基于小型多旋翼無人飛行器的新型消防救援作戰(zhàn)體系研究

江霖紓

(龍巖市消防支隊(duì)，福建 龍巖 364000)

基于小型多旋翼無人飛行器的新型消防救援作戰(zhàn)體系研究

江霖紓

(龍巖市消防支隊(duì)，福建 龍巖 364000)

從小型多旋翼無人飛行器進(jìn)入消防部隊(duì)裝備序列的服役現(xiàn)狀出發(fā)，對其在滅火和搶險(xiǎn)救援工作中的裝備建設(shè)思路進(jìn)行了闡述，并提出了一種新型消防救援作戰(zhàn)體系，加強(qiáng)人員、車輛和模塊化多旋翼的聯(lián)用，以期能為實(shí)戰(zhàn)提供幫助。

小型多旋翼無人飛行器；消防救援；作戰(zhàn)體系

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和公安消防部隊(duì)業(yè)務(wù)職能的拓展，消防官兵在滅火和搶險(xiǎn)救援行動中面臨巨大的風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)。如何讓信息獲取準(zhǔn)確高效，決策部署迅速到位，施救手段簡潔有力，成為消防部隊(duì)亟待解決的難題。近年來，多旋翼飛行器憑借其靈活多樣的飛行方式在媒體錄制、災(zāi)情調(diào)查、農(nóng)業(yè)植保和電力巡檢等領(lǐng)域得到了較大的應(yīng)用[1]。所以，研究小型多旋翼無人飛行器在消防滅火和搶險(xiǎn)救援工作中的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，嘗試構(gòu)建新型消防救援作戰(zhàn)體系，對提升部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力建設(shè)水平，具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 小型多旋翼無人飛行器執(zhí)勤現(xiàn)狀

2009年前后，由于飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)取得突破性進(jìn)展，小型多旋翼無人飛行器迅速由設(shè)想過渡為航模，并最終演變成可靠的工業(yè)級產(chǎn)品，應(yīng)用于軍警等特種行業(yè)。迄今為止，公安部消防局、各省級公安消防部門陸續(xù)組織了多試點(diǎn)、多課題的操作試驗(yàn)，并多次介入實(shí)戰(zhàn)，相關(guān)信息屢見報(bào)端，成果斐然。2015年以來，消防部隊(duì)陸續(xù)招標(biāo)采購小型多旋翼無人飛行器，小規(guī)模裝備一線基層中隊(duì)，實(shí)現(xiàn)了從研發(fā)定型到投入執(zhí)勤戰(zhàn)備這一重大突破。

但縱觀軍用、警用裝備研究發(fā)展史，諸如多旋翼飛行器這類取得大突破、快發(fā)展的高技術(shù)裝備，其技術(shù)復(fù)雜，資金密集，極其依賴綜合科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)?？深A(yù)期的是：小型多旋翼無人飛行器將在實(shí)戰(zhàn)中暴露出可靠性低，人機(jī)優(yōu)化差，實(shí)戰(zhàn)戰(zhàn)法欠缺等問題，戰(zhàn)斗力建設(shè)在相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)處于人與裝備的“磨合期”。這一階段更應(yīng)加速裝備化改造進(jìn)程，在應(yīng)用中研發(fā)，在實(shí)戰(zhàn)中改進(jìn)，通過持續(xù)性、積累性的迭代創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)更可靠、更全面、更專業(yè)的既定目標(biāo)。具體操作上，裝備化所涉及的多學(xué)科交叉融合、人機(jī)交互優(yōu)化，并非普通產(chǎn)商所能獨(dú)立解決的問題。目前看來，飛行器的平臺化建設(shè)與機(jī)載設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)是有效整合行業(yè)資源的較為理想的解決方案。

2 裝備建設(shè)的“平臺化”與“模塊化”思路

多旋翼飛行器是由飛行平臺、機(jī)載設(shè)備和軟件系統(tǒng)組成的有機(jī)整體。按照裝備建設(shè)的“平臺化”與“模塊化”思路，應(yīng)著力解決三個(gè)問題：飛行性能、拓展能力與模塊化設(shè)計(jì)。

