基于消防應急救援的無人機集群系統研究

職雪剛 馬小東

摘要：為了有效提升消防救援隊伍的應急救援能力，結合目前無人機的發展水平和應急救援中的應用現狀，提出消防專用無人機集群系統的概念，以期應用在各類災害事故的處置過程中，提高災害事故救援效率，更大程度地保障消防人員安全。緊跟無人機的發展現狀，多機種協同運用，整合目前的偵察勘測、輔助救援、輔助滅火、通信組網等功能，系統化、精細化編組入群，針對無人機在消防應急救援中的優勢和問題，提出了相關可行性建議。

關鍵詞：無人機集群系統；消防應急救援；技術研發

中圖分類號：D631.6? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2023）10-0023-03

1 消防專用無人機集群系統概念的提出

自2018年改制轉隸以來，消防救援隊伍從武警序列劃歸應急救援體系，其本質不僅是領導機構和管理方式的轉變，更是隊伍本身應對“全災種、大應急”職業化、專業化的發展要求，肩負應急救援國家隊和主力軍的新使命，踐行消防救援隊伍“救民于水火，助民于危難，給人民以力量”的擔當作為。近幾年全國各種災害救援的需求量大幅增長，同時救援人員犧牲的人數也不斷增加。這就意味著需要有智能性和專業性更強的設備，輔助人乃至代替人去執行危險性較大的任務。

無人機具有環境適應能力強、測量精準度高、機動靈活、作業便捷、視野全面等特點，廣泛應用于軍事、科技、應急等領域，一定程度上彌補了傳統消防救援的不足和短板?；诖耍瑹o人機搭載各種功能模塊在消防救援隊伍中迅速得到了普及，在各類大型災害現場可以執行現場偵查、高空喊話、航拍建模、信息收集、空中組網、系留照明、指揮調度以及火災撲救等作業任務，在消防救援實戰中發揮著至關重要的作用，一定程度上解決了目前的燃眉之急。無人機及相關技術正在飛速發展之中，但礙于隊伍自身職能特點，缺少專門的研發團隊，停留在單一功能的簡單運用，遇到復雜的災情，不但會耗費大量人力物力，其最終處置效能也不理想。行業內剛剛興起的無人機集群，用一個“智能大腦”將多個無人機連接起來組成無人機集群，通過感知交互、信息傳遞和協同工作，使無人機集群成為自主式空中智能系統，可謂解決當前消防救援困境的一劑良藥。

2 無人機集群系統可行性分析

現階段無人機集群系統多為單一機型或者幾種機型的簡單組合。2015年，美國海軍研究辦公室的“蝗蟲”項目聚焦發展通過發射管將大量可進行數據共享、自主協同的無人機快速連續發射至空中的技術，其中包括發射可攜帶不同任務載荷的郊狼（Coyote）無人機，并完成了9架無人機完全自主同步和編隊飛行的技術驗證。2017年10月，中國電子科技集團公司完成119架固定翼無人機集群飛行試驗，試驗中采用自組網數據鏈，119架小型固定翼無人機成功演示了密集彈射起飛、空中集結、多目標分組、編隊合圍、集群行動等動作。在2022年北京冬奧會開幕式之夜，由2022架無人機組成的集群以極富創意的3D動態表演，在夜空中勾勒出漫天飛舞的雪花、冬奧會會徽以及“冰墩墩”和“雪容融”，給觀眾留下深刻印象。由此可見，集群的作用效果十分突出，接下來本文將從消防集群系統的硬件配置、軟件運行入手，結合無人機機型的搭配、起飛平臺、相關算法要求，論證其可行性。

2.1? 硬件可行性分析

目前無人機搭載航測相機制作二維三維模型、搭載紅外探測儀進行熱成像、搭載探照燈實現全方位照明等單體功能已在救援實踐中得到廣泛應用，但在系統化集群的研發中，要立足整個系統總體功能，分模塊、具體化研發。例如專用滅火無人機集群，可從偵查模塊、破拆模塊、滅火模塊進行優化組合。專用水域救援無人機集群可從偵查模塊、搜救模塊、拋投模塊進行搭配使用。

