無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中的應(yīng)用

費(fèi)洪杰

摘要：合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)路線有助于提高消防滅火救援能力。對(duì)無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中的具體應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中的應(yīng)用效果較好，可準(zhǔn)確求解出著火點(diǎn)三維坐標(biāo)，同時(shí)規(guī)劃出3個(gè)著火點(diǎn)的最短路徑，成功避開障礙物，并準(zhǔn)確到達(dá)著火點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)施消防滅火救援任務(wù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；消防滅火救援；應(yīng)用效果；著火點(diǎn)識(shí)別；路徑規(guī)劃；PID控制

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，滅火救援的速度直接影響著人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。為此，許多學(xué)者著力研究消防滅火救援中相關(guān)的技術(shù)，如閆家偉等將智能視頻分析技術(shù)應(yīng)用在消防滅火救援中[1]，通過(guò)該技術(shù)識(shí)別出早期火災(zāi)事故并發(fā)出警報(bào)，救援管理部門可根據(jù)火災(zāi)事故視頻，及時(shí)調(diào)整滅火救援方案。李朋朋等將衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用在消防滅火救援中[2]，利用該技術(shù)可構(gòu)建消防救援網(wǎng)絡(luò)以保證消防救援通信穩(wěn)定。上述技術(shù)在火災(zāi)防控方面具有很好的應(yīng)用效果，但在消防滅火救援中，其提供的火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)僅能起輔助作用。

無(wú)人機(jī)包括救援設(shè)備、飛機(jī)機(jī)體、飛控系統(tǒng)等。無(wú)人機(jī)搭載的攝像頭可拍攝清晰的火災(zāi)事故現(xiàn)場(chǎng)全景，消防救援管理部門根據(jù)采集的火災(zāi)事故數(shù)據(jù)，將無(wú)人機(jī)與消防隊(duì)員結(jié)合在一起，能夠制定出合理的救援方案。在消防滅火救援中，利用無(wú)人機(jī)可保證操作員和救援人員的安全，提升救援效率。特別是近幾年，火災(zāi)發(fā)生率逐年升高，將無(wú)人機(jī)應(yīng)用在消防滅火救援中，能夠取得較好的效果，因此對(duì)無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中的具體應(yīng)用進(jìn)行深入研究，具有積極意義[3-4]。

1 無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中的應(yīng)用

1.1? 無(wú)人機(jī)火災(zāi)著火點(diǎn)定位方法

無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載攝像頭采集城市遙感圖像，并經(jīng)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將采集的城市遙感圖像發(fā)送至控制中心?？刂浦行睦梅较蛱荻戎狈綀D提取遙感圖像的形態(tài)紋理特征后，通過(guò)支持向量機(jī)方法按照特征結(jié)果對(duì)城市遙感圖像實(shí)施分類，識(shí)別出火災(zāi)和非火災(zāi)的城市遙感圖像。當(dāng)識(shí)別出發(fā)生火災(zāi)的城市遙感圖像時(shí)，控制中心向控制器傳達(dá)停止命令，使無(wú)人機(jī)暫時(shí)懸停，計(jì)算著火點(diǎn)位置坐標(biāo)。無(wú)人機(jī)著火點(diǎn)位置坐標(biāo)獲取原理，見圖1。

設(shè)置無(wú)人機(jī)的攝像機(jī)、GPS接收機(jī)、微波測(cè)距儀都位于設(shè)定坐標(biāo)點(diǎn)上。

利用微波測(cè)距儀測(cè)量著火點(diǎn)和儀器間的距離，其測(cè)距公式如下：

其中：傳播時(shí)間用t描述，傳播速度用v描述。

采用控制器可獲取Yu軸和攝像機(jī)水平方向OR投影的夾角a，同時(shí)獲取o（Xo，Yo，Zo）坐標(biāo)系中XuYu水平面和攝像機(jī)光軸OQ的夾角β。將獲取相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，通過(guò)該中心可求解出著火點(diǎn)坐標(biāo)為Q（Xq，Yq，Zq），其表達(dá)式如下：

