無人機技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用

銀航

摘要：無人機技術(shù)是提高現(xiàn)代消防救援隊伍通信能力與通信質(zhì)量的重要技術(shù)手段之一，結(jié)合消防無人機應(yīng)用的實際情況，對其在消防通信中的應(yīng)用優(yōu)勢進行分析，并深入探究其具體應(yīng)用以及應(yīng)用路徑，最后以碳纖維材質(zhì)六旋翼無人機為例對其具體應(yīng)用情況展開分析，旨在為無人機技術(shù)在消防通信中的實際應(yīng)用提供理論與實踐參考。

關(guān)鍵詞：無人機技術(shù)；消防通信；應(yīng)用

中圖分類號：D631.6? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2022）12-0034-03

無人機技術(shù)的問世解決了我國提高消防通信質(zhì)量道路上的諸多難題，無人機屬于先進設(shè)備，對系統(tǒng)開源、配套技術(shù)也要求較高，目前國內(nèi)消防救援隊伍均有配發(fā)無人機，但在實際應(yīng)用中出現(xiàn)了諸多問題，缺少關(guān)于操控?zé)o人機的專項培訓(xùn)，導(dǎo)致消防救援隊伍通信人員對無人機技術(shù)功能掌握不全面；且無人機功能在應(yīng)用層面上也較為狹窄，主要為航拍偵察，應(yīng)用深度不足；此外也出現(xiàn)通信組網(wǎng)混亂問題，在救援中容易出現(xiàn)通信模塊連接不暢。因此，探究無人機技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義，意在從實踐應(yīng)用角度解決目前無人機技術(shù)應(yīng)用中的問題，并對救援現(xiàn)場無人機通信組網(wǎng)流程進行規(guī)范，使無人機技術(shù)的優(yōu)勢在消防通信中充分發(fā)揮。

1 無人機技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用優(yōu)勢

1.1? 機動靈活

目前消防通信中應(yīng)用的無人機以小型為主，其主要特點是重量輕、無需多人操作，每架無人機的重量通常在100kg以下，且1～2人即可完成操作，正是因為以上特點才能在火災(zāi)、洪災(zāi)等救援中輕松進入現(xiàn)場，快速地應(yīng)用到實際救援當(dāng)中，傳回災(zāi)情現(xiàn)場情況，為消防救援隊伍提供最客觀的災(zāi)情信息。同時，與其他體積大、質(zhì)量大的設(shè)備相比，小型無人機反應(yīng)速度快、移動速度快，更方便操作，實際應(yīng)用中在無明顯突出障礙物的地面、幾平方米空間內(nèi)即可起飛，因此，在消防通信中的應(yīng)用更加機動靈活[1]。

1.2? 視野全面

隨著科技的進步，無人機技術(shù)逐漸與寬帶技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈技術(shù)等先進技術(shù)結(jié)合，使無人機勘測視野有了進一步擴大。在消防通信應(yīng)用中無人機可以在不同光線下從不同角度完成大面積、大范圍勘測，傳回更豐富的數(shù)據(jù)與圖像信息；且在低空飛行期間操作人員可以針對重點勘測對象進行跟蹤拍攝，以便消防救援隊伍獲取更全面的信息。此外，目前無人機技術(shù)搭載熱成像、紅外等夜視功能，也使無人機的應(yīng)用成效大幅提升，為消防救援隊伍提高工作效率與工作質(zhì)量提供了更強有力的支持[2]。

1.3? 安全可靠

無人機技術(shù)受到消防救援隊伍的歡迎與青睞更為關(guān)鍵的原因是其在應(yīng)用中對環(huán)境要求較低，消防救援現(xiàn)場條件惡劣，經(jīng)常為高溫、暴雨、暴雪、大風(fēng)環(huán)境，無人機能夠有效克服環(huán)境條件的負(fù)面影響，在事故現(xiàn)場進行高效、穩(wěn)定的飛行，跟蹤與拍攝事故現(xiàn)場畫面，為救援方案的制定、救援指揮工作的開展提供可靠的依據(jù)，從而可以有效降低事故的影響、危害，減少人員傷亡，提高救援效率。