2.1 合理的飛行性能

飛行平臺主要包括飛行控制系統(tǒng)和飛行動力系統(tǒng)，更多情況下還可能包括導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈傳輸系統(tǒng)等，主導(dǎo)著機(jī)體尺寸、飛行距離、最大荷載、飛行時(shí)間、機(jī)動性能等參數(shù)。這些功能性指標(biāo)反映了平臺的飛行性能，是進(jìn)行裝備化改造的基礎(chǔ)。立足實(shí)戰(zhàn)需要，消防部隊(duì)?wèi)?yīng)建立階梯化配置思路，完善中隊(duì)級、大隊(duì)級、支隊(duì)級和總隊(duì)級配備標(biāo)準(zhǔn)，按照電機(jī)選型、懸臂設(shè)計(jì)、電池選型、機(jī)體和旋翼尺寸設(shè)計(jì)、操作指令控制設(shè)計(jì)及陀螺儀反饋控制設(shè)計(jì)的程序[2]，構(gòu)建出針對性強(qiáng)、性能適宜的飛行平臺。需要說明的是，上述論斷并不意味著飛行平臺的研發(fā)難度低，相反，在飛控系統(tǒng)的調(diào)試、控制算法的改進(jìn)上，難度是客觀存在的。

2.2 優(yōu)秀的拓展能力

拓展能力分為硬件、軟件兩方面。硬件上，消防用無人航空載具平臺宜采用統(tǒng)一的連接器接口。該接口能同時(shí)滿足提供電能、具有光學(xué)信號路徑和磁性穩(wěn)固連接的功能。軟件上，開放部分接口權(quán)限，開源應(yīng)用系統(tǒng)，形成無人飛行器生態(tài)系統(tǒng)，利用小型多旋翼無人飛行器做好一個(gè)平臺，搭載不同的機(jī)載設(shè)備就可以用于不同的用途，真正讓更多裝備產(chǎn)商可以在平臺上聯(lián)動起來。

2.3 可靠的模塊化設(shè)計(jì)

機(jī)載設(shè)備提供了在平臺飛行性能允許范圍內(nèi)的裝備化改造方向，是小型多旋翼無人飛行器在消防部隊(duì)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用的集中體現(xiàn)。通過模塊化設(shè)計(jì)，整合行業(yè)資源，構(gòu)造即插即用的機(jī)載設(shè)備模塊，與飛行平臺協(xié)同作用，完成實(shí)戰(zhàn)任務(wù)。按照具體功能，筆者將其分為航拍模塊、救援模塊、滅火模塊、通信模塊、照明模塊和偵檢模塊。

3 新型消防救援作戰(zhàn)體系的構(gòu)建

3.1 創(chuàng)新實(shí)戰(zhàn)理論

按照以上思路，從現(xiàn)有人員和裝備體系出發(fā)，筆者設(shè)計(jì)了一套基于小型多旋翼無人飛行器與消防車輛、指揮員、戰(zhàn)斗班聯(lián)用的消防救援作戰(zhàn)體系。作戰(zhàn)車輛采用前三、后四座位布局，前排從左至右依次為消防車駕駛員、多旋翼操作手、大中隊(duì)指揮員，后排為四個(gè)戰(zhàn)斗員，右一為戰(zhàn)斗班班長，顯示屏安裝在駕駛室正前方，飛行器通過升降機(jī)構(gòu)，安裝在后排正上方，如圖1所示。

升降機(jī)構(gòu)分為外殼、升降平臺和控制系統(tǒng)三部分，由電機(jī)驅(qū)動，可根據(jù)需要進(jìn)行飛行器的釋放、起飛與降落和回收作業(yè)[3]。

