無人機(jī)技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用研究

樊 野

（呼和浩特市武川縣消防救援大隊(duì)，內(nèi)蒙古呼和浩特 011799）

0 引言

無人機(jī)在消防滅火救援中具有廣泛的應(yīng)用前景，近年來無人機(jī)大量應(yīng)用于應(yīng)急救援行動并取得了很大成效。隨著飛控系統(tǒng)的開源及市場需求增加，無人機(jī)在消防救援單位得到應(yīng)用，但仍存在基層通信人員缺乏系統(tǒng)培訓(xùn)，功能集中于航拍偵察，通信組網(wǎng)混亂等問題，需要深入研究無人機(jī)在消防通信中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 無人機(jī)在消防救援中的應(yīng)用

隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，高層樓宇消防問題日益突出，城市高層樓宇消防滅火面臨玻璃幕墻破拆困難、消防通道堵塞等困境，傳統(tǒng)的消防手段不能滿足現(xiàn)有城市樓層高度的消防需求。如何快速獲取現(xiàn)場信息、針對被困人員展開救援成為消防工作的新課題?？梢越柚鸁o線監(jiān)控手段實(shí)施滅火救援，由于高層樓宇存在建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無線通信信號傳輸不通暢等問題，應(yīng)用中難以保證信號傳輸?shù)目煽啃?，消防無人機(jī)是有效的高層樓宇滅火解決方案[1]。

1.1 國內(nèi)外消防無人機(jī)應(yīng)用研究

消防無人機(jī)具有機(jī)動靈巧、可搭載設(shè)備等優(yōu)勢，可以在高溫火場持續(xù)監(jiān)視火情，提供信息保障，對滅火作戰(zhàn)等具有重要作用[2]。隨著科技的發(fā)展，無人機(jī)作為災(zāi)害事故輔助救援平臺得到廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外專家學(xué)者利用傳感器技術(shù)等研發(fā)了多款消防無人機(jī)，主要用于森林防火及人員輔助救援。國內(nèi)專家對無人機(jī)在消防領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行的相關(guān)研究，主要包括論述消防無人機(jī)的優(yōu)勢，分析無人機(jī)功能特點(diǎn)，分析無人機(jī)在事故應(yīng)急中無線通信系統(tǒng)的搭建，實(shí)現(xiàn)指揮中心與無人機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸。

目前消防無人機(jī)主要應(yīng)用于災(zāi)情偵察、森林防火監(jiān)測等領(lǐng)域。無人機(jī)掛載災(zāi)情偵察模塊可實(shí)現(xiàn)對火場多維信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括有毒害氣體濃度等。國內(nèi)消防偵察無人機(jī)逐漸實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害現(xiàn)場信息采集與滅火救援配合。中國航天科工集團(tuán)研究院研發(fā)的滅火救援無人機(jī)偵察系統(tǒng)解決了高層建筑外部偵察能力不足的問題[3]。某公司多旋翼消防無人機(jī)搭載智能遙感系統(tǒng)，具有投擲滅火彈等功能。江蘇某公司研發(fā)的無人機(jī)搭載傾斜攝影機(jī)、高功率探照燈等模塊，可對消防安全重點(diǎn)單位實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)控。Ivan在歐洲AWARE 項(xiàng)目支持下研發(fā)無人機(jī)分布式?jīng)Q策結(jié)構(gòu)，根據(jù)無人機(jī)反饋信息實(shí)施消防力量調(diào)配。一些新型災(zāi)情偵察消防無人機(jī)在災(zāi)害事故中得到應(yīng)用，地震中利用攜帶攝像頭無人機(jī)實(shí)現(xiàn)災(zāi)后應(yīng)急救援響應(yīng)。

歐美國家對森林消防無人機(jī)研究較多，近幾年國外森林消防無人機(jī)通過掛載不同相機(jī)采集火災(zāi)影像，可實(shí)現(xiàn)對火災(zāi)探測監(jiān)測[4]。美國First Response 項(xiàng)目研發(fā)ALTUS 無人機(jī)應(yīng)用于森林火災(zāi)撲救，目前研究添加更多傳感器無人機(jī)實(shí)現(xiàn)信息監(jiān)測。我國森林消防無人機(jī)研究起步較晚，東北林業(yè)大學(xué)與吉林工程技術(shù)學(xué)院等學(xué)者對森林消防無人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，降低森林防火員的工作強(qiáng)度。武漢某科技公司研發(fā)的森林消防無人機(jī)可實(shí)時(shí)傳輸森林上空影像。國外研究無人機(jī)森林火災(zāi)探測算法，如基于小波分析、高斯混合模型森林火災(zāi)探測等。我國許多學(xué)者進(jìn)行了無人機(jī)定位技術(shù)研究，如：南京森林警察學(xué)院林火研究中心研發(fā)了森林著火點(diǎn)定位方法等。

