多旋翼无人机的应急救援效能提升研究

郑佰万

（重庆市消防救援总队万州支队,重庆 万州 404000）

0.引言

无人机最早用于战争情报搜集，经过不断发展，逐渐应用于目标侦测辨识、毁灭打击、电子对抗、通信中继等领域。而多旋翼无人机由于具有垂直起降、灵活方便的特点，所以消防救援的无人机大多采用多旋翼的结构形式[1]。多旋翼无人机的结构布局研究较为成熟，飞行控制技术趋于完备。在灾害中由旋翼机系统、地面系统、综合保障系统和任务载荷组成，具有灵活便捷、视野开阔、安全可靠的特点，在地震、洪涝灾害、森林火灾、化工火灾等范围大、处置时间长、灾情复杂的应急救援中具有明显的应用价值[2]。随着消防救援职能向“全灾种、大应急”方向转变，无人机应急救援效能提升需要从两个方面来开展：（1）需要充分借助测绘地理信息等高新技术，提升应急救援的效率，方便决策者基于“一张图”制订科学的应急救援方案并进行灾害评估；（2）机组作为多旋翼无人机操控的核心，也是应急救援过程中最不稳定的因素，需要研究其常见问题并提出相应对策。围绕这两个方面来综合提升无人机救援效能，具有很强的实践意义。

1.无人机救援关键技术分析

多旋翼无人机应急救援，目前主要靠飞手操控，通过在PAD端实时查看现场视频来人工目视灾害画面，救援效率低下、误判率较高。通过三维地理建模、地理视频融合、多光谱遥感热成像等测绘地理信息领域的关键技术，打造集动态视频与静态画面于一体的三维救援场景，对于提升实时态势感知能力作用巨大。

1.1 三维地理建模技术

在地震、洪涝、森林火灾、化工火灾等灾害范围大、处置时间长、灾情复杂、人员车辆众多的应急救援中，可以将灾区以前的影像和无人机航飞后的影像进行叠加比对，提取出同一范围不同时段的地物变化，发现受灾范围、受灾建筑物和人员；同时基于多旋翼无人机获取的倾斜影像进行实景三维建模[3]，建立受灾区域或建筑的三维模型，形成现场作战态势图，并通过实时目标坐标定位、实时目标面积测量和实时测距，获取车辆人员位置、建筑占地面积、道路、车辆宽度等信息，依据模型规划消防车路径和停放点，适时调整力量分布。现场指挥员不必深入灾害现场就能通过无人机回传的图像对事故进行全面的判断，最大限度地辅助指挥者研判灾情发展。2019年12月，广东省佛山市发生森林大火，复杂山体地形和超过6级大风给救援工作造成了极大的阻力，消防员利用无人机搭载多光谱热成像相机和远摄变焦云台相机快速确定了火灾区域，并拍摄山体的火线走势，通过无人机实况与GIS地图对比观测火情，为制订扑救方案提供了参考。

1.2 无人机视频与3D地理信息融合技术

为了对灾害现场和险情有更深入地了解，可以派遣多旋翼无人机进行灾区巡视，通过5G链路实时传输无人机的视频到指挥中心大屏。同时，根据无人机位置、姿态数据、视频数据、元数据等[3]，结合地理视频融合算法，在无人机飞行过程中实时将拍摄的空中视频和3D地图进行位置纠正、畸变改正、地理配准等一系列操作，最终实现应急救援现场无人机视频与三维地图的无缝融合。通过地理视频融合技术，让决策者仿佛置身于真实的三维数字孪生灾害场景，在该场景中进行救援路线标绘、救援距离计算、灾害面积测量、仿真模拟，可以显著提升应急救援过程中联动指挥和救援处置的科学性和便利性，做到精准施策、科学救援。

