無人機技術在消防通信中的應用研究

樊 野

（呼和浩特市武川縣消防救援大隊，內蒙古呼和浩特 011799）

0 引言

無人機在消防滅火救援中具有廣泛的應用前景，近年來無人機大量應用于應急救援行動并取得了很大成效。隨著飛控系統的開源及市場需求增加，無人機在消防救援單位得到應用，但仍存在基層通信人員缺乏系統培訓，功能集中于航拍偵察，通信組網混亂等問題，需要深入研究無人機在消防通信中的關鍵技術。

1 無人機在消防救援中的應用

隨著我國城市建設的快速發展，高層樓宇消防問題日益突出，城市高層樓宇消防滅火面臨玻璃幕墻破拆困難、消防通道堵塞等困境，傳統的消防手段不能滿足現有城市樓層高度的消防需求。如何快速獲取現場信息、針對被困人員展開救援成為消防工作的新課題。可以借助無線監控手段實施滅火救援，由于高層樓宇存在建筑結構復雜，無線通信信號傳輸不通暢等問題，應用中難以保證信號傳輸的可靠性，消防無人機是有效的高層樓宇滅火解決方案[1]。

1.1 國內外消防無人機應用研究

消防無人機具有機動靈巧、可搭載設備等優勢，可以在高溫火場持續監視火情，提供信息保障，對滅火作戰等具有重要作用[2]。隨著科技的發展，無人機作為災害事故輔助救援平臺得到廣泛應用。國內外專家學者利用傳感器技術等研發了多款消防無人機，主要用于森林防火及人員輔助救援。國內專家對無人機在消防領域應用進行的相關研究，主要包括論述消防無人機的優勢，分析無人機功能特點，分析無人機在事故應急中無線通信系統的搭建，實現指揮中心與無人機無線數據傳輸。

目前消防無人機主要應用于災情偵察、森林防火監測等領域。無人機掛載災情偵察模塊可實現對火場多維信息實時監測，包括有毒害氣體濃度等。國內消防偵察無人機逐漸實現對災害現場信息采集與滅火救援配合。中國航天科工集團研究院研發的滅火救援無人機偵察系統解決了高層建筑外部偵察能力不足的問題[3]。某公司多旋翼消防無人機搭載智能遙感系統，具有投擲滅火彈等功能。江蘇某公司研發的無人機搭載傾斜攝影機、高功率探照燈等模塊，可對消防安全重點單位實時動態監控。Ivan在歐洲AWARE 項目支持下研發無人機分布式決策結構，根據無人機反饋信息實施消防力量調配。一些新型災情偵察消防無人機在災害事故中得到應用，地震中利用攜帶攝像頭無人機實現災后應急救援響應。

歐美國家對森林消防無人機研究較多，近幾年國外森林消防無人機通過掛載不同相機采集火災影像，可實現對火災探測監測[4]。美國First Response 項目研發ALTUS 無人機應用于森林火災撲救，目前研究添加更多傳感器無人機實現信息監測。我國森林消防無人機研究起步較晚，東北林業大學與吉林工程技術學院等學者對森林消防無人機進行設計開發，降低森林防火員的工作強度。武漢某科技公司研發的森林消防無人機可實時傳輸森林上空影像。國外研究無人機森林火災探測算法，如基于小波分析、高斯混合模型森林火災探測等。我國許多學者進行了無人機定位技術研究，如：南京森林警察學院林火研究中心研發了森林著火點定位方法等。

