高層建筑滅火救援中多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用研究

摘 要：與普通建筑不同，高層建筑火災(zāi)救援難度更高，現(xiàn)行方法在高層建筑火災(zāi)救援中耗時(shí)較長(zhǎng)，得不到快速救援，因此本文提出高層建筑滅火救援中多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用研究。通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀感知火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)圖像，采用非線(xiàn)性平滑濾波技術(shù)對(duì)火災(zāi)紅外熱圖像進(jìn)行平滑處理，采用相對(duì)溫差判斷法識(shí)別火源，并通過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換定位多旋翼無(wú)人機(jī)滅火彈投擲位置，實(shí)現(xiàn)基于多旋翼無(wú)人機(jī)的高層建筑滅火救援。經(jīng)試驗(yàn)證明，應(yīng)用設(shè)計(jì)方法進(jìn)行高層建筑滅火救援的耗時(shí)明顯縮短，多旋翼無(wú)人機(jī)在高層建筑滅火救援中具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：高層建筑；滅火救援；多旋翼無(wú)人機(jī)；紅外熱像儀；非線(xiàn)性平滑濾波技術(shù)；相對(duì)溫差判斷法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 976" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著高層建筑數(shù)量迅速增長(zhǎng)，其滅火救援工作也面臨前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的消防裝備，例如消防車(chē)、云梯等，當(dāng)面對(duì)超高層建筑火災(zāi)時(shí)，無(wú)法快速有效地實(shí)施滅火救援行動(dòng)。因此，探索新的高層建筑滅火救援方法，提高救援效率，降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，已成為當(dāng)前亟待解決的重要問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者針對(duì)高層建筑滅火救援問(wèn)題展開(kāi)了一系列研究。

王嵩垚[1]提出了基于消防安全標(biāo)準(zhǔn)化視角的救援方法，闡述了高層民用建筑滅火救援流程和策略。王月[2]在高層建筑消防安全管理研究中論述了滅火救援的重要性以及救援技術(shù)。雖然現(xiàn)有的研究理論在一定程度上為實(shí)際應(yīng)用提供了理論支撐，但是現(xiàn)行方法仍然存在缺陷與不足。多旋翼無(wú)人機(jī)作為一種新興的飛行器，具有成本低、危險(xiǎn)小、易操縱、響應(yīng)快、功能多、運(yùn)用廣等特點(diǎn)，能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中快速、準(zhǔn)確地完成任務(wù)。特別是在高層建筑滅火救援中，多旋翼無(wú)人機(jī)能夠克服傳統(tǒng)消防裝備無(wú)法到達(dá)較高的位置和難以進(jìn)入復(fù)雜環(huán)境的問(wèn)題，通過(guò)搭載各種滅火設(shè)備和器材，實(shí)現(xiàn)快速有效滅火救援的目的。

1 基于多旋翼無(wú)人機(jī)的高層建筑滅火救援方法

本文應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)高層建筑火災(zāi)情況進(jìn)行偵察，選擇具備強(qiáng)穩(wěn)定性、長(zhǎng)續(xù)航能力和高負(fù)載能力的多旋翼無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，以確保其在復(fù)雜高空環(huán)境下能夠穩(wěn)定飛行并有效執(zhí)行任務(wù)。該無(wú)人機(jī)搭載高分辨率紅外熱像儀，能夠在煙霧彌漫的環(huán)境中通過(guò)探測(cè)熱輻射來(lái)精準(zhǔn)定位火源，同時(shí)輔以高清可見(jiàn)光攝像頭，為地面控制站提供火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)清晰畫(huà)面。此外，無(wú)人機(jī)還集成GPS導(dǎo)航模塊、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及避障雷達(dá)，確保飛行過(guò)程中的安全性和準(zhǔn)確性。在通信方面，采用高帶寬、低延遲的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)與地面控制站之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和指令控制，具體救援流程如圖1所示。