3.2 實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用探究

筆者通過兩個(gè)設(shè)想的案例，來說明這套聯(lián)用體系的運(yùn)行模式。案例一：某日，中隊(duì)接到報(bào)警稱轄區(qū)一工廠發(fā)生火災(zāi)，消防官兵隨即出動，不料距工廠不遠(yuǎn)處的道路因突發(fā)車禍堵塞。無人機(jī)駕駛員操作配備航拍模塊的無人機(jī)迅速起飛，進(jìn)行火場偵查作業(yè)。指揮員根據(jù)繞行途中獲得的火場面積、平面圖、重點(diǎn)部位等信息制定初戰(zhàn)部署。5 min后，中隊(duì)到場，迅速展開，火勢被及時(shí)控制。案例二：某日，一棟高樓突然失火，濃煙滾滾，到場中隊(duì)內(nèi)攻后有一人被困于五樓窗口，裝備遺失，無法逃出，四周并無登高車作業(yè)面。這時(shí)，無人機(jī)更換救援模塊起飛，將一根救援繩的引導(dǎo)繩拉起，送至樓層窗口附近。被困戰(zhàn)士順利取下引導(dǎo)繩，將救援繩拉到窗口，完成支點(diǎn)制作，利用速降技術(shù)滑至地面成功獲救。上述案例體現(xiàn)了多旋翼飛行器搭配不同功能模塊的基礎(chǔ)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。這套體系下，多旋翼飛行器還可以搭配下列模塊。

圖1 聯(lián)用體系的側(cè)視、俯視圖

3.2.1 航拍模塊

航拍模塊在工業(yè)級多旋翼飛行器中已廣泛應(yīng)用，技術(shù)較為成熟，可大致分為云臺、攝像頭、視頻傳輸系統(tǒng)以及視頻接收系統(tǒng)等部件。當(dāng)現(xiàn)場需要時(shí)，使用多旋翼飛行器進(jìn)行災(zāi)情偵查，一是可以跨越復(fù)雜地形地貌，優(yōu)化偵查路線，減少人員行程，提高效率；二是能夠避免人員長時(shí)間暴露在危險(xiǎn)環(huán)境，降低傷亡風(fēng)險(xiǎn)。較現(xiàn)有偵查手段而言，多旋翼飛行器可以看得更快、更高、更遠(yuǎn)，為消防部隊(duì)執(zhí)行任務(wù)中的指揮決策、安全監(jiān)控、緊急避險(xiǎn)和戰(zhàn)勤保障提供關(guān)鍵信息，同時(shí)航拍數(shù)據(jù)還能用于宣傳報(bào)道和戰(zhàn)評分析。就日常工作而言，現(xiàn)如今，執(zhí)勤中隊(duì)的轄區(qū)廣，城市的建設(shè)速度快，執(zhí)勤中隊(duì)在日常的六熟悉中可以通過多旋翼飛行器結(jié)合轄區(qū)電子地圖，全面了解轄區(qū)消防通道、建筑高度等信息，制作出空中俯拍的轄區(qū)平面圖，輔助進(jìn)行重點(diǎn)單位預(yù)案制作。

3.2.2 救援模塊

救援模塊主要針對水域、山岳、深井、坑道和高空等處置難度較大的搶險(xiǎn)救援警情。實(shí)戰(zhàn)中，利用飛行器攜帶集成或搭載救援物資(食品、藥品)、搶險(xiǎn)裝備(救助繩)和通信器材(對講機(jī))的救援模塊來輔助完成救援。在水域和山岳救援中，小型多旋翼無人飛行器可以克服拋投器在使用環(huán)境(樹林、谷地)、范圍(距離過遠(yuǎn))、地形(無著陸點(diǎn))以及精度差的局限性，完成救助繩的運(yùn)輸。在深井、坑道和高空救援中，亦可實(shí)現(xiàn)對氧氣袋、緩降器等器材的運(yùn)輸。

3.2.3 滅火模塊

滅火模塊主要用于攜帶高效滅火劑進(jìn)行噴射滅火作業(yè)。受限于飛行器的尺寸，小型多旋翼無人飛行器無法攜帶過重、過多的滅火劑，這就要求滅火劑必須高效，以及僅適用于諸如高壓線路、變壓器等特殊火災(zāi)。

