探究無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

程剛

（濰坊市消防救援支隊(duì)，山東 濰坊 261000）

近年來，高層建筑日益建設(shè)和發(fā)展，受其樓層高、空間跨度大以及功能復(fù)雜等特點(diǎn)，在火災(zāi)安全領(lǐng)域提出了更高的要求。為有效降低人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)已逐漸引進(jìn)無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，快速有效地完成應(yīng)急滅火及救援任務(wù)。通過無人機(jī)系統(tǒng)搭載相應(yīng)的感應(yīng)設(shè)備，利用內(nèi)部核心控制系統(tǒng)以及定位裝置，由專業(yè)工作人員進(jìn)行操控，可對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行拍攝，幫助相關(guān)救援人員了解火災(zāi)情況，支持滅火救援工作的高效開展。為實(shí)現(xiàn)這一目的，則需要重點(diǎn)把握其關(guān)鍵技術(shù)，以此發(fā)揮其優(yōu)勢，降低事故損失。

1 無人機(jī)在消防滅火救援中的技術(shù)優(yōu)勢

在消防滅火救援領(lǐng)域應(yīng)用無人機(jī)，具有較明顯的優(yōu)勢，能夠有效應(yīng)對突發(fā)險(xiǎn)情，保證群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全，降低火災(zāi)威脅。在實(shí)踐應(yīng)用中，其具體優(yōu)勢有以下幾個(gè)方面。

（1）及時(shí)勘查火災(zāi)現(xiàn)場。運(yùn)用無人機(jī)可實(shí)時(shí)對火災(zāi)實(shí)況進(jìn)行傳輸，地面人員通過相應(yīng)的接收終端，明確現(xiàn)場火勢以及損失狀況，制定科學(xué)可行的滅火救援方案。尤其是在高層建筑中，采用傳統(tǒng)的人工勘查方式不具有全面性，而且具有較高的危險(xiǎn)系數(shù)。通過運(yùn)用無人機(jī)則能夠有效解決這一問題，首先，無人機(jī)的日常維護(hù)操作相對簡單，無須專門設(shè)置起落機(jī)場。在出現(xiàn)火災(zāi)險(xiǎn)情時(shí)，即可快速開展現(xiàn)場勘查，而且工作人員經(jīng)過遠(yuǎn)程操控進(jìn)行相應(yīng)任務(wù)，任務(wù)命令下達(dá)快捷，實(shí)時(shí)采集火災(zāi)現(xiàn)場影像，為滅火救援工作提供良好的基礎(chǔ)。

（2）有效應(yīng)對惡劣環(huán)境。利用無人機(jī)可在火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行大范圍的搜索偵查，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，避免人工偵查所產(chǎn)生的危險(xiǎn)性。同時(shí)，可利用其搭載的各種設(shè)備，發(fā)揮火情偵查、人員搜尋、損失估算、查找滅火路徑等功能，保證滅火救援的實(shí)效性得到提升。

（3）動(dòng)態(tài)跟蹤及實(shí)時(shí)監(jiān)控。無人機(jī)具有較強(qiáng)的靈活性，可對部分重要位置開展動(dòng)態(tài)跟蹤以及實(shí)時(shí)監(jiān)控，為救援工作提供有效參考，進(jìn)而提升滅火效率。同時(shí)，無人機(jī)也可發(fā)揮良好的輔助救援作用，比如，利用無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場信息傳遞、投放救生設(shè)施等，降低滅火救援難度，在最短時(shí)間內(nèi)分析火災(zāi)情況，監(jiān)督火情火勢，進(jìn)而為指揮人員制定和調(diào)整滅火救援方案提供依據(jù)和參考。

2 無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)需求分析

2.1 功能需求

無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)是保障其能夠順利完成相應(yīng)任務(wù)的基礎(chǔ)，為充分確保無人機(jī)技術(shù)優(yōu)勢的發(fā)揮，則應(yīng)當(dāng)針對其功能需求進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合目前滅火救援工作的實(shí)際現(xiàn)狀，在構(gòu)建無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)的過程中，具體功能需求如下。

（1）雙路高清視頻數(shù)據(jù)采集功能，便于實(shí)時(shí)對火災(zāi)現(xiàn)場的視頻影像進(jìn)行采集，并且清晰度應(yīng)達(dá)到15s/幀以上，有利于準(zhǔn)確判斷事故情況。同時(shí)，需設(shè)置高清書品傳輸和控制功能，即是對采集的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行合理編碼，再通過5G技術(shù)等傳輸?shù)降孛娼K端，顯示并保存視頻數(shù)據(jù)。

（2）無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)需搭載音頻采集和播放功能，有效錄制現(xiàn)場聲音并傳送到地面終端，指揮人員可按照火災(zāi)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)控，準(zhǔn)確做出判斷。同時(shí)，也可借助音頻功能將滅火救援任務(wù)指令進(jìn)行傳遞，或引導(dǎo)被困群員的逃生疏散等。

