基于無人機(jī)的智慧消防系統(tǒng)建設(shè)探討

劉卓斌 劉永軍 張恕孝 王大勇

摘? ?要：傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)，在應(yīng)對高樓林立的城市民用居住和工業(yè)生產(chǎn)高層建筑消防救援上存在諸多困難，本文通過對傳統(tǒng)消防系統(tǒng)對城市火災(zāi)撲救的難點(diǎn)分析，總結(jié)和歸納了無人機(jī)在城市火災(zāi)撲救這一領(lǐng)域，特別是高層建筑火災(zāi)撲救應(yīng)用上的突出優(yōu)勢，詳細(xì)探討了建設(shè)基于無人機(jī)的智慧消防系統(tǒng)的一些工作和建議。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 智能消防系統(tǒng)? 高層建筑? 火災(zāi)

1 引言

當(dāng)前城市化進(jìn)程越來越快，人口集中和密集程度越來越高，“城市病”頻現(xiàn)，“北上廣深”超大城市和一線城市人口都超千萬，甚至3000萬常住人口，城市的擁擠度、建筑群規(guī)模和高度也在不斷刷新紀(jì)錄，目前僅300m以上的高樓多達(dá)64座，100m以上的高樓有2000余棟。但傳統(tǒng)的消防設(shè)備和系統(tǒng)的發(fā)展相對緩慢，特別是針對密集化城市高層建筑著火，基本上還是傳統(tǒng)的云梯消防車模式，救援時間緊急，滅火效果差，火情難以控制，給人民的生命財產(chǎn)帶來極大損害，同時火災(zāi)救援的武警官兵戰(zhàn)士的生命安全也同樣無法保障。

案例1：古建筑物群發(fā)生災(zāi)害事故（巴黎圣母院著火，見圖1），時間：2019年4月15日。滅火難點(diǎn)：850余年歷史的巴黎圣母院文物價值不言而明，倘若從高空往下滅火，勢必會將800多度高溫?zé)釟鈳虢烫么筇茫瑢ξ奈锛敖烫脙?nèi)部造成更嚴(yán)重后果，需要對高空著火點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測，進(jìn)行精準(zhǔn)滅火。現(xiàn)場滅火方式：消防人員+無人化裝備應(yīng)用，通過無人機(jī)實時捕獲圖像，為消防員準(zhǔn)確，及時了解火情提供重要支持，獲得了控制火勢的必要數(shù)據(jù)，并尋找到最佳撲火位置。建議方案優(yōu)化：針對古建筑，通常不能直接使用高壓水槍（泡沫）進(jìn)行滅火，其對古建筑帶來的次生災(zāi)害對古建筑的損壞不亞于大火的燒毀。古建筑的滅火通常采用干粉滅火器，對于古建筑的高空著火點(diǎn)，干粉無法進(jìn)入到火場，這是就需要有高空專業(yè)設(shè)備（如大載重滅火無人機(jī)）噴射干粉進(jìn)行滅火。

案例2：高層建筑災(zāi)害事故（鄭州市綠地原盛國際3號寫字樓C座著火事故，見圖2），時間：2018年2月1日，滅火難點(diǎn)：高層建筑滅火救援困難已是公認(rèn)的世界性難題。滅火方式：消防人員在50m以下的樓層進(jìn)行滅火。建議方案優(yōu)化：采用空+地+人三維一體分層級進(jìn)行滅火，空中無人機(jī)進(jìn)行火場偵查，消防機(jī)器人從地面進(jìn)入樓內(nèi)，從下往上進(jìn)行室內(nèi)滅火和偵查，消防人員在外圍控制消防機(jī)器人同時在外圍進(jìn)行火勢壓制。高空滅火無人機(jī)在50m高處進(jìn)行多架次的循環(huán)滅火。

據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2017年全國共接報火災(zāi)28.1萬起，亡1390人，傷881人，直接財產(chǎn)損失36億元，共接警118.9萬起，出動人員1311.5萬人次、出動車輛224.8萬輛次;2018年全國共接報火災(zāi)23.7萬起，亡1407人，傷798人，直接財產(chǎn)損失36.75億元，接警出動115.7萬起，出動消防救援人員1273.2萬人次，出動消防車輛219.3萬輛次;截至2019年6月，傷亡624人，火災(zāi)發(fā)生次數(shù)14.64萬起，直接財產(chǎn)損失15.7億元，統(tǒng)計情況如圖3。

2? 城市火災(zāi)的撲救痛點(diǎn)

城市火災(zāi)危害極大，一旦撲救不力，人員和財產(chǎn)損失不可估量，尤其“城市病”嚴(yán)重的高層建筑火災(zāi)，具有“一快兩難”的特點(diǎn)。即火勢蔓延速度快，人員疏散困難，火災(zāi)撲救困難，這就要求滅火救援人員能夠準(zhǔn)確迅速，科學(xué)施救，最大限度挽救人員生命和降低財產(chǎn)損失。

