物联网&智慧城市创新实践｜超高层建筑灭火无人机集群技术及装备

  

「为深化智慧城市建设，推广城市数字化转型先进经验，推动物联网技术与城市发展深度融合，赋能北京城市高质量发展、高效能治理与高品质生活，北京物联网智能技术应用协会、中关村智慧城市产业技术创新战略联盟、北京测绘学会在2025年全球数字经济大会物联网与智慧城市论坛期间，联合开展2025物联网与智慧城市优秀案例征集评选活动。本次活动共征集200余个案例/成果，经评审筛选，最终发布60个优秀案例/成果，并将通过多渠道进行系列展示。诚邀各界开展合作交流，详情可咨询北物联李老师（联系电话：13521200337）。」

申报单位：中国矿业大学深圳研究院

所属领域：智能制造领域  

 

 

一、案例概述

　CASE OVERVIEW

　　截至2024年底，我国已投入使用的高层建筑总量约为78万栋，其中100米以上的超高层建筑数量已超过万栋。超高层建筑因规模大、功能多、人员密集等特点，存在火灾风险高、事故损失严重等问题。传统的消防装备和手段存在“装备到不了、展不开、够不着，灭火药剂送不上”等问题，难以满足超高层建筑灭火需求。目前，大载荷多旋翼无人机灭火方法已经成为破解超高层建筑火灾扑救难题的重要突破口，但国内灭火实践表明，大载荷系留式灭火无人机系统机动性和可靠性较差，难以有效扑灭150 m以上超高层建筑火灾。

　　本成果创新性地提出了多架中大型无人机集群灭火的新思路。通过单机运用、多机耦合联用等多种作战模式，充分发挥无人机数量优势，实现高机动、高安全度、大载重无人机集群轮循灭火，满足我国150 m以上超高层建筑的灭火需求。本成果的核心装备—超高层建筑灭火无人机集群系统，具备易用、有效、可靠、实用的特点，全面提升了超高层建筑火灾的灭火与应急救援能力。

图1 超高层建筑火灾灭火救援痛点

图2 成果研发路径框架图

二、行业挑战

　INDUSTRY CHALLENGES

已有的超高层建筑灭火无人机技术难以满足超高层建筑火灾扑救的迫切需求，尚未形成可投入实战的可靠灭火无人机系统，面临的具体挑战如下：

（1）目前超高层灭火无人机多采用多旋翼系留式灭火无人机，其存在可靠性较差、展开作业时间较长等问题。且系统容易受环境风、系统组件失稳等因素影响，易诱发坠落引起二次事故。此外，受系留模块附加重力、拉力和环境风影响，现有系留式无人机难以实现150 m高度有效灭火。

（2）受超高层建筑空地作战距离、墙板信号屏蔽等因素影响，超高层建筑火灾救援现场通讯保障能力不足，灾害现场的无人机、救援车辆和救援单兵难以有效协同，导致灭火效能差，灭火行动缓慢。

（3）现有灭火无人机缺乏专业化的玻璃幕墙破拆、灭火药剂输送和救援物资供给模块，灭火救援作业的精准化水平仍然偏低。

（4）现有无人机平台与机载作业模块、地面供给车辆未形成集成化系统，各模块间未实现自动匹配与联动控制，导致系统部署时间长、操作难度大和作业效率低。

图3 大载荷超高层建筑灭火无人机现状与不足

三、解决方案与场景

　SOLUTIONS AND SCENARIOS

    针对超高层建筑灭火无人机救援场景中存在的空地协同能力差，作业精准度不高，系统自动化、集约化和智能化水平低，灭火应用及战术战法缺失等问题，本成果采用的解决方案如下所示：

　　（1）基于超高层建筑火灾的建筑-火灾耦合火灾动力学模型，揭示了局部火-层内蔓延-层间蔓延的火灾发展演化规律，为超高层建筑火灾灭火救援提供理论依据。同时基于对历史高层建筑火灾及高精度火灾模拟结果的数据挖掘，以建筑传感监测、单兵装备采集数据及建筑外围监测数据为输入信息，建立了火灾态势演化智能推演预测模型，从而为火灾现场救援的单兵设备与外攻决策提供了关键信息。

　　（2）探索了超高层建筑火灾环境特性参数对电磁波衰减特性的影响规律，形成层次化信道模型，实现了复杂环境信号的强越障与穿透，解决了通信盲区与断点续传难题。挖掘了多类应急装备的计算与通信资源进行协同调配，实现了多模态业务数据传输性能的稳定可控与优化增强。

　　（3）结合未知状态观测、扰动估计和鲁棒控制，提出了一种考虑高能效及安全性集群轨迹生成方法，建立了一种状态观测、扰动估计与跟踪误差快速收敛相结合的无人机集群控制方法，提升了多约束多扰动条件下无人机集群协同控制技术。

　　（4）探究了超高层建筑玻璃幕墙破拆引发室内火灾轰燃转捩动力学过程，将“灭火弹瞬时抑火+气凝胶灭火剂持续射流灭火”的分段联合控火技术应用到了超高层建筑火灾中。研发了多灭火剂联用型机载灭火系统，规避了玻璃幕墙破拆诱发的超高层建筑室内火灾轰燃转捩问题，提升了无人机集群灭火效能和作业安全。

 

图4 超高层建筑灭火无人机集群装备

　　本成果的核心装备—超高层建筑灭火无人机集群系统已在深圳市完成了示范应用。

 

四、成效及价值总结

　SUMMARY OF EFFECTIVENESS  AND VALUE

 

本成果已在深圳市成功开展应用与推广。在此前的应用示范中，通过部署成果项目研发的高机动性、高安全度、大载重无人机集群实施轮循协同灭火，该系统高效扑灭了超高层建筑火情，满足了150米以上超高层建筑的灭火要求。此次示范充分展现了本成果系统功能强大、贴近实战需求、安全可靠的核心优势与卓越的灭火实战效能。

 

本成果的核心装备在深圳市开展应用示范

　  本成果提高了我国超高层建筑火灾防控与应急救援能力，切实了保障人民的生命财产安全，有利于维护社会大局稳定，是对党的号召和国家政策的积极响应，产生了显著的社会效益。超高层建筑灭火无人机集群系统可配套至省级消防救援总队以及地级城市消防救援支队，保守预期市场规模超1000台套，经济规模超50亿元，经济效益可观。此外，本成果起到了引领示范作用，凝聚了更多企业、高校和科研院所的力量，推动了我国超高层建筑灭火无人机技术研究攻关，带动了适用于超高层建筑的消防无人机产业链高质量发展，形成了应急产业新的增长点。