消防救援無人機發(fā)展方向分析

肖鵬

摘要：近年來，各級消防部門配備應(yīng)用了各種不同品牌型號的無人機，廣泛應(yīng)用于災(zāi)情偵察、地面測繪、新聞宣傳等領(lǐng)域。但消防部門配備使用的無人機還存在較多短板和不足，不能完全適應(yīng)消防救援的工作需要。消防部門應(yīng)該搶抓無人機發(fā)展機遇，開發(fā)適應(yīng)救援工作、具備消防特色、服務(wù)消防人員的多功能無人機，以應(yīng)對紛繁復(fù)雜救援環(huán)境和急難險重工作任務(wù)的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：消防救援;無人機;發(fā)展方向

0引言

近年來，各級消防部門配備應(yīng)用了各種不同品牌型號的無人機，廣泛應(yīng)用于災(zāi)情偵察、地面測繪、新聞宣傳等領(lǐng)域，為科學(xué)指揮和輔助決策提供了有力依據(jù)，為隊伍戰(zhàn)斗力插上了新的翅膀。當前消防部門配備使用的無人機還存在較多短板和不足，不能完全適應(yīng)消防救援的工作需要，亟待開發(fā)消防行業(yè)專用多功能無人機。下面本文結(jié)合實際分析消防救援無人機發(fā)展方向。

1當前消防救援領(lǐng)域無人機發(fā)展現(xiàn)狀

1.1消防滅火無人機發(fā)展現(xiàn)狀

當前基層消防隊伍配備使用的滅火無人機主要有三種不同類型：第一種滅火無人機機身下方安裝了泡沫噴管，通過噴管連接消防水帶，具備拖拽消防水帶向上飛行的能力，可以飛到火源附近噴射泡沫撲滅火勢;第二種滅火無人機機身下方安裝了滅火藥劑壓力罐，可飛到火源附近噴射滅火藥劑（干粉或泡沫）撲滅火勢;第三種滅火無人機安裝了滅火彈發(fā)射器，可以對準火源精確發(fā)射滅火彈，通過滅火彈的爆炸迅速消耗氧氣并噴射滅火藥劑，快速撲滅火勢。上述無人機在各地消防支隊有少量配備。

1.2其他民用無人機配備現(xiàn)狀

除滅火無人機外，當前消防部門還采購配備了大量民用無人機，特別是行業(yè)版無人機，具備了火情偵察、攝影攝像、器材拋投、應(yīng)急廣播、空中照明、地面測繪等主要功能。這些無人機雖然不能直接用于滅火作業(yè)，但對提升消防部門災(zāi)情偵察、態(tài)勢感知、輔助決策和新聞宣傳水平發(fā)揮了非常重要的作用，可謂隊伍戰(zhàn)斗力的倍增器。

2當前消防救援無人機存在的主要短板

2.1續(xù)航時間普遍較短

受制于電池容量的限制，當前市面上銷售的大多數(shù)無人機飛行續(xù)航時間為30分鐘左右，個別無人機（如大疆M300RTK）最長飛行續(xù)航時間可達到55分鐘左右。續(xù)航時間普遍較短，特別是冬季飛行時，受低溫天氣的影響，無人機的飛行續(xù)航時間還要打折扣。

2.2功能較為單一

當前消防部門配備的無人機多數(shù)功能較為單一，比如滅火無人機不具備偵察功能，偵察無人機不具備照明功能，照明無人機不具備通信功能。

2.3環(huán)境適應(yīng)能力不強

無人機本身就是精密電子設(shè)備，在飛行過程中容易受到低溫、雨雪、煙霧、氣流、電磁場等各類環(huán)境因素的影響，在此類環(huán)境中飛行極易發(fā)生失控墜機現(xiàn)象，或者根本不能正常起飛。

2.4遙控距離有限

當前我國主要采用840.5-845MHz為無人機上行遙控鏈路頻率。受限于遙控器的發(fā)射功率，無人機的最大遙控距離普遍為4-5公里，個別最遠可達到8公里左右。如果無人機飛出最大遙控距離，則面臨失控墜機的危險。特別是在高樓林立的城市或其他無線電信號遮擋比較嚴重的地區(qū)，無人機的遙控距離還會進一步下降。