1.2 消防無人機(jī)主要功能

無人機(jī)在消防救援工作中的主要作用包括輔助救援、信息采集與滅火等，消防無人機(jī)具有平臺應(yīng)用廣泛、飛行高度低、機(jī)動性強(qiáng)、安全性能好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[5]。通過無人機(jī)搭載多功能模塊可采集現(xiàn)場氣體溫度與圖像信息，快速提供輔助滅火與應(yīng)急救援。消防無人機(jī)信息采集主要應(yīng)用氣體分析儀、紅外熱像儀與高清攝像夜視儀等。紅外熱像可用于無人機(jī)不同場景，模擬圖像傳輸系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測繪場景溫度信息，圖像采集模塊可采集災(zāi)害現(xiàn)場高清視頻信息，夜視圖像信息采用綜合可見光可清晰區(qū)分火災(zāi)信息，利用夜視儀實(shí)現(xiàn)火災(zāi)信息精確采集，對場景圖像信息實(shí)時(shí)拍攝錄像，可根據(jù)無人機(jī)拍攝火場畫面判斷，通過無線傳輸?shù)葦?shù)傳系統(tǒng)傳送到指揮中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化指揮。通過無人機(jī)搭載3D 建模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速有效覆蓋不同表面特征，實(shí)現(xiàn)消防重點(diǎn)單位三維精確建模，利用無人機(jī)進(jìn)行事故現(xiàn)場測繪。氣體分析模塊可攜帶不同類型氣體傳感器，根據(jù)現(xiàn)場需要隨時(shí)更換氣體傳感器，采集消防隊(duì)員數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)庫。消防無人機(jī)輔助救援功能主要通過攜帶應(yīng)急救援設(shè)備，配置揚(yáng)聲器等設(shè)備輔助滅火救援。無人機(jī)安裝揚(yáng)聲器可作為緊急廣播，可實(shí)現(xiàn)災(zāi)難現(xiàn)場疏散減少擁擠風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)急廣播模塊可在600 m 內(nèi)實(shí)現(xiàn)聲音傳播。

開展滅火工作是消防無人機(jī)的發(fā)展趨勢，可集成滅火劑等器材裝備用于滅火救援工作，使用無人機(jī)攜帶泡沫，干粉等滅火劑，針對易燃易爆有毒危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行初起火災(zāi)撲救。滅火無人機(jī)可攜帶大量滅火彈飛行到火源附近向目標(biāo)射擊，滅火彈可穿透厚鋼化玻璃幕墻噴灑滅火劑。滅火無人機(jī)可準(zhǔn)確向火源位置發(fā)送滅火彈解決高層建筑救援難題。高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，搭載玻璃破拆槍的無人機(jī)飛行到火災(zāi)樓層外，用玻璃破拆發(fā)射高速沖擊彈，向室內(nèi)噴灑干粉，有效撲滅火焰[6]。低頻聲波在30～60 Hz 可產(chǎn)生適合的滅火能量，聲波隔離空氣可消除不強(qiáng)烈的火災(zāi)。聲波技術(shù)適用于建筑火災(zāi)中為消防員開辟小型滅火通道，壓力波在空氣中傳播可隔離火焰與空氣。

1.3 消防無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域

無人機(jī)在消防滅火救援工作中的應(yīng)用主要包括偵察救援與滅火等領(lǐng)域，偵察領(lǐng)域主要有重大自然災(zāi)害現(xiàn)場與石化火災(zāi)等場景，滅火領(lǐng)域主要是精準(zhǔn)釋放滅火劑、運(yùn)輸滅火器材裝備；救援領(lǐng)域應(yīng)用主要包括基站、拋投與擴(kuò)音照明功能模塊[7]。由于石化火災(zāi)經(jīng)常出現(xiàn)爆炸與立體燃燒現(xiàn)象，使用搭載偵察模塊的消防無人機(jī)實(shí)施高空偵察作業(yè)可降低人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前社會生產(chǎn)力高速發(fā)展，以高層地下建筑等為代表的現(xiàn)代化建筑迅速發(fā)展，對滅火救援行動提出了更高的要求，可開發(fā)小型無人機(jī)深入火場獲取信息資源。

