無人機在港口消防應急的應用研究

任思帥，侯志強，邵攀，李學東

（交通運輸部水運科學研究院，北京 100082）

2015年8月12日，位于天津市濱海新區的瑞海公司危險品倉庫發生火災爆炸事故，一共造成165 人遇難（其中參與救援處置的公安現役消防人員24 人、天津港消防人員75 人、公安民警11 人，事故企業、周邊企業員工和居民55 人）。本次事故造成這么多的消防員犧牲，主要原因是企業人員不能提供倉庫儲存貨物的準確信息，導致指揮員難以對火場狀況做出準確的判斷，沖到前線救火的消防員接連遭受兩次爆炸，還有現場危險品產生了毒性氣體，也加劇了事故的嚴重程度。

在火災等突發情況下充滿了很多的不確定性因素，指揮部門和救援人員對現場缺乏相應的了解，救援人員盲目地進入火災現場難以保證其安全。因此，在救援人員進入火災現場之前，首先使用無人機快速進入現場進行探測，將拍攝到的實時現場高清視頻回傳到應急指揮調度中心，實現現場火災實景與應急指揮調度中心的大屏畫面同步，有利于指揮人員對火災現場的觀察和判斷，更好地指揮救援人員開展施救任務，減少不必要的人員傷亡。

目前無人機在森林防火中得到了廣泛的應用，采用無人機可以有效地提高森林防火工作質量和效率，可以保證森林防火和救火可以更好的開展。首先在森林防火中采用無人機對森林進行日常巡邏，相比于人工巡邏，無人機巡查的面積更大、效率更高；其次將無人機應用在森林的消防應急中，可以直接投放阻燃劑及在高空中拍攝火情，有利于消防人員對火情的判斷，盡量減少消防人員直接參與到森林的救火之中，進而有效減少森林防火工作人員的傷亡情況，在森林滅火中發揮著十分重要的作用。

結合目前無人機在森林防火等消防應急領域的應用，將無人機應用在港口消防應急中具有重要的現實意義。將無人機應用到港口消防應急領域中，首先可以采用無人機進行現場視頻的采集，將實時拍攝的高清視頻回傳到港口應急指揮調度中心，全面提高碼頭指揮調度人員對港口現場的火災應急觀察和判斷力，提高指揮人員的決策和現場救援人員的救援效果；其次相比于機器人進行現場探測，無人機可以更快的到達事故現場，更及時有效地對事故現場進行偵察探測，還可以在無人機上面安裝喊話器，對現場救援人員及時有效的指揮；最后還可以在無人機上面加載氣體檢測云臺和熱成像鏡頭，及時判斷被困人員的位置，提高搜救效率，并有效獲取事故現場的氣體成分，減少救援人員的不必要傷亡。

1 無人機概述

無人機是無人駕駛飛行器的簡稱，是一種不載操作人員、用空氣動力產生運載工具升力、能夠自主或遙控飛行、能夠一次使用或回收并且載有殺傷或非殺傷有效載荷的有動力的航空器。目前在消防應急領域大部分采用的是多旋翼無人機，多旋翼無人機也可以稱為多軸無人機，根據多旋翼無人機的螺旋槳數量可細分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等。一般認為多旋翼無人機的螺旋槳數量越多，其飛行越平穩，操作也就越容易。

多旋翼無人機的體積小，制造成本低，與固定翼無人機相比，它具有可定點懸停、可垂直起落等功能，因而在軍事方面可用于執行運送物資、戰場監視、邊境巡檢等任務，在民用方面可用于電力巡線、救災探測、勘探測繪、人員搜救等用途。隨著無人機技術的飛速發展，雷達、激光、聲吶等儀器設備都可裝備到無人機上完成特定的任務。

目前無人機通信和控制主要通過無線電傳輸，無人機主要由四部分組成，分別是平臺、控制飛行的系統、無線電遙控系統以及裝備。無人機具有三個特點，第一個特點在于檢測精度方面，無人機在低空飛行50 到100 米時，測量的精度最高可達到毫米；第二個特點無人機安裝攝像器材的成本不高；第三個特點就是無人機相對安全靈活，能夠適應多種天氣、多種角度、多種結構。