硬件方面需要考慮功能模塊對無人機在防水、載荷、飛行速度穩定性等方面的要求。例如雨水天氣，大疆M300RTK搭載禪思H20T相機，其機身IP45防護，鏡頭IP44防護，可嘗試進行作業。在火災現場快速展開大范圍偵查、估測火勢，大疆御2無人機雙光模式下快速鎖定火點部位，大幅縮短火點排查時間及過火面積估算時間[1]。2022年9月5日四川省甘孜州瀘定縣發生6.8級地震，四川省通信管理局和應急管理廳緊急調度騰盾科創雙尾蝎無人機飛赴受災區域，馳援抗震救災工作。在航管相關部門的大力支持下緊急完成空域協調，騰盾雙尾蝎無人機掛載光電偵察吊艙、空中基站設備，飛抵震中區域上空，啟動災情廣域巡查并實施公眾通信覆蓋任務，搶險救災指揮和受災群眾手機通信陸續恢復。單個無人機搭載時可根據需要固化功能模塊選取專用功能無人機，滿足高的穩定性需求，也可根據機型靈活替換不同功能模塊或者搭載多個功能模塊。

無人機起飛平臺建設中，多個省、市消防救援隊伍根據部消防救援局“兩項改革”工作以及“數字化通信保障隊伍”建設的要求開展，部分單位已完成搭建固定式起降平臺。在轄區內高空監測巡防全覆蓋，可兼顧周邊隊站部分轄區，并對轄區內的居住小區、工業企業等開展日常消防安全巡查。下一步無人機機場控制平臺可以對接119智能接處警系統，消防指揮中心對所屬隊站下達出動命令，無人機場即可實現實時接收警情地理信息GIS坐標信息，無人機與轄區隊站車輛同步出動，實時將行進途中無人機畫面傳輸至上級消防指揮中心和轄區單位指揮員。

同時，車載無人機起飛平臺也已展開了應用，單個無人機起飛平臺在各個行業內的應用比較廣泛。李青松、陳維[2]提出了無人機與巡防車結合助建智慧街面巡防體系。山東電友電力科技有限公司在封閉的巡檢車內安裝機巢，無人機由巡檢車尾部放飛，實現精準起降、自動作業、自動充電、多機協同控制和遠程指揮等功能，有效提高無人機自主巡檢效率。未來解決定位精度、導航信號不穩定等技術限制，將超越目前的移動起降平臺，達到真正的移動中起降的任務要求。

2.2? 軟件可行性分析

目前業內無人機集群方面已運用協同作戰算法，且在軍事戰爭領域研究比較超前。王祥科[3]等人針對大規模固定翼無人機集群的編隊控制問題提出一種分層分組控制方案。通過建立控制架構、劃分群組、設定機種角色，對各群組內的長機設計協同路徑跟隨控制律，實現各群組間的協同；對僚機設計控制律以跟隨其所在群組的長機，使其與長機保持期望的相對位置且朝向一致，利用仿真系統對100架固定翼無人機進行了測試。

飛思實驗室針對大規模無人機集群應用推出集中式控制和分布式控制2種集群方案。集中式控制無人機集群采用點對多點高帶寬數據鏈，針對不同的載荷和應用場景實現最大30架無人機控制。由地面控制站中的操作人員制定任務分配方案和無人機具體飛行航路，無人機本身不具備決策能力，完全按照地面控制站發出的任務指令和航路執行任務。分布式控制體系無人機集群中的無人機是具有獨自決策能力的智能體，它們具有很強的協同能力和自治性。無人機之間以自組網高帶寬數據鏈技術為支撐，無人機之間對所處環境、任務目標集信息、無人機狀態信息進行交互，實現協同任務分配、協同搜索、協同偵察與攻擊。