針對大城市和其高層建筑，傳統(tǒng)的消防系統(tǒng)存在痛點(diǎn)：（1）大城市人員和車輛密集，救援人員和云梯消防車需要時間趕到現(xiàn)場;（2）救援現(xiàn)場情況瞬變與上級消防指揮存在信息不對稱;（3）消防云梯車橋梁橋洞路面通過性差，很多建筑物的消防回轉(zhuǎn)通道也難以滿足，（4）常出現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場“進(jìn)不去”“展不開”“夠不著”的問題。因此，在傳統(tǒng)消防系統(tǒng)上集成無人機(jī)參與救援和建立相應(yīng)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析等系統(tǒng)，研究空地一體化無人機(jī)消防救援系統(tǒng)解決方案，即建設(shè)基于無人機(jī)的智慧消防系統(tǒng)是現(xiàn)代城市消防救援迫切需要的解決方案，是智慧城市建設(shè)的重要內(nèi)容。

3? 無人機(jī)在智慧消防系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 輔助滅火救援

突破傳統(tǒng)的火災(zāi)救援模式，使用無人機(jī)對火情檢測，生命探測、應(yīng)急出動、救援設(shè)備拋投等眾多領(lǐng)域就行輔助滅火。通過空中視角給滅火方案制定提供最真實的依據(jù)。

（1）便攜式偵查無人機(jī)。

搭載紅外雙光、喊話器、照明燈，可在狹小空間快速穿梭偵查。

（2）偵查巡檢無人機(jī)。

搭載紅外雙光吊艙、單光吊艙、氣體檢測儀、可視喊話拋投一提器，可用于現(xiàn)場災(zāi)情偵查，指揮調(diào)度，應(yīng)急疏散。

（3）應(yīng)急建模無人機(jī)。

搭載三維建模無人機(jī)、單光吊艙、紅外雙光吊艙、氣體分析儀、照明燈，可用于救災(zāi)現(xiàn)場實景三維建模與偵查。

3.2 直接滅火

大載重的滅火飛行平臺（見圖4），通過搭載滅火消防栓等設(shè)備，對高層火情實施有效控制和撲滅。在高層滅火實施過程中，以安全作業(yè)為核心，采用多傳感器數(shù)據(jù)融合，以適應(yīng)多作業(yè)模式和極端復(fù)雜環(huán)境，開展消防滅火無人機(jī)系統(tǒng)研究，保障高層建筑人民生命財產(chǎn)安全，擁有巨大的社會效益。

高層建筑火災(zāi)撲救作業(yè)急需大載重消防滅火無人機(jī)，百公斤級以上，一次能撲滅200m2面積以上的火災(zāi)，具有較大的應(yīng)用空間。火災(zāi)初期：滅火無人機(jī)控制高層火情，將火災(zāi)撲滅在初期，迅速代替滅火救援人員進(jìn)入易燃易爆、有毒、缺氧、濃煙等危險災(zāi)害事故現(xiàn)場;火災(zāi)中期：多機(jī)組合滅火戰(zhàn)術(shù)，與舉高類消防車協(xié)同作戰(zhàn)，采用預(yù)先的戰(zhàn)術(shù)方法撲滅中期火災(zāi)。

如我院某型消防無人機(jī)是針對高層建筑滅火救援，研發(fā)的大載荷八旋翼電動無人直升機(jī)，利用和改進(jìn)現(xiàn)代滅火技術(shù)，采用高效滅火藥劑撲救高層建筑火災(zāi)的一種全新滅火裝備。

應(yīng)用場景設(shè)定為直接撲救500m以下設(shè)有外窗的室內(nèi)空間火災(zāi)和建筑外墻（保溫層和裝飾物）火災(zāi)，具有使用范圍廣，全方位作業(yè)，展開迅速，操作簡便的優(yōu)勢。

4? 建設(shè)探討

“空地一體化無人機(jī)智慧消防系統(tǒng)”（見圖5）服務(wù)于實戰(zhàn)應(yīng)用，把實時視頻信息、物聯(lián)網(wǎng)信息、現(xiàn)場周邊救援信息、其他業(yè)務(wù)部門信息以及無人機(jī)實時信息接入平臺，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合管理，達(dá)到多樣化智慧應(yīng)用效果，從而對災(zāi)害現(xiàn)場情況實時精準(zhǔn)監(jiān)測，并輔助各級消防部門指戰(zhàn)員完成應(yīng)急救援指揮決策任務(wù)，最終實現(xiàn)“一張圖指揮、一張圖協(xié)調(diào)、一張圖分析、一張圖決策”的智慧消防基本要求。