1.2? 無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃方法

無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中路徑規(guī)劃也是非常重要的環(huán)節(jié)。在明確著火點(diǎn)坐標(biāo)后，采用改進(jìn)遺傳算法合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中路徑，以救援路徑最短、合理規(guī)避障礙物為目標(biāo)，并準(zhǔn)確到達(dá)著火點(diǎn)實(shí)施救援任務(wù)。該算法的流程，見圖2。

由圖2可知，改進(jìn)遺傳算法流程主要包括初始化種群、求解個(gè)體適應(yīng)度，當(dāng)個(gè)體適應(yīng)度中精英個(gè)體滿足終止條件后，得出無(wú)人機(jī)消防滅火救援路徑。當(dāng)不符合終止條件時(shí)，需要對(duì)個(gè)體實(shí)施交叉、變異、刪除等操作后求解個(gè)體適應(yīng)度，并選取精英群體中最優(yōu)精英個(gè)體，直到符合終止條件后結(jié)束。

1.2.1? 初始化種群

將無(wú)人機(jī)應(yīng)用在消防滅火救援中，可提高消防滅火救援能力，無(wú)人機(jī)利用攝像頭采集城市環(huán)境信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，采用改進(jìn)遺傳算法合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)消防滅火救援路徑。在路徑規(guī)劃中，用1個(gè)個(gè)體描述每個(gè)從起點(diǎn)到終點(diǎn)的無(wú)碰撞路徑，各個(gè)體里包含1條染色體。通過(guò)將全部個(gè)體集合構(gòu)建無(wú)碰撞路徑種群。初始化種群過(guò)程為：

設(shè)置無(wú)人機(jī)的消防滅火救援路徑用Qj描述，其公式如下：

其中：第j段路徑用（qj-1，qj）描述，起點(diǎn)用q0描述，終點(diǎn)用qgoal描述，路徑用節(jié)點(diǎn)序號(hào)用j描述，第j個(gè)路徑節(jié)點(diǎn)用qj描述，當(dāng)無(wú)人機(jī)位于qj點(diǎn)時(shí)，以救援路徑最短為目標(biāo)，選取合適路徑點(diǎn)qj+1，其公式如下：

其中：終點(diǎn)x軸、y軸坐標(biāo)分別用qxgoal、qygoal描述，qj點(diǎn)x軸、y軸坐標(biāo)分別用qxj、qyj描述，qj+1點(diǎn)x軸、y軸坐標(biāo)分別用qxj+1、qyj+1描述。

qj+1點(diǎn)y坐標(biāo)、x坐標(biāo)的公式為：

上述過(guò)程可提高無(wú)人機(jī)接近終點(diǎn)的速度。

1.2.2? 個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)

通過(guò)求解個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)選出最優(yōu)精英個(gè)體，滿足路徑最短的目標(biāo)，提高無(wú)人機(jī)避障能力。個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)求解流程為：

種群內(nèi)包含N個(gè)個(gè)體，Qj個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)用Fitness（Qj）描述，其公式如下：

其中：采樣點(diǎn)函數(shù)數(shù)量用Number（Qj）描述，第二部Number（Qj）分在整體所占比重用m2描述，在路徑的總長(zhǎng)度函數(shù)用Length（Qj）描述，第一部分Length（Qj）在整體所占比重用m1描述。

Number（Qj）表達(dá)式為：

其中：正整數(shù)用θ描述。

在路徑Qj上選取用qk表示路徑點(diǎn)，該點(diǎn)離障礙點(diǎn)Bar距離Lqk_Bar如下式：

其中：障礙點(diǎn)Bar的x坐標(biāo)、y坐標(biāo)分別用Bxar、Byar描述，路徑點(diǎn)qk的x坐標(biāo)、y坐標(biāo)分別用qxk、qyk描述。

