消防無人機在滅火救援中的應用研究

王瑞強

摘要：消防救援隊伍正處于制度重構(gòu)、體系重建的重要階段，在防范化解風險、事故專業(yè)處置等方面仍存在短板，對標“全災種、大應急”任務需要，隊伍亟需在作戰(zhàn)方式與技戰(zhàn)術(shù)裝備應用上尋求突破。使用新型的消防無人機，有利于實現(xiàn)對災害現(xiàn)場實際情況的高效掌握并輔助作戰(zhàn)指揮與現(xiàn)場救援行動。文章重點研究了消防無人機在滅火救援行動中的實戰(zhàn)化應用，并針對未來消防無人機行業(yè)發(fā)展提出了幾點建議，希望可以提供一些有益的參考。

關(guān)鍵詞：消防;無人機;應用研究;滅火救援

1? 國內(nèi)外無人機應用現(xiàn)狀

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，無人機作為專業(yè)領(lǐng)域開展專項作業(yè)的基本平臺已經(jīng)得到廣泛重視和應用。國內(nèi)外的專家學者利用無人機技術(shù)、傳感器技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)等研發(fā)了許多優(yōu)秀的無人機，廣泛應用于軍、警、民領(lǐng)域。

1.1? 軍警領(lǐng)域應用現(xiàn)狀

無人機技術(shù)在軍警領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應用，通過無人機輔助偵察、快速搜索、組網(wǎng)協(xié)同等應用方式，極大提升了軍警隊伍的處置能力。洛克希德·馬丁公司已經(jīng)開發(fā)出能夠幫助搜索失蹤人員的新型無人機。美國海軍公布了一種袖珍無人機，能夠像蝗蟲群一樣迅速集結(jié)并協(xié)同配合撲向敵人。

1.2? 民用領(lǐng)域應用現(xiàn)狀

英國與巴西聯(lián)合開發(fā)了一款民用小型無人機，借助隨附裝配的輕型傳感器（重約4kg），獲取紅外圖像信息更加便捷高效。新加坡成功測試了郵遞無人機搭載小件包裹的可行性。澳大利亞在南極使用無人機導航技術(shù)輔助破冰船“南極光號”航行，克服重大技術(shù)阻礙。目前，無人機集訓編隊技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于燈光秀表演中，2019年高巨創(chuàng)新公司在建國70周年完成了2100架無人機集訓表演。

1.3? 消防領(lǐng)域應用現(xiàn)狀

美國官方聯(lián)合無人機行業(yè)成立了無人機促進公共安全聯(lián)盟（Drone ADVocates for Public Safety），該組織致力于訓練救援人員的無人機操作技術(shù)，進而提升無人機在緊急事件中的應用水平。

相比軍警領(lǐng)域的廣泛應用，國內(nèi)消防領(lǐng)域的無人機應用還處在比較基礎的階段。國家消防裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心針對各類無人機產(chǎn)品，開展了測試、論證和調(diào)研工作，并規(guī)范了消防無人機系統(tǒng)檢驗的技術(shù)要求，主要包括：消防功能、飛行性能、環(huán)境適應性能、電磁兼容性能等50余項。

2? 偵察領(lǐng)域的應用研究

火災現(xiàn)場充滿不確定性，當火場燃燒面積大、火災荷載高、火勢十分猛烈或現(xiàn)場地形限制時，僅憑現(xiàn)場救援人員的肉眼觀察和經(jīng)驗判斷是難以確定現(xiàn)場實際情況的。此時利用偵察無人機能夠更加迅速準確地確定火點位置、燃燒面積、火勢蔓延情況、被困人員情況、其他危險源等重要信息[1]。消防無人機實施火場偵察的基本流程如圖1所示。

2.1? 無人機偵察方式的改進優(yōu)化

偵察的過程實際上是對目標實現(xiàn)探測、識別和確認。通過改進優(yōu)化無人機偵察方式，可以有效提高滅火救援行動效率。在這一過程中，一般分為3種類型的搜索方式：區(qū)域偵察、路徑偵察和點偵察。

