无人机消防实战应用及空中特情处置探讨

摘要：为了使无人机在消防灭火救援等消防工作中更加广泛深入和安全的应用。本文根据作者自身在原公安消防部队一线出警时操控无人机参与灭火作战指挥的亲身经历，探讨了无人机在消防实战中应用、培训、保养等方面存在的问题和解决方案;其次，分析和探讨了多起无人机空中特情处置的经验和教训;最后，根据消防实战的需求，提出了更加适合大中队级使用的无人机的研究方向。通过无人机的消防实战应用可以看出，无人机能够有效提高消防灭火救援等消防工作的效率，实施对火点精确打击、对人员精准救援，提供有效的灭火救援指挥辅助。

关键词：消防无人机;低空侦察;空中特情;激光目标指示器

1   引言

目前，无人机在消防领域的应用越来越广泛，尤其是多旋翼无人机，由于其操控相对简单，对起降场地要求低等优点，已经在很多消防部队配备。文献[1-7]对无人机的特点优势，以及无人机在消防灭火、侦察、救援中的应用前景、无人机选配、训练管理等方面进行了分析和研究。文献[8]和文献[9]研究实现了利用无人机对消防重点保卫单位建筑外部进行实景三维建模和球形全景拍摄，文献[10]研究实现了利用SketchUp对建筑内部3D结构生成，可用在辅助灭火指挥、战评、防火监督、灾后评估、消防六熟悉中，实现VR沉浸式网上练兵，实现数字化预案等。

基于实战化训练、实战化科研的思路，本文从无人机参与消防作战行动，辅助灭火指挥的实战案例出發，结合无人机训练和空中特情的处置进行了探讨和经验分享，并对大中队级无人机科研方向进行了总结。

2   无人机在灭火实战应用、训练的探讨

2.1  参与灭火作战指挥和灾后评估

2017年4月，根据原公安部消防局关于组织消防科研人员赴一线消防部队实习锻炼的文件指示，笔者来到某公安消防中队，与一线官兵同训练同出警。2017年6月14日晚，接到报警称某小区一座四层的老建筑起火，起火部位是某单元的4楼西户，火势较大，已经开始向其它单元蔓延。消防中队接警后及时出动，根据现场侦察情况迅速建立水枪阵地，逐渐控制住火势。该楼为人字坡顶老建筑，屋顶的梁等结构都为木材，吊顶是可燃材料已被烧穿，坡顶横墙上有拱形门状孔洞连通，造成火势极易蔓延。由于从室外平房顶的几支水枪位置以及内攻水枪位置均无法直接看到屋顶起火部位，只能通过水枪对屋顶进行概率扫射。

在调集举高消防车增援的同时，要求将中队的无人机带到现场。起火建筑位于老城区，其中的自建楼房、平房与单元楼混杂，高低建筑错落无序，架空明线纵横交错，道路狭小堆放杂乱，还好自然水源较丰富，有一条河流在附近，水枪通过手抬泵远程供水。这种情况下，举高车较难进入，即使强行开进，由于需要展开空间、回转空间等，加上架空明线影响举高臂的展开，造成举高车无法使用。指挥员命令无人机紧急升空进行夜航侦察。

中队无人机为一台大疆精灵4Pro+消费级无人机，搭载一个带有自稳云台的2000万像素1英寸CMOS传感器的高清摄像头。由于现场光线较暗，无人机的视觉避障系统基本失效，只能用战术手电照射拟定起飞的空域，通过观察反光等确定是否有架空明线、绳索等障碍，其实这些细小障碍即使是避障传感器正常工作情况下也难以识别，光线好的情况下对于这类细线也多只能是通过目视飞行避障。无人机垂直升空至一定高度，估计已经超出周边最高障碍的高度后，转动机体调整航向角和调节镜头俯仰角寻找起火建筑，并飞向其上空周边侦察。由于光线太暗，遥控端的图传视频过于黑暗无法看清。考虑到相机特性，光圈无法调整，于是调整感光度为3200，增加曝光时间为1/2秒，曝光补偿+1，得到图1所示的航拍照片。