2 無人機技術(shù)在消防通信中的具體應(yīng)用

2.1? 先導(dǎo)偵察

先導(dǎo)偵察是指火災(zāi)、洪災(zāi)、地震等災(zāi)害發(fā)生后，消防救援人員通過手動操控?zé)o人機或啟動自主航跡規(guī)劃模式，先于其他救援力量對災(zāi)害現(xiàn)場情況展開全方位偵察的一項功能。到達災(zāi)害現(xiàn)場后，通常采用手動遙控為主、自主飛行為輔的模式，控制無人機做出定點懸停、下降、俯沖等動作，對災(zāi)害現(xiàn)場完成初步偵察，但為了發(fā)揮無人機在先導(dǎo)偵察、提前預(yù)判上的優(yōu)勢，需要通過算法的優(yōu)化，盡可能通過自主飛行完成先導(dǎo)偵察[3]。

具體來講，融合柵格法、A*算法、蟻群算法對無人機自主飛行路徑進行優(yōu)化，柵格法可以針對無人機飛行涵蓋空間完成建模，確定飛行目標(biāo)的位置坐標(biāo)后，在建筑物信息、建筑高度信息基礎(chǔ)上劃分步長，并分析災(zāi)害所屬轄區(qū)特點，預(yù)先完成中繼節(jié)點設(shè)定，作為勘測區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)點；A*算法的open與close表以及啟發(fā)函數(shù)h（n）可以約束限制無人機飛行路線，使其朝著目標(biāo)點方向飛行；用蟻群算法完成數(shù)據(jù)處理，減少無人機技術(shù)應(yīng)用中的無效與低效飛行區(qū)域，經(jīng)過少次迭代則可以選擇最佳飛行路線[4]。

啟動自主飛行模式前提前進行飛行高度設(shè)定，將飛行領(lǐng)域中最高點作為本次飛行的最低安全距離，最后再設(shè)定終點、啟動避障模塊，則可以在消防救援隊伍未到達災(zāi)害現(xiàn)場前安全、高效完成先導(dǎo)偵察任務(wù)，節(jié)約大量救援時間。

2.2? 圖像傳輸

消防無人機通常搭載圖傳、數(shù)傳、無線電傳三種傳輸設(shè)備，圖像傳輸模塊則負(fù)責(zé)實時傳回災(zāi)害現(xiàn)場圖像，是輔助無人機完成先導(dǎo)偵察、現(xiàn)場偵察、現(xiàn)場指揮的重要環(huán)節(jié)。從目前消防救援隊伍通信裝備配備現(xiàn)狀來看，5G圖像傳輸以及微波圖像傳輸是兩項穩(wěn)定性高、可行性高的傳輸方式。

5G圖像傳輸?shù)默F(xiàn)場圖像傳輸中需先通過無人機，再傳輸至無人機地面終端、5G公網(wǎng)基站、服務(wù)器，最后傳回到指揮中心，搭載高清攝像機則可以清晰攝錄災(zāi)害現(xiàn)場影像，將數(shù)據(jù)傳回?zé)o人機地面終端后利用HDMI高清接口將圖像信息發(fā)送到5G公網(wǎng)基站，再傳送到服務(wù)器，指揮中心登錄IP地址后就可以與服務(wù)器連接獲取圖像信息[5]。

微波圖像傳輸即將無人機拍攝的圖像數(shù)據(jù)通過便捷式發(fā)射終端，以微波形式傳輸至現(xiàn)場通信指揮車裝配的車載接收機上，其將信息再次發(fā)射則可以傳回到通信指揮中心，實時查看災(zāi)害現(xiàn)場圖像或視頻資料，從而也實現(xiàn)現(xiàn)場—指揮車—指揮中心同步查看災(zāi)害現(xiàn)場情況。

2.3? 擴音喊話

目前，在消防通信中擴音系統(tǒng)的最主要功能是擴音喊話，但在高層建筑發(fā)生災(zāi)害時，由于地面上人群擁擠、聲音過于嘈雜，傳統(tǒng)擴音設(shè)備并不能有效發(fā)揮作用，而在無人機技術(shù)推出后，利用無人機完成救援現(xiàn)場高空喊話，可以使等待救援人員清晰了解喊話內(nèi)容，以便聽從指令做好個人防護，按照要求有序逃離災(zāi)害現(xiàn)場。現(xiàn)場應(yīng)用中，先做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備，將無線接收設(shè)備安裝在無人機上，救援人員到達災(zāi)害現(xiàn)場后，啟動無人機，通過手臺喊話，無人機上的無線接收設(shè)備接收喊話內(nèi)容后則可以通過擴音器使聲音傳出。