2 消防無人機應用現狀

2.1 災情偵察

大多數自然災害及突發事故現場的環境復雜多變，很多情況下大型偵察設備難以進入現場進行偵察探測。火災等特殊事故現場環境充滿了很多的不確定性因素，在對事故現場了解不足的情況下，貿然進入事故現場很難保證救援人員的安全。通過在無人機上面安裝災害偵察模塊，可以實時檢測火災現場的多維信息，獲得火災周圍溫度場、有毒有害氣體濃度、現場其他影響因素等。

當采用無人機進行應急救援時，可以配備紅外夜視儀和熱成像鏡頭，無論白天還是黑夜，都可以360°全景對事故現場進行偵察，將偵察到的信息及時地傳送到后方應急指揮中心，供指揮人員了解現場地形地貌、事故發展趨勢、人員被困情況等，為指揮人員的決策提供支持。

2.2 應急照明通信

當發生自然災害或突發事故時，事故現場的應急照明得不到保證，可以通過在無人機上面裝載空中照明設備，進而可以解決夜間野外復雜地形、危險水域等事故現場缺少大范圍移動照明的難題，將無人機裝載照明設備應用于應急救援領域，能夠提高應急救援中心處理夜間突發事件能力和效率。

應急通信系統是指發生突發緊急情況下通信需求瞬間增加時的通信保障。通過安裝在無人機上的通信中繼，災害現場可以實現大范圍通信覆蓋，解決信道擁塞、通信盲點等難題。一旦發生突發事故時，可以及時傳遞災情、保障救災指揮調度、滿足災區民眾的聯絡需求，同時將通過機載揚聲器向現場人員進行廣播關鍵信息。

2.3 消防滅火

消防無人機在滅火方面可以發揮很大的優勢。多旋翼無人機的優點靈活可控，還可以攜帶消防救援設備進入火災現場進行撲救，在一定程度上能夠替代消防救援人員。當采用無人機進行應急救援時，可以選擇攜帶配備配水設備、聲音喊話裝置、救生繩等重物的無人機，對事故現場開展救援活動。當無人機執行救援任務時還可以通過視頻傳輸，對火情進行準確的判斷，根據現場的實際情況，無人機可攜帶不同的滅火裝置，并可向火災中的被困人員投放應急救援物資等，確保被困人員的安全。

無人機在森林消防中的應用可以更直觀地判斷火災情況，將無人機應用到森林滅火工作中，可以幫助控制火災情況。森林火災發生后，火災規模通常較大，直接滅火難度較大，采用無人機在高空中可以準確的判斷火災趨勢，緊接著在安全區域設置防火帶，可以有效減緩火災的蔓延，對消防工作具有重要意義。

目前消防無人機在城市中的消防滅火也得到了一定程度的應用，在城市中高層建筑越來越多，并且這些高層建筑的距離都比較近，高層建筑發生火災時對消防救援工作存在著很多的挑戰，比如存在著火災發生在高樓層、內部的消防設施不足等問題。消防用無人機具有載重量大、抗風能力強、拋灑精度高等優點，可以在高層建筑發生火災時人為操控在遠距離發射滅火彈和近距離噴灑滅火干粉，有效地提升消防滅火效率，同時收集火場視頻，盡量地減少不必要的人員傷亡。

3 無人機在港口消防應急的應用優勢和問題

3.1 應用優勢

無人機在港口消防應急的應用具有以下優點：第一點是無人機可以在高空中拍攝火災情形，無人機通過裝載的攝像機能夠實現變焦、傾斜多角度拍攝，及時地向現場人員傳遞現場火災情形，為救援人員提供基本的火災情況認知。第二點是無人機可以通過裝載氣體收集器等裝載對火災信息進行收集，將收集的信息及時地傳遞到應急指揮中心，有利于指揮人員的應急決策，為消防人員的滅火計劃提供依據，提高消防救援的效率。第三點是利用無人機對事故現場進行指揮調度，現場指揮人員可以通過無人機傳輸的事故現場的視頻，對事故現場進行準確的判斷，并將決策信息及時地傳遞給救援人員，還能對救援人員通過喊話進行及時有效的指揮。第四點是無人機通過裝載滅火設施，具備直接滅火的功能，相比于消防機器人，無人機還可以在高空中作業，它能夠飛到指定地點并投擲滅火彈，更高效和及時地進行消防滅火。第五點是無人機可以進行應急救援，無人機可以裝載的熱成像鏡頭及時快速的發現被困人員的位置，還可以攜帶應急救援物資投放給被困人員，有利于救援人員及時快速地救出被困人員。最后一點是在高空中追蹤災情的變化，現場指揮人員可以根據災情的變化采取相應的措施，最終實現火災的全面、及時控制。