如果：

則令

其中：路徑Qj上采樣點(diǎn)中符合條件的采樣點(diǎn)函數(shù)數(shù)量Number（Qj）大于無(wú)人機(jī)半徑定值用描述。

經(jīng)分析可知適應(yīng)度函數(shù)包括Length（Qj）和Number（Qj），當(dāng)函數(shù)值越小表示為精英個(gè)體，其路徑性能越高。

當(dāng)不符合終止條件時(shí)，需要在種群中路徑的交點(diǎn)處實(shí)施大概率交叉操作，提高個(gè)體更新速度，保證路徑連續(xù)性。再通過(guò)隨機(jī)變異選取最優(yōu)路徑，采用刪除冗余節(jié)點(diǎn)可縮短路徑長(zhǎng)度，最后求解個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)，挑選出各代種群內(nèi)精英子種群，并從中選出用minFitness（Qj）表示函數(shù)值最小個(gè)體精英，最優(yōu)路徑用Qoptimal path描述，若下一代個(gè)體函數(shù)值低于則需要更新路徑，若不是繼續(xù)保留，作為最優(yōu)無(wú)人機(jī)消防滅火救援路徑。

1.3? 無(wú)人機(jī)消防救援噴灑的定量控制方法

在采用改進(jìn)遺傳算法合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中路徑后，無(wú)人機(jī)到達(dá)消防滅火救援地點(diǎn)實(shí)施消防滅火救援任務(wù)。無(wú)人機(jī)自帶消防滅火救援設(shè)備，救援設(shè)備明細(xì)，見表1。

由表1可知，無(wú)人機(jī)消防滅火救援設(shè)備主要包括探測(cè)裝置、滅火裝置、輔助救援裝置。其中滅火裝置中噴灑裝置按照火災(zāi)類型和火勢(shì)大小實(shí)施噴灑任務(wù)。在進(jìn)行消防滅火救援噴灑任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)消防滅火劑噴灑量的控制至關(guān)重要，因此采用PID控制方法針對(duì)不同火災(zāi)具體情況控制無(wú)人機(jī)滅火劑噴灑量，可提高滅火效率，縮短滅火救援時(shí)間。滅火劑噴灑量PID控制流程見圖3。

由圖3可知無(wú)人機(jī)的滅火劑噴灑量PID控制流程，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的滅火劑噴灑量，設(shè)置用表示滅火噴灑裝置噴頭滅火劑的壓力，反饋值用描述。噴滅火劑的壓力傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

其中：實(shí)際滅火噴灑裝置噴頭滅火劑壓力系數(shù)，常量用h表示。

當(dāng)無(wú)人機(jī)電壓穩(wěn)定在0～10V時(shí)，滅火裝置噴頭最大壓力為6MPa，則PID反饋值系數(shù)如下：

傳遞延遲函數(shù)表達(dá)式如下：

其中：實(shí)際和期望噴灑量偏差用描述，比例系數(shù)用描述，噴灑量系數(shù)用描述。

經(jīng)PID壓力反應(yīng)后得出下式：

其中：實(shí)際滅火劑噴灑量用w（x）描述，頻率用f描述；噴灑距離用描述。

綜上所述，在求出PID各項(xiàng)控制參數(shù)值后，按照無(wú)人機(jī)滅火噴灑裝置噴頭的壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，依據(jù)實(shí)際和期望噴灑量偏差分析噴灑滅火劑噴灑量，通過(guò)PID反應(yīng)壓力機(jī)制調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)滅火劑噴灑量，完成精準(zhǔn)滅火劑噴灑任務(wù)，提高無(wú)人機(jī)消防救援效率。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

無(wú)人機(jī)在正常巡檢過(guò)程中，可通過(guò)無(wú)人機(jī)攝像頭拍攝到試驗(yàn)對(duì)象發(fā)生的城市火災(zāi)事故圖像，并將城市發(fā)生火災(zāi)事故圖像及時(shí)傳輸至城市消防管理部門系統(tǒng)。