由圖1可知，通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制其火災(zāi)偵察路線(xiàn)，搭載紅外熱像儀采集火災(zāi)紅外熱圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理，識(shí)別及定位火源，根據(jù)定位利用多旋翼無(wú)人機(jī)定點(diǎn)投擲滅火彈，直至消滅火源，實(shí)現(xiàn)基于多旋翼無(wú)人機(jī)的高層建筑滅火救援。

1.1 基于多旋翼無(wú)人機(jī)的建筑火災(zāi)圖像感知

在高層建筑滅火救援場(chǎng)景中，應(yīng)用多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)火災(zāi)情況進(jìn)行偵察，其主要利用多旋翼無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)紅外熱圖像進(jìn)行采集及處理，為火源定位提供依據(jù)?？紤]高層建筑內(nèi)部空間比較復(fù)雜，并且局部區(qū)域空間比較狹小，對(duì)無(wú)人機(jī)靈活性要求比較高，因此選取型號(hào)為KJHFA-A5F5A的六旋翼無(wú)人機(jī)作為任務(wù)執(zhí)行平臺(tái)。該型號(hào)無(wú)人機(jī)具有卓越的穩(wěn)定性、長(zhǎng)續(xù)航能力和高負(fù)載能力，在復(fù)雜環(huán)境中仍能保持穩(wěn)定的飛行姿態(tài)，確保任務(wù)執(zhí)行的連續(xù)性和有效性。同時(shí)，UJHFA-A4F45型紅外熱像儀因其高分辨率、高靈敏度和寬廣的測(cè)溫范圍被選為圖像采集器，能夠穿透煙霧，精準(zhǔn)捕捉火源發(fā)出的紅外輻射，實(shí)現(xiàn)火源的精確定位。利用支架將紅外熱像儀固定在多旋翼無(wú)人機(jī)身上，鏡頭朝向正前方。在圖像采集過(guò)程中，無(wú)人機(jī)路徑導(dǎo)航控制非常關(guān)鍵，考慮火源附近溫度比較高，如果飛行過(guò)程中距離火源過(guò)近，就會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)和紅外熱像儀著火，從而無(wú)法繼續(xù)感知火災(zāi)圖像[3]。因此在多旋翼無(wú)人機(jī)導(dǎo)航控制中，將信號(hào)強(qiáng)度視為衡量無(wú)人機(jī)狀態(tài)的關(guān)鍵因素，當(dāng)信號(hào)發(fā)生中斷時(shí)，將其視為一種負(fù)向的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，從而激勵(lì)無(wú)人機(jī)在路徑規(guī)劃時(shí)優(yōu)先選擇信號(hào)覆蓋強(qiáng)、穩(wěn)定性高的區(qū)域，并且將熱流強(qiáng)度作為無(wú)人機(jī)路徑選擇懲罰依據(jù)，設(shè)計(jì)一種負(fù)向的獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制，以懲罰那些過(guò)于接近火源的行為?；谝陨显O(shè)計(jì)高層建筑火災(zāi)圖像感知中多旋翼無(wú)人機(jī)行動(dòng)選擇策略，在時(shí)刻，無(wú)人機(jī)會(huì)根據(jù)當(dāng)前信號(hào)狀態(tài)和熱流狀態(tài)，計(jì)算建議行動(dòng)，如公式（1）所示。

s（t+1）=（ε?r|η?v）+γ （1）

式中：s（t+1）為下一時(shí)刻多旋翼無(wú)人機(jī)更新的行動(dòng)；ε為當(dāng)前時(shí)刻信號(hào)強(qiáng)度；r為執(zhí)行行動(dòng)后獲得的即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)；η為當(dāng)前時(shí)刻熱流強(qiáng)度；v為執(zhí)行行動(dòng)后獲得的即時(shí)懲罰；γ為折扣因子，用來(lái)衡量未來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)對(duì)于當(dāng)前決策的重要性[4]。

