无人机在消防灭火救援工作中的应用

2022-12-13韩晓光鄂尔多斯市杭锦旗消防救援大队

消防界(电子版) 2022年5期

■韩晓光鄂尔多斯市杭锦旗消防救援大队

在21世纪初，部分国家就开始尝试利用无人设备辅助进行救援，但是由于技术限制，大部分无人设备都为地面机械，作用十分有限。随着20年的技术积累，再加上无人机航拍技术的逐渐成熟，为消防救援的灾情探查、灾情监控提供了基础的信息保障。不过，无人机的作用不止于此，还需要消防人员充分发挥出无人机的价值，尽可能地实现消防救援的信息化和智能化，以达到缩短救援时间的目的。

一、无人机技术的概念

与传统飞行器不同的是，无人机技术不需要驾驶员直接进入机体操控。因此，无人机的体积也得以缩小。在现代技术的加持下，无人机的飞行高度、操作精度都得到了显著提高[1]。在部分无人机型号中，无人机还可以搭载专业的探测设备，从而能够完成较为简单的探测任务，比如红外测距、高清摄像等。在部分环境中，无人机的小巧灵便也能够弥补传统探测的缺点，从而使相关人员能够得到更加精确的数据。

二、无人机在消防救援中的作用

（一）辅助绘制消防救援路线图

在现代建筑中，虽然说建筑本身会留有原设计图以方便后期各种救援维护工作的展开，但火灾出现后，建筑类的内部结构会产生较大变化，若不能提前对建筑内部的结构变化进行信息收集，那么将直接影响到后期救援工作的展开。无人机可以利用其小巧轻便的优势直接进入建筑内部，并能够通过自身的携带装置辅助进行消防路线图的绘制。而且无人机可以有效避免高温对绘图精度的干扰，从而使路线图的绘制能够更加精确。同时，传统地面绘图测距设备对地面条件有一定的限制，而无人机的滞空能力可以有效摆脱地面环境对测距仪器的约束。而且，无人机的各角度浮空也有利于路线图绘制人员从多个角度对火灾现场进行判断，从而制定出更加适合的火灾救援计划[2]。

（二）利用无人机进行简单的物资运输

在复杂的建筑救援中，消防人员需要较长的时间进行救援准备，从而保证救援任务的安全可靠。不过，较长的救援准备时间也会增加受困人员二次遇险的风险。同时，火灾也会增加受困人员的体力损耗。这种情况下，救援人员就可以利用无人机为受灾人员运输简单的水、氧气等基础资源，从而为救援争取足够的时间。尤其是在地下建筑的火灾救援中，无人机更能够发挥主体本身的飞行、灵巧优势，降低救援人员的救援压力，同时也能够增加社会人员的被救援信心[3]。

（三）利用无人机进行简单的信号追踪

在火灾救援中，由于建筑物内部的结构较为复杂，所以对待救人员的信号追踪也相对较为困难。虽然说部分救援队在进行救援活动时会利用大型信号捕获装置来确定待救人员的位置，但高温、复杂的墙体结构会影响信号的捕获质量，从而使救援人员出现信号误判的行为。虽然说无人机一定程度上也会受到高温和复杂墙体的影响，但由于其可以直接飞入建筑内部，所以其受到的影响也会较小，这也有利于对救援信号的捕获[4]。

（四）利用无人机进行大范围的火灾搜索

除了城市火灾，还有多种类型火灾需要进行救援。城市火灾的规模通常较小，燃烧也相对较为集中。而森林火灾则会迅速蔓延，燃烧规模也相对较大。在此类型的火灾救援中，消防人员需要精准定位火灾发生位置，以确定火灾发生原因[5]。在原因确定后才可以进行火灾控制工作。但由于燃烧规模较大，所以人工定位相当困难。而在利用无人机后，无人机的巡航能力能够帮助消防人员迅速确定火灾发源地，并能够通过机体识别的设备来判断火灾发生类型，从而制定出对应的消防计划。

（五）利用无人机完成简单作业

上文也说到，技术的积累使得无人机的操作稳定性不断上升，而机身的辅助设备也可以使其完成简单的救援作业。比如在建筑内部电源的切断上，无人机的附带设备就可以直接对危险区域的电源进行紧急处理，这能大大增加救援任务的安全性。同时，随着中枢网络的发展，现在多个无人机可以执行同一任务，这也使得无人机的作业能力得到了巨大提升。而在部分型号的无人机中，其甚至开始具备简单的火灾处理能力[6]。

三、无人机应用于火灾救援中的难点

（一）续航能力较差

在现阶段，无人机的动力来源基本上都为电能，而电能的储存本身依靠电池，这导致无人机的应用面临如下困难：

1.结构设计问题

在无人机设计之初，设计人员就需要平衡好电池与其他结构的重量分配问题。如果电池重量过大，则会影响到飞行的灵活性和动力需求。实际上，大多数无人机的设计都需要在此方面做出取舍。消防救援型无人机由于作业任务较多，所以更要平衡两者之间的关系。

2.电池的稳定性

消防作业需要电池直接与高温环境进行接触，而部分电池在高温环境下的稳定度较差，甚至会出现爆炸情况，而这也直接影响到无人机作业的可行性[7]。除了高温以外，火灾现场还会存在着大量的电磁信号干扰，这也会对无人机的命令控制系统造成影响。

（二）操作精度还难以满足救援需求

1.长距离操作时信号容易受到影响

信号接收与操作精度有着较强的绑定关系，而在长距离操作时，无人机的精度控制问题也会暴露无遗。比如在森林火灾的探测中，大多数无人机并不能一次性完成火灾巡航，基本上也都需要第2 批无人机进行数据交接[8]。

