系留無人機在消防救援任務(wù)中的應用研究

摘要：

本文深入研究了系留無人機在消防救援任務(wù)中的應用。首先，介紹了系留無人機的基本結(jié)構(gòu)、性能優(yōu)勢，特別是其在續(xù)航、通信及穩(wěn)定性方面的出色表現(xiàn)，并詳細分析了這些優(yōu)勢在消防救援任務(wù)中的具體應用潛力。其次，針對系留無人機的性能優(yōu)勢，深入探討了其在火災監(jiān)控與偵察、通信中繼、物資投送以及人員轉(zhuǎn)移等多個方面的具體應用情況。最后，進一步展望了系留無人機在消防救援領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。本研究不僅為系留無人機在消防救援任務(wù)中的應用提供了理論依據(jù)和實踐指導，還為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和實踐者提供了有價值的參考。

關(guān)鍵詞：系留無人機；滅火救援；多旋翼無人機；消防

引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，城市化進程加快，突發(fā)事件日益增多，消防安全形勢愈發(fā)嚴峻。傳統(tǒng)的消防手段因作業(yè)范圍、續(xù)航及通信限制等，特別是在高層建筑、復雜地形等救援場景中，難以滿足高效、精準救援需求。因此，探索新型消防救援技術(shù)成為當務(wù)之急。系留無人機是通過系留繩索連接地面站，來實現(xiàn)持續(xù)供電與通信，突破傳統(tǒng)無人機續(xù)航時間短、通信距離等限制[1]。其在消防救援中展現(xiàn)出廣泛的應用潛力，為消防救援人員提供及時、準確的信息支持，提高救援效率和安全性。本文旨在深入探討系留無人機在消防救援中的應用，深入剖析技術(shù)特點、應用場景、挑戰(zhàn)與解決方案，推動消防救援技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。

一、研究現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的消防救援模式中，消防員是承擔救援任務(wù)的主體，往往需要在極端危險的環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)，安全風險極高。然而，隨著無人機、無人車的發(fā)展與應用，為新時代消防救援提供了新的思路。其中，無人機憑借著其快速部署和靈活的飛行能力，能夠迅速抵達火災或其他災害現(xiàn)場。消防救援無人機不僅能夠?qū)崟r傳輸高清圖像與數(shù)據(jù)，還能直接執(zhí)行滅火任務(wù)，通過掛載的滅火劑對火源進行噴灑，高效地完成救援任務(wù)。劉英堯的研究聚焦于無人機在消防救援，特別是森林消防中的效能與應用，深入分析了其潛力與挑戰(zhàn)，為理解該領(lǐng)域現(xiàn)狀提供了重要見解[2]。陳志平通過分析無人機在火災監(jiān)測中的應用，探討其有效性與可行性，旨在為林業(yè)管理部門構(gòu)建更高效的火災監(jiān)測及撲救策略，以提升火災預防精度與應急響應速度[3]。在救援任務(wù)中，傳統(tǒng)無人機受續(xù)航、載荷及通信限制，難以廣泛應用于救援現(xiàn)場。系留無人機通過系留線纜連接地面電源，實現(xiàn)了持續(xù)能源供應與通信穩(wěn)定，同時減輕了無人機自身載荷，提升了任務(wù)執(zhí)行能力。因此，系留無人機可以為救援領(lǐng)域提供更可靠和高效的空中支援，具有廣闊的應用前景。

二、技術(shù)概述

系留無人機是多旋翼無人機的一種特殊形式，其主要特點是通過系留線纜與地面或其他載體相連，使用地面電源作為動力來源，從而摒棄了傳統(tǒng)的鋰電池供電方式。

（一）系留無人機的基本結(jié)構(gòu)

系留無人機平臺由無人機、系留設(shè)備、地面控制站以及通信系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

1.無人機平臺。系留無人機多采用四旋翼或者多旋翼設(shè)計，作為系留無人機平臺的主體，其核心組件包括動力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)等。無人機平臺負責執(zhí)行飛行任務(wù)，并可根據(jù)需要搭載各類傳感器、攝像頭以及消防噴灑裝置等。

