基于邊緣算法的5G無人機智慧消防應急管理平臺設計

（重慶交通大學，重慶市，402247） 李 偉 李卓炎 曹 雪 謝 磊 張川東 李潛龍

在我國經濟社會高速發展背景下，依托現代科技手段提升火災防范、監控管理的專業性、現代化程度和精細化管理水平成為當下的主要趨勢。在應急管理部消防救援2021 年全國火災大數據統計中，社區火災占較大比重，這意味著社區火災的總體危險性更大，且涉及范圍更廣。居民區是以居民家庭為重要主體，各類生活、生產、經營活動為輔的中小型社會區域，居民住宅是社區的基本組成單元。社區的消防安全，關乎社會整體的治安水準。建筑內頻發的失火、漏水、煤氣泄漏等重大安全事故，給人們敲醒了警鐘，一旦不能及時發現并處理，必將造成巨大的生命財產損失和傷亡事故[1]。由于居民樓普遍具有“高”、“密”、“人員集中”等問題，一旦發生火災，火場情況的復雜性對消防隊員的救援以及滅火帶來了諸多困難。同時社區居民在火情發生以后沒有及時冷靜判斷自身所處的環境，無法及時有效逃離火災現場，沒有使用正確的逃生方式。而智能型無人機、大數據、邊緣計算、信息化等技術的整合正是社區火災治理的破解之道。

1 智慧消防應急管理平臺原理

5G 無人機智慧消防應急管理平臺順應城市數字化趨勢，著重圍繞智能化和數字化進行建設。5G無人機智慧消防應急管理平臺以邊緣計算、5G通信技術、大數據為三大技術支柱板塊進行搭建，基層輔以無人機精確作業來實現對社區火災有效治理。智慧消防管理平臺的組織框架見圖1。搭載4K 高清攝像頭和熱成像系統等儀器的信息采集無人機，利用最新耐高溫材料設計機身結構，保證無人機的可靠運行，對火災信息進行精確收集。蜂群無人機在智慧消防平臺程序控制進行多機群滅火作業，有效減輕消防人員工作量和火勢蔓延。建立大型云數據中心，平臺通過邊緣計算技術對采集信息有效利用得出救援、滅火方案。

圖1 平臺板塊

2 邊緣計算運用

2.1 5G網絡+邊緣計算

在普通的5G 網絡結構中，由于核心網部署位置高，信息傳輸必須經過多次路由，因此時延長，并不適應無人機超低時延的業務要求。這些區域性服務，如果全部放到云端處理并不可行，特別對于視頻類服務，不僅造成了傳輸帶寬的浪費，還增加了數據傳輸時延。因此，基于對傳輸時延和連接數量需求，決定了5G 業務的處理核心不可能全放在核心網后端的云處理平臺。

邊緣計算（MEC）：運營商和第三方業務可以部署在靠近用戶附著接入點的位置，通過降低時延和負載來實現高效的業務分發[2]。邊緣計算服務器部署在網絡邊界，將無線傳輸和互聯網技術有效融入到一塊，同時在無線互聯網側添加了計算、存儲、處理等各種功能，從而形成了邊緣云，以提升信息技術服務環境和云端計算能力水平，將服務本地化，使區域性服務不必浪費資源在云端進行處理。

邊緣計算能夠在保證較低延遲的情況下給使用者帶來更豐富的服務,從而解決了移動設備資源有限的問題;同時也大大減少了需要將數據傳輸至云端的數據量,減輕了網絡帶寬與大規模數據中心的壓力[3]。結合5G網絡和邊緣計算，建立適應于無人機無線傳輸和信息處理的網絡結構，將實現無人機飛行應用的高可靠和低時延性。