（3）GIS功能需求。由于無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)程操控方式，要想確保其位置準(zhǔn)確、支持合理控制，則要利用GIS功能進(jìn)行定位，明確無人機(jī)的飛行軌跡，以此確定偵查路徑。

（4）滅火控制控制需求。在火災(zāi)現(xiàn)場應(yīng)用無人機(jī)時(shí)，應(yīng)發(fā)揮視頻及音頻影響數(shù)據(jù)，對火勢較大或源頭等發(fā)射滅火彈，以此控制險(xiǎn)情。操控人員按照其所搭載的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，快速尋找火災(zāi)源頭，對準(zhǔn)著火點(diǎn)發(fā)生水彈，以此遏制火災(zāi)蔓延趨勢。

（5）應(yīng)急照明及數(shù)據(jù)通信功能。在夜間發(fā)生火災(zāi)時(shí)，因光照條件不佳，則會(huì)影響滅火救援效果。為提高照明程度，更好地采集現(xiàn)場信息數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)促使其具有照明模塊。

2.2 性能需求

對于無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)的性能要求，主要是保證其具有實(shí)時(shí)性、圖像高清性和簡易性。比如，實(shí)時(shí)性需求是指無人機(jī)在傳輸視頻和音頻的過程中，應(yīng)縮短時(shí)間延遲，及時(shí)掌握火災(zāi)現(xiàn)場的實(shí)際情況，以此做出現(xiàn)場應(yīng)對調(diào)整。視頻圖像高清性即是綜合考慮其操控安全，無人機(jī)在應(yīng)用過程中為確保自身穩(wěn)定，則要與火災(zāi)現(xiàn)場保持一定的距離。在拍攝火災(zāi)狀況時(shí)，可通過對傳輸會(huì)的視頻進(jìn)行高清處理，進(jìn)而了解火災(zāi)發(fā)展形勢、確定著火點(diǎn)等，全面把握現(xiàn)場各項(xiàng)環(huán)境要素，為滅火救援工作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通常情況下，對無人機(jī)視頻采集的分辨率控制在704×576左右，促使指揮人員根據(jù)現(xiàn)場狀況進(jìn)行正確的判斷和決策。簡易性是指操控人員在控制無人機(jī)時(shí)既有簡單化特點(diǎn)，降低操作難度，以此減少滅火控制的失誤行為。

3 無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高清視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)

為充分保障無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)發(fā)揮的實(shí)際作用，則需注重采用高清視頻實(shí)施傳輸技術(shù)，有效避免系統(tǒng)數(shù)據(jù)在高速局域網(wǎng)中出現(xiàn)關(guān)鍵幀丟包等現(xiàn)象，保證接收端顯示的視頻畫面具有高清化，防范火災(zāi)現(xiàn)場視頻回傳出現(xiàn)模糊以及花屏等情況。在應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)時(shí)，需重點(diǎn)在UDP協(xié)議基礎(chǔ)上，對無人機(jī)視頻實(shí)施傳輸機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。比如，對傳輸控制功能應(yīng)用TCP協(xié)議，可在客戶端以及服務(wù)器之間，針對幀數(shù)據(jù)的接收以及發(fā)送等動(dòng)作進(jìn)行有效應(yīng)答。當(dāng)成功向?qū)Ψ桨l(fā)送報(bào)告時(shí)，則表示數(shù)據(jù)傳輸成功。并借助解碼器的容錯(cuò)機(jī)制，促使視頻傳輸實(shí)時(shí)性得到提升，針對關(guān)鍵幀發(fā)揮有效的傳輸控制功能。

另一方面，對于視頻圖像的傳輸，則是利用雙路高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，先對現(xiàn)場圖像進(jìn)行采集，再實(shí)施傳輸?shù)降孛婵刂浦行?。為保障圖像傳輸?shù)耐暾浴⒏咔逍院蛯?shí)時(shí)性，則應(yīng)采用軟件流水作業(yè)方式。其是指一種重要的指令調(diào)度技術(shù)，具體是以并行的方式執(zhí)行不同循環(huán)體的指令，有助于加快程序的動(dòng)作速度。在無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)中應(yīng)用該技術(shù)，可有效提升視頻幀的處理效率，充分確保視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。在程序設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對于軟件流水的作業(yè)方式的實(shí)現(xiàn)，則是應(yīng)用多線程技術(shù)。線程作為獨(dú)立于其他程序的代碼單元，能夠在操作系統(tǒng)中發(fā)揮處理機(jī)與外圍設(shè)備的并行工作效果。能夠基于控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，同時(shí)進(jìn)行多個(gè)執(zhí)行線程。

當(dāng)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)啟動(dòng)后，進(jìn)行圖像采集，當(dāng)完成一幀圖像采集后，先判斷客戶端與服務(wù)器的連接狀態(tài)。當(dāng)存在客戶端連接時(shí)，則繼續(xù)采集，如未連接停止采集。對采集的圖像數(shù)據(jù)交由下道程序?qū)嵤┨幚?，不過，因?yàn)闊o人機(jī)高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集的幀圖像為倒像，需進(jìn)行上下翻轉(zhuǎn)，從而保證在客戶端中呈現(xiàn)正像影像，再對幀數(shù)據(jù)實(shí)施預(yù)處理，最后傳送到緩沖區(qū)。