2.系留技術(shù)與設(shè)備。系留技術(shù)是系留無人機的關(guān)鍵技術(shù)，通過地面設(shè)備連接多旋翼無人機來實現(xiàn)地面平臺的能量供給與控制。系留設(shè)備包括系留線纜、系留絞車、電源插頭和接口等，是地面設(shè)備用來為無人機持續(xù)供應電力的途徑。地面設(shè)備通過系留技術(shù)供電，從而增強無人機的續(xù)航能力，并有效減輕了無人機自身的載荷負擔。

3.地面控制站。地面控制站是實現(xiàn)系留無人機起飛、飛行姿態(tài)、任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)接收與處理等控制工作的指揮中心，通常會配備有高性能計算機、顯示屏、操作手柄、無線傳輸?shù)仍O(shè)備。操作人員可以通過地面控制站實時監(jiān)控無人機的狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行情況，實現(xiàn)無人機的精準操控。

4.通信系統(tǒng)。系留無人機通信系統(tǒng)是來實現(xiàn)無人機與地面控制站之間連接與信息交互的關(guān)鍵組件，通常結(jié)合無線傳輸（如Wi-Fi、4G/5G、衛(wèi)星通信等）與有線傳輸?shù)姆绞健５孛婵刂普就ㄟ^通信系統(tǒng)向無人機發(fā)送控制指令，實現(xiàn)無人機與地面站的通信與信息反饋。通過通信系統(tǒng)，無人機能夠?qū)崟r地向控制站傳輸數(shù)據(jù)（如圖像、視頻、傳感器數(shù)據(jù)等），并準確接收來自地面的控制指令，能夠確保無人機操控的實時性、可靠性以及高效性。

（二）系留無人機的技術(shù)優(yōu)勢

在消防救援的應用中，系留無人機憑借其結(jié)構(gòu)特性在續(xù)航、通信、穩(wěn)定性等方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢。

1.續(xù)航、負載能力強。系留無人機是通過地面電源來供電，因此無人機電源穩(wěn)定、動力強，可實現(xiàn)長時間作業(yè)，減少了電源負載，大大增加了其負載能力以及續(xù)航能力。這使無人機能夠在森林防火、環(huán)境監(jiān)測等需要持續(xù)監(jiān)控或作業(yè)的場合長時間工作，高效完成任務(wù)。

2.通信能力強。系留無人機通常采用無線傳輸與有線傳輸結(jié)合的方式來實現(xiàn)實時通信，配備有先進的通信系統(tǒng)，能夠確保與地面控制站之間的通信穩(wěn)定性。系留無人機穩(wěn)定的通信鏈路、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸，使其在應急通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢弥芯哂酗@著優(yōu)勢。

3.抗干擾能力、穩(wěn)定性強。系留無人機是通過系留線纜與地面相連的多旋翼無人機，這提高了飛行的抗干擾能力和穩(wěn)定性。穩(wěn)定性對于搭載高精度傳感器、攝像頭等任務(wù)載荷的無人機來說尤為重要，可以確保任務(wù)執(zhí)行的準確性和可靠性。

（三）系留無人機在消防救援中的適用性

系留無人機以其續(xù)航能力強、通信能力強、穩(wěn)定性強的特點，在各種消防救援場景中展現(xiàn)出了巨大的應用潛力，特別是在地形復雜和惡劣天氣條件下。在地形復雜的救援場景中，如深山、森林等地區(qū)，傳統(tǒng)消防車輛和人員難以迅速到達災害現(xiàn)場并進行有效的現(xiàn)場勘探。系留無人機可在5分鐘內(nèi)快速升空，并通過搭載的高清攝像頭和傳感器實時傳輸高清視頻、熱成像視頻以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)，為地面指揮人員提供準確、全面的火情信息。在暴雨、大風等惡劣天氣條件下，傳統(tǒng)消防手段往往受到嚴重限制。系留無人機憑借其卓越的抗干擾能力和高度穩(wěn)定性以及地面供電系統(tǒng)的持續(xù)支持，能夠在極端環(huán)境中保持相對穩(wěn)定的飛行狀態(tài)，繼續(xù)高效執(zhí)行救援任務(wù)。此外，系留無人機大多具備斷槳保護、斷鏈保護、斷電保護等多種措施，保障無人機飛行的安全性和操作的可靠性。綜上所述，系留無人機在消防救援中具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和適用性，能夠為消防救援工作提供更加高效、準確、安全的支持。