3.2 存在的問題

目前，無人機應用到港口消防應急中還存在著很多的問題，一是在高溫的環境下，電池的電壓會下降很快，火災現場高溫產生的熱氣流也會對無人機的穩定性有所影響，高溫還會影響無人機的機身材料。二是事故現場的高層建筑、強磁場、以及鳥類等都會對無人機的信號傳輸、視頻拍攝等產生不利的影響，并且在冬天使用無人機作業時，低溫會對無人機的續航產生影響。三是無人機可以裝載氣體檢測器，但飛行時槳葉產生的巨大升力及氣流會嚴重影響氣體檢測準確度，并且無人機能夠裝載熱成像鏡頭來搜救被困人員的位置，當在戶外作業基本不受外界的因素影響，當搜救建筑物內的被困人員，其信號會受到建筑物的影響，無法準確判斷被困人員的位置。四是現階段飛手儲備不足，需要增強飛手在惡劣天氣以及發生突發狀況時的應急處置能力，在實際的操作中，對飛行員的操作和投擲的準確性也有較高的要求。五是缺少相應的管理制度，在日常應急演練中缺少無人機參與其中。

4 無人機在港口消防應急的解決對策

4.1 加強無人機技術研發

無人機在港口消防應急應用中，進行作業時第一點就要應對現場高溫環境，因此在設計消防無人機時首先要加強機載硬件設備的開發，無人機系統的硬件設備主要有螺旋槳、監測探頭、機身、信號收發裝置等，提高無人機硬件的耐高溫水平，將耐高溫材料應用其中，保證消防無人機具有耐高溫的優點。第二點就是無人機在實際作業時電池受外界環境的影響，高溫環境會影響電池的電壓，低溫環境會使電池壽命下降，消防無人機應采用耐高溫和低溫電池，在高溫環境下要保證電池電壓的穩定性，在低溫環境下要保證電池放電性能和產品性能的穩定。最后一點就是要進一步優化無人機氣動外形，得到最優氣動參數，從而進一步提高無人機氣動性能。

4.2 采用更先進的機載消防應急設備

將無人機應用在港口消防應急時，第一件事就是把現場視頻傳輸給應急指揮中心，這需要求無人機上面配備高清攝像頭，以保證拍攝的視頻清晰。無人機拍攝的視頻在傳輸過程中也會受到高層建筑和磁場的影響，為保證視頻傳輸的穩定可靠，需要無人機上面配備傳輸性能優良的傳感器。5G 網路具有“高速率、低時延、大容量”的優點，可以將先進的5G 技術應用在無人機視頻傳輸上。無人機還需要搭載更先進的氣體探測云臺和熱成像鏡頭，以保證氣體探測和搜救結果的穩定性和可靠性。

4.3 加強無人機隊伍建設

面對目前飛手后備力量不足的問題，首先需要建立飛手隊伍，培養飛手在惡劣天氣和突發事件中的應急處理能力，充分積累無人機探測位置、鏡頭角度、實戰應用等經驗，并培養飛手日常保養和簡單維修的技能。明確日常訓練的內容和時間，確保飛手操作無人機的時間，提高飛手的實際操作水平。

4.4 完善管理制度，加強演練

倘若無人機沒有制定完善的管理制度，其在港口應急救援的效果也不會理想，為確保無人機在港口應急救援中更好地應用，應根據實際情況制定科學的管理制度。健全完善的管理制度，能夠確保無人機在港口應急救援中得到良好應用，合理的管理制度能夠保障無人機更好地應用在港口的消防應急中，制定的管理制度還需要各項內容具有實用性。還要以制度保障無人機的日常演練，以練代戰，使飛手能夠從容操作無人機應對突發事件。

5 結束語

當港口發生突發情況時，需要及時有效地開展救援行動，將無人機應用在港口的消防應急中，可以提高應急救援的效率，最大限度地保障消防人員的安全。目前，無人機在港口消防應急中的應用還存在著一定的問題，需要不斷提高無人機的硬件設施和完善人員隊伍，建立完善的管理制度，以便更好地應用于港口消防應急。