總體上第一步智能消防控制系統(tǒng)平臺采用軟件硬件高度融合，以無人機(jī)裝備作為搭載平臺，結(jié)合各類業(yè)務(wù)需求的硬件傳感器設(shè)備，采集火場信息，建立火場三維模型。第二步無人機(jī)共享火場信息給單兵消防員和消防車，以利于現(xiàn)場組團(tuán)有序救援作業(yè)。第三步消防現(xiàn)場指揮中心將現(xiàn)場情況實時傳遞給上級指揮大廳，上級掌握情況，調(diào)撥有力。火場現(xiàn)場可自組網(wǎng)，可采用便攜終端增強(qiáng)信號，數(shù)據(jù)傳輸采用5G/衛(wèi)星等途徑。形成空天地的三維滅火態(tài)勢，有組織有指揮的撲救行動，有目標(biāo)有力量的撲救團(tuán)隊。

4.1 防火管理系統(tǒng)

防火管理系統(tǒng)主要針對火災(zāi)災(zāi)情先發(fā)現(xiàn)和預(yù)評估，通過可見光或者多光譜等光學(xué)設(shè)備，對受災(zāi)進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)獲取，用于指導(dǎo)后續(xù)工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。通過無人機(jī)遙感技術(shù)，將火災(zāi)的狀態(tài)進(jìn)行影像獲取，可全面、完整和詳實的獲得燒毀狀況，并通過軟件分析，建立三模模型。

4.2 通信子系統(tǒng)

通信方面主要分為幾段（見圖6），如下所述。

（1）智能化設(shè)備到地面控制端。

目前采用圖傳將視頻和圖片數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀啵ǔ２捎?.8GHz頻段電臺進(jìn)行傳輸，傳輸距離可達(dá)到10km，目前常用的在5km左右。數(shù)據(jù)傳輸通過數(shù)傳完成，可以將無人機(jī)和智能化裝備上的業(yè)務(wù)監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸回來。可包括氣體傳感器數(shù)據(jù)、粉塵數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)（GPS）、溫度以及濕度等各種數(shù)據(jù)。

（2）地面控制端到后臺控制系統(tǒng)。

地面控制端可通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)會到數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境有通過網(wǎng)絡(luò)接口直接回傳數(shù)據(jù)到系統(tǒng)，這種方案依賴4G/5G網(wǎng)絡(luò)或者現(xiàn)場的WIFI工作。

（3）通過數(shù)傳將數(shù)據(jù)發(fā)回地面站，地面站程序處理后寫入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。再有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

4.3 自組建網(wǎng)絡(luò)

如果現(xiàn)場沒有網(wǎng)絡(luò)支持，可以自組建局域網(wǎng)，距離不足則采用中繼網(wǎng)絡(luò)基站。自組網(wǎng)是一種移動通信和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的信息交換采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的分組交換機(jī)制，用戶終端是可以移動的便攜式終端，自組網(wǎng)中每個用戶終端都兼有路由器和主機(jī)兩種功能。

中繼（Relay）技術(shù)，就是在基站與移動臺之間增加了一個或多個中繼節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對無線信號進(jìn)行一次或者多次的轉(zhuǎn)發(fā)，即無線信號要經(jīng)過多跳才能到達(dá)移動臺。以較簡單的兩跳中繼為例，就是將一個基站—終端鏈路分割為基站—中繼站和中繼站—終端兩個鏈路，從而有機(jī)會將一個質(zhì)量較差的鏈路替換為兩個質(zhì)量較好的鏈路，以獲得更高的鏈路容量及更好的覆蓋。

4.4 臨時指揮站-指揮車

指揮車（見圖7）是將天線服務(wù)器，控制端以及其他設(shè)備統(tǒng)一集成在指揮通訊車上，可以靈活機(jī)動的處理的現(xiàn)場情況。車輛開到現(xiàn)場立即成立現(xiàn)場指揮中心。能高效順利的實現(xiàn)現(xiàn)場指揮，遠(yuǎn)程匯報的作用。

機(jī)動化無人機(jī)管理系統(tǒng)，可一車多用，行車移動地面站。需要的硬件設(shè)備有地勤車一輛，無人機(jī)和其他智能設(shè)備，車載地面站、維修工具、快速充電設(shè)備、工作站一臺，遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸模塊以及作業(yè)急救設(shè)備等。

4.5 核心技術(shù)人工智能算法

整個系統(tǒng)平臺中最核心的應(yīng)該是基于云平臺的人工智能算法，對整個系統(tǒng)在運(yùn)行作業(yè)過程中實現(xiàn)一整套完整的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、報表形成和最終的人工智能算法的處理，給出決策者一個準(zhǔn)確的參考意見和價值。

人工智能算法可以基于數(shù)據(jù)高于數(shù)據(jù)對系統(tǒng)算法進(jìn)行整合運(yùn)算。基于一些典型的故障模式，利用特征識別和機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集和智能分析，進(jìn)行各方式智能識別指導(dǎo)消防救援，特點(diǎn)有：

（1）高效的數(shù)據(jù)整理、分類和歸檔;

（2）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的典型故障自動判別;

（3）交互式的故障診斷模式，大幅提高準(zhǔn)確率;

（4）對診斷結(jié)果自動形成分析報表。

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