三、系留無人機在消防救援中的應用研究

（一）火災現(xiàn)場監(jiān)控與偵察

在火災現(xiàn)場，系留無人機可憑借其高空視角和長續(xù)航能力的優(yōu)勢，成為監(jiān)控火情、偵察火源位置和搜救被困人員的重要工具。

1.實時監(jiān)控與火情評估。在森林火災或城市高層建筑火災中，系留無人機搭載高清攝像頭和紅外熱成像儀，能夠?qū)崟r傳輸火場圖像和溫度分布數(shù)據(jù)，幫助指揮人員準確評估火勢蔓延趨勢和火源強度，從而制定科學的滅火策略。

2.火源偵察與定位。系留無人機可以深入火場內(nèi)部或周邊區(qū)域，利用高精度導航系統(tǒng)和避障技術(shù)，精確偵察火源位置，為消防隊伍提供準確的打擊目標，提高滅火效率。

3.人員搜救。在人員被困情況下，系留無人機可以搭載熱成像相機或聲音探測設(shè)備，從空中搜索被困人員的生命體征，為救援隊伍提供精確的搜救路徑和位置信息。

（二）應急通信中繼

無人機中繼通信是一種利用無人機作為空中節(jié)點，拓展地面或者空中通信覆蓋范圍的技術(shù)[4-5]。如圖2所示，其原理是利用無人機作為中繼節(jié)點，在源節(jié)點和目標節(jié)點之間建立通信鏈路。這些鏈路通過無線電波傳輸信號，信號從源節(jié)點發(fā)出，被無人機中繼節(jié)點接收、放大（或進行其他必要的信號處理）后，再轉(zhuǎn)發(fā)給目標節(jié)點。無人機中繼通信系統(tǒng)能夠支持多跳中繼，信號可以通過多架無人機進行多次轉(zhuǎn)發(fā)，從而進一步擴大通信覆蓋范圍并增強信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

在自然災害或突發(fā)事件導致的通信中斷情形下，大中型固定翼無人機與直升機能夠發(fā)揮重要作用，提供應急通信中繼服務(wù)，作為臨時的通信平臺，迅速恢復災區(qū)與外界的聯(lián)絡(luò)。無人機的飛行搭載能力和滯空時間等因素限制了其應用的廣泛性，而系留無人機規(guī)避了這些問題，提供了新的發(fā)展思路。

1.建立臨時通信網(wǎng)絡(luò)。系留無人機搭載移動通信基站或衛(wèi)星通信設(shè)備，可以在災區(qū)上空形成臨時通信網(wǎng)絡(luò)，能夠為救援隊伍、醫(yī)療機構(gòu)和受災群眾提供語音、數(shù)據(jù)和視頻通信服務(wù)。

2.數(shù)據(jù)傳輸與信息共享。系留無人機可以作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)點，將災區(qū)現(xiàn)場的圖像、視頻和傳感器數(shù)據(jù)實時傳輸至后方指揮中心，實現(xiàn)信息的快速共享和決策支持。

3.遠程指揮與控制。系留無人機能夠充當應急通信中繼的通信節(jié)點，通過這一節(jié)點，指揮人員可以實現(xiàn)對其他無人機或救援設(shè)備的遠程精確操控，從而顯著提升救援行動的效率和協(xié)同作戰(zhàn)能力，實現(xiàn)更加高效的救援行動。

