开消防水泵， 对所述着火点实施灭火。
作为本发明所述消防水泵的一种实施方式， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步 骤：
A11. 选用一台配置有水泵的消防车， 将所述消防车的水泵用作所述消防灭火分系 统的消防水泵。
作为本发明所述消防水泵的另一种实施方式， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步 骤：
A21. 选用至少两台配置有水泵的消防车， 将各消防车上的水泵串行联结并实施耦 合供水， 用作所述消防灭火分系统的消防水泵。
作为本发明所述消防水泵的再一种实施方式， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步 骤：
A31. 选用至少一台配置有水泵的消防车， 同时， 配置至少一台手抬水泵， 将所述消 防车上的消防水泵和各台手抬水泵串行联结实施耦合供水， 用作所述消防灭火分系统的消 防水泵。
另外， 本发明可以采用轻质灭火媒质， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步骤 ：
A41. 选用一台配置水泵的压缩空气 A 类泡沫消防车， 该消防车以压缩空气 A 类泡 沫作为灭火媒质， 将所述消防车的水泵用作所述消防灭火分系统的消防水泵。
为便于所述旋翼式飞行器的转运， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步骤 ：
B1. 选用一台高空灭火机器人装载车， 该高空灭火机器人装载车设置有用于承装、 停放所述旋翼式飞行器的车厢 ；
B2. 当所述高空灭火机器人装载车驶入灭火现场时， 所述装载车的车厢侧面挡板 向车厢外侧放下、 展开， 使之与车厢底面在同一平面上， 作为所述旋翼式飞行器的起降平 台。
对于超高层的着火点， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步骤 ：
C. 在所述旋翼式飞行器上设置干粉弹发射装置 ；
而且所述步骤 E 还包括，
所述旋翼式飞行器借助所述视觉识别系统侦测到所述着火点后， 使用干粉弹对所 述着火点实施灭火。
本发明解决所述技术问题还可以通过采用以下技术方案来实现 ：
设计、 制造一种适用高层建筑和陡峭山体森林的高空灭火系统， 尤其是， 包括消防 灭火分系统和高空灭火机器人分系统。所述消防灭火分系统包括设置于地面的消防水泵， 用于传输灭火媒质的灭火水带， 以及用于对所述消防水泵实施控制的水泵控制子系统。所 述高空灭火机器人分系统包括无人驾驶的可悬停的旋翼式飞行器和用于对该旋翼式飞行 器的飞行姿态实施控制的飞控子系统。 所述旋翼式飞行器上安装有用于获得火源图像信息的视觉识别系统。所述灭火水带一端联结所述消防水泵， 另一端喷射部位可定向地的被夹 持在所述旋翼式飞行器上， 该旋翼式飞行器携所述灭火水带升空， 借助所述视觉识别系统 侦测到位于所述高层建筑或者陡峭山体森林内的着火点后， 借助所述水泵控制子系统打开 消防水泵， 对所述着火点实施灭火。所述 “可定向地” 包括按需要可随时调整该喷射的方位 角和仰角。
作为本发明消防水泵的一种实施方式， 所述消防灭火分系统还包括一台配置有水 泵的消防车， 该消防车的水泵就是所述消防水泵。本发明的灭火媒质采用轻质材料所述消 防车使用的灭火媒质是压缩空气 A 类泡沫。
作为本发明消防水泵的另一种实施方式， 所述消防灭火分系统还包括至少一台分 别配置有水泵的消防车， 各消防车的水泵串行联结并且实施耦合供水， 用作所述消防水泵。
