高層建筑滅火救援中多旋翼無人機(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)救援中耗時較長，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人機(jī)的應(yīng)用研究。通過多旋翼無人機(jī)搭載紅外熱像儀感知火災(zāi)現(xiàn)場圖像，采用非線性平滑濾波技術(shù)對火災(zāi)紅外熱圖像進(jìn)行平滑處理，采用相對溫差判斷法識別火源，并通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換定位多旋翼無人機(jī)滅火彈投擲位置，實現(xiàn)基于多旋翼無人機(jī)的高層建筑滅火救援。經(jīng)試驗證明，應(yīng)用設(shè)計方法進(jìn)行高層建筑滅火救援的耗時明顯縮短，多旋翼無人機(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；多旋翼無人機(jī)；紅外熱像儀；非線性平滑濾波技術(shù)；相對溫差判斷法

中圖分類號：TU 976" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著高層建筑數(shù)量迅速增長，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、云梯等，當(dāng)面對超高層建筑火災(zāi)時，無法快速有效地實施滅火救援行動。因此，探索新的高層建筑滅火救援方法，提高救援效率，降低人員傷亡和財產(chǎn)損失，已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題，相關(guān)學(xué)者針對高層建筑滅火救援問題展開了一系列研究。

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。多旋翼無人機(jī)作為一種新興的飛行器，具有成本低、危險小、易操縱、響應(yīng)快、功能多、運用廣等特點，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，多旋翼無人機(jī)能夠克服傳統(tǒng)消防裝備無法到達(dá)較高的位置和難以進(jìn)入復(fù)雜環(huán)境的問題，通過搭載各種滅火設(shè)備和器材，實現(xiàn)快速有效滅火救援的目的。

1 基于多旋翼無人機(jī)的高層建筑滅火救援方法

本文應(yīng)用多旋翼無人機(jī)對高層建筑火災(zāi)情況進(jìn)行偵察，選擇具備強(qiáng)穩(wěn)定性、長續(xù)航能力和高負(fù)載能力的多旋翼無人機(jī)作為平臺，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)境中通過探測熱輻射來精準(zhǔn)定位火源，同時輔以高清可見光攝像頭，為地面控制站提供火災(zāi)現(xiàn)場的實時清晰畫面。此外，無人機(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、低延遲的無線通信系統(tǒng)，以實現(xiàn)無人機(jī)與地面控制站之間的實時數(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，通過多旋翼無人機(jī)導(dǎo)航控制其火災(zāi)偵察路線，搭載紅外熱像儀采集火災(zāi)紅外熱圖像，對圖像進(jìn)行處理，識別及定位火源，根據(jù)定位利用多旋翼無人機(jī)定點投擲滅火彈，直至消滅火源，實現(xiàn)基于多旋翼無人機(jī)的高層建筑滅火救援。

1.1 基于多旋翼無人機(jī)的建筑火災(zāi)圖像感知

在高層建筑滅火救援場景中，應(yīng)用多旋翼無人機(jī)對火災(zāi)情況進(jìn)行偵察，其主要利用多旋翼無人機(jī)搭載紅外熱像儀對現(xiàn)場紅外熱圖像進(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，對無人機(jī)靈活性要求比較高，因此選取型號為KJHFA-A5F5A的六旋翼無人機(jī)作為任務(wù)執(zhí)行平臺。該型號無人機(jī)具有卓越的穩(wěn)定性、長續(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，UJHFA-A4F45型紅外熱像儀因其高分辨率、高靈敏度和寬廣的測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人機(jī)身上，鏡頭朝向正前方。在圖像采集過程中，無人機(jī)路徑導(dǎo)航控制非常關(guān)鍵，考慮火源附近溫度比較高，如果飛行過程中距離火源過近，就會導(dǎo)致無人機(jī)和紅外熱像儀著火，從而無法繼續(xù)感知火災(zāi)圖像[3]。因此在多旋翼無人機(jī)導(dǎo)航控制中，將信號強(qiáng)度視為衡量無人機(jī)狀態(tài)的關(guān)鍵因素，當(dāng)信號發(fā)生中斷時，將其視為一種負(fù)向的獎勵機(jī)制，從而激勵無人機(jī)在路徑規(guī)劃時優(yōu)先選擇信號覆蓋強(qiáng)、穩(wěn)定性高的區(qū)域，并且將熱流強(qiáng)度作為無人機(jī)路徑選擇懲罰依據(jù)，設(shè)計一種負(fù)向的獎勵機(jī)制，以懲罰那些過于接近火源的行為?；谝陨显O(shè)計高層建筑火災(zāi)圖像感知中多旋翼無人機(jī)行動選擇策略，在時刻，無人機(jī)會根據(jù)當(dāng)前信號狀態(tài)和熱流狀態(tài)，計算建議行動，如公式（1）所示。