1.2 消防無人機主要功能

無人機在消防救援工作中的主要作用包括輔助救援、信息采集與滅火等，消防無人機具有平臺應用廣泛、飛行高度低、機動性強、安全性能好、操作簡單等優點[5]。通過無人機搭載多功能模塊可采集現場氣體溫度與圖像信息，快速提供輔助滅火與應急救援。消防無人機信息采集主要應用氣體分析儀、紅外熱像儀與高清攝像夜視儀等。紅外熱像可用于無人機不同場景，模擬圖像傳輸系統可實時測繪場景溫度信息，圖像采集模塊可采集災害現場高清視頻信息，夜視圖像信息采用綜合可見光可清晰區分火災信息，利用夜視儀實現火災信息精確采集，對場景圖像信息實時拍攝錄像，可根據無人機拍攝火場畫面判斷，通過無線傳輸等數傳系統傳送到指揮中心，實現遠程可視化指揮。通過無人機搭載3D 建模系統，實現快速有效覆蓋不同表面特征，實現消防重點單位三維精確建模，利用無人機進行事故現場測繪。氣體分析模塊可攜帶不同類型氣體傳感器，根據現場需要隨時更換氣體傳感器，采集消防隊員數據收集到數據庫。消防無人機輔助救援功能主要通過攜帶應急救援設備，配置揚聲器等設備輔助滅火救援。無人機安裝揚聲器可作為緊急廣播，可實現災難現場疏散減少擁擠風險，應急廣播模塊可在600 m 內實現聲音傳播。

開展滅火工作是消防無人機的發展趨勢，可集成滅火劑等器材裝備用于滅火救援工作，使用無人機攜帶泡沫，干粉等滅火劑，針對易燃易爆有毒危險區進行初起火災撲救。滅火無人機可攜帶大量滅火彈飛行到火源附近向目標射擊，滅火彈可穿透厚鋼化玻璃幕墻噴灑滅火劑。滅火無人機可準確向火源位置發送滅火彈解決高層建筑救援難題。高層建筑發生火災時，搭載玻璃破拆槍的無人機飛行到火災樓層外，用玻璃破拆發射高速沖擊彈，向室內噴灑干粉，有效撲滅火焰[6]。低頻聲波在30～60 Hz 可產生適合的滅火能量，聲波隔離空氣可消除不強烈的火災。聲波技術適用于建筑火災中為消防員開辟小型滅火通道，壓力波在空氣中傳播可隔離火焰與空氣。

1.3 消防無人機的應用領域

無人機在消防滅火救援工作中的應用主要包括偵察救援與滅火等領域，偵察領域主要有重大自然災害現場與石化火災等場景，滅火領域主要是精準釋放滅火劑、運輸滅火器材裝備；救援領域應用主要包括基站、拋投與擴音照明功能模塊[7]。由于石化火災經常出現爆炸與立體燃燒現象，使用搭載偵察模塊的消防無人機實施高空偵察作業可降低人員傷亡風險。當前社會生產力高速發展，以高層地下建筑等為代表的現代化建筑迅速發展，對滅火救援行動提出了更高的要求，可開發小型無人機深入火場獲取信息資源。

以山體滑坡等為代表的重大自然災害具有高突發、大面積等特點，導致事故現場信息傳遞陷入堵塞，外部人員難以到達災區。某些起火位置不便于人員攀爬，可利用滅火無人機搭載滅火劑迅速抵達任務區域，如天龍I 號高層建筑專用特種滅火無人機在20 m 外發射滅火彈，可拋射8 kg 滅火劑。處置城郊農村火災存在偏遠地區道路交通條件不佳，可以通過派遣運輸無人機攜帶簡易滅火器抵達事故地點控制火勢蔓延。無人機可通過搭載無線微波單兵與后方指揮中心等開展通信。通信中繼模塊與長航時無人機結合使用，有效解決通信盲區等問題。無人機在搭載通信中繼模塊后可迅速建立現場通信鏈路，可操作多臺無人機定位火場人員位置，指揮人員科學部署，提升滅火救援效能。

2 無人機技術在消防通信中的應用

2.1 消防無人機通信模塊應用研究

六旋翼無人機具有機身穩固、應用靈活等特點，按照無人機作業順序，從圖像傳輸等功能出發進行應用分析。先導偵察是火災等自然災害發生后，采用自動航跡規劃方式到達災害現場偵察的功能，目前消防領域無人機通常以手動操作模式為主，通過俯沖等動作完成偵察，使用自主航跡規劃偵察方式簡單易行，但由于人員操作限制只能在救援人員到達現場后實施，應優化無人機偵察功能，實現先導偵察。路徑規劃算法根據算法原理分為圖形學與智能仿生學算法等，采用無人機將遺傳算法等融合，采用柵格法對飛行涵蓋空間建模，通過谷歌地圖道路建筑信息劃分，選擇預設中繼點為區域目標點。