2.5適用于消防救援作業(yè)的專用機型有限

如前所述，消防部門配備的專用無人機一般是滅火無人機，其他無人機大多數(shù)是民用普通無人機。在地震、泥石流、山體滑坡、洪水、森林火災(zāi)、建筑物垮塌等重大災(zāi)害事故的救援現(xiàn)場，消防部門除了需要無人機的對地偵察功能之外，還特別需要無人機的夜間照明、通信中繼等特殊功能。比如在建筑物垮塌的夜間救援現(xiàn)場，消防救援的作業(yè)面積可以達到2000平方米以上，由于傳統(tǒng)的移動照明燈組的照明面積只有100平方米左右，這時需要使用多部移動照明燈組同時照明才能滿足災(zāi)害現(xiàn)場照明需要。如果使用無人機從空中進行照明，照明范圍可以輕松達到2000平方米以上。遺憾的是上述無人機的研發(fā)配備還處于起步階段，可供選擇的品牌和機型極少。

3消防救援無人機發(fā)展方向分析

3.1功能模塊方面

除滅火無人機以外，當前消防部門配備的大多數(shù)無人機不是針對消防救援領(lǐng)域研發(fā)的，不能滿足消防行業(yè)的特殊需求。因此，筆者認為應(yīng)該針對消防救援領(lǐng)域的特殊需求，開發(fā)一種消防通用無人機平臺，預(yù)留各類功能模塊接口，并配套開發(fā)各類功能模塊。消防救援人員開展救援作業(yè)時，可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要，臨時組裝各類功能模塊，使無人機具備相應(yīng)的功能。根據(jù)消防救援工作實際，消防通用無人機應(yīng)該主要包含以下功能模塊：

3.1.1雙光圖像采集模塊

該模塊采用可見光和紅外線兩種相機作為圖像采集設(shè)備，具備視頻采集和攝影攝像功能，可以實時向地面控制設(shè)備傳輸畫面。其中紅外線相機模式下，可以實時偵測火場溫度，確定火點精確位置;可見光相機模式下，可以拍攝圖片和視頻，制作正射圖和全景圖。

3.1.2激光融合可見光三維測繪模塊

該模塊采用激光融合可見光相機作為圖像采集設(shè)備，利用激光雷達精確掃描地形地貌，利用可見光相機對地面進行傾斜攝影，通過地面控制系統(tǒng)的制圖功能自動合成精確的三維地貌圖像。

3.1.3氣體/氣象偵檢模塊

該模塊采用多合一氣體檢測設(shè)備對地面上空的有毒氣體、可燃氣體、二氧化碳、氧氣等氣體濃度進行檢測，也可以對風(fēng)速、濕度、氣溫等氣象數(shù)據(jù)進行測定，并將數(shù)據(jù)實時回傳地面。

3.1.4語音自組網(wǎng)中繼模塊

該模塊具備語音自組網(wǎng)中繼功能，可與地面的語音自組網(wǎng)中繼臺組成窄帶網(wǎng)絡(luò)，通過空中無線傳輸方式排除地形地貌遮擋，擴大超短波手持電臺的通信范圍。

3.1.5圖像自組網(wǎng)中繼模塊

該模塊具備圖像自組網(wǎng)中繼功能，可與地面的圖像自組網(wǎng)中繼臺組成寬帶網(wǎng)絡(luò)，通過空中無線傳輸方式排除地形地貌遮擋，大幅擴大圖像和數(shù)據(jù)傳輸距離。

3.1.6公網(wǎng)通信基站模塊

該模塊具備5G公網(wǎng)微波基站功能，無人機通過攜帶該模塊可與遠端其他5G微波基站組成蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)，同時向地面提供公網(wǎng)信號覆蓋。確保公網(wǎng)中斷時，救援人員可以使用公網(wǎng)通信設(shè)備（手機等）。

3.1.7應(yīng)急廣播模塊

該模塊為遠程錄音播放設(shè)備，設(shè)備接收到地面?zhèn)鬏數(shù)囊纛l數(shù)據(jù)后，通過擴音器向被困人員播放消防救援人員錄音，鼓勵被困人員沉著冷靜等待消防部門救援，引導(dǎo)被困人員開展自救。語音最遠傳輸距離與無人機遙控距離一致。