2.2 應急信息物聯網邊緣計算的實現

5G 無人機智慧消防應急管理平臺建設通過建立應急信息物聯網邊緣計算，以便整合消防資源和優化消防救援路線，提高消防人員進行滅火救援作業的效率。邊緣計算能夠降低云網絡服務器的工作量和負荷，并具有高帶寬、低延時、安全性強、異構匯聚、海量接入和本地安全性隱私保障等優點，是實現城市消防數字化的有利措施。邊緣計算配備獨立的數據采集模塊，用于無人機實時視頻信息采集和滅火救援決策計算，并將數據結果上傳到云服務中，再由5G 無人機智慧消防應急管理平臺從云服務端獲取信息以發送至消防人員，同時啟動蜂群無人機輔助消防人員進行滅火救援作業。因無人機視頻采集涉及到人臉識別、特征識別和居住信息，邊緣信息安全建設也是必不可少的，平臺應致力于維護公民的隱私權和利益。邊緣信息安全建設將提供從操作系統、軟件應用到通信通道等全鏈路的安全防護能力，支持云上風險預警、云上設備身份管理、云上遠程升級的安全方案，覆蓋身份認證漏洞、信息泄漏、木馬病毒、數據傳輸等多種節點安全風險，同時提供更安全、更合規的邊緣節點管理能力以及云邊一體的安全保障系統。

3 無人機數據采集與消防協同應用

智慧消防平臺的協同應用見圖2，火情發生第一時間，布局在建筑物中的火警報警器將被觸發，并將情況上報至數據中心，數據中心對室內無人機下達疏散指令。在狹小的通道中無人機憑借微型機身、靈活的姿態可以輕松躲避周邊障礙物，同時無人機身上攜帶的喊話器和綠色光源有助于在擁擠、昏暗環境中有效引導人群分流、疏散。

圖2 數據采集與消防協同應用

在室內無人機疏散人群的過程中，室外無人機啟動并開展火場數據采集作業。室外無人機相比于消防員可以進行大范圍的偵察和搜索，運用機載生命探測儀裝置對火場中心的被困人員進行搜尋，同時機載攝像進行4K實時影像傳遞對需要追蹤的目標進行有效的監控追蹤，并且對火災現場的重要節點、重要設備以及重要的火場情況進行有效的監控追蹤[4]。使用無人機能夠對火災現場的多個點實施有效監督和管理，將火災現場的救援信息和火場資訊及時準確傳達給指揮人員，方便指揮人員及時制定合理的救援、滅火對策，以適應救援、滅火工作的現實需要。

4 蜂群無人機集團-分點式滅火作業程序

蜂群無人機作業方式見圖3，以小巧的、功能專業的“蜂”，通過大幅增加功能種類和數量規模，形成復雜的、強大的“群”作業效能，這便是“蜂群作業”的基本特點[5]。蜂群無人機在滅火中效率將遠高于一般滅火無人機，經濟效益更高。運用AI算法處理大量信息并反饋至無人機數據控制中心去對成百上千的無人機內置的微型處理器進行實時控制。

圖3 蜂群無人機作業模擬

在消防員難以進入的復雜火場環境，蜂群無人機將展示其強大潛力。云計算中心根據室外無人機所搜集的火場信息、已有的“全息數字構建”數據通過邊緣計算對火場的火勢變化進行可靠的仿真模擬計算，并通過AI智能算法優化得出最佳滅火方案，實現多機群通過5G 無人機智慧消防平臺控制蜂群無人機攜帶微型高效阻燃劑噴射裝置在火場對著火物表面網格劃分式進行滅火作業，形成集團作業、單點高效滅火，由于阻燃劑具有吸熱作用、覆蓋作用、抑止鏈反應、不燃氣體窒息作用，滅火經濟成本低、火勢極難復燃。室外無人機進行實時火場信息采集，多輪蜂群無人機作業持續作業，直至控制火情。

5 結語

在信息時代的大背景下，將智能無人機應急救援技術與基于邊緣算法的大數據平臺結合可以實現1+1>2 的效應，優化閑置資源，提高整體經濟效益，提高單個無人機的效能，適應于社區火災治理等應急災害處置的緊迫要求，對維護社會治安和維持綠色的健康生活環境有著現實意義。