無(wú)人機(jī)拍攝的城市發(fā)生火災(zāi)事故圖像清晰，經(jīng)無(wú)人機(jī)控制中心利用方向梯度直方圖提取遙感圖像的形態(tài)紋理特征后，通過(guò)支持向量機(jī)方法按照特征結(jié)果對(duì)城市遙感圖像實(shí)施分類，識(shí)別出火災(zāi)和非火災(zāi)的城市火災(zāi)事故圖像，并標(biāo)記出該試驗(yàn)對(duì)象區(qū)域存在三處著火點(diǎn)，并將城市發(fā)生火災(zāi)事故圖像及時(shí)傳輸至城市消防管理部門系統(tǒng)。

按照?qǐng)D像從左至右順序，依次為著火點(diǎn)1、著火點(diǎn)2、著火點(diǎn)3，采用本文方法對(duì)三處著火點(diǎn)實(shí)施定位。著火點(diǎn)定位結(jié)果，見表2。

分析表2數(shù)據(jù)可知，在應(yīng)用本文方法進(jìn)行3個(gè)著火點(diǎn)定位時(shí)，無(wú)人機(jī)測(cè)量著火點(diǎn)實(shí)際三維坐標(biāo)與實(shí)際值非常接近，僅有著火點(diǎn)1的X、Y坐標(biāo)和火點(diǎn)2的X坐標(biāo)與其實(shí)際坐標(biāo)存在微小偏差，偏差數(shù)值較小，平均誤差約0.03m。上述結(jié)果說(shuō)明：本文方法具備較為準(zhǔn)確的城市著火點(diǎn)定位能力，可滿足城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)要求。

在明確3個(gè)著火點(diǎn)坐標(biāo)后，采用改進(jìn)遺傳算法合理規(guī)劃無(wú)人機(jī)在消防滅火救援中路徑，以救援路徑最短為目標(biāo)，規(guī)避障礙物，并準(zhǔn)確到達(dá)城市著火點(diǎn)實(shí)施救援任務(wù)。

改進(jìn)遺傳算法的無(wú)人機(jī)在城市消防滅火救援路徑規(guī)劃結(jié)果，見圖4。

采用改進(jìn)遺傳算法的無(wú)人機(jī)在城市消防滅火救援中路徑規(guī)劃效果較好，能夠成功避開障礙物，分別規(guī)劃出到達(dá)3個(gè)著火點(diǎn)的最短路徑，并準(zhǔn)確到達(dá)城市著火點(diǎn)，節(jié)省城市消防滅火救援的時(shí)間。

3 結(jié)論

針對(duì)消防滅火救援存在裝備技術(shù)落后的問(wèn)題，本文提出將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用在消防滅火救援中，并分析其應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)采集城市圖像，可迅速識(shí)別出城市火情，獲取城市火災(zāi)情況，并將識(shí)別結(jié)果發(fā)送至指揮部門，指揮部門安排無(wú)人機(jī)進(jìn)行城市消防滅火救援，在應(yīng)用本文方法進(jìn)行3個(gè)著火點(diǎn)定位時(shí)，無(wú)人機(jī)測(cè)量的火點(diǎn)實(shí)際三維坐標(biāo)與實(shí)際值非常接近，平均誤差約0.03m。本文方法具備較為準(zhǔn)確的城市著火點(diǎn)定位能力，可滿足林火監(jiān)測(cè)要求，并在合理規(guī)劃路線后，實(shí)施噴灑消防干粉滅火劑任務(wù)，成功撲滅城市火災(zāi)，保護(hù)住宅區(qū)的人員安全。

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The application of drones in firefighting and rescue

Fei Hongjie

（Tianjin Jinan District Fire and Rescue Division，Tianjin 300000）

Abstract： Reasonable planning of UAV routes helps improve firefighting and rescue capabilities. The specific application of UAV in firefighting and rescue is experimentally studied， and the results show that the UAV has a good application effect in firefighting and rescue， which can accurately solve the three-dimensional coordinates of the fire point， while planning the shortest path to three fire points， successfully avoiding obstacles and accurately reaching the fire point， and then implementing firefighting and rescue tasks.

Keywords： UAV; firefighting and rescue; application effect; fire identification; path planning; PID control