在復雜的對抗戰爭中無人機集群已經嶄露頭角，成為兵家必備的法寶。在相對平和的應急救援領域無人機發揮作用更可謂信手拈來。一方面應急救援領域排除了復雜、強烈的軍事對抗性，又遠小于軍事領域的規模，難度大大降低。另一方面與軍事領域的去中心化、自主化、自治化不同，在應急救援領域中統一的調度指揮平臺更適合，人在其中控制、處理一些關鍵信息，運算量會大大減少。例如在偵察無人機返回后，得到著火點位置及周邊初步影像圖，需不需要再次調派無人機、調派何種無人機制作更詳細的三維現場圖，有經驗的指揮人員視情進行判斷即可。故根據現有的算法變更移植或者開發新的算法專用于應急救援，在理論上、實踐上都具有可行性。

3 無人機集群系統特點

3.1? 集群性

在自然界中，為彌補個體能力的不足，諸多種群都能通過個體相互之間交流和合作呈現出某種群體行為，比如候鳥聚集遷徙、蜜蜂協同分工、魚群的結群游弋等。無人機集群正是借助集群內局部的信息交換以及頭雁的領航作用。整個系統可以成為有序集結、統一調度執行全局任務的無人機集群系統。

3.2? 多樣性

立足整個集群系統，考慮指揮調度平臺的兼容性，針對災害特點、作戰階段的任務分工配備各種不同機型的無人機。例如火情偵察階段，調派紅外偵察、雙光偵察無人機，視火災具體類型調度氣體偵檢無人機；大型災害現場應保持無人機持續對整個災害現場影像的監測，后臺進行數據對比分析，查找倒塌、爆炸等潛在危險點；火場破拆、救人時，利用破拆無人機對一些特定的玻璃幕墻等障礙物進行破拆，打通救生通道；火災撲救中，調派搭載滅火藥劑的大荷載無人機進行輔助滅火；在夜晚救援時，調派系留照明無人機進行輔助照明。

3.3? 統一性

在大型災害現場中通常都是多個單位協同作戰，如果無人機不能統一管理，可能會出現無人機滿天飛資源重復浪費，甚至出現相互干擾炸機的情況。實現對無人機的統一管理，這里說的統一是指所有的無人機都在統一的調度平臺下進行作業，平臺集無人機集群調度、數據分析、圖像處理于一體。指揮員根據平臺呈現的災情信息、被困人員數量、災害整體情況等關鍵信息，靈活調整調度方案，精確實施救援，以智能化為基礎，統一性管理為核心，達到高效能的作戰目的。

4 無人機集群系統應用

近年來，應急救援領域大型災害事故主要集中在高、地、大、化類火災，以及地震、洪澇、山火等自然災害，前者類型復雜，后者涉及范圍廣，其結果往往救援難度大、處置時間長達數十天。無人機集群系統根據自身集群性、多樣性、統一性，很大程度上能突破應急救援發展的瓶頸。

4.1? 火災方面的應用

隨著社會經濟的發展，各地高層建筑越來越多，基于高層建筑的火災場景，火災特點有：濃煙較大、火勢猛烈、蔓延迅速、疏散困難、易形成立體火災、玻璃幕墻碎裂下落造成人員傷亡、撲救難度大等。這就要求消防救援隊伍能夠迅速偵察火情并根據火情態勢展開救援，縮減救援時間，最大限度保障人民生命財產安全。結合火災的特點和偵查需求，無人機群在移動起降平臺的輔助下，可以提前起飛無人機，突破時間、空間上的限制，在人員未到達火場之前展開火場偵察，根據系統反饋的關鍵信息判斷火勢發展方向，指揮員在行進途中進行人員和裝備部署，制定滅火方案；滅火期間無人機可以輔助滅火、現場偵查監測，從而提高滅火工作效率，減少救援人員的傷亡，切實為指戰員的生命安全做好不間斷的守護。