（三）物資投送與人員轉(zhuǎn)移

在特定條件下，系留無人機還可以用于物資投送和人員轉(zhuǎn)移。雖然這一應用相對復雜且具有一定的風險，但在某些極端情況下具有潛在的實用價值。

1.物資投送。與普通無人機相比，系留無人機具有更長的續(xù)航時間和更大的載重能力。系留無人機可以持續(xù)、穩(wěn)定地搭載緊急救援物資，如藥品、食品、水和通信設(shè)備等，快速投送至災區(qū)內(nèi)部或偏遠地區(qū)，為受災群眾提供急需的援助。

2.人員轉(zhuǎn)移。無人機用于人員轉(zhuǎn)移的技術(shù)和安全性挑戰(zhàn)較大，在某些特定危險情境下，可以考慮開發(fā)專用的吊籃或吊艙系統(tǒng)，結(jié)合系留無人機的高空懸停能力和出色的飛行穩(wěn)定性，能夠更準確地控制飛行軌跡和高度，從而確保人員轉(zhuǎn)移過程中的安全性。

四、未來發(fā)展趨勢與展望

系留無人機以其高穩(wěn)定性的飛行能力、懸空能力、續(xù)航能力在消防救援領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和價值，可以在災害現(xiàn)場的偵察、物資投送、通信保障等方面發(fā)揮重要作用。

（一）高性能的動力系統(tǒng)

隨著供電系統(tǒng)及系留技術(shù)的不斷進步，系留無人機的續(xù)航能力將得到顯著提升，這將使系留無人機具有更強的飛行能力，從而實現(xiàn)更大范圍的搜尋作業(yè)以及更長時間的懸停偵察任務(wù)。同時，更高效的能源管理系統(tǒng)也將使得系留無人機在復雜環(huán)境下保持更穩(wěn)定的飛行狀態(tài)。

（二）先進的通信中繼技術(shù)

在搶險救災、消防救援等關(guān)鍵任務(wù)中，系留無人機將承擔起更為重要的通信中繼角色，需要具備構(gòu)建更廣泛覆蓋通信網(wǎng)絡(luò)的能力，并提供更為穩(wěn)定的通信連接。因此，系留無人機將搭載更為先進的通信中繼設(shè)備，旨在實現(xiàn)更高帶寬、更低延遲的通信服務(wù)。

（三）智能化的自主飛行和避障技術(shù)

在消防救援中，時間就是生命。智能化的自主飛行和避障技術(shù)，能夠極大地提高無人機的操作效率和安全性，使其在復雜多變的災害現(xiàn)場中更高效地發(fā)揮救援作用。在未來發(fā)展中，將實現(xiàn)掛載設(shè)備的多樣化，擴大了無人機應用范圍和效能，如高清攝像頭、紅外熱成像儀、氣體檢測儀等。這些設(shè)備將為救援人員提供更豐富的現(xiàn)場信息，有助于他們更準確地判斷災情和制定救援方案。綜上所述，系留無人機憑借其卓越的性能與不斷提升的功能，在消防救援領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。隨著技術(shù)的持續(xù)進步，系留無人機將在提高救援效率、保障人員安全等方面發(fā)揮更加重要的作用。

結(jié)語

本文通過深入分析和探討系留無人機在消防救援任務(wù)中的應用，不僅為相關(guān)領(lǐng)域的研究者和實踐者提供了有價值的參考，還為未來系留無人機在消防救援領(lǐng)域的進一步發(fā)展奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。期待在未來的研究中，能夠繼續(xù)深化對系留無人機性能優(yōu)勢的認識，探索更多創(chuàng)新的應用方式，以更好地服務(wù)于消防救援任務(wù)，保障人民生命財產(chǎn)安全。

參考文獻

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[5]吳侹.系留多旋翼無人機通信系統(tǒng)在應急救災通信中的應用[J].移動通信，2016，40（15）：68-71.

作者簡介：

房泓言（1997— ），女，漢族，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向：無人機高精度定位、無人機應用。