1.3 多光谱遥感成像技术

在消防员无法进入的灾害现场，60%以上的火情无法利用传统的手持热视仪、搜救犬、视频监控设备等监测火情，形成了信息盲区，但无人机可以利用空中视角实时监控追踪，通过搭载红外热遥感成像实现找出高温火点，进行等温线测算，监控火情蔓延方向，勘测火场附近危险物，寻找生还者，探测零星火点等功能，为指挥救援提供重要依据。在危化品泄漏事故中，消防员借助无人机搭载探测仪对泄漏的精确位置、品类及易燃易爆性等进行侦检。例如在2019年江苏某化工厂火灾中，现场的大量危化品泄漏，且着火点分散，并伴随产生高温和浓烟。消防员通过无人机利用30倍变焦镜头和热成像相机，快速获取火场的高清图像并实时建模，从而依靠无人机搭载热成像镜头对火场实时监控，提高了侦察精度和处置效率。

3.无人机机组操作效能分析

无人机系统是一种人机融合、人机交互的系统，是人与机器的作业体系，其救援效能主要影响因素包括人和旋翼机两方面。人是无人机系统中“大脑”，是最不稳定因素。美国军方数据统计指出，人为错误引发的事故占无人机系统以外事故的1/2。无人机操作机组作为一个系统，影响其操作效能的要素主要有个人素质、个人不安全行为、机组不安全行为、不安全监督4个部分。

3.1 机组人员个人素质

无人机操作控制及任务执行，主要依赖于机组协同作业。无人机飞行虽然可以规避地形障碍，但受建筑物、崖壁、铁塔、高压线等高处障碍物影响，存在一定的撞击风险，而环境因素的不稳定也十分考验驾驶员技术。机长整体把控能力、决策水平，驾驶员操控水平等都会对无人机的飞行安全、任务执行产生影响，进而对无人机机组的救援效能产生影响。

当前，消防救援队伍虽然有培训认证的驾驶员，但缺乏专业的驾驶员训练场地，人员的专业性不强、操作熟练程度不高等现象普遍存在，更缺少能够同时熟练操作各类功能模块和无人机的驾驶员以及专业训练师和设备维护人员，专业人才的选拔培养机制有待完备，且缺少消防领域无人机驾驶员的认证机制。而无人机机组是一个具有能动性的有机系统，如果在协调配合上出现盲区，就会产生效能内耗，任务执行时容易发生安全事故。

3.2 机组不安全行为

机组不安全行为是在灭火救援中造成无人机飞行事故的最主要因素，由差错行为和违规行为所构成。差错是指机组执行任务与设定目标之间的差异；违规的含义是机组在救援过程中故意违反规定时的错误操作。差错包括决策差错、技能差错和感知差错三个维度。其中决策差错是由于机长对灭火救援现场作战意图认识不足或对灾情评估不到位所导致的；技能差错是指驾驶员由于执飞操作技能掌握不精、操作失误所造成的；感知错误是观察员对灾情态势研判不清、认识不够所产生的误差。

3.3 不安全监督

在大型灾害现场，任务的安全监督是机长的基本责任，机组的驾驶员和观察员也有对机长的决策提供参考的责任，出现险情和安全隐患应马上向机长报告。安全监督出现的差错主要包括监督不充分和未纠正问题。首先，机长是执行任务的总体把关者，如果不能履行安全监督要求和规程，对驾驶员和观察员执飞时的不安全行为没有立即纠正，那么整个救援任务执行过程中安全隐患始终伴随，最终酿成损失。其次，机长履行职责发现隐患并指出问题，但对于隐患和错误整改后的结果没有验收确认，此类做法履行了一定的监督责任，但依旧没有将安全隐患根除（如图1所示）：

图1 影响无人机救援效能的因素

4.提升无人机救援效能的对策

根据上述分析，在应急救援过程中影响多旋翼无人机救援效能的主要因素是技术因素和人为因素。为了提升无人机救援效果，不仅需要大力加强测绘地理信息等高新技术的应用，而且要努力降低机组成员的人为错误，提升综合素质，并实现人与技术的深度融合，从而建立高效协同的指挥救援体系，实现“人机合一”。