作为本发明消防水泵的再一种实施方式， 所述消防灭火分系统还包括至少一台分 别配置有水泵的消防车， 以及至少一台手抬水泵， 各消防车的水泵和各手抬水泵串行联结 并且实施耦合供水， 用作所述消防水泵。
为便于所述旋翼式飞行器的转运， 所述高空灭火机器人分系统还包括还高空灭火 机器人装载车， 该高空灭火机器人装载车设置有用于承装、 停放所述旋翼式飞行器的车厢。 所述车厢侧面的挡板可向车厢外侧下方放下、 展开呈水平状态， 即所述车厢的侧面挡板与 车厢底面在同一平面上， 构成所述旋翼式飞行器的起降平台。
为了在超高层建筑的顶部实施灭火， 所述旋翼式飞行器还设置有干粉弹发射装置。 同现有技术相比较， 本发明 “适用高层建筑和陡峭山体森林的高空灭火方法及系 统” 的技术效果在于 ：
采用所述无人驾驶的可悬停的旋翼式飞行器携带灭火水带之喷射部位升空至高 层建筑或者陡峭山体上的着火点， 由地面供给水， 因而， 所述旋翼式飞行器在灭火过程中不 需要补充水， 确保所述旋翼式飞行器在最佳时机持续地实施灭火 ； 本发明的飞控子系统令 旋翼式飞行器能持稳定的飞行姿态， 为恶劣条件下实施灭火提供保证 ； 另外， 本发明为旋翼 式飞行器配置视觉识别系统确保了高空灭火系统快速准确的定位着火点并及时处理。
附图说明 图 1 是本发明 “适用高层建筑和陡峭山体森林的高空灭火方法及系统” 优选实施 例的高层建筑火灾现场处理示意图 ；
图 2 是使用本发明方法和系统作业时的流程示意图
具体实施方式
以下结合附图所示优选实施例作进一步详述。
本发明提出一种适用高层建筑和陡峭山体森林的高空灭火方法， 如图 1 所示， 基 于包括消防灭火分系统 1 和高空灭火机器人分系统 2 的高空灭火系统。所述消防灭火分系 统 1 包括设置于地面的消防水泵 11， 用于传输灭火媒质的灭火水带 12， 以及用于对所述消 防水泵 11 实施控制的水泵控制子系统。 所述高空灭火机器人分系统 2 包括无人驾驶的可垂 直起落的旋翼式飞行器 21 和用于对该旋翼式飞行器 21 飞行姿态实施控制的飞控子系统。所述旋翼式飞行器 21 上安装有用于获得火源图像信息的视觉识别系统。所述方法包括如 下步骤 ：
D. 将所述灭火水带 12 联结消防水泵 11 ； 所述旋翼式飞行器 21 可定向地夹持所述 灭火水带 12 的喷射部位升空至位于所述高层建筑或者陡峭山体森林内的着火点高度 ； 所 述 “可定向地” 包括按需要可随时调整该喷射的方位角和仰角 ； 所述旋翼式飞行器的高度受 所述视觉识别系统控制或人工控制
E. 所述旋翼式飞行器 21 借助所述视觉识别系统侦测到所述着火点后， 借助所述 水泵控制子系统打开消防水泵 11， 对所述着火点实施灭火。
所述高空灭火机器人分系统 2 的高空灭火机器人就是指所述无人驾驶的可垂直 起落的旋翼式飞行器 21。本发明优选实施例采用无人驾驶直升机作为所述旋翼式飞行器 21， 为避免带尾翼直升机在建筑物附近飞行时所带来的危险， 考虑到无人直升机的安全性 以及车载的方便性， 本发明采用一种无尾翼只有主旋翼的无人旋翼飞行器， 这样不但能提 高实际执行任务时的安全性， 还能大幅度减小直升机的外形尺寸， 在不允许低空飞行的地 方便于车载。主旋翼能收起来可进一步减小无人旋翼飞行器的外形尺寸。
为了便于转运所述旋翼式飞行器 21， 所述高空灭火机器人分系统 2 还包括还高空 灭火机器人装载车 22， 该高空灭火机器人装载车 22 设置有用于承装、 停放所述旋翼式飞行 器 21 的车厢。所述车厢侧面的挡板可向车厢外侧放下、 展开呈水平状态， 即所述车厢的侧 面挡板与车厢底面在同一平面上， 构成所述旋翼式飞行器 21 的起降平台。也就是在所述步 骤 D 之前还包括如下分步骤 ： B1. 选用一台高空灭火机器人装载车 22， 该高空灭火机器人装载车设置有用于承 装、 停放所述旋翼式飞行器 21 的车厢 ；