3 無人機技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用路徑

3.1? 指揮現(xiàn)場救援

消防救援隊伍到達現(xiàn)場后，根據(jù)先導(dǎo)偵察中掌握的災(zāi)害事故現(xiàn)場情況做出全方位的分析，對涉及災(zāi)情區(qū)域、具體傷亡情況、被困情況進行統(tǒng)計，從而優(yōu)化救援方案，選擇最佳救援路線，以最快的速率、最小的傷亡為目標(biāo)完成救援任務(wù)。而面對災(zāi)害現(xiàn)場惡劣的環(huán)境條件以及隱藏著諸多不確定、不安全因素，若想保證救援任務(wù)成功完成，必須在救援過程中全面掌握災(zāi)害現(xiàn)場情況，使救援秩序有條不紊。因此，在現(xiàn)場救援過程中無人機也發(fā)揮著重要作用，其實時傳回災(zāi)害現(xiàn)場救援圖像或影像，方便指揮中心實時了解消防救援人員的動態(tài)、救援進展，解決了人力無法做到的災(zāi)害現(xiàn)場全面監(jiān)控難題；且在現(xiàn)場救援過程中通過無人機技術(shù)可以保證指揮中心與現(xiàn)場指揮基于相同的動態(tài)畫面進行溝通，對救援路線進行合理部署，及時識別危險性因素，減少救援人員安全風(fēng)險，降低救援中不必要人員的傷亡率[6]。

3.2? 探測現(xiàn)場情況

消防通信是有效處理災(zāi)害事故現(xiàn)場中不可缺少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其為整個救援提供各類信息，而應(yīng)用無人機通信后可以提高獲取通信信息的效率、豐富通信信息類型，如以往僅可以獲取靜態(tài)畫面信息，無人機技術(shù)可以利用高清攝像機實時傳回現(xiàn)場動態(tài)畫面，便于各個部門及時調(diào)整救援行動，高效、密切配合，提高救援效率與質(zhì)量。同時，更為關(guān)鍵的是消防中應(yīng)用無人機通信可以更高效、全面的探測各類情況，災(zāi)害事故現(xiàn)場的復(fù)雜性使救援工作充滿不確定性，從而使傷亡情況普遍，尤其是在地質(zhì)災(zāi)害中由于道路封堵救援人員難以第一時間到達災(zāi)害現(xiàn)場，諸多人員因饑餓、氧氣不足而死亡，利用無人機探測各類型信息，采集現(xiàn)場圖像，并協(xié)同坐標(biāo)信息一同傳回地面，可以使消防救援隊伍對災(zāi)害現(xiàn)場情況有更深層的了解，優(yōu)化救援部署，及時解決等待救援人員的困難，降低人員傷亡率[7]。此外，在火災(zāi)救援現(xiàn)場，無人機技術(shù)能夠在災(zāi)害現(xiàn)場探測中計算出溫度情況，并利用采集的溫度信息編制溫度分布圖，將溫度信息傳回指揮中心，消防救援隊伍可以根據(jù)溫度情況制定科學(xué)的滅火方案。