3.2.4 通信模塊

通信模塊還可細(xì)分為通信中繼和影音通話兩大功能?？罩型ㄐ胖欣^是多旋翼無人飛行器的一個(gè)重要用途。在大型搶險(xiǎn)救援現(xiàn)場，無線通信系統(tǒng)很可能遭到一定程度的破壞。而多旋翼無人飛行器則可以作為便捷的通信中繼機(jī)，在指揮中心與現(xiàn)場之間快速構(gòu)成一個(gè)應(yīng)急局域無線通信網(wǎng)，為救援贏得寶貴時(shí)間。影音通話功能是基于航拍模塊進(jìn)行的有效影視語音通信聯(lián)絡(luò)。它便于消防員獲取準(zhǔn)確的火場信息和被困人員的需求，同時(shí)對建筑內(nèi)被困人員發(fā)出逃生疏散和自救他救語音指導(dǎo)提示，遠(yuǎn)程協(xié)助被困人員逃生。若無法抵近目標(biāo)，還應(yīng)集成空中喊話器，通過高分貝喇叭進(jìn)行定向喊話。

3.2.5 照明模塊

照明模塊可以由強(qiáng)光照明系統(tǒng)和照明彈、信號彈發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)成。強(qiáng)光照明系統(tǒng)運(yùn)用于對事故救援現(xiàn)場進(jìn)行高空照明，同時(shí)輔助航拍模塊在黑夜或弱光條件下維持正常工作。另一方面，照明光柱可以進(jìn)行指示定位作業(yè)，通過合適的濾鏡和機(jī)械設(shè)計(jì)，光柱的變換也能起到燈語的作用。照明彈、信號彈發(fā)射系統(tǒng)的作用類似，值得強(qiáng)調(diào)的是即便由于彈藥的可燃性，使用條件受限，撤退信號彈搭配空中喊話功能仍是十分優(yōu)秀的撤退信號。

3.2.6 偵檢模塊

偵檢模塊通過對高精尖偵檢儀器的微小化處理能夠完成數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)處理和無線傳輸。選擇性集成諸如可燃?xì)怏w探測儀、有毒氣體探測儀、激光測距儀和便攜式危險(xiǎn)化學(xué)品檢測片等設(shè)備的多旋翼無人偵檢平臺，可以在防爆處理后，執(zhí)行易燃易爆、有毒有害、缺氧濃煙等事故災(zāi)害現(xiàn)場的遠(yuǎn)程偵檢任務(wù)。

4 結(jié)論

本文試分析了小型多旋翼無人飛行器列裝后的升級改造和實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用思路，提出了一種新型消防救援作戰(zhàn)體系。需要說明的是，本研究立足于目前較為可行的小型多旋翼無人飛行器平臺的設(shè)計(jì)方案和體系。就消防用無人航空載具平臺而言，三類飛行器的服役前景和使用比例應(yīng)是變化的。在科技進(jìn)步的前提下，固定翼飛行器和直升機(jī)的微型、小型化開發(fā)及成本控制和投入使用是可預(yù)期的，顯然它們的負(fù)載更大，速度更快，應(yīng)用范圍更廣。

[1] 中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司.輕小無人機(jī)運(yùn)行規(guī)定(試行)： AC-91-FS-2015-31[S].

[2] 王偉,馬浩,徐金琦,等.多旋翼無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)體設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2014(5):147-150.

[3] 張文博,王惠林,呂勃龍,等.無人機(jī)載光電任務(wù)設(shè)備升降機(jī)構(gòu)的控制器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,23(14): 152-154.

(責(zé)任編輯 陳 華)

New Firefighting Combat System Based on Multi-rotor Mini-UAV

JIANG Linshu

(Longyan Municipal Fire Brigade, Fujian Province 364000, China)

This paper elaborates the construction of firefighting and rescue equipments after multi-rotor mini-UAV being deployed in the fire department, and puts forward a new combat system with the integration of personnel, vehicles and multi-rotor UAV, aiming at providing an inspiration for actual combats.

multi-rotor mini-UAV; fire rescue; combat system

2016-12-26

江霖紓(1992— )，男，福建福州人。

D631.6

A

1008-2077(2017)08-0030-03