γ的值域被嚴(yán)格限制在0～1，當(dāng)γ的值趨近于1時(shí)，給予未來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)更高的權(quán)重[5]。這意味當(dāng)做出決策時(shí)，會(huì)更多地考慮未來(lái)可能獲得的獎(jiǎng)勵(lì)，而不僅是當(dāng)前的即時(shí)收益。這種策略?xún)A向于尋求長(zhǎng)期的最大化累積獎(jiǎng)勵(lì)，因此，它對(duì)于需要長(zhǎng)期規(guī)劃的任務(wù)特別有效[6]。相反，當(dāng)γ的值趨近于0時(shí)，將更多地關(guān)注即時(shí)獎(jiǎng)勵(lì)。這意味在當(dāng)前狀態(tài)下，會(huì)傾向于選擇能夠立即帶來(lái)收益的行動(dòng)，而不是去等待可能存在的更高但延遲的獎(jiǎng)勵(lì)。因此，通過(guò)調(diào)整γ的值，控制對(duì)未來(lái)獎(jiǎng)勵(lì)的考慮程度，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求和環(huán)境條件[7]。通過(guò)以上控制多旋翼無(wú)人機(jī)飛行路線(xiàn)，通過(guò)USB網(wǎng)絡(luò)接口將紅外熱像儀在路徑上感知的圖像信息上傳到計(jì)算機(jī)，用于后續(xù)火源定位。

1.2 建筑火災(zāi)圖像預(yù)處理

當(dāng)利用紅外熱像儀對(duì)室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境進(jìn)行紅外熱掃描時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)紅外熱圖像的質(zhì)量有顯著影響。由于室內(nèi)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的溫度分布極不均勻，且往往伴隨煙霧、水蒸氣等介質(zhì)的復(fù)雜變化，這些因素共同作用于紅外熱像儀的探測(cè)過(guò)程，導(dǎo)致采集的圖像中不可避免地混入了各種噪聲分量。這些噪聲分量可能來(lái)源于多個(gè)方面，包括但不限于環(huán)境溫度的波動(dòng)、探測(cè)器的固有噪聲、信號(hào)傳輸過(guò)程中的干擾等。它們以隨機(jī)分布的形式出現(xiàn)在紅外熱圖像中，表現(xiàn)為圖像亮度或溫度值的微小波動(dòng)，從而干擾室內(nèi)環(huán)境真實(shí)熱狀態(tài)的準(zhǔn)確呈現(xiàn)。為了有效提升紅外熱圖像的質(zhì)量，減少噪聲干擾對(duì)后續(xù)分析和判斷的不利影響，采用先進(jìn)的非線(xiàn)性平滑濾波技術(shù)進(jìn)行處理。具體來(lái)說(shuō)，非線(xiàn)性平滑濾波技術(shù)通過(guò)定義一種非線(xiàn)性的濾波函數(shù)或準(zhǔn)則，對(duì)圖像中的每一個(gè)像素點(diǎn)及其鄰域內(nèi)的像素值進(jìn)行加權(quán)處理。在處理過(guò)程中，濾波函數(shù)會(huì)根據(jù)像素值之間的差異或梯度等特征，動(dòng)態(tài)調(diào)整不同像素點(diǎn)的權(quán)重，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的有效抑制和對(duì)圖像細(xì)節(jié)的保留[8]。假設(shè)得到的火災(zāi)紅外熱圖像為Y，其概率密度函數(shù)可以表示為f（Y），它描述圖像中各個(gè)灰度值出現(xiàn)的概率[9]。在這個(gè)函數(shù)中，關(guān)注與黑噪點(diǎn)（代表較暗、溫度較低的噪聲點(diǎn)）和白噪點(diǎn)（代表較亮、溫度較高的噪聲點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的概率，如公式（2）所示。