照片中基本可以看到起火建筑的轮廓，从图上看大致已有三个横墙间的房屋被烧毁，但整体上还是较暗。由于无人机自身的振动以及在空中受到风的影响，虽然有自稳云台，曝光时间也不能增加过多，否则照片会由于抖动而一片模糊。需要在无人机上增加照明，情况紧急，由于现场只有战术手电较轻，考虑将其作为机载照明设备。一种方案是将战术手电绑到摄像头上，由云台控制摄像头和照明的指向同步，但由于自稳云台的负载能力有限，过载可能会导致云台损坏，故只能考虑将战术手电绑到无人机起落架使用。由于现场一时找不到绳索固定，于是将战术手电通过其短挂绳吊在无人机起落架上后，立刻起飞侦察。由于挂绳无法固定手电，战术手电随着飞行而挥舞摆动，影响了飞行的机动性、稳定性和安全性，也影响了续航时间。小心操控无人机抵近起火建筑航拍，航拍照片如图2所示，其中照片左侧中部黑影为吊挂于左起落架的战术手电，其光柱投射到起火建筑形成圆形光斑，增加机载照明的航拍照片明显优于图1的航拍照片。

图2中，可以看到图上侧中间有2处火点，图右侧有3处火点，拍摄的是高清照片，可以放大观察细节。由于遥控端的图传屏幕查看视频具有较好的实时性，利于实时指挥和引导。通过电台指挥，不断引导和修正水枪射击位置，对火点部位实施精确打击，火点被水枪打中覆盖后，冒出阵阵青（白）烟后较快熄灭，如图3中无人机图传视频截图所示，由于曝光时间短，视频的亮度明显暗于航拍照片。

在无人机的航空侦察和辅助指挥下，剩余火点被很快剿灭。垂直挂载照明的缺点是需要飞到起火建筑的正上方侦察，如果火势造成正上方高温气流过大，则不宜飞抵正上方。由于吊挂的战术手电摆动过大，结合飞行器剩余电量、飞行安全以及侦察的稳定性等因素，在明显的火点清剿后小心降落，一方面更换飞机电池，另一方面将自己所穿着的07作训鞋鞋带拆下来作为绳索来固定战术手电，照明方向指向起落架前方。无人机起飞到1.8米左右高度悬停，此时由通信员将空中悬停无人机起落架上绑定的战术手电拨转一个向下倾斜约45度的角度，同时遥控机载摄像头俯仰到相应的角度，无人机升空对起火建筑进行盘旋侦察，对于一些可疑部位再通过电台呼叫水枪覆盖防止复燃，发现有些可疑部位冒出青（白）烟，说明其内部可能有火点或是温度较高，消除了复燃的隐患。经过指战员的共同努力，完成了灭火任务，并派一辆消防车在现场通宵留守。

火调时，利用无人机对起火建筑拍摄了720度球形全景[2]，其部分截图如图4所示。

利用球形全景可直观展示和评估起火建筑的过火受灾情况，周边道路交通、水源等信息，可用于灭火战斗行动的战评等。2.2  无人机在灭火实战应用中的问题探讨

首先，无人机作为一种新型装备，目前基层队伍还没有第一时间出警随车携带无人机的意识和习惯，造成无法在第一时间第一现场使用无人机侦察。

其次，从无人机的配备上来看，总队、支队的大无人机体积较大，配置功能相对较多，需要飞行员和云台操控手两人，但一般无法第一时间随车出警到达现场，多见用于大型火灾、现场会演习展示等场合。而大中队级的无人机，目前专用机型相对较少，有些大中队采购了消费级的无人机用于消防一线，这类飞机价格便宜，操控容易，通用性好，体积小重量轻，可随出警车辆携带，但专用性不强。例如在这次夜间灭火作战行动中，由于没有机载探照灯，只能紧急绑上战术手电土法上马，但也确实在灭火行动发挥了积极作用。