B2. 当所述高空灭火机器人装载车 22 驶入灭火现场时， 所述装载车的车厢侧面挡 板向车厢的外侧下方倾倒展开， 并且令该车厢侧面挡板与车厢底面在同一平面上， 作为所 述旋翼式飞行器 21 的起降平台。
本发明采用所述无人驾驶的可悬停的旋翼式飞行器携带灭火水带升空至高层建 筑或者陡峭山体上的着火点， 由地面供给水， 因而， 所述旋翼式飞行在灭火过程中不需要补 充水， 确保所述旋翼式飞行器在最佳时机持续地实施灭火， 克服了现有技术消防灭火系统 和方法的缺陷。
本发明可以根据火场实际情况选择适合的消防水泵 11， 以实现向高空供给灭火介 质
一种实施方式， 所述消防灭火分系统 1 还包括一台配置有水泵的消防车 13， 该消 防车 13 的水泵就是所述消防水泵 11。那么， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步骤 ：
A11. 选用一台配置有水泵的消防车 13， 将所述消防车 13 的水泵用作所述消防灭 火分系统 1 的消防水泵 11。
根据试验数据， 采用中低压泵单泵供水出 2 支 Φ19mm 水枪， 垂直供水高度达 150m。 上海市、 湖北省等消防总队经现场测试， 国产主战消防车， 例如东风 153、 解放七平柴、 红岩、 斯太尔、 五十铃等中低压水罐车， 单车垂直供水出 2 支 Φ19mm 水枪， 垂直供水高度达 165m。
另一种实施方式， 当火场高度超过单辆消防车供水能力时， 可用同类车或功率相 仿的车泵进行耦合供水。所述消防灭火分系统 1 还包括至少一台分别配置有水泵的消防车
13， 各消防车 13 的水泵串行联结并且实施耦合供水， 用作所述消防水泵 11。 那么， 即在所述 步骤 D 之前还包括如下分步骤 ：
A21. 选用至少两台配置有水泵的消防车 13， 将各台消防车 13 上的水泵串行联结 并实施耦合供水， 用作所述消防灭火分系统 1 的消防水泵 11。
所述耦合供水就是供水车直接将水缓慢压入前车的水泵进口处， 压力稳定后， 前 车加压供水。耦合供水时， 功率大的消防车应在前， 并在建筑物底部适当处设置泄压分水 器， 以利于停水时泄压， 以免水锤作用破坏和影响消防车水泵性能。 车辆之间距离不宜超过 40 米。根据上海市高层建筑消防供水测试试验数据， 三车串联单干线供水最高可对 246 米 的高度实施高空灭火。
再有一种实施方式， 当火场高度超过单辆消防车供水能力时， 甚至当消防车耦合 供水达不到供水高度时， 可采用消防车与手抬泵接力供水。所述消防灭火分系统 1 还包括 至少一台分别配置有水泵的消防车 13， 以及至少一台手抬水泵， 各消防车 13 的水泵和各手 抬水泵串行联结并且实施耦合供水， 用作所述消防水泵 11， 那么， 所述步骤 D 之前还包括如 下分步骤 ：
A31. 选用至少一台配置有水泵的消防车 13， 同时， 配置至少一台手抬水泵， 将所 述消防车上的消防水泵和各台手抬水泵串行联结实施耦合供水， 用作所述消防灭火分系统 1 的消防水泵 11。 从理论上讲， 手抬泵接力供水是可以无限串联接力的。车泵与手抬泵接力供水的 关键是要掌握好手抬泵接受供水的压力和启泵的时间。 手抬泵操作人员与消防车驾驶员应 保持通信畅通， 加强协作， 当水缓慢送至手抬泵处， 手抬泵操作员迅速启动手抬泵， 正确操 纵油门调速， 防止出现水击作用。 根据测试， 增加一台手抬机动消防泵可以令垂直供水高度 提高 40 米左右。