以山體滑坡等為代表的重大自然災(zāi)害具有高突發(fā)、大面積等特點(diǎn)，導(dǎo)致事故現(xiàn)場信息傳遞陷入堵塞，外部人員難以到達(dá)災(zāi)區(qū)。某些起火位置不便于人員攀爬，可利用滅火無人機(jī)搭載滅火劑迅速抵達(dá)任務(wù)區(qū)域，如天龍I 號高層建筑專用特種滅火無人機(jī)在20 m 外發(fā)射滅火彈，可拋射8 kg 滅火劑。處置城郊農(nóng)村火災(zāi)存在偏遠(yuǎn)地區(qū)道路交通條件不佳，可以通過派遣運(yùn)輸無人機(jī)攜帶簡易滅火器抵達(dá)事故地點(diǎn)控制火勢蔓延。無人機(jī)可通過搭載無線微波單兵與后方指揮中心等開展通信。通信中繼模塊與長航時(shí)無人機(jī)結(jié)合使用，有效解決通信盲區(qū)等問題。無人機(jī)在搭載通信中繼模塊后可迅速建立現(xiàn)場通信鏈路，可操作多臺無人機(jī)定位火場人員位置，指揮人員科學(xué)部署，提升滅火救援效能。

2 無人機(jī)技術(shù)在消防通信中的應(yīng)用

2.1 消防無人機(jī)通信模塊應(yīng)用研究

六旋翼無人機(jī)具有機(jī)身穩(wěn)固、應(yīng)用靈活等特點(diǎn)，按照無人機(jī)作業(yè)順序，從圖像傳輸?shù)裙δ艹霭l(fā)進(jìn)行應(yīng)用分析。先導(dǎo)偵察是火災(zāi)等自然災(zāi)害發(fā)生后，采用自動航跡規(guī)劃方式到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場偵察的功能，目前消防領(lǐng)域無人機(jī)通常以手動操作模式為主，通過俯沖等動作完成偵察，使用自主航跡規(guī)劃偵察方式簡單易行，但由于人員操作限制只能在救援人員到達(dá)現(xiàn)場后實(shí)施，應(yīng)優(yōu)化無人機(jī)偵察功能，實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)偵察。路徑規(guī)劃算法根據(jù)算法原理分為圖形學(xué)與智能仿生學(xué)算法等，采用無人機(jī)將遺傳算法等融合，采用柵格法對飛行涵蓋空間建模，通過谷歌地圖道路建筑信息劃分，選擇預(yù)設(shè)中繼點(diǎn)為區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)。

無人機(jī)可采用最低安全飛行高度方式，由于國內(nèi)外無人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)大部分采用Google 地圖進(jìn)行GPS 定位導(dǎo)航，可選取飛行領(lǐng)域最高點(diǎn)為最低安全飛行距離，由于消防無人機(jī)載有避障模塊，可實(shí)現(xiàn)安全飛行。消防無人機(jī)通行系統(tǒng)包含圖傳等無線電傳輸設(shè)備，無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場圖像實(shí)時(shí)回傳，是完成指揮輔助決策功能的重要環(huán)節(jié)，微波圖像傳輸是目前可行性較強(qiáng)的傳輸方式。消防應(yīng)用中圖像傳輸是使用4G 設(shè)備進(jìn)行3G 圖像傳輸，無人機(jī)承載高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)攝錄現(xiàn)場影像，地面終端引出HDMI 的高清接口，通過訪問通信指揮中心登錄IP 地址可獲取基站轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)信息。微波圖像傳輸是無人機(jī)拍攝視頻數(shù)據(jù)將信息發(fā)送至現(xiàn)場通信指揮車載接收機(jī)，可在通信指揮中心看到實(shí)時(shí)視頻資料[8]。

2.2 無人機(jī)在消防通信中的實(shí)際應(yīng)用

研究選取某消防部門訓(xùn)練基地為實(shí)驗(yàn)對象，記錄天氣等情況后設(shè)定初始地點(diǎn)，使用Google 地圖定位，得到部分飛行畫面。接到出動指令后無人機(jī)出發(fā)，飛行中將圖像傳回地面終端，可準(zhǔn)確顯示出事故地點(diǎn)泄露源擴(kuò)散度及被困人員情況等。通過高清攝像機(jī)傳回地面終端的圖像清晰，證明采用六旋翼無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)偵察功能。實(shí)驗(yàn)選取訓(xùn)練場化工裝置為事故現(xiàn)場，試驗(yàn)成功標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為將無人機(jī)采集圖像傳回指揮中心顯示屏，無人機(jī)在現(xiàn)場消防人員操作下迅速起飛，得到現(xiàn)場部分地面終端截圖。圖1 為先導(dǎo)偵察顯示消防車出動情況。