3.1.8空中照明模塊

該模塊主要包含高亮LED燈具，起飛后可以從空中為地面提供照明服務(wù)，最大照明覆蓋范圍可達2500平方米（50米*50米）以上。

3.1.9空中拋投模塊

該模塊具備物資拋投能力，所含自動釋放掛鉤最大可以承重30千克，可向被困人員精準投放安全繩、救生圈、救生衣、食物、飲水等器材或物資。

3.1.10滅火劑噴射模塊

該模塊具備滅火劑（水或泡沫）噴射能力，可以拖拽直徑40毫米消防水帶垂直向上飛行18米高度，同時具備噴射滅火劑滅火能力。

綜上，不論戰(zhàn)場環(huán)境怎么變化，上述消防專用無人機都能通過更換功能模塊，迅速滿足各種場景下的使用需求。

3.2動力和續(xù)航時間方面

由于消防行業(yè)的特殊性，較大以上的應(yīng)急救援任務(wù)不可能在30分鐘之類完成，特別是急難險重災(zāi)害事故的處置現(xiàn)場，往往需要一次性持續(xù)開展救援作業(yè)數(shù)小時至數(shù)天。由于大多數(shù)無人機采用電池供電，續(xù)航時間只有短短30分鐘左右，這就導(dǎo)致此類無人機無法滿足消防部門長時間作業(yè)需求。針對普通無人機續(xù)航時間不能滿足使用需求的問題，建議在消防部門中推廣油電混合無人機或系留無人機。其中油電混合無人機搭載了燃油發(fā)電機，在飛行過程中通過發(fā)電為螺旋槳電機和機載設(shè)備供電，確保無人機連續(xù)飛行時間可達6小時以上。系留無人機可采用市電、發(fā)電機或蓄電池組等地面電源以有線方式向無人機供電，雖然線纜限制了無人機的飛行高度，但可以保證無人機具備超長滯空時間，確保無人機可以持續(xù)工作直到地面救援任務(wù)結(jié)束。為增強無人機的戰(zhàn)場適應(yīng)能力，純電無人機應(yīng)同時預(yù)留電池供電和系留供電兩種接口，油電混合無人機相應(yīng)地預(yù)留系留供電接口。

3.3機體研發(fā)方面

考慮到消防作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性和救援任務(wù)的艱巨性，消防專用無人機應(yīng)該盡量采用碳纖維、鈦合金等高強度、低重量材料制造，可有效降低無人機自身重量，增強無人機的結(jié)構(gòu)強度、負載能力和環(huán)境適應(yīng)能力，確保消防專用無人機的負載能力至少達到30千克以上，具備不同功能模塊的通用掛載能力。同時在一定程度上考慮防水防爆設(shè)計，使無人機具備在濃霧、雨雪、爆燃等復(fù)雜環(huán)境中的飛行作業(yè)能力。

3.4智能研發(fā)方面

如上所述，為確保消防專用無人機的性能，整機采用了強度大、重量輕的碳纖維、鈦合金材料制造，生產(chǎn)成本較一般民用無人機高。消防救援人員在操作使用時難免害怕操作不當出現(xiàn)墜機事故，導(dǎo)致畏手畏腳影響戰(zhàn)斗力發(fā)揮。因此設(shè)計無人機時因除了應(yīng)該考慮設(shè)計完善的自動避障功能外，還應(yīng)該考慮開發(fā)超出遙控距離時自動返航、電量不足時自動返航、受電磁干擾時自動迫降、下雨自動提示、自動選擇平整地面降落等智能飛行功能，解決操作人員的后顧之憂。除此以外，為了提升無人機制作三維圖和正射圖的速度，無人機應(yīng)該具備數(shù)據(jù)“邊飛邊傳”的功能，地面控制系統(tǒng)通過實時接收無人機傳輸?shù)膱D像，迅速自動生成三維圖或正射圖，提高制圖速度和工作效率。

3.5遙控研發(fā)方面

一方面，由于無人機的遙控距離極為有限，嚴重制約了無人機工作范圍的擴展。另一方面，我國通信公網(wǎng)的覆蓋率在世界上具有領(lǐng)先地位，例如2020年中國移動全國行政村的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率已達98%。因此在研發(fā)消防專用無人機時，應(yīng)該考慮以公網(wǎng)作為無人機遙控手段，確保無人機可通過地面公網(wǎng)基站接收遙控信號，令其始終處于消防救援人員遙控之下。由于地面公網(wǎng)基站的覆蓋率極高，理論上無人機的飛行距離只取決于其動力。例如，續(xù)航6小時的油電混合無人機理論上最大單程飛行控制距離和圖像傳輸距離可達300公里以上。這為消防救援手段的革新提供了更多可能性，例如山洪發(fā)生后造成道路中斷，消防救援人員無法通過駕車快速挺進重災(zāi)區(qū)，但可以通過釋放油電混合無人機先于救援人員到達災(zāi)害現(xiàn)場開展偵察，迅速回傳圖像掌握災(zāi)情，并為救援指揮決策提供依據(jù)。

4結(jié)語

當前無人機的發(fā)展正處于方興未艾的階段，消防部門應(yīng)該搶抓無人機發(fā)展機遇，充分利用當今各類新技術(shù)、新材料，開發(fā)適應(yīng)救援工作、具備消防特色、服務(wù)消防人員的多功能無人機平臺，以應(yīng)對各類紛繁復(fù)雜的救援環(huán)境和急難險重的工作任務(wù)挑戰(zhàn)。

參考文獻

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