基于边缘算法的5G无人机智慧消防应急管理平台设计

2022-04-07重庆交通大学重庆市402247李卓炎张川东李潜龙

石河子科技 2022年2期

（重庆交通大学，重庆市，402247）李伟李卓炎曹雪谢磊张川东李潜龙

在我国经济社会高速发展背景下，依托现代科技手段提升火灾防范、监控管理的专业性、现代化程度和精细化管理水平成为当下的主要趋势。在应急管理部消防救援2021 年全国火灾大数据统计中，社区火灾占较大比重，这意味着社区火灾的总体危险性更大，且涉及范围更广。居民区是以居民家庭为重要主体，各类生活、生产、经营活动为辅的中小型社会区域，居民住宅是社区的基本组成单元。社区的消防安全，关乎社会整体的治安水准。建筑内频发的失火、漏水、煤气泄漏等重大安全事故，给人们敲醒了警钟，一旦不能及时发现并处理，必将造成巨大的生命财产损失和伤亡事故[1]。由于居民楼普遍具有“高”、“密”、“人员集中”等问题，一旦发生火灾，火场情况的复杂性对消防队员的救援以及灭火带来了诸多困难。同时社区居民在火情发生以后没有及时冷静判断自身所处的环境，无法及时有效逃离火灾现场，没有使用正确的逃生方式。而智能型无人机、大数据、边缘计算、信息化等技术的整合正是社区火灾治理的破解之道。

1 智慧消防应急管理平台原理

5G 无人机智慧消防应急管理平台顺应城市数字化趋势，着重围绕智能化和数字化进行建设。5G无人机智慧消防应急管理平台以边缘计算、5G通信技术、大数据为三大技术支柱板块进行搭建，基层辅以无人机精确作业来实现对社区火灾有效治理。智慧消防管理平台的组织框架见图1。搭载4K 高清摄像头和热成像系统等仪器的信息采集无人机，利用最新耐高温材料设计机身结构，保证无人机的可靠运行，对火灾信息进行精确收集。蜂群无人机在智慧消防平台程序控制进行多机群灭火作业，有效减轻消防人员工作量和火势蔓延。建立大型云数据中心，平台通过边缘计算技术对采集信息有效利用得出救援、灭火方案。

图1 平台板块

2 边缘计算运用

2.1 5G网络+边缘计算

在普通的5G 网络结构中，由于核心网部署位置高，信息传输必须经过多次路由，因此时延长，并不适应无人机超低时延的业务要求。这些区域性服务，如果全部放到云端处理并不可行，特别对于视频类服务，不仅造成了传输带宽的浪费，还增加了数据传输时延。因此，基于对传输时延和连接数量需求，决定了5G 业务的处理核心不可能全放在核心网后端的云处理平台。

边缘计算（MEC）：运营商和第三方业务可以部署在靠近用户附着接入点的位置，通过降低时延和负载来实现高效的业务分发[2]。边缘计算服务器部署在网络边界，将无线传输和互联网技术有效融入到一块，同时在无线互联网侧添加了计算、存储、处理等各种功能，从而形成了边缘云，以提升信息技术服务环境和云端计算能力水平，将服务本地化，使区域性服务不必浪费资源在云端进行处理。

边缘计算能够在保证较低延迟的情况下给使用者带来更丰富的服务,从而解决了移动设备资源有限的问题;同时也大大减少了需要将数据传输至云端的数据量,减轻了网络带宽与大规模数据中心的压力[3]。结合5G网络和边缘计算，建立适应于无人机无线传输和信息处理的网络结构，将实现无人机飞行应用的高可靠和低时延性。

2.2 应急信息物联网边缘计算的实现

5G 无人机智慧消防应急管理平台建设通过建立应急信息物联网边缘计算，以便整合消防资源和优化消防救援路线，提高消防人员进行灭火救援作业的效率。边缘计算能够降低云网络服务器的工作量和负荷，并具有高带宽、低延时、安全性强、异构汇聚、海量接入和本地安全性隐私保障等优点，是实现城市消防数字化的有利措施。边缘计算配备独立的数据采集模块，用于无人机实时视频信息采集和灭火救援决策计算，并将数据结果上传到云服务中，再由5G 无人机智慧消防应急管理平台从云服务端获取信息以发送至消防人员，同时启动蜂群无人机辅助消防人员进行灭火救援作业。因无人机视频采集涉及到人脸识别、特征识别和居住信息，边缘信息安全建设也是必不可少的，平台应致力于维护公民的隐私权和利益。边缘信息安全建设将提供从操作系统、软件应用到通信通道等全链路的安全防护能力，支持云上风险预警、云上设备身份管理、云上远程升级的安全方案，覆盖身份认证漏洞、信息泄漏、木马病毒、数据传输等多种节点安全风险，同时提供更安全、更合规的边缘节点管理能力以及云边一体的安全保障系统。

3 无人机数据采集与消防协同应用

智慧消防平台的协同应用见图2，火情发生第一时间，布局在建筑物中的火警报警器将被触发，并将情况上报至数据中心，数据中心对室内无人机下达疏散指令。在狭小的通道中无人机凭借微型机身、灵活的姿态可以轻松躲避周边障碍物，同时无人机身上携带的喊话器和绿色光源有助于在拥挤、昏暗环境中有效引导人群分流、疏散。

图2 数据采集与消防协同应用

在室内无人机疏散人群的过程中，室外无人机启动并开展火场数据采集作业。室外无人机相比于消防员可以进行大范围的侦察和搜索，运用机载生命探测仪装置对火场中心的被困人员进行搜寻，同时机载摄像进行4K实时影像传递对需要追踪的目标进行有效的监控追踪，并且对火灾现场的重要节点、重要设备以及重要的火场情况进行有效的监控追踪[4]。使用无人机能够对火灾现场的多个点实施有效监督和管理，将火灾现场的救援信息和火场资讯及时准确传达给指挥人员，方便指挥人员及时制定合理的救援、灭火对策，以适应救援、灭火工作的现实需要。

4 蜂群无人机集团-分点式灭火作业程序

蜂群无人机作业方式见图3，以小巧的、功能专业的“蜂”，通过大幅增加功能种类和数量规模，形成复杂的、强大的“群”作业效能，这便是“蜂群作业”的基本特点[5]。蜂群无人机在灭火中效率将远高于一般灭火无人机，经济效益更高。运用AI算法处理大量信息并反馈至无人机数据控制中心去对成百上千的无人机内置的微型处理器进行实时控制。

图3 蜂群无人机作业模拟

在消防员难以进入的复杂火场环境，蜂群无人机将展示其强大潜力。云计算中心根据室外无人机所搜集的火场信息、已有的“全息数字构建”数据通过边缘计算对火场的火势变化进行可靠的仿真模拟计算，并通过AI智能算法优化得出最佳灭火方案，实现多机群通过5G 无人机智慧消防平台控制蜂群无人机携带微型高效阻燃剂喷射装置在火场对着火物表面网格划分式进行灭火作业，形成集团作业、单点高效灭火，由于阻燃剂具有吸热作用、覆盖作用、抑止链反应、不燃气体窒息作用，灭火经济成本低、火势极难复燃。室外无人机进行实时火场信息采集，多轮蜂群无人机作业持续作业，直至控制火情。