（2）

式中：H為圖像黑噪點(diǎn)分布概率；K為白噪點(diǎn)分布概率；e為火災(zāi)圖像紅外熱圖像灰度值；w為噪點(diǎn)灰度值；u為白噪點(diǎn)灰度值。

紅外熱圖像的灰度中值代表圖像的整體亮度水平，因此用紅外熱圖像的灰度中值替換圖像中黑噪點(diǎn)的灰度值，保留圖像中的白噪點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)紅外熱圖像濾波的功能。

1.3 基于多旋翼無(wú)人機(jī)的定點(diǎn)滅火救援

在以上基礎(chǔ)上，采用相對(duì)溫差判斷法識(shí)別火源，在火災(zāi)場(chǎng)景中物體會(huì)經(jīng)歷熱量交換，其溫度發(fā)生變化。這種變化可以是迅速的，也可以是漸進(jìn)的，它取決于物體所吸收或釋放的熱量以及物體自身的物理特性。為了量化這一變化，采用特定的溫升計(jì)算公式，如公式（3）所示。

c（i，j）=ρ（i，j）-g （3）

式中：c（i，j）為高層建筑火災(zāi)圖像中（i，j）像素點(diǎn)處的溫升；ρ（i，j）為高層建筑火災(zāi)圖像中（i，j）像素點(diǎn)處的溫度；g為火災(zāi)圖像中環(huán)境溫度參照物溫度。

根據(jù)溫升計(jì)算火災(zāi)紅外熱圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的相對(duì)溫差，如公式（4）所示。

M（i，j）=c（i，j）/v（i，j） （4）

式中：M（i，j）為高層建筑火災(zāi)圖像中（i，j）像素點(diǎn)處的相對(duì)溫差；v（i，j）為高層建筑火災(zāi)圖像中（i，j）像素點(diǎn)處的溫差（溫差是描述兩個(gè)不同物體或同一物體不同部分之間溫度差異的物理量）。

在熱量傳遞過(guò)程中，熱量總是從溫度較高的物體或部位流向溫度較低的物體或部位，直至兩者達(dá)到熱平衡狀態(tài)。溫差的大小直接影響熱量傳遞的速率和方向。相對(duì)溫差越大，說(shuō)明與周?chē)h(huán)境溫度差異越大，因此利用公式（3）、公式（4）計(jì)算所有紅外熱圖像的相對(duì)溫差，相對(duì)溫度最高的點(diǎn)為火源點(diǎn)，將該點(diǎn)作為多旋翼無(wú)人機(jī)滅火彈投放點(diǎn)?？紤]以上定位的火源在圖像坐標(biāo)系中，因此根據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換定位滅火彈投放點(diǎn)，如公式（5）所示。

W（x，y）=[i，j]?R+[i，j]?T （5）

式中：W（x，y）為多旋翼無(wú)人機(jī)滅火彈投擲點(diǎn)；x、y分別為投擲點(diǎn)橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；R為旋轉(zhuǎn)因子；T為平移因子。

根據(jù)定位多旋翼無(wú)人機(jī)投擲滅火彈，直到火被消滅，以此實(shí)現(xiàn)基于多旋翼無(wú)人機(jī)的高層建筑滅火救援。

2 試驗(yàn)論證

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)本文所提的基于多旋翼無(wú)人機(jī)的高層建筑滅火救援方法的性能，以某高層建筑為試驗(yàn)環(huán)境，該建筑樓層數(shù)量為8層，建筑高度為36.14m，每層3戶(hù)用戶(hù)，在該高層建筑中進(jìn)行火災(zāi)救援演習(xí)，在每層布設(shè)1個(gè)火源，利用本文方法對(duì)該高層建筑進(jìn)行滅火救援。根據(jù)實(shí)際情況，試驗(yàn)準(zhǔn)備了1臺(tái)六旋翼無(wú)人機(jī)和1臺(tái)紅外熱像儀，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)和紅外熱像儀參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見(jiàn)表1。

