消防無(wú)人機(jī)集群在消防滅火中的應(yīng)用研究

■ 梁曉龍 劉流 空軍工程大學(xué)空管領(lǐng)航學(xué)院

■ 黃中杰 公安消防部隊(duì)高等?？茖W(xué)校訓(xùn)練部

■ 潘峰 黃科力 西南交通大學(xué)希望學(xué)院信息工程系

當(dāng)前，我國(guó)消防部隊(duì)面臨的消防滅火形勢(shì)越來(lái)越嚴(yán)峻，尤其是隨著城市建設(shè)的日益發(fā)展，高層建筑越來(lái)越多，處理火情的難度也日益加大，給消防帶來(lái)了極大的不便?，F(xiàn)有滅火技術(shù)通常為通過(guò)消防云梯及消防水槍進(jìn)行滅火，然而受自身?xiàng)l件的限制，有時(shí)滅火效果不甚理想。隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已有將無(wú)人機(jī)運(yùn)用于消防滅火的實(shí)踐，在指揮中心的統(tǒng)一指揮控制下，通過(guò)無(wú)人機(jī)對(duì)火源進(jìn)行偵察，指揮中心根據(jù)火情信息，給滅火無(wú)人機(jī)發(fā)出滅火指令，進(jìn)行消防滅火。

目前僅有部分經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的省總隊(duì)或支隊(duì)級(jí)購(gòu)置了消防無(wú)人機(jī)，并且抽選了專業(yè)人員力量組建無(wú)人機(jī)分隊(duì)，大多是采取人工遙控操作滅火的方式，自動(dòng)化程度不高，現(xiàn)場(chǎng)智能性不足。由于無(wú)人機(jī)之間缺乏信息交互，融合程度低，滅火效率較為低下，沒(méi)有發(fā)揮出無(wú)人機(jī)消防更大的優(yōu)勢(shì)。本文所提出的消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)消防無(wú)人機(jī)單平臺(tái)功能不全，人工操控成本高、操作流程復(fù)雜等缺點(diǎn)。

一、無(wú)人機(jī)集群

1.無(wú)人機(jī)簡(jiǎn)介

無(wú)人機(jī)即無(wú)人駕駛飛機(jī)，最初主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。后來(lái)無(wú)人機(jī)因其特有的優(yōu)勢(shì)逐漸應(yīng)用于民用領(lǐng)域。近年來(lái)，由于自然災(zāi)害頻發(fā)，無(wú)人機(jī)在我國(guó)得到了進(jìn)一步發(fā)展。無(wú)人機(jī)主要由飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成。無(wú)人機(jī)的功能及特點(diǎn)主要有：（1）快速機(jī)動(dòng)，響應(yīng)及時(shí)。無(wú)人機(jī)具備機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，一旦任務(wù)需要其可快速到達(dá)指定目標(biāo)區(qū)域，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求低。（2）成本低廉，危險(xiǎn)性小。無(wú)人機(jī)運(yùn)行成本比較低，保養(yǎng)和維修也比較簡(jiǎn)便；其體形小，不用租賃起飛和停放的專用場(chǎng)地；無(wú)人機(jī)可以飛行到危險(xiǎn)地域，或在不良?xì)夂驐l件下執(zhí)行緊急飛行任務(wù)。

2.無(wú)人機(jī)集群

自然界中存在許多聚集而成的生物群體，如逃避天敵的魚群、遷徙的鳥群等，如圖1所示。此類群體的特點(diǎn)是單個(gè)個(gè)體的能力及智力水平有限，但個(gè)體間通過(guò)一定的交互而聚集成群體后，則能夠克服單一個(gè)體能力上的不足，在整體上“涌現(xiàn)”出特定的功能，人們將這種現(xiàn)象稱為集群智能。受生物集群的啟發(fā)，本文提出消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)及集群內(nèi)自主協(xié)同機(jī)制，并將集群進(jìn)行分子群設(shè)計(jì)，使得消防無(wú)人機(jī)集群能夠以自主協(xié)同、智能化的方式完成特定消防滅火任務(wù)。