第三，机载设备方面的问题及探讨。

a.机载探照灯。从无人机夜航侦察效果看，由于战术手电的聚光和泛光斑较小，泛光亮度不足，只能看到聚光光斑内的目标，聚光光斑外几乎一片黑暗，类似于管中窥豹，导致只能操控无人机反复盘旋侦察飞行以覆盖更多的目标。故对于微小型无人机的机载探照灯，需要考虑在一定射程上设计有合适亮度、大小的聚光和泛光光斑。

b. 机载红外热像相机。消费级无人机多没有配备红外热像摄像头，这次无人机参与灭火行动可以看出，高清摄像头在夜航状态下很大程度上依赖于可见光，而红外热像相机主要探测的是目标的温度，可以更为快速、准确、直观的用于火情侦察、人员搜救等，哪怕没有明火，只要其温度与周边温度有差异，就可以直观显示出来，故消防无人机宜配备红外热像相机。

c. 机载激光目标指示器。从该实战案例中，当无人机发现火点，而水枪位置无法直接看到火点时，只能通过电台用话音指挥引导水枪不断修正打击目标，一般来说无法同时指挥多支水枪。可以考虑研制一种带有云台的机载激光目标指示器，采用波长为532nm至556nm的绿激光，绿激光光束路径明亮，抗杂光干扰能力强，适合用于目标指示。当通过无人机发现火点时，打开机载激光目标指示器，调整飞机航向角以及通过云台调整激光目标指示器俯仰角，让绿激光指向目标，此时不同位置的战斗员只需要根据激光光束路径的指向即可多支水枪同时覆盖打击目标，高效快捷，无需通过电台多次反复引导修正多支水枪。

d. 遥控屏幕及FPV。无人机的遥控器宜采用自带屏幕的一体化结构，适合消防快速展开应用。在白昼阳光强烈的条件下，屏幕难以看清，可以考虑在屏幕上安装遮光罩，或是采用视频眼镜等方式进行FPV（First Person View，第一人称主视角）飞行，不过这种模式需要进行适应性训练。

2.3  无人机在训练中的相关问题和分析探讨

关于无人机的管理训练方面，通过在十多个消防中队对一线官兵的无人机培训，大致存在如下问题：

a.不让飞或不敢飞。担心飞行操作不熟练导致无人机损坏，或是摔下来造成人伤物损，从而不让飞或不敢飞，造成训练更加不足，到真正需要执行任务时更没有保障。

b.过于大胆。有些学员刚了解如何操控升降、旋转、前后、左右飞行，就敢大幅度打杆在复杂超低空域高速机动飞行，或想进行超视距测飞行极限、或升空至极限高度，认为飞机有避障功能而不太顾忌，这很容易造成危险。

c.飛不好。仅是在卫星导航信号良好或是视觉系统工作情况下的定位模式简单练习，似乎觉得飞行很容易，缺乏空中特情的应变处置能力。

d.保养不科学。比如飞机的动力电池，一些内部规定要求电量接近100%进行备勤，而根据动力电池的特性，长期满电存放容易导致电池鼓胀报废。

航空飞行是一项高风险活动，即便是无人机，在空中出一点微小问题就可能导致坠机甚至伤人，所以飞行安全是第一位的，尤其不要在人群上空飞。可以根据常规要求和飞机的特性制定自己的飞行前检查单（Checklist），飞行前做好每一项的检查工作并记录。例如检查电量情况、旋翼是否安装牢固、电机是否灵活旋转、云台是否正常，卫星导航信号、周边环境、气象条件是否适合等。在某次训练中就发现有两只自紧桨滑丝，即时进行了更换，否则升空后极易发生射桨坠机事故。还有一次升空后，才发现未取下无人机镜头盖，导致只能降落处置。这些足以说明飞行前检查单的重要性，避免了大部分低级事故。除地面检查外，可起飞悬停在1米左右观察有无明显问题，可作为冬天起飞后对电池等的热机，这种高度即便坠落也不会造成太大伤害。