圖1 先導(dǎo)偵察顯示消防車出動情況

采用3G/4G 圖像傳輸方式可實(shí)時(shí)傳輸至指揮中心頁面，服務(wù)器訪問得到畫面像素降低但不影響視頻分析研判。為防止單一傳輸手段在現(xiàn)場出現(xiàn)故障后導(dǎo)致圖傳中斷，對比實(shí)驗(yàn)使用微波圖像傳輸方式，得到相關(guān)通信設(shè)備圖像。選取高層建筑模擬演練區(qū)為事故地點(diǎn)，迅速攜帶單兵背負(fù)式微波傳輸設(shè)備，操縱遙控設(shè)備對無人機(jī)進(jìn)行起飛操作，畫面穩(wěn)定后選取某時(shí)刻地面終端圖像進(jìn)行記錄對比，起飛后2 分47 秒截取影像，傳回指揮中心圖像與高空拍攝圖像對比，整體畫質(zhì)清晰同步性良好。通過對比偵察方式傳輸視頻畫面，偵察方式可達(dá)到預(yù)期效果，某種指揮手段因外部環(huán)境干擾中止可采用其他方式傳輸視頻。設(shè)定災(zāi)情為高層建筑起火樓層上方有被困人員，啟用無人機(jī)進(jìn)行喊話安撫，選擇擴(kuò)音模塊將其載荷到無人機(jī)云臺，擴(kuò)音模塊接收端調(diào)至350 MHz，微型喇叭采用小型鋰離子電池電源，對無人機(jī)載荷要求低。對電臺喊話后聲音立刻從擴(kuò)音模塊傳出，高層建筑被困人員可清晰聽到喊話內(nèi)容。

3 消防無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)展望

3.1 消防無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用中存在的不足

近年來我國火災(zāi)事故頻發(fā)，主要發(fā)生場所包括交通工具、生產(chǎn)廠房及公共娛樂場所等。消防部門參加滅火救援任務(wù)，主要事故包括基礎(chǔ)設(shè)施與?；肥鹿实?。建筑火災(zāi)撲救及災(zāi)害應(yīng)急救援中面臨的難題主要包括災(zāi)情信息偵測手段匱乏，難以及時(shí)掌握災(zāi)害現(xiàn)場基本信息，消防人員對現(xiàn)場了解通常通過觀察及現(xiàn)場人員口述，無法保證信息的準(zhǔn)確性，影響救援任務(wù)的進(jìn)度。消防人員到場后的首要任務(wù)是了解災(zāi)情，目前通常用肉眼觀察，攜帶便攜式設(shè)備偵察，難以掌握事故整體狀態(tài)，現(xiàn)場消防人員面臨較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。

目前消防無人機(jī)研究存在模塊化集成兼容性不強(qiáng)、續(xù)航技術(shù)不成熟等問題。面對災(zāi)害現(xiàn)場無人機(jī)飛行易受到溫度煙霧等影響，易發(fā)生墜機(jī)事故。消防無人機(jī)應(yīng)用中需要攜帶諸多功能模塊，如溫度場數(shù)據(jù)信息采集等模塊，易與消防應(yīng)急通信設(shè)備相互干擾影響消防應(yīng)急通信。消防無人機(jī)續(xù)航能力不足，電動無人機(jī)載重量低，限制其在高層建筑火災(zāi)等環(huán)境下的應(yīng)用；現(xiàn)有無人機(jī)不具備智能避障技術(shù)，防爆能力不強(qiáng)，無法進(jìn)入爆炸風(fēng)險(xiǎn)場所作業(yè)。消防專業(yè)配備應(yīng)用無人機(jī)需要依據(jù)科學(xué)的訓(xùn)練，完善有效的日常維護(hù)保養(yǎng)管理制度，培養(yǎng)專業(yè)消防無人機(jī)飛行手隊(duì)伍，確保滅火救援實(shí)戰(zhàn)實(shí)施。目前我國尚未出臺消防無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，缺乏抗干擾、高溫、風(fēng)雨等方面的統(tǒng)一性能指標(biāo)要求，急需加快標(biāo)準(zhǔn)編制，推進(jìn)研發(fā)生產(chǎn)有序化。