無人機可采用最低安全飛行高度方式，由于國內外無人機導航系統大部分采用Google 地圖進行GPS 定位導航，可選取飛行領域最高點為最低安全飛行距離，由于消防無人機載有避障模塊，可實現安全飛行。消防無人機通行系統包含圖傳等無線電傳輸設備，無人機進行現場圖像實時回傳，是完成指揮輔助決策功能的重要環節，微波圖像傳輸是目前可行性較強的傳輸方式。消防應用中圖像傳輸是使用4G 設備進行3G 圖像傳輸，無人機承載高清攝像機實時攝錄現場影像，地面終端引出HDMI 的高清接口，通過訪問通信指揮中心登錄IP 地址可獲取基站轉接數據信息。微波圖像傳輸是無人機拍攝視頻數據將信息發送至現場通信指揮車載接收機，可在通信指揮中心看到實時視頻資料[8]。

2.2 無人機在消防通信中的實際應用

研究選取某消防部門訓練基地為實驗對象，記錄天氣等情況后設定初始地點，使用Google 地圖定位，得到部分飛行畫面。接到出動指令后無人機出發，飛行中將圖像傳回地面終端，可準確顯示出事故地點泄露源擴散度及被困人員情況等。通過高清攝像機傳回地面終端的圖像清晰，證明采用六旋翼無人機可實現先導偵察功能。實驗選取訓練場化工裝置為事故現場，試驗成功標準設定為將無人機采集圖像傳回指揮中心顯示屏，無人機在現場消防人員操作下迅速起飛，得到現場部分地面終端截圖。圖1 為先導偵察顯示消防車出動情況。

圖1 先導偵察顯示消防車出動情況

采用3G/4G 圖像傳輸方式可實時傳輸至指揮中心頁面，服務器訪問得到畫面像素降低但不影響視頻分析研判。為防止單一傳輸手段在現場出現故障后導致圖傳中斷，對比實驗使用微波圖像傳輸方式，得到相關通信設備圖像。選取高層建筑模擬演練區為事故地點，迅速攜帶單兵背負式微波傳輸設備，操縱遙控設備對無人機進行起飛操作，畫面穩定后選取某時刻地面終端圖像進行記錄對比，起飛后2 分47 秒截取影像，傳回指揮中心圖像與高空拍攝圖像對比，整體畫質清晰同步性良好。通過對比偵察方式傳輸視頻畫面，偵察方式可達到預期效果，某種指揮手段因外部環境干擾中止可采用其他方式傳輸視頻。設定災情為高層建筑起火樓層上方有被困人員，啟用無人機進行喊話安撫，選擇擴音模塊將其載荷到無人機云臺，擴音模塊接收端調至350 MHz，微型喇叭采用小型鋰離子電池電源，對無人機載荷要求低。對電臺喊話后聲音立刻從擴音模塊傳出，高層建筑被困人員可清晰聽到喊話內容。

3 消防無人機應用技術展望

3.1 消防無人機技術應用中存在的不足

近年來我國火災事故頻發，主要發生場所包括交通工具、生產廠房及公共娛樂場所等。消防部門參加滅火救援任務，主要事故包括基礎設施與危化品事故等。建筑火災撲救及災害應急救援中面臨的難題主要包括災情信息偵測手段匱乏，難以及時掌握災害現場基本信息，消防人員對現場了解通常通過觀察及現場人員口述，無法保證信息的準確性，影響救援任務的進度。消防人員到場后的首要任務是了解災情，目前通常用肉眼觀察，攜帶便攜式設備偵察，難以掌握事故整體狀態，現場消防人員面臨較高的安全風險。