s（t+1）=（ε?r|η?v）+γ （1）

式中：s（t+1）為下一時刻多旋翼無人機(jī)更新的行動；ε為當(dāng)前時刻信號強(qiáng)度；r為執(zhí)行行動后獲得的即時獎勵；η為當(dāng)前時刻熱流強(qiáng)度；v為執(zhí)行行動后獲得的即時懲罰；γ為折扣因子，用來衡量未來獎勵對于當(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，給予未來獎勵更高的權(quán)重[5]。這意味當(dāng)做出決策時，會更多地考慮未來可能獲得的獎勵，而不僅是當(dāng)前的即時收益。這種策略傾向于尋求長期的最大化累積獎勵，因此，它對于需要長期規(guī)劃的任務(wù)特別有效[6]。相反，當(dāng)γ的值趨近于0時，將更多地關(guān)注即時獎勵。這意味在當(dāng)前狀態(tài)下，會傾向于選擇能夠立即帶來收益的行動，而不是去等待可能存在的更高但延遲的獎勵。因此，通過調(diào)整γ的值，控制對未來獎勵的考慮程度，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求和環(huán)境條件[7]。通過以上控制多旋翼無人機(jī)飛行路線，通過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)利用紅外熱像儀對室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境進(jìn)行紅外熱掃描時，環(huán)境溫度對紅外熱圖像的質(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過程，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源于多個方面，包括但不限于環(huán)境溫度的波動、探測器的固有噪聲、信號傳輸過程中的干擾等。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，從而干擾室內(nèi)環(huán)境真實熱狀態(tài)的準(zhǔn)確呈現(xiàn)。為了有效提升紅外熱圖像的質(zhì)量，減少噪聲干擾對后續(xù)分析和判斷的不利影響，采用先進(jìn)的非線性平滑濾波技術(shù)進(jìn)行處理。具體來說，非線性平滑濾波技術(shù)通過定義一種非線性的濾波函數(shù)或準(zhǔn)則，對圖像中的每一個像素點及其鄰域內(nèi)的像素值進(jìn)行加權(quán)處理。在處理過程中，濾波函數(shù)會根據(jù)像素值之間的差異或梯度等特征，動態(tài)調(diào)整不同像素點的權(quán)重，從而實現(xiàn)對噪聲的有效抑制和對圖像細(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），它描述圖像中各個灰度值出現(xiàn)的概率[9]。在這個函數(shù)中，關(guān)注與黑噪點（代表較暗、溫度較低的噪聲點）和白噪點（代表較亮、溫度較高的噪聲點）對應(yīng)的概率，如公式（2）所示。

（2）

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

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的灰度值，保留圖像中的白噪點，以實現(xiàn)對火災(zāi)紅外熱圖像濾波的功能。

1.3 基于多旋翼無人機(jī)的定點滅火救援

在以上基礎(chǔ)上，采用相對溫差判斷法識別火源，在火災(zāi)場景中物體會經(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）像素點處的溫升；ρ（i，j）為高層建筑火災(zāi)圖像中（i，j）像素點處的溫度；g為火災(zāi)圖像中環(huán)境溫度參照物溫度。

根據(jù)溫升計算火災(zāi)紅外熱圖像中各個像素點的相對溫差，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）像素點處的相對溫差；v（i，j）為高層建筑火災(zāi)圖像中（i，j）像素點處的溫差（溫差是描述兩個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。相對溫差越大，說明與周圍環(huán)境溫度差異越大，因此利用公式（3）、公式（4）計算所有紅外熱圖像的相對溫差，相對溫度最高的點為火源點，將該點作為多旋翼無人機(jī)滅火彈投放點?？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，如公式（5）所示。

W（x，y）=[i，j]?R+[i，j]?T （5）

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

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

2 試驗論證

2.1 試驗準(zhǔn)備與設(shè)計

通過試驗檢驗本文所提的基于多旋翼無人機(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戶用戶，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個火源，利用本文方法對該高層建筑進(jìn)行滅火救援。根據(jù)實際情況，試驗準(zhǔn)備了1臺六旋翼無人機(jī)和1臺紅外熱像儀，根據(jù)實際情況對多旋翼無人機(jī)和紅外熱像儀參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，見表1。

表1 高層建筑滅火救援參數(shù)

六旋翼無人機(jī) 紅外熱像儀

平飛速度/（km/h） 10 曝光時間/s 0.1

續(xù)航時間/min 120 拍照模式 定時拍攝

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 測溫精度/℃ ±1.5

飛行角度/（°） 0-360 像元尺寸/μm 17.5

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

2.2 試驗結(jié)果與討論

速率是滅火救援效果的重要評價指標(biāo)，救援速率越快，高層建筑火災(zāi)損失就會越小，對住戶的危害越小，救援效果越好，因此試驗統(tǒng)計不同火源位置下高層建筑滅火救援耗時。為了使本次試驗具有一定的參考性和學(xué)術(shù)性價值，選擇文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]的方法進(jìn)行對比，表2記錄了3種方法應(yīng)用下高層建筑滅火救援耗時數(shù)據(jù)。

表2 高層建筑滅火救援耗時（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，滅火救援耗時也在不斷增加，但設(shè)計方法應(yīng)用下救援耗時相對較短，當(dāng)對建筑第八層火災(zāi)滅火救援時，耗時不超過文獻(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，多旋翼無人機(jī)能夠迅速到達(dá)火場，通過搭載的各種設(shè)備為消防員提供了及時、準(zhǔn)確的火場信息，助力他們采取更科學(xué)的救援決策。同時，多旋翼無人機(jī)還搭載滅火設(shè)備，直接參與滅火行動，有效減輕了消防員的負(fù)擔(dān)，提高了滅火效率。通過以上對比和分析，證明了設(shè)計方法更適用于高層建筑滅火救援，多旋翼無人機(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

本文結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料，對高層建筑滅火救援中多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用展開研究，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)識到，多旋翼無人機(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題，都制約了多旋翼無人機(jī)在高層建筑滅火救援中的深入應(yīng)用。未來，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對多旋翼無人機(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，以滿足高層建筑滅火救援的更高需求。

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