2.操作延迟较高

从原理上来看，无人机的操作过程主要分为以下几个阶段：第一，现场信息处理阶段。此阶段主要是消防人员通过无人机对救援现场进行判断，从而快速决定无人机的下部分操作。第二，无人机信号反馈阶段。此阶段主要是无人机对消防人员的命令进行处理，从而实现消防任务的发布。实际上，无人机向消防人员的信号传输以及消防人员向无人机信号的传输都会出现较大延迟，而这些延迟会直接体现在飞行动作中。如果无人机上安装有辅助测量装置，那么也会影响到辅助测量装置的测量精度。

3.合作救援能力较差

在大部分的救援活动中，一架无人机很难满足救援需求，所以通常需要多个无人机进行合作作业。但即便是使用相同型号的无人机，其信息处理效率、信息处理质量都难以满足火灾现场的救援需求。

四、无人机在消防灭火救援工作中的应用要点

（一）尝试避免无人机的电池问题

无人机电池方面的问题会直接影响到无人机的救援质量。因此，消防人员可以从以下几个角度对电池问题进行解决：

1.模块化电池设计

电池直接影响到无人机的动力输出，所以在进行较大质量的外部件安装时，就可以通过动态调整输出功率来保证飞行的稳定性，而较大的电池损耗也可以通过更大的电池部件来进行能源供给。除此之外，当无人机电量使用完毕时，模块化的电池设计还可以瞬间完成电能补充，从而缩短救援作业中的救援真空期。

2.电池隔离技术

由于高温会影响电池的使用状态，所以电池仓附近可以使用降温材料来降低火灾高温对电池仓的影响。当然，电池本身也可以使用耐高温设计，不过成本会相对较高。

3.新型电池技术

虽然说电池技术很难取得巨大突破，但从2015年至今，已经有了6年多的技术积累，所以新型的电池技术也会很快面世，这就需要消防人员积极将其应用在无人机的飞行技术中，对无人机的结构设计进行再次调整，从而使无人机能够拥有更好的能源输出效果。

4.大范围充电技术

在手机科技领域中，部分地区已经提出了整体空间充电的方式。当电池处于某个固定空间中，就会自动完成充电。如果能将其运用在火灾救援中，就能够实现无人机在短时间内的无限续航，从而为救援工作争取更多的有效救援时间。

（二）搭载更多的外部辅助设备

1.搭载基本物资

首先，现阶段大多数的无人机物资搭载都通过框体来进行，而框体的不稳定性会直接影响到无人机的飞行状态，所以设计人员可以设置物资卡槽，一来能够提高各类物资的紧急配送效率，二来也能够提高无人机的飞行质量。同时，不同物资卡槽也可以及时对所运送物资进行区分，从而提高物资运输质量。

2.搭载特殊工程设备

现阶段的无人机工程设备的搭载主要为测绘、物资运输，所以设计人员还要尝试将多种设备配备至无人机，从而代替消防人员的简单作业。比如在火灾源较小的复杂建筑中，就可以尝试直接利用无人机搭载小型灭火设备进行作业，从而实现火灾的精确扑灭。当然，无人机还可以安装引导装置，一来能够对受困人员进行心理安慰；二来还可以对受困人员及时进行行为反馈，从而指导救援作业的高效进行。

3.搭载联合作业设备

受限于承载能力的影响，大部分无人机都不支持中型设备的安装。因此，消防人员可以尝试利用无人机组来配合进行作业，从而使中型设备也能够迅速入场，以满足各种救援任务的需要。不过联合作业设备的安装需要注意以下几点：（1）信号的稳定性处理。同类型设备或者是不同无人机设备的信号会产生一定干扰，所以要尽可能使用专用通道信号，以保证信号接收的稳定性[9]。而对于共同作业任务，则可以使用共同信号，不过这要求无人机要对自己的飞行位置、飞行状态进行动态判断，从而使其能够对共同信号进行正确处理。（2）设备卡槽的安装。联合作业最重要的就是飞行状态下的重心控制，所以分析人员可以使用动态卡扣来保证飞行状态下的重心平稳。如果技术允许，还可以通过自动信息处理技术来自动进行卡扣位置变化，从而进一步降低联合设备作业的压力。

4.作为其他设备的前端设备

对于大部分外部设备来讲，无人机的存在只是为其数据收集提供条件支持，所以很难真正成为其他专业设备的前端装置。因此，无人机的设计人员可以尝试将无人机与其他设备进行融合，并为其开展专属的监控、测量模式，从而使无人机能够真正发挥作用，而并非仅仅是作为一个动态卡扣。

（三）加强无人机关键材料的研究

1.机体材料

机体材料的性质直接影响到无人机的结构设计以及其他关键部件的位置，所以无人机设计人员要尽可能保证机体材料的强度和轻质，比如可以使用铝合金、复合材料以及其他高强度轻质材料作为主要机体材料。如果是在规模较大的火灾处理中，比如森林火灾的处理上，就需要考虑空气阻力对无人机的影响，尝试将碳纤维复合材料、蜂窝夹层复合材料、玻璃纤维复合材料等材料运用到飞机的机体设计中，从而提高无人机的续航与飞行稳定性。

2.主控芯片的材料设计

主控芯片直接关系着无人机信号的传输稳定，并影响飞行动作的表现情况，是无人机设计中的重要组成部分。因此，无人机设计人员需要加强对衬底主要材料的处理，比如尝试增加硅晶圆的质量。而在制作工艺上，要尝试对传统的主控芯片处理工艺进行改善，并保证制作流程的规范和制作质量。