（1）區(qū)域偵察。消防無人機根據(jù)滅火救援指揮部的指令要求，對特定任務區(qū)域?qū)嵤那閭刹?。無人機機動靈活，能夠在低空環(huán)境實施可持續(xù)作業(yè)，任務限制條件較少。在需要對較大范圍實施災情偵察且該區(qū)域災情條件較為復雜時，可以采取區(qū)域偵察的方式。以地理環(huán)境作為區(qū)分條件，偵察目標區(qū)域可以分為江湖偵察區(qū)、塌方偵察區(qū)、居民建筑區(qū)、交通設施區(qū)等典型區(qū)域。在上述情況下果斷采取區(qū)域偵察的方式，可以高效應對大范圍復雜條件下的災情偵察任務。

（2）路徑偵察。按照災害事故現(xiàn)場特點，沿特定路徑實施偵察，如管線、道路等，并橫向延伸數(shù)百米的范圍。這種偵察方式路線明確，針對性強，適用于道路交通事故、石油化工區(qū)域的火情偵察?？砂凑諒S區(qū)內(nèi)道路、管線設施沿線進行偵察，從而確?，F(xiàn)場偵察無死角。

（3）點偵察。消防無人機對某個指定位置及附近區(qū)域?qū)嵤┑狞c位偵察。點偵察的前提條件是，通過前期偵察工作已經(jīng)獲取足夠有效信息，可以縮小偵察范圍對特定位置實施重點且不間斷偵察[2]。

上述3種偵察方式在實際滅火救援行動中要靈活運用，可以有針對性地選擇其中1種方式，也可以根據(jù)災害事故現(xiàn)場情況結(jié)合使用實現(xiàn)偵察目的。無人機拍攝圖像、采集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)導入建模軟件中，能夠高效制作高空全景圖、二維正射影像圖或三維實景模型，利用軟件實現(xiàn)三維測繪和精準標識。借助建模成果，可以方便觀察災害事故現(xiàn)場的地形地貌特征，從而精準把握燃燒范圍、火勢蔓延方向、房屋倒塌范圍等核心區(qū)域的經(jīng)緯度，有利于滅火救援指揮部根據(jù)災情信息快速做出決策部署并下達作戰(zhàn)指令。

2.2? 典型災害現(xiàn)場的偵察應用

（1）城市建筑火災的偵察。當前社會生產(chǎn)力高速發(fā)展，以城市商業(yè)綜合體、高層建筑、地下建筑、大跨度建筑等為代表的現(xiàn)代化建筑迅速增加，這對消防救援隊伍開展滅火救援行動提出了更高的要求。此外，空間較為封閉的隧道火災偵察也存在很大困難，現(xiàn)場指揮員只能通過十分有限的火場信息做出不甚準確的決策，這對科學指揮和周密部署是極其不利的。針對此類情況，可以考慮開發(fā)使用小型袖珍無人機，通過隨附偵察模塊，深入火場內(nèi)部獲取第一手信息資源從而輔助決策[3]。

（2）石油化工火災的偵察。由于石油化工火災經(jīng)常出現(xiàn)爆炸與立體燃燒現(xiàn)象，隨時都可能發(fā)生建筑坍塌、爆炸等情況，危險性極大。此時使用搭載偵察模塊（含圖傳系統(tǒng)和熱成像系統(tǒng)）的消防無人機實施高空偵察作業(yè)，保持較長滯空時間，可以持續(xù)獲得情報同時降低人員傷亡的風險。

（3）重大自然災害現(xiàn)場的偵察。以山體滑坡、泥石流、海嘯、地震等為代表的重大自然災害普遍具有高突發(fā)、大范圍、廣面積、強破壞等特點，極易造成當?shù)赝ㄐ胖袛嗪徒煌òc瘓，外部人員會出現(xiàn)到達災區(qū)難的問題，內(nèi)部被困群眾會出現(xiàn)聯(lián)絡通訊難的問題。此時借助消防無人機建立內(nèi)外聯(lián)絡和了解災害現(xiàn)場形勢就成為了救援行動的關(guān)鍵。

3? 滅火領(lǐng)域的應用研究

遵循傳統(tǒng)滅火技戰(zhàn)術(shù)裝備的開發(fā)思路，把無人機應用到滅火領(lǐng)域顯然是效果不佳的，無人機既無法單獨攜帶充足的滅火劑，也無法持續(xù)開展滅火劑噴射作業(yè)。應當拓展應用思路，揚長避短，充分發(fā)揮無人機準確迅速的典型優(yōu)勢，彌補傳統(tǒng)技戰(zhàn)術(shù)裝備在滅火戰(zhàn)斗中的不足，形成優(yōu)勢互補。