还有一种实施方式， 通过更换轻质灭火媒质以提高灭火高度。即所述消防车 13 使 用的灭火媒质是压缩空气 A 类泡沫， 那么， 在所述步骤 D 之前还包括如下分步骤 ：
A41. 选用一台配置水泵的压缩空气 A 类泡沫消防车， 该消防车以压缩空气 A 类泡 沫作为灭火媒质， 将所述消防车 13 的水泵用作所述消防灭火分系统 1 的消防水泵 11。
压缩空气 A 类泡沫系统采用机械方式将压缩空气与水和泡沫原液相混合产生高 度气泡化和高能量的机械泡沫， 即压缩空气 A 类泡沫， 其湿泡沫比重是 0.2， 干泡沫比重是 0.06， 说明在同样压力下可以比水输送的更远。 据上海市消防总队高层消防演习测试， 带有 涡轮增压系统的压缩空气 A 类泡沫消防车 ( 俗称 “一七车” ) 向高层垂直供泡沫时， 单车供 给高度可达 375 米， 且对灭火水带固定的要求非常低。
另外， 在所述消防水泵 11 无法达到的供水高度或者供轻质灭火媒质高度， 可以采 用干粉弹灭火方法。所述旋翼式飞行器 21 还设置有干粉弹发射装置， 那么， 所述步骤 D 之 前还包括如下分步骤 ：
C. 在所述旋翼式飞行器 21 上设置干粉弹发射装置 ；
那么所述步骤 E 还包括，
所述旋翼式飞行器 21 借助所述视觉识别系统侦测到所述着火点后， 使用干粉弹 对所述着火点实施灭火。
综上， 对于不同的着火点高度， 所述高空灭火系统都有相应灭火能力。 当所述着火
点的高度低于 260 米时， 采用单台消防车， 多台消防车耦合供水， 以及消防车与手抬泵耦合 供水方式 ； 当所述着火点高度在 260 米至 400 米之间时， 可用带有涡轮增压系统的压缩空气 A 类泡沫消防车供压缩空气泡沫灭火进行灭火 ； 对于超过 400 米的着火点， 用旋翼式飞行器 21 直接携带干粉弹对着火点进行灭火。
在恶劣天气环境下所述旋翼式飞行器 21 采用热像仪成像， 控制系统采用自动控 制加人工监控的模式进行控制。
所述视觉识别系统将图像信息传输给控制系统， 根据获得的火源图像信息控制系 统通过自动或手动调整喷枪上下左右的摆动角度。
本发明优选实施例， 如图 2 所示， 以高层建筑灭火为例说明所述高空灭火系统的 工作流程 ：
消防部门接到某高层建筑火灾报警后， 消防车 13、 空中灭火机器人装载车 22 装载 所述旋翼式飞行器 21 同时开赴现场 ；
所述旋翼式飞行器 21 接上消防车 13 的消防水泵 11 ；
所述旋翼式飞行器 21 带上消防水带 12 升空并利用识别系统判别火源目标同时自 动调整自身适当位置悬停在空中， 之后把火源 51、 52 信息反馈给消防车上的控制系统， 由 控制系统自动或人工手动发出指令启动消防泵 11 或干粉弹发射装置， 开始灭火 ；
灭火时可根据火源现场情况所述旋翼式飞行器 21 自动判断或地面操作控制来调 整消防水枪的喷射位置和所述旋翼式飞行器 21 在空中的位置完成整个灭火过程 ；
根据需要就近接入消防栓 4 水源或其他水源为消防车补充水。
本发明优选实施例， 所述高空灭火机器人分系统 2 的飞控子系统在空中灭火机器 人装载车 22 驾驶室内。所述旋翼式飞行器 21 接上灭火水带 12， 所述飞控子系统发出起飞 指令后， 所述旋翼式飞行器 21 携带灭火水带 12 从车厢起飞， 准确悬停在火源位置时， 由安 装在消防车上的水泵控制子系统启动消防水泵 11 进行喷水或喷泡沫进行灭火。若火源位 置的高度超过空中灭火机器人系统的水和泡沫的喷射范围， 所述旋翼式飞行器 21 便携带 干粉弹飞至火源位置， 由所述旋翼式飞行器 21 装载车驾驶室内的控制系统启动干粉弹发 射装置， 将干粉弹射向着火点。 火被扑灭后， 空中灭火机器人由飞控系统控制准确落回起飞 平台， 完成灭火任务。