3.3? 掌握現(xiàn)場變化

災(zāi)害事故現(xiàn)場情況復(fù)雜、多變，如果救援中只憑借無人機先導(dǎo)偵察中獲取的信息進行救援，則無法掌握災(zāi)害現(xiàn)場的動態(tài)變化，不利于救援中對災(zāi)情做出準(zhǔn)確判斷，也難以保障救援方案的合理性與科學(xué)性。但無人機安全可靠、機動靈活，可以在救援過程中持續(xù)在目標(biāo)領(lǐng)域中飛行，獲取整個災(zāi)情現(xiàn)場動態(tài)變化情況，滿足對災(zāi)情全天候、全方位監(jiān)測的要求，利用無人機探測中獲取的信息進行救援指揮、合理安排救援搶險活動，妥善處理救援中遇到的難題。無人機技術(shù)能夠?qū)?zāi)情變化的實時情況傳回到地面通信終端，指揮人員可以根據(jù)現(xiàn)場情況的變化，結(jié)合其他輔助信息，預(yù)測災(zāi)情走勢，提前做好預(yù)防方案，避免災(zāi)情升級；并借助無人機技術(shù)的優(yōu)勢保障指揮命令快速下達給處于災(zāi)情現(xiàn)場不同位置的消防救援隊伍，使其高效執(zhí)行命令，從而使救援工作圓滿、順利完成[8]。

3.4? 提高通信效率

在消防救援中處在救援一線的救援人員始終受各類危險的威脅，其間也會遇到突發(fā)情況，如在地震救援中，會伴有滑坡、泥石流等次生災(zāi)害的發(fā)生，若消防通信不暢通、不及時、不準(zhǔn)確，將為救援工作帶來阻礙，也使救援人員的生命安全受到威脅。而無人機技術(shù)在消防通信中的突出優(yōu)勢，使通信模塊可以在惡劣的條件下保持靈活運轉(zhuǎn)，準(zhǔn)確傳遞語音指令、快速傳遞通信信息，并在無人機上搭配各類型通信裝置與設(shè)備，其核心部件均經(jīng)過實戰(zhàn)驗證，具備要求功能；且每臺無人機可以同時傳遞聲音、圖像、視頻、光信號等多種類型的通信信息，內(nèi)容之間無沖突，在多種類型信息同時傳輸過程中可以實現(xiàn)無縫銜接，避免信息真實性受到影響，也能降低傳輸過程中其他因素帶來的干擾，保證消防救援隊伍中高效、穩(wěn)定溝通。

4 應(yīng)用案例

本文以碳纖維材質(zhì)的六旋翼無人機為研究對象，對其在消防通信中的應(yīng)用展開分析。該無人機具有航時長、靈活、機身穩(wěn)定的特點，在某次高層建筑火災(zāi)救援中，其在消防通信中的優(yōu)勢也得到凸顯。

4.1? 利用偵察功能完成現(xiàn)場探測

接到火警后消防救援隊伍迅速出警，確定火災(zāi)現(xiàn)場位置后，輸入初始地點以及定點災(zāi)情位置后，啟動無人機提前到達現(xiàn)場進行情況偵察，利用Google地圖完成飛行定位，飛行過程中率先傳回圖像信息，使消防救援隊伍了解前往災(zāi)害現(xiàn)場途中交通狀況，選擇通暢路線快速到達現(xiàn)場；飛機到達火災(zāi)現(xiàn)場后傳回火勢、起火樓層等情況，到達現(xiàn)場通過簡單的問詢則可以對事故地點起火原因做出判斷，并判斷火勢擴散情況、被困人員情況，為現(xiàn)場指揮決策提供可靠依據(jù)。應(yīng)用無人機進行通信過程中高清攝像機可以向地面終端傳回清晰的圖像，畫質(zhì)高、畫面穩(wěn)定，滿足消防救援隊伍對先導(dǎo)偵察、現(xiàn)場探測的要求。

4.2? 利用圖像傳輸功能完成指揮救援

救援過程中5G圖像傳輸以及微波圖像傳輸模式均有所實踐。

5G圖像傳輸中，消防救援隊伍到達火災(zāi)現(xiàn)場后，先手動操控?zé)o人機對災(zāi)害關(guān)鍵區(qū)域進行跟蹤攝像，尤其是隱蔽角落位置，將無人機探測的信息傳回到指揮中心，指揮中心獲取圖像信息的時差在1s內(nèi)，待無人機飛行穩(wěn)定后調(diào)整為自由飛行模式，實時傳回災(zāi)害現(xiàn)場畫面，在該傳輸模式當(dāng)中，可以實現(xiàn)現(xiàn)場—地面終端—指揮中心三者視頻同步。雖然在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)指揮中心服務(wù)器受公網(wǎng)基站的影響畫面像素較差，但整體畫質(zhì)仍能滿足現(xiàn)場指揮與分析研判的需求，圖像質(zhì)量達到要求標(biāo)準(zhǔn)。