圖1 自然界中典型生物集群

二、消防無(wú)人機(jī)集群在消防滅火中的應(yīng)用

1.消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)組成及架構(gòu)

本文利用分群設(shè)計(jì)的思想，將消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)分為偵察無(wú)人機(jī)子群、滅火無(wú)人機(jī)子群以及特種救援無(wú)人機(jī)子群。通過(guò)將集群進(jìn)行分群設(shè)計(jì)，從而降低單一平臺(tái)的復(fù)雜性及成本，體現(xiàn)出集群的智能性和功能涌現(xiàn)性。

消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)由多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)、地面站系統(tǒng)、電源供應(yīng)系統(tǒng)、任務(wù)載荷、消防云系統(tǒng)等組成，如圖2所示。地面站是消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)的指揮控制中心，其功能包括無(wú)人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃、飛行參數(shù)監(jiān)視、任務(wù)載荷的狀態(tài)顯示以及無(wú)人機(jī)的起飛和降落控制等。任務(wù)載荷包括滅火彈、瞄準(zhǔn)具、投擲裝置及各類傳感器等，是滅火任務(wù)的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。消防云系統(tǒng)為云端計(jì)算、存儲(chǔ)、處理系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)執(zhí)行消防滅火任務(wù)，不斷收集任務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)，從中提取系統(tǒng)任務(wù)執(zhí)行規(guī)則，從而促使系統(tǒng)執(zhí)行層的不斷進(jìn)化，功能不斷豐富和完善，使得系統(tǒng)能夠真正向智能化的方向不斷發(fā)展。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

2.自主協(xié)同決策機(jī)制

（1）自組織避撞機(jī)制

消防無(wú)人機(jī)集群在執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)時(shí)可采用自組織網(wǎng)絡(luò)避撞算法解決多機(jī)協(xié)同避撞問(wèn)題。首先無(wú)人機(jī)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)自身是否安全，當(dāng)遇到危險(xiǎn)或可能發(fā)生相撞時(shí)，需要通過(guò)形成自組織網(wǎng)絡(luò)，感知周圍無(wú)人機(jī)狀態(tài)，若檢測(cè)到相撞風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，則無(wú)人機(jī)相互排斥，類似同性電荷相互排斥作用；若無(wú)相撞風(fēng)險(xiǎn)，則按照預(yù)定路線繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

（2）火源協(xié)同搜索機(jī)制

在接收到火災(zāi)報(bào)警后，往往只能了解火源大致位置信息，此時(shí)需要出動(dòng)偵察無(wú)人機(jī)子群判明火源精確位置及周邊情況，為下一步?jīng)Q策提供依據(jù)。集群系統(tǒng)可采用全覆蓋協(xié)同搜索策略，如圖3所示。首先確定火源存在的區(qū)域范圍，將區(qū)域頂點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送至偵察無(wú)人機(jī)子群首，隨后子群首確定需要出動(dòng)偵察無(wú)人機(jī)數(shù)量，并為每架無(wú)人機(jī)規(guī)劃搜索路徑，展開(kāi)火源搜索，確定火源位置。

圖3 全覆蓋搜索策略示意圖

（3）協(xié)同定位機(jī)制

消防無(wú)人機(jī)集群系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)火源后對(duì)火源進(jìn)行協(xié)同定位，從而確定其準(zhǔn)確位置。協(xié)同定位方法采用AOA（Angle-of-arrival）定位方法，即到達(dá)角度測(cè)距方法。

AOA是基于信號(hào)到達(dá)角度的定位算法，是一種典型的基于測(cè)距的定位算法，通過(guò)某些硬件設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度，然后再利用三角測(cè)量法或其他方式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置?；谛盘?hào)到達(dá)角度（AOA）的定位算法是一種常見(jiàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自定位算法，算法通信開(kāi)銷低，定位精度較高。示意圖如圖4所示。