（1）運輸滅火器材裝備。在處置城郊與農(nóng)村火災時，存在大量偏遠地區(qū)，這些地區(qū)的道路交通條件不佳，第一出動力量到達現(xiàn)場花費大量時間乃至出現(xiàn)難以到場的情況。這種情況下可以通過派遣運輸無人機攜帶簡易滅火器材先行抵達事故地點，控制火勢蔓延，確保人民生命財產(chǎn)安全，實現(xiàn)初期控火的目標。

（2）精準釋放滅火劑打擊火勢。在不便于人員攀爬的高壓線路、變壓器等起火點，無人機可以裝載高效滅火劑，由地面控制臺指引，在空中懸停瞄準火源釋放滅火劑精準打擊火勢。如天龍Ⅰ號高層建筑專用特種消防滅火無人機具有20kg掛載能力，在20m外發(fā)射攜帶的4枚滅火彈，可以穿透厚度20mm的雙層鋼化玻璃，拋射8kg滅火劑，滅火覆蓋能力達80m2。滅火無人機作業(yè)示意圖如圖2所示。

4? 救援領(lǐng)域的應用研究

無人機在救援領(lǐng)域同樣有巨大應用空間，尤其是山岳、高層、水域等常規(guī)裝備難以滿足救援需要、救援人員一時難以靠近的情況發(fā)生時，更是能夠發(fā)揮難以替代的重要作用[4]。

（1）拋投功能模塊。通過拋投功能模塊，快速準確地將救助裝備或物資投放給被困人員，緊急情況下可以一定程度替代拋投器的功能，安全迅速地建立救援系統(tǒng)。

（2）基站功能模塊。在遂行山岳救援任務時，考慮到復雜多變的地形地貌，當?shù)赝ǔＨ狈Ψ€(wěn)定的通訊聯(lián)絡信號，被困人員很難通過自身攜帶的手機等通訊設備傳遞求救信息。把模塊化小型基站與無人機系統(tǒng)有機結(jié)合，深入山區(qū)密林中搜索信號搭建聯(lián)絡平臺，被困人員可使用手機等通訊設備與外部人員直接取得聯(lián)系。

（3）擴音照明功能模塊。無人機可以通過喊話、系留照明、擴音功能模塊，引導被困人員逃生，并在夜間應急救援過程中提供不間斷、大范圍的照明保障，對建筑物內(nèi)人員實現(xiàn)良好的引導疏散效果，同時通過圖傳系統(tǒng)掌握疏散現(xiàn)場的整體態(tài)勢。

5? 通信領(lǐng)域的應用研究

無人機可以通過搭載有線、無線、微波單兵、4G圖傳系統(tǒng)和后方指揮中心、動中通、靜中通衛(wèi)星指揮車有效地開展通信。在大型自然災害事故現(xiàn)場及地形復雜的信號屏蔽區(qū)，無人機通過集成搭載轉(zhuǎn)信模塊可以充當臨時轉(zhuǎn)信臺，為惡劣環(huán)境下通信聯(lián)絡提供有力保障[5]。

（1）實現(xiàn)大范圍通信覆蓋。通過固定翼長航時無人機或者系留無人機掛載通信中繼，從而完成通信網(wǎng)絡的全覆蓋，解決信道擁堵、通信盲點等難題[6]。

（2）有效解決火場內(nèi)攻通信不暢。絕大多數(shù)火災都需要救援人員深入內(nèi)部實施火場救人行動，救援人員需要面對結(jié)構(gòu)復雜型建筑內(nèi)通信不順暢問題，這本身就是巨大的安全隱患，容易導致現(xiàn)場處于不可控的被動局面。無人機在搭載通信中繼模塊后，能夠迅速建立現(xiàn)場通信鏈路。依靠暢通的現(xiàn)場通信網(wǎng)絡，還能夠操作多臺無人機完成對火場人員位置的有效定位，然后由現(xiàn)場指揮員進行力量調(diào)度完成科學部署和及時調(diào)整，提升整個火場的滅火救援效能。

6? 建議與展望

本文從偵察、滅火、救援、通信共4個典型方面對無人機在消防工作實際中的應用加以研究，希望能夠為消防無人機的發(fā)展建設提供一些可借鑒的思路。無人機由于其自身獨特的技術(shù)與平臺優(yōu)勢，在可見的未來，其應用前景必將更加廣闊，下面從四個方面對無人機未來發(fā)展加以展望。