在培训过程中应注意从难从严加强飞行基础训练，首先是加强目视飞行训练，可在姿态模式下飞到一定高度，让其下视视觉失效，导致无人机在空中发生漂移而无法稳定悬停，模拟出现空中特情。此时让学员不断打杆控制飞机四位悬停、缓慢自旋转、或进行盘旋、水平8字、倒垂直三角、垂直矩形等航线飞行训练[11]，包括在有一定侧风、侧逆风等风向影响下的强化飞行训练。在空中若是纯手动打杆控制不住，可紧急切换回定位模式辅助稳定。通过强化训练，学员可通过组合打杆控制航线飞行并及时修正干扰，达到自然反应打杆修正干扰的程度。由于消防作战任务也有可能是晚上，或是由于某些原因人员无法接近现场，故要进行白昼超视距超视角飞行训练、夜航飞行训练、夜航加超视距超视角飞行训练以及在复杂空域进行飞行训练，训练中碰到鸟群要注意躲避。建议可以考核无人机执照，为减少无人机导致人伤物损的经济方面损失，可以购买无人机损伤保险，第三者责任险等。

建议可以多备一些电池，部分电池充满电备勤，另一部分放电至适合存放的电压;当满电电池需要放电时，可以先将存放电池充满电备勤，再将原满电电池用放电器或直接去飞行训练放电，延长电池寿命。

要在实战中摸索无人机的技战法，拓展其在消防中各个方面的深度应用。图5为利用无人机测量大流量水炮的射程和射高，大大提高了效率和准确性。

3   无人机空中特情的分析和处置探讨

3.1  无人机指南针受到干扰

一般来讲，若是无人机在高空发生指南针干扰时，周边空域较宽广情况下，多是先打到姿态模式，手动控制住飞行，再让其升降或远离来脱离干扰源，脱离干扰源后，若指南针干扰报警消除，则可切换回定位模式飞行;若是指南针干扰报警未消除，则要小心迫降，对指南针进行重新校准。

案例1：在某次无人机白昼飞行训练中，无人机飞向建筑抵近侦察，建筑向外支出的钢结构导致了指南针干扰报警，迅速拉升无人机脱离干扰区域后正常。

案例2：某次夜航训练，无人机起飞前一切正常，起飞还不到1米，指南针突然受到干扰报警，飞机开始自旋并向一边飞去。由于起飞场地就在中队楼顶一侧，楼边就有护墙，飞机已经迅速撞向护墙，如果越过护墙，再远一些就是大队主建筑，情况十分危急，如果迅速拉升飞机脱离干扰并能控制住还好，如果控制不住将撞上大队主建筑，然后就会从8米多的高度坠落。当前飞机的相对高度和速度很低，所以迅速打杆让电机急停，飞机在撞上护墙之前瞬间倒扣坠落地面，由于仅从1米不到的高度坠落，检查发现除4支桨叶整流罩位置着地旋转磨损外，飞机并无其它损伤。事后分析应该是从楼顶地面起飞后，超低空飞临楼顶地面内有钢筋的位置，导致干扰了指南针，而起飞点地面内并没有钢筋影响，所以起飞前没有报警。打杆控制急停坠落的处置也可以有效防止无人机冲向危险区域，比如人群。

在飞行时，要避开电力线、铁塔、基站天线、高层建筑等，同时尽量不要贴地、贴水面、贴近建筑物飞行，防止受到意外的干扰导致失控，保持飞行安全距离。在任务需要抵近侦察时，如果配有光学变焦镜头或带有数码变焦功能，则尽量在一定距离外侦察。此外，起飞地区的选择很重要，最好周边有一定的开阔度，同时注意地面以下的影响，比如地下有涵洞、金属结构等，也可能引起指南针干扰。在复杂空域超低空飞行时，适当降低飞行速度，多观察，增加特情处置的反应时间。

3.2  无人机受到风吹撞树坠落自救

在某次飞行训练中，无人机悬停高度大约7米，离旁边有一棵树估计有3米，突然来了一阵风直接将无人机吹向树，旋翼打到树枝后倒扣下坠。然而无人机坠落了约3米多时，电机一阵轰鸣，无人机自动翻正并悬停了，此时离树干距离较近，立刻判断出无人机的前后方向，控制飞机脱离树干位置并安全降落。

检查发现，飞机有两个桨叶碰到树枝，有刮擦痕迹，其中有一个桨叶变形，判断可能是树枝被卷入了桨叶，但没有完全将飞机卡在树上，一到两个桨叶停转造成飞机倒扣坠落，重力使得被卡住的桨叶脱离树枝又重新旋转，无人机的飞控系统监测到错误倒扣姿态及时介入并翻正了飞机，使得飞机惊险自救。