圖4 協(xié)同定位示意圖

（4）協(xié)同投彈滅火機(jī)制

偵察無(wú)人機(jī)子群完成對(duì)火源的定位以及火勢(shì)判斷后，將相關(guān)信息發(fā)送至滅火無(wú)人機(jī)子群首，子群首根據(jù)火勢(shì)決策出動(dòng)滅火無(wú)人機(jī)數(shù)量。子群首為每架滅火無(wú)人機(jī)配備飛行高度層，滅火無(wú)人機(jī)按照自身高度層飛往火源上空，按照高度由低到高的順序依次投彈并返航。

3.消防無(wú)人機(jī)集群基本工作流程

當(dāng)前，城市消防站（隊(duì)）布局一般以接到出動(dòng)指令后5分鐘內(nèi)可到達(dá)責(zé)任區(qū)邊緣為原則，普通消防站轄區(qū)面積不應(yīng)大于7平方公里，近郊區(qū)消防站轄區(qū)面積不大于15平方公里?，F(xiàn)以某小區(qū)內(nèi)以車輛燃燒發(fā)生火災(zāi)為例，進(jìn)行火災(zāi)報(bào)警。

（1）接警后，就近消防站迅速出動(dòng)消防車輛并攜帶消防無(wú)人機(jī)集群，在車輛行進(jìn)過(guò)程中，完成1-3架偵察無(wú)人機(jī)的路徑規(guī)劃與放飛工作，偵察無(wú)人機(jī)迅速飛往火災(zāi)地點(diǎn)。

（2）偵察無(wú)人機(jī)到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)后，將獲取的火場(chǎng)圖像信息以及火場(chǎng)的精確定位信息傳至地面站，地面站根據(jù)紅外圖像信息確定火勢(shì)大小及火場(chǎng)面積，從而確定需要出動(dòng)滅火無(wú)人機(jī)規(guī)模數(shù)量。

（3）通過(guò)地面站軟件控制滅火無(wú)人機(jī)起飛，此時(shí)偵察無(wú)人機(jī)子群與滅火無(wú)人機(jī)子群進(jìn)行組網(wǎng)通信，將火場(chǎng)的實(shí)時(shí)情況發(fā)送至滅火無(wú)人機(jī)，同時(shí)滅火無(wú)人機(jī)將自身攜帶滅火彈的實(shí)時(shí)數(shù)量發(fā)送至偵察無(wú)人機(jī)，由偵察無(wú)人機(jī)根據(jù)火勢(shì)指派后續(xù)滅火無(wú)人機(jī)進(jìn)行滅火作業(yè)，無(wú)消防彈的滅火無(wú)人機(jī)自動(dòng)返航，由地面人員填裝滅火彈。

（4）待明火被撲滅后，偵察無(wú)人機(jī)繼續(xù)停留在火場(chǎng)周圍進(jìn)行過(guò)火面監(jiān)視評(píng)估，待滅火工作全部結(jié)束后，控制全部無(wú)人機(jī)返航降落。

三、結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)集群因其自組織協(xié)同性、功能涌現(xiàn)性等特性，在消防滅火工作中具有巨大的應(yīng)用前景，研究其在消防滅火中的應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。利用消防無(wú)人機(jī)，及時(shí)掌握災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)信息，有效幫助現(xiàn)場(chǎng)指揮人員準(zhǔn)確判斷災(zāi)情，并做出有效決策。同時(shí)消防無(wú)人機(jī)集群相較于傳統(tǒng)單體消防無(wú)人機(jī)也具有較大優(yōu)勢(shì)，通過(guò)各類自主協(xié)同決策機(jī)制，提高了任務(wù)執(zhí)行的自主性與智能性，減小了操作復(fù)雜性。目前消防無(wú)人機(jī)的應(yīng)用仍處于起步階段，一些技術(shù)還需要不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，需要研發(fā)機(jī)構(gòu)和消防單位共同努力，從而使消防無(wú)人機(jī)集群在消防應(yīng)用中不斷適應(yīng)實(shí)際需求，從而發(fā)揮其最大的綜合效益。