3.2 消防無人機(jī)應(yīng)用發(fā)展趨勢

消防無人機(jī)適用領(lǐng)域廣泛，可用于石化裝置及危化品園區(qū)等火災(zāi)爆炸事故現(xiàn)場及水域等應(yīng)急救援，滅火救援實(shí)戰(zhàn)需求是研發(fā)消防無人機(jī)未來的主攻方向，須堅(jiān)持原始創(chuàng)新提升消防無人機(jī)專業(yè)智能化水平。根據(jù)不同類型火災(zāi)特點(diǎn)，研發(fā)適用的無人機(jī)是發(fā)展趨勢。森林消防無人機(jī)發(fā)展要滿足續(xù)航時(shí)長要求，石化火災(zāi)無人機(jī)應(yīng)注重毒害氣體監(jiān)測，地震等應(yīng)急救援消防無人機(jī)側(cè)重救生物資運(yùn)送等。一體化消防無人機(jī)要能參與特殊場所輔助滅火，三位一體的消防無人機(jī)才能滿足全方位作業(yè)應(yīng)急需求。消防無人機(jī)智能化體現(xiàn)在依托應(yīng)急救援軟件實(shí)現(xiàn)救援智能化，軟硬件結(jié)合智能輔助救援決策平臺包括滅火方式選擇、疏散指導(dǎo)與營救方式選擇等。

3.3 消防無人機(jī)研發(fā)思路

消防無人機(jī)可通過搭載輔助救援裝置模塊等，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害現(xiàn)場輔助滅火救援。受負(fù)載等能力限制，多為2 個(gè)模塊整合難以實(shí)現(xiàn)3 個(gè)以上模塊同時(shí)搭載。消防無人機(jī)研發(fā)思路是滿足耐候性、實(shí)時(shí)性、安全性等方面的要求。通過無人機(jī)搭載多功能模塊及時(shí)采集現(xiàn)場溫度及影像信息，快速提供輔助滅火救援，充分發(fā)揮無人機(jī)實(shí)戰(zhàn)效能。集成功能模塊包括影像采集模塊、傾斜攝影模塊、紅外溫度場模塊等。圖2 為消防無人機(jī)機(jī)載控制系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)圖。通過消防無人機(jī)掛載3D 建模系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從不同方位對地表物快速覆蓋，實(shí)現(xiàn)對消防安全重點(diǎn)單位的3D精準(zhǔn)建模。

圖2 消防無人機(jī)機(jī)載控制系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)

氣體分析模塊可搭載多種不同氣體傳感器，氣體傳感器可根據(jù)現(xiàn)場需求隨時(shí)更換，將采集關(guān)鍵數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫。影像采集模塊可實(shí)現(xiàn)對災(zāi)害事故現(xiàn)場高清視頻信息采集，可見光一體高清機(jī)芯可以清晰分辨火場信息，可借助夜視儀準(zhǔn)確采集火災(zāi)信息，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場影像信息實(shí)時(shí)縮放錄像等。紅外熱像可使無人機(jī)應(yīng)用于不同場景，可實(shí)時(shí)測繪場景溫度信息。應(yīng)急廣播具備長距離廣播功能，降低人員恐慌與擁堵風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)急廣播模塊可通過增加穩(wěn)云臺實(shí)現(xiàn)0°～180°廣播方向。高強(qiáng)度探照燈搭載照明裝置，可以通過空中照明增強(qiáng)拍攝效果，為夜間作業(yè)提供現(xiàn)場照明。利用機(jī)載應(yīng)急救援裝置攜帶救生繩及醫(yī)藥食品等救援物資，確保施救過程被困人員的生命安全。借鑒國外聲波滅火等技術(shù)，研發(fā)搭載滅火裝置模塊，實(shí)現(xiàn)早期有效控制。

4 結(jié)束語

目前無人機(jī)在救災(zāi)物資投送等方面發(fā)揮重要作用。隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，無人機(jī)在民用領(lǐng)域具有廣闊的市場前景。研發(fā)消防無人機(jī)是滿足應(yīng)急救援要求，重點(diǎn)是突破無人飛行載具、任務(wù)載荷、設(shè)備技術(shù)性能、適應(yīng)電磁干擾等環(huán)境下的作業(yè)需求。主要技術(shù)性能包括最大飛行高度、時(shí)間、質(zhì)量與氣候環(huán)境適應(yīng)性能、電磁兼容性能等。無人機(jī)滅火控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)提供實(shí)時(shí)音視頻，根據(jù)指揮人員操控發(fā)射滅火彈滅火。無人機(jī)滅火系統(tǒng)可應(yīng)用于高樓及森林滅火，目前高清攝像機(jī)鏡頭方向固定，可安裝相機(jī)云臺實(shí)現(xiàn)多角度觀察事故現(xiàn)場狀況。