目前消防無人機研究存在模塊化集成兼容性不強、續航技術不成熟等問題。面對災害現場無人機飛行易受到溫度煙霧等影響，易發生墜機事故。消防無人機應用中需要攜帶諸多功能模塊，如溫度場數據信息采集等模塊，易與消防應急通信設備相互干擾影響消防應急通信。消防無人機續航能力不足，電動無人機載重量低，限制其在高層建筑火災等環境下的應用；現有無人機不具備智能避障技術，防爆能力不強，無法進入爆炸風險場所作業。消防專業配備應用無人機需要依據科學的訓練，完善有效的日常維護保養管理制度，培養專業消防無人機飛行手隊伍，確保滅火救援實戰實施。目前我國尚未出臺消防無人機標準規范，缺乏抗干擾、高溫、風雨等方面的統一性能指標要求，急需加快標準編制，推進研發生產有序化。

3.2 消防無人機應用發展趨勢

消防無人機適用領域廣泛，可用于石化裝置及危化品園區等火災爆炸事故現場及水域等應急救援，滅火救援實戰需求是研發消防無人機未來的主攻方向，須堅持原始創新提升消防無人機專業智能化水平。根據不同類型火災特點，研發適用的無人機是發展趨勢。森林消防無人機發展要滿足續航時長要求，石化火災無人機應注重毒害氣體監測，地震等應急救援消防無人機側重救生物資運送等。一體化消防無人機要能參與特殊場所輔助滅火，三位一體的消防無人機才能滿足全方位作業應急需求。消防無人機智能化體現在依托應急救援軟件實現救援智能化，軟硬件結合智能輔助救援決策平臺包括滅火方式選擇、疏散指導與營救方式選擇等。

3.3 消防無人機研發思路

消防無人機可通過搭載輔助救援裝置模塊等，實現災害現場輔助滅火救援。受負載等能力限制，多為2 個模塊整合難以實現3 個以上模塊同時搭載。消防無人機研發思路是滿足耐候性、實時性、安全性等方面的要求。通過無人機搭載多功能模塊及時采集現場溫度及影像信息，快速提供輔助滅火救援，充分發揮無人機實戰效能。集成功能模塊包括影像采集模塊、傾斜攝影模塊、紅外溫度場模塊等。圖2 為消防無人機機載控制系統空間結構圖。通過消防無人機掛載3D 建模系統，實現從不同方位對地表物快速覆蓋，實現對消防安全重點單位的3D精準建模。

圖2 消防無人機機載控制系統空間結構

氣體分析模塊可搭載多種不同氣體傳感器，氣體傳感器可根據現場需求隨時更換，將采集關鍵數據錄入數據庫。影像采集模塊可實現對災害事故現場高清視頻信息采集，可見光一體高清機芯可以清晰分辨火場信息，可借助夜視儀準確采集火災信息，實現對現場影像信息實時縮放錄像等。紅外熱像可使無人機應用于不同場景，可實時測繪場景溫度信息。應急廣播具備長距離廣播功能，降低人員恐慌與擁堵風險。應急廣播模塊可通過增加穩云臺實現0°～180°廣播方向。高強度探照燈搭載照明裝置，可以通過空中照明增強拍攝效果，為夜間作業提供現場照明。利用機載應急救援裝置攜帶救生繩及醫藥食品等救援物資，確保施救過程被困人員的生命安全。借鑒國外聲波滅火等技術，研發搭載滅火裝置模塊，實現早期有效控制。

4 結束語

目前無人機在救災物資投送等方面發揮重要作用。隨著無人機技術的成熟，無人機在民用領域具有廣闊的市場前景。研發消防無人機是滿足應急救援要求，重點是突破無人飛行載具、任務載荷、設備技術性能、適應電磁干擾等環境下的作業需求。主要技術性能包括最大飛行高度、時間、質量與氣候環境適應性能、電磁兼容性能等。無人機滅火控制系統采用計算機通信技術提供實時音視頻，根據指揮人員操控發射滅火彈滅火。無人機滅火系統可應用于高樓及森林滅火，目前高清攝像機鏡頭方向固定，可安裝相機云臺實現多角度觀察事故現場狀況。