6.1? 健全消防無人機管理機制

要在消防裝備發(fā)展總體規(guī)劃中加入無人機建設有關(guān)內(nèi)容，制定消防無人機建設發(fā)展規(guī)范，包括行業(yè)標準和配套措施，建立健全研發(fā)、列裝、應用、管理、創(chuàng)新等多方面工作機制[1]。做好頂層設計，重點考慮無人機布點、空域申請、響應機制、實戰(zhàn)保障等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。建議應急管理部消防救援局、總隊、支隊三級分別設立專門機構(gòu)，負責無人機使用與管理。同時，要建立消防無人機空域申請和報批制度，堅決杜絕“黑飛”行為。

6.2? 出臺消防無人機技術(shù)標準

面對新時期消防應急救援形勢需要，我國應當盡快完善消防無人機通用技術(shù)標準，推動消防無人機研發(fā)生產(chǎn)、采購配備規(guī)范化，促進操作使用和維護保養(yǎng)更加制度化。要通過不斷的測試論證，保障各部件參數(shù)達標，優(yōu)中選優(yōu)，明確消防無人機配備品牌和型號的范圍，確保滿足實戰(zhàn)需要。

6.3? 加強無人機人才隊伍建設

組建消防無人機救援專業(yè)隊伍，每個基層消防救援大隊或執(zhí)勤站至少培養(yǎng)1～2名持證飛手，總隊、支隊兩級至少培養(yǎng)3名持證飛手。按照訓練緊貼實戰(zhàn)的原則，出臺《消防無人機訓練大綱》。同時構(gòu)建“專常兼?zhèn)洹⒖焖夙憫毕罒o人機應用戰(zhàn)略合作體系，通過與戰(zhàn)略單位專業(yè)飛手會商研討、共同保障，達到相互學習、相互促進的目的。

6.4? 消防無人機實戰(zhàn)化遠期構(gòu)想

（1）打造消防專用無人機平臺。在遂行各類典型災害事故處置任務時，消防無人機需要接受各種高風險環(huán)境的考驗。相比借助民用無人機平臺進行改裝，消防專用無人機平臺有著更加突出的應用優(yōu)勢，應當著力研發(fā)多種類型的消防專用無人機。

（2）重點突破無人機多機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)。建議重點研究開發(fā)無人機多機協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)無人機應用從單機到多機的跨越。如在大型車輛事故救援現(xiàn)場中，存在重大危險源，搭載協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的消防無人機既能夠迅速分散執(zhí)行外圍廣播疏散任務。此外，重型無人機通過協(xié)同作業(yè)，可以執(zhí)行車輛起重任務，解決重型起重機械無法展開作業(yè)時的應急需要。

（3）提升消防無人機智能化水平。將無人機與人工智能、GIS地理信息系統(tǒng)、云計算、大數(shù)據(jù)有機結(jié)合，利用無人機提供災害事故現(xiàn)場即時情況，使用GIS地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)為指揮員提供分析決策的信息資源。

（4）優(yōu)化消防無人機核心性能指標。未來通過應用固態(tài)電池、石墨烯電池等新型電池技術(shù)甚至是小型核聚變裝置等更加先進的能源技術(shù)，將先進動力源裝置和無人機平臺有機結(jié)合，實現(xiàn)消防無人機續(xù)航時長的新突破。此外，可以通過設置信號中繼站、增強信號抗干擾能力乃至未來應用量子通信技術(shù)等方式，實現(xiàn)無人機遙控距離的優(yōu)化突破。消防隊伍借助長續(xù)航、遠程可控的消防無人機平臺，可以實施跨區(qū)域無人機增援行動，極大提升無人機作戰(zhàn)效能。

參考文獻：

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Researches on the application

of fire UAV in fire fighting and rescue

Wang Ruiqiang

（Fire Rescue Brigade of Hechuan District，Chongqing? 401520）

Abstract：China's Fire and Rescue Team is resturctured in its system and mechanism. However， we still have a long way to go in preventing and defusing potential risks， and dealing with accidents， so as to coping with tasks on comprehensive disasters and coordinated emergency. Our team needs to be improved in qualifications and equipments， that's the reason why we need new Fire Unmanned Aerial Vehicles （UAV） in fire sites to report information and assist rescue tasks. This author investigates the application of UAVs in fire fighting and rescue tasks， and provides several suggestions for its development as reference.

Keywords：fire prevention; UAV; application research;fire fighting and rescue

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