在此案例中无人机能够自救，一方面是飞控系统比较智能，二是撞树后桨叶没有损坏，三是飞机当时具有一定高度，有翻转回来的机会。即使有些飞机具有倒扣后自动打开降落伞功能，也需要有一定安全高度开伞，不过降落伞若用在这个案例中，可能会导致飞控翻正飞机自救时桨叶打到伞绳缠绕而坠毁。

从该案例也可以看出飞机在空中受到气象条件等多方面的影响，尤其是在复杂空域超低空穿越飞行时，遇到风切变或局部对流等情况可能会带来危险，看似安全的飞行，一阵风过来可能就立刻陷入危险之中。即使没有自然风影响，超低空飞行时无人机旋翼下洗气流吹到周边障碍物引起的湍流[12]对飞行的影響也很大，所以飞行中要尽量与周边障碍保持安全距离，条件允许的情况下最好高于障碍物数倍机身高度飞行，起降时选择较空旷场地。出现碰撞等危险后，应尽快判断出飞机方向脱离危险区域并降落检查。出现空中特情时要沉着冷静，若急于脱离危险区域而不仔细判断飞机方向有可能造成二次事故，更不要强行续飞。

3.3  无人机图传信号丢失或卫星信号弱

城市中无线电信号较多，像WIFI等多采用2.4GHz，当无人机采用2.4GHz频率工作时，较容易受到干扰，可以考虑选择5.8GHz频率进行目视飞行，当需要超视距超视角飞行时，相对来说2.4GHz的信号穿透能力强一些，起飞前可以测试周边无线信号的情况。

在飞行中，一方面可能遇到干扰导致图传信号丢失，另一方面也可能是飞到建筑后面被遮挡或是城市峡谷中，导致图传信号丢失。第三种就是超出遥控范围。在城市峡谷中飞行时由于天空中可接收的卫星数量少，导致卫星导航信号弱而漂移。在遥控信号没有失联的情况下，由于飞机上天线有方向性，如果转180度返回则可能丢失所有信号，可以根据遥控器屏幕地图上显示的航线及航向调整飞机回退，或者让飞机拉升高于遮挡信号的建筑，使图传恢复和接收更多的卫星导航信号。飞行中要注意信号强度，不要飞出遥控范围，若所有信号丢失，可以尝试调整遥控器天线方向，登上消防车等高处进行尝试遥控与飞机连接。

3.4  电池问题导致无人机坠毁

在某次飞行训练中，飞行高度约53米，飞行时长约10分43秒时，出现电池功率限制报警提示，准备将飞机飞回起点降落，在将飞机拉回过程中，飞机掉电失控坠毁在一座约10米高的楼顶。

在冬天电池温度较低时，也出现过电池功率限制报警，而这次事故可能是电芯损坏，导致在拉回飞机过程中失电坠毁。由于悬停需要更大的动力，大机动飞行也需要很大的动力，这种空中特情处置的基本思路是首先避开人群安全第一，其次不要悬停或作大机动飞行防止电供应不上，可以边下降边飞行，通过目视和图传显示观察周边地形，就近迫降到高度相近、距离靠近的楼顶、露台等，或是在拉回飞机过程中从较为茂盛的树木上方飞行，这样即使飞行过程中飞机意外掉电坠落在树木上，由于树叶缓冲保护，飞机一般不至于直接坠毁。从无人机研制的角度，可以考虑双电池或多电池冗余，当有个别电池出现问题时，也能确保安全降落。

4   结语

本文根据无人机在消防实战中应用的亲身经历、以及在无人机应用、训练、培训、空中特情处置等过程中存在的问题进行了深入探讨，并提出了相应的处置和解决方案。无人机的使用，可以有效提高消防灭火救援等消防工作的效率，实施对火点精确打击、对人员精准救援，提供有效的灭火救援指挥辅助。作为大中队级应用的无人机，应具备单兵携带、快速展开、单兵操控的特点，由于消防灭火救援现场环境的复杂性，在针对消防特点应具有防水、自漂浮、避障、避高温等功能，具有适应复杂气象条件全天候作战能力。

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