表1 高層建筑滅火救援參數(shù)

六旋翼無(wú)人機(jī) 紅外熱像儀

平飛速度/（km/h） 10 曝光時(shí)間/s 0.1

續(xù)航時(shí)間/min 120 拍照模式 定時(shí)拍攝

飛行距離/km 半徑1.5 溫度范圍/℃ ﹣20～200

定位模式 GPS 圖像分辨率 1080

飛行高度/m 0-100 測(cè)溫精度/℃ ±1.5

飛行角度/（°） 0-360 像元尺寸/μm 17.5

由六旋翼無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀對(duì)建筑內(nèi)火災(zāi)圖像進(jìn)行采集，共采集1200張圖像，對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析，以定位火源，六旋翼無(wú)人機(jī)搭載滅火彈對(duì)火源定點(diǎn)滅火救援。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

速率是滅火救援效果的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，救援速率越快，高層建筑火災(zāi)損失就會(huì)越小，對(duì)住戶(hù)的危害越小，救援效果越好，因此試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)不同火源位置下高層建筑滅火救援耗時(shí)。為了使本次試驗(yàn)具有一定的參考性和學(xué)術(shù)性?xún)r(jià)值，選擇文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的方法進(jìn)行對(duì)比，表2記錄了3種方法應(yīng)用下高層建筑滅火救援耗時(shí)數(shù)據(jù)。

表2 高層建筑滅火救援耗時(shí)（單位：min）

火源位置 本文方法 文獻(xiàn)[1]方法 文獻(xiàn)[2]方法

第一層 16.25 32.14 27.15

第二層 24.17 41.52 34.68

第三層 29.48 52.46 41.29

第四層 32.42 63.41 52.42

第五層 36.58 74.15 63.46

第六層 41.25 82.53 74.15

第七層 46.25 96.42 82.64

第八層 48.42 112.42 96.47

從表2中數(shù)據(jù)可以看出，隨著火源位置升高，救援難度不斷提升，滅火救援耗時(shí)也在不斷增加，但設(shè)計(jì)方法應(yīng)用下救援耗時(shí)相對(duì)較短，當(dāng)對(duì)建筑第八層火災(zāi)滅火救援時(shí)，耗時(shí)不超過(guò)文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[1]方法的1/2，救援速率最快。其原因是在高層建筑火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，多旋翼無(wú)人機(jī)能夠迅速到達(dá)火場(chǎng)，通過(guò)搭載的各種設(shè)備為消防員提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的火場(chǎng)信息，助力他們采取更科學(xué)的救援決策。同時(shí)，多旋翼無(wú)人機(jī)還搭載滅火設(shè)備，直接參與滅火行動(dòng)，有效減輕了消防員的負(fù)擔(dān)，提高了滅火效率。通過(guò)以上對(duì)比和分析，證明了設(shè)計(jì)方法更適用于高層建筑滅火救援，多旋翼無(wú)人機(jī)在高層建筑滅火救援中具有良好的應(yīng)用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)高層建筑滅火救援中多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)用展開(kāi)研究，提出了一種新的救援思路，有效提高了救援效率，降低了高層建筑火災(zāi)危害，為城市消防提供了參考依據(jù)。然而，也必須清醒地認(rèn)識(shí)到，多旋翼無(wú)人機(jī)在高層建筑滅火救援中的應(yīng)用還存在許多挑戰(zhàn)和限制，例如續(xù)航能力有限、載重能力相對(duì)較小、復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和抗干擾能力需要提高等問(wèn)題，都制約了多旋翼無(wú)人機(jī)在高層建筑滅火救援中的深入應(yīng)用。未來(lái)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)技術(shù)的研究和創(chuàng)新，不斷提升其續(xù)航能力、載重能力和穩(wěn)定性，以滿(mǎn)足高層建筑滅火救援的更高需求。

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