在微波圖像傳輸中，為防止單一通信手段因故中斷導(dǎo)致現(xiàn)場指揮救援工作無法正常進行，應(yīng)在啟動5G圖像傳輸模塊的同時，啟動微波圖像傳輸模塊，及利用單兵背負(fù)式微波傳輸設(shè)備完成圖像傳輸任務(wù)，需要在災(zāi)情現(xiàn)場配備通信指揮車、地面接收端、微波傳輸設(shè)備以及消防無人機。當(dāng)高層建筑發(fā)生火災(zāi)后，消防救援人員達到災(zāi)情現(xiàn)場，由救援人員攜帶便攜式單兵背負(fù)式微波傳輸設(shè)備進入現(xiàn)場，通信指揮車保證輸入端與視頻輸出接口正常連接狀態(tài)下，則可以啟動無人機，飛離到預(yù)定高度后定點懸停，將災(zāi)情現(xiàn)場視頻圖像傳回，待畫面穩(wěn)定后選擇某個時刻地面終端與指揮中心獲取的相同圖像，均為無人機高清攝像頭截取，比較地面終端獲取圖像與指揮中心獲取圖像畫質(zhì)，可以看出傳回指揮中心后畫質(zhì)有所下降，但畫質(zhì)清晰度以及同步效率滿足要求，符合現(xiàn)場指揮救援對災(zāi)害現(xiàn)場畫面質(zhì)量的要求。

兩種圖像傳輸方式均可以可靠、穩(wěn)定、高效地將圖像傳回地面終端與指揮中心，在畫面效果、時延、傳輸穩(wěn)定性上差異較小，在現(xiàn)場指揮救援過程中，可以同時應(yīng)用兩種圖像傳輸方式，當(dāng)其中某一傳輸方式因指揮手段、外部環(huán)境干擾而被迫終止后可以避免圖像傳輸受到影響。

4.3? 利用擴音喊話功能根據(jù)現(xiàn)場動態(tài)變化傳遞救援指令

災(zāi)情現(xiàn)場變化后指揮中心需要對新的形勢快速做出判斷，及時傳遞新的救援指令，使救援工作高效、有序開展。在本次救援中消防救援隊伍到達現(xiàn)場后，將擴音模塊載荷到無人機云臺上，調(diào)節(jié)手臺頻率到350MHz、擴音模塊接收端頻率調(diào)節(jié)到350MHz，利用無人機上的微型喇叭則可以將聲音擴散出去；其中喇叭電源為小型鋰離子電池，質(zhì)量輕、降低無人機整體載荷。救援過程中，為了保證消防隊伍有序工作、等待救援人員配合工作，通過擴音喊話傳遞逃生指令與疏散指令，并在災(zāi)情現(xiàn)場發(fā)生變化后通過擴音喊話傳遞關(guān)鍵救援求生指令，成功預(yù)防等待救援人員盲目跳樓行為，使等待救援人員情緒得到安撫，并與救援人員高效配合，快速逃離火災(zāi)現(xiàn)場。

5 結(jié)語

綜上所述，無人機技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用使消防救援中通信效率、通信質(zhì)量有了大幅提升，其機動靈活、視野廣闊、安全可靠等優(yōu)勢為消防救援工作提供了強有力的支持，使現(xiàn)場指揮、高效救援有了可靠依據(jù)，因此，應(yīng)不斷深入分析無人機技術(shù)，拓展其在消防通信中的應(yīng)用路徑，提高技術(shù)層次，使其在提高消防救援效能方面發(fā)揮更突出的作用。

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Application of drone technology in fire communication

Yin Hang

（Fire and Rescue Department of Xinjiang， Xinjiang Urumqi 830000）

Abstract：Drone technology is one of the important technical means to improve the communication capability and communication quality of modern fire and rescue teams. Combined with the actual situation of fire drone application， its application advantages in fire communication are analyzed. Its specific application and application path are deeply explored. Finally， taking the carbon fiber six-rotor drone as an example， the specific application situation is analyzed， which aims to provide theoretical and practical references for the practical application of drone technology in fire communication.

Keywords：drone technology; fire communication; application