4.2? 搶險救援方面的應用

重大災害往往具有發生突然、擴散迅速、危害范圍廣的特點，因而決定了應急救援行動必須做到傳遞事故信息準確、開展救援活動迅速和應急救援行動有效。以“河南鄭州7·20特大暴雨災害事件”為背景，模擬無人機集群系統集群作用力。在交通癱瘓、電力網絡中斷情況下，無人機集群系統在初戰階段，通過高空偵察評估洪水流向為救援人員選擇合適的行進路線，同時搭載自組網設備快速搭建各個區域的移動基站，確保居民移動設備的正常運行，助力各個應急部門在緊急情況下的通信正常運行；偵查階段，分區域對各自覆蓋的災害現場進行大規模的二維、三維模型圖像采集，為指揮部掌握災害整體情況和進一步的部署指揮做參考；在救援階段中，遠距離精準拋投、緊急運送物資、安撫被困人員；全程信息共享、資源的統一調度，大大提高了任務的安全性和高效性。

5 無人機集群系統發展前景

目前無人機的發展面臨著諸多困境，存在著續航瓶頸、通信系統、避障技術等問題。集群意味著多個個體可以相互補充、信息共享，在短續航的情況下多架無人機順序作業完成大規模的偵察、測量任務；同一時間空域內多架無人機形成自組成網，延伸了通信范圍、加強了局域網內的信號傳輸的穩定性，面對無人機指數級的增長帶來的同頻干擾，有效降低了干擾；同時相互之間共享位置環境信息，可以一定程度上緩解避障技術的困境。

集群系統勢必將成為未來無人機一種發展趨勢，在人工智能技術的影響下，不管是單個無人機的智能程度，還是整體的協助緊密，都將大幅度提升，可以實現1+1＞2的效能放大作用。在人類主導下實施的動作行為將大幅縮減，更多的將是智能體的自動運轉。集群系統將會融入更多的傳感器[4]，提供目標的可見光信息、電磁輻射信息、紅外信息等更全面信息。目前，這些信息大多數通過通信鏈路回傳至地面控制站進行處理，無線鏈路在大數據量的情況下必然導致速度慢、質量不好把握。隨著人工智能技術的發展及硬件運算能力的提高，未來單個無人機有望完成信息整合，提供更加直觀的目標信息，從而減少數據通信量，減少平臺負擔，提高整體運行效率。

6 結語

本文根據消防應急救援現狀，提出了利用無人機集群系統解決應急救援瓶頸的問題，結合目前無人機發展情況論述了消防專用無人機集群的在硬件、軟件上的要求及實現的可行性，概括了消防無人機集群系統的特點，給出了無人機集群在解決具體災害類型中的應用價值。在此基礎上展望了未來無人機集群的發展趨勢，期望能夠對未來無人集群系統的發展起到一定的促進作用。

參考文獻：

[1]劉忠俊.中國新聞網.四川瀘定6.8級地震：雙尾蝎無人機緊急馳援[EB/OL].2022-9-5/2022-11-25.

[2]李青松，陳維.警用無人機與巡防車載一體化平臺融合應用的探討和思考[J].中國信息化，2022（5）：87-89+76.

[3]王祥科，陳浩，趙述龍.大規模固定翼無人機集群編隊控制方法[J].控制與決策，2021（9）：2063-2073.

[4]辛昕，謝川.人工智能在無人機系統中的應用與發展研究[J].飛航導彈，2021（5）：48-51.

Research on Unmanned Aircraft Cluster System Based on Firefighting Emergency Rescue

Zhi Xuegang，Ma Xiaodong

（Hubei Provincial Fire and Rescue Brigade Emergency Communication and Vehicle Service Section，Hubei Wuhan 430060）

Abstract： In order to effectively enhance the emergency rescue capability of the fire rescue team， combined with the current level of development of UAVs and the current status of their application in emergency rescue， the concept of firefighting-specific UAV cluster system is put forward， with a view to applying it in the process of dealing with various types of disaster accidents， improving the efficiency of rescue in disaster accidents， and safeguarding the safety of firefighters to a greater extent. Keeping up with the current development of UAVs， multi-aircraft synergistic application， integrating the current functions of reconnaissance and survey， auxiliary rescue， auxiliary firefighting， and communication networking， systematizing and refining the grouping into clusters， relevant feasible suggestions are put forward for the advantages and problems of UAVs in firefighting emergency rescue.

Keywords： UAV cluster system; fire emergency rescue; technology development