4.1 对测绘地理信息技术进行创新应用

为了支撑建设协同的应急救援体系，实时获取基于北斗定位的灾害现场高精度三维场景数据并建立数字孪生救援一张图，对灾害环境进行智能地理信息分析是十分关键的工作。所以，有必要在多旋翼无人机的基础上深入集成已有的测绘地理利息技术，并与云计算、大数据、物联网、5G、人工智能、数字孪生、元宇宙等新技术实现创新融合，建立基于测绘地理信息技术的无人机协同指挥体系。通过无人机获取现场的倾斜影像数据，快速生成实景三维模型和灾害现场地形图；通过地理视频融合技术，将空中拍摄的视频与地形图进行融合；通过高光谱热成像技术，智能分析灾害点，减少人工干预，提供决策的自动化和智能化水平。基于以上技术，将无人机系统接入指挥中心调度体系，可根据现场情况动态生成危机应对方案和应急资源调配方案，为灵活指挥和决策提供辅助手段。

4.2 提升机组综合能力

4.2.1 人为错误的规避

虽然消防救援无人机尚没有较权威的飞行事故原因分析，通过借鉴Wiegmannhe Shappell在《飞行事故分析中的人为错误：人的因素分析与分类系统》中针对飞行事故的人为因素分析提出了人的因素分析与分类系统（Human Factors Analytics and Classfication System,HFACS）[4]，从环境和个人两个方面来看：（1）尽可能保证机组人员的工作环境相对稳定；（2）确保无人机的性能稳定性，同时也需要通过后期的维护保养等提高其稳定性和使用时限；（3）机组成员确保自己生理、心理、精神都处于较好的状态，否则应由其他人代替；（4）注重机组成员职权梯度的配置，即不要将资历、职位、技术都很高的机长与资历、职位、技术较低的驾驶员和观察员搭配为一个机组，造成职权梯度过于陡峭。同时也不能将资历、职位、技术几近相同的人划分到同一机组，容易造成决策分歧。

4.2.2 建立专业人才培养认证机制

首先，各地消防救援队伍应当积极与地方有资质的无人机培训机构合作，建立联训机制，通过组织指战员集中培训，将侦检、建模、抛投等功能荷载的培训学习分阶段纳入无人机驾驶培训课程中，实现无人机驾驶员培训周期化、常态化、制度化。其次，要完善无人机驾驶员认证制度，使其同时具有操作无人机驾驶和相应功能荷载两大技术，并在应急管理职能机构中建立相应的认证机制，使资格证书在队伍中通用。最后，建立健全激励和退出机制，包括资格重评，对于获得认证人员给予津贴补助制度，鼓励其获得更高级别的资质证书，如驾驶员教员和飞行设备维护资质；对不合格人员予以淘汰或换岗。在队伍中适当增加无人机驾驶员人才编制人数，并且鼓励技术人才大胆创新，开展技术装备革新。

4.2.3 强化无人机实战应用

当前无人机的演练和实战之间依然存在断层，虽然驾驶员在日常演练中操作能力较强，但是在实战中却容易失误。因此，要加强无人机在实战条件下的模拟演练：一是要提前建模，面对辖区内的复杂区域和重点建筑，提前做好数据采集和建模，定期进行针对性的熟悉和数据更新；二是可由应急管理部门牵头建立无人机驾驶员培训基地，尽可能模拟真实的灾害场景和环境，定期组织集中培训及考核；三是要进行区域性乃至全国性的无人机机组救援能力大比武，以赛促训，借此了解各地的资质、水平、擅长领域，真正有效激励驾驶员提升自身技术水平，增强其学习培训的主动性和积极性。

5.结束语

多旋翼无人机由于其便捷性和灵活性等原因在应急救援中被广泛使用。当前的无人机救援中，测绘地理信息技术发挥了不可替代的作用，这些技术包含三维地理建模技术、无人机视频与3D地理信息融合技术、多光谱遥感成像技术等。为了综合提升无人机救援效能，需要持续提升测绘地理信息与机组的效能，打造一体化的指挥救援体系。