3.2 視頻編解碼技術(shù)

對于無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，則是視頻編解碼技術(shù)，其有助于實(shí)現(xiàn)格式相互轉(zhuǎn)換，保障高清數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集的視頻格式與現(xiàn)實(shí)格式進(jìn)行順利轉(zhuǎn)換，以此傳遞視頻圖像信息。為減少無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸量，主要選擇X264編碼視頻時(shí)局。在其免費(fèi)、開源特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，有利于節(jié)省數(shù)據(jù)編碼過程消耗的時(shí)間，保證視頻傳輸實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)。比如，當(dāng)控制系統(tǒng)開啟后，幀格式轉(zhuǎn)換線程隨之創(chuàng)建，并建立對應(yīng)的轉(zhuǎn)換事件對象，合理分配線程所需的緩沖區(qū)。當(dāng)相應(yīng)編碼線程啟動(dòng)后，可先對X264參數(shù)實(shí)施初始化，并為該線程分配適當(dāng)?shù)木幋a器，當(dāng)編碼時(shí)間來到后，應(yīng)將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)中，以此觸發(fā)編碼器事件。當(dāng)編碼線程接收到信號(hào)，則可對緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)實(shí)施編碼和打包。再傳送到下一緩沖區(qū)，準(zhǔn)確記錄編碼后的數(shù)據(jù)大小，再將發(fā)送線程事件設(shè)置為有信號(hào)狀態(tài)，本線程為無信號(hào)狀態(tài)。程序結(jié)束后，控制線程終止，釋放相關(guān)資源并關(guān)閉系統(tǒng)。

3.3 GIS技術(shù)

GIS技術(shù)是無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，其能夠?qū)⒏鞣N信息與地理位置、視圖等進(jìn)行結(jié)合，利用幾何學(xué)、地理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等，與各種應(yīng)用對象、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等進(jìn)行融合，從而能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)圖形和數(shù)據(jù)采集、編輯以及顯示等功能，從而將無人機(jī)采集的信息有效傳遞給地面控制中心。在應(yīng)用GIS技術(shù)時(shí)，即是從GPS設(shè)備中采集無人機(jī)精確的經(jīng)緯度坐標(biāo)，并在地面控制系統(tǒng)的地圖工具上，實(shí)時(shí)標(biāo)記無人機(jī)的飛行軌跡以及位置，從而便于遠(yuǎn)程操縱。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

對于無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)應(yīng)用，則是選擇套接字工作模式。其實(shí)質(zhì)是一種網(wǎng)絡(luò)編程接口，主要是描述計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信中的端點(diǎn)，通常存在于通信區(qū)域中，并與同一區(qū)域內(nèi)的套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，即是有效調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，以此創(chuàng)建套接字對象。當(dāng)創(chuàng)建服務(wù)器端套接字時(shí)，則是將創(chuàng)建函數(shù)中的第一個(gè)參數(shù)作為端口號(hào)。第3個(gè)參數(shù)設(shè)置為本地IP，經(jīng)過調(diào)用函數(shù)監(jiān)聽客戶端請求，再調(diào)用相關(guān)響應(yīng)連入系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信。根據(jù)該系統(tǒng)功能模塊數(shù)據(jù)傳輸需求，主要是連接高清視頻模塊、實(shí)施音頻模塊、GIS模塊以及通信控制命令模塊等。所以，應(yīng)當(dāng)在客戶端創(chuàng)建4個(gè)流式Socket，當(dāng)服務(wù)器接受其連接請求時(shí)，分配相應(yīng)的Socket，促使客戶端與服務(wù)器成功連接，有效建立通信和數(shù)據(jù)傳輸通道。在網(wǎng)絡(luò)狀況良好的條件下，無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地傳輸視頻圖像，并實(shí)現(xiàn)語音通話，追蹤無人機(jī)的具體位置和飛行軌跡，及時(shí)響應(yīng)控制命令。所以，在未來應(yīng)用實(shí)踐中，需充分優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，保證其具有穩(wěn)定性，可適應(yīng)各種變化情況。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，滅火救援領(lǐng)域逐漸向智慧化發(fā)展。無人機(jī)在實(shí)踐應(yīng)用中可發(fā)揮重要優(yōu)勢，提升滅火救援效率，盡量降低火災(zāi)事故損失。為充分保障無人機(jī)能夠有效起到火情偵查、救援通信以及物資投放等功能，則應(yīng)當(dāng)注重對其關(guān)鍵技術(shù)的把握，即是合理運(yùn)用高清視頻實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)、視頻編解碼技術(shù)、GIS技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，有效實(shí)現(xiàn)控制命令執(zhí)行，遠(yuǎn)程操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行滅火救援任務(wù)，適用于各個(gè)火災(zāi)場景，能夠提高工作效率。