基于消防应急救援的无人机集群系统研究

职雪刚 马小东

摘要：为了有效提升消防救援队伍的应急救援能力，结合目前无人机的发展水平和应急救援中的应用现状，提出消防专用无人机集群系统的概念，以期应用在各类灾害事故的处置过程中，提高灾害事故救援效率，更大程度地保障消防人员安全。紧跟无人机的发展现状，多机种协同运用，整合目前的侦察勘测、辅助救援、辅助灭火、通信组网等功能，系统化、精细化编组入群，针对无人机在消防应急救援中的优势和问题，提出了相关可行性建议。

关键词：无人机集群系统；消防应急救援；技术研发

中图分类号：D631.6      文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2023）10-0023-03

1 消防专用无人机集群系统概念的提出

自2018年改制转隶以来，消防救援队伍从武警序列划归应急救援体系，其本质不仅是领导机构和管理方式的转变，更是队伍本身应对“全灾种、大应急”职业化、专业化的发展要求，肩负应急救援国家队和主力军的新使命，践行消防救援队伍“救民于水火，助民于危难，给人民以力量”的担当作为。近几年全国各种灾害救援的需求量大幅增长，同时救援人员牺牲的人数也不断增加。这就意味着需要有智能性和专业性更强的设备，辅助人乃至代替人去执行危险性较大的任务。

无人机具有环境适应能力强、测量精准度高、机动灵活、作业便捷、视野全面等特点，广泛应用于军事、科技、应急等领域，一定程度上弥补了传统消防救援的不足和短板。基于此，无人机搭载各种功能模块在消防救援队伍中迅速得到了普及，在各类大型灾害现场可以执行现场侦查、高空喊话、航拍建模、信息收集、空中组网、系留照明、指挥调度以及火灾扑救等作业任务，在消防救援实战中发挥着至关重要的作用，一定程度上解决了目前的燃眉之急。无人机及相关技术正在飞速发展之中，但碍于队伍自身职能特点，缺少专门的研发团队，停留在单一功能的简单运用，遇到复杂的灾情，不但会耗费大量人力物力，其最终处置效能也不理想。行业内刚刚兴起的无人机集群，用一个“智能大脑”将多个无人机连接起来组成无人机集群，通过感知交互、信息传递和协同工作，使无人机集群成为自主式空中智能系统，可谓解决当前消防救援困境的一剂良药。

2 无人机集群系统可行性分析

现阶段无人机集群系统多为单一机型或者几种机型的简单组合。2015年，美国海军研究办公室的“蝗虫”项目聚焦发展通过发射管将大量可进行数据共享、自主协同的无人机快速连续发射至空中的技术，其中包括发射可携带不同任务载荷的郊狼（Coyote）无人机，并完成了9架无人机完全自主同步和编队飞行的技术验证。2017年10月，中国电子科技集团公司完成119架固定翼无人机集群飞行试验，试验中采用自组网数据链，119架小型固定翼无人机成功演示了密集弹射起飞、空中集结、多目标分组、编队合围、集群行动等动作。在2022年北京冬奥会开幕式之夜，由2022架无人机组成的集群以极富创意的3D动态表演，在夜空中勾勒出漫天飞舞的雪花、冬奥会会徽以及“冰墩墩”和“雪容融”，给观众留下深刻印象。由此可见，集群的作用效果十分突出，接下来本文将从消防集群系统的硬件配置、软件运行入手，结合无人机机型的搭配、起飞平台、相关算法要求，论证其可行性。

2.1  硬件可行性分析

目前无人机搭载航测相机制作二维三维模型、搭载红外探测仪进行热成像、搭载探照灯实现全方位照明等单体功能已在救援实践中得到广泛应用，但在系统化集群的研发中，要立足整个系统总体功能，分模块、具体化研发。例如专用灭火无人机集群，可从侦查模块、破拆模块、灭火模块进行优化组合。专用水域救援无人机集群可从侦查模块、搜救模块、抛投模块进行搭配使用。

硬件方面需要考虑功能模块对无人机在防水、载荷、飞行速度稳定性等方面的要求。例如雨水天气，大疆M300RTK搭载禅思H20T相机，其机身IP45防护，镜头IP44防护，可尝试进行作业。在火灾现场快速展开大范围侦查、估测火势，大疆御2无人机双光模式下快速锁定火点部位，大幅缩短火点排查时间及过火面积估算时间[1]。2022年9月5日四川省甘孜州泸定县发生6.8级地震，四川省通信管理局和应急管理厅紧急调度腾盾科创双尾蝎无人机飞赴受灾区域，驰援抗震救灾工作。在航管相关部门的大力支持下紧急完成空域协调，腾盾双尾蝎无人机挂载光电侦察吊舱、空中基站设备，飞抵震中区域上空，启动灾情广域巡查并实施公众通信覆盖任务，抢险救灾指挥和受灾群众手机通信陆续恢复。单个无人机搭载时可根据需要固化功能模块选取专用功能无人机，满足高的稳定性需求，也可根据机型灵活替换不同功能模块或者搭载多个功能模块。

无人机起飞平台建设中，多个省、市消防救援队伍根据部消防救援局“两项改革”工作以及“数字化通信保障队伍”建设的要求开展，部分单位已完成搭建固定式起降平台。在辖区内高空监测巡防全覆盖，可兼顾周边队站部分辖区，并对辖区内的居住小区、工业企业等开展日常消防安全巡查。下一步无人机机场控制平台可以对接119智能接处警系统，消防指挥中心对所属队站下达出动命令，无人机场即可实现实时接收警情地理信息GIS坐标信息，无人机与辖区队站车辆同步出动，实时将行进途中无人机画面传输至上级消防指挥中心和辖区单位指挥员。

同时，车载无人机起飞平台也已展开了应用，单个无人机起飞平台在各個行业内的应用比较广泛。李青松、陈维[2]提出了无人机与巡防车结合助建智慧街面巡防体系。山东电友电力科技有限公司在封闭的巡检车内安装机巢，无人机由巡检车尾部放飞，实现精准起降、自动作业、自动充电、多机协同控制和远程指挥等功能，有效提高无人机自主巡检效率。未来解决定位精度、导航信号不稳定等技术限制，将超越目前的移动起降平台，达到真正的移动中起降的任务要求。

2.2  软件可行性分析

目前业内无人机集群方面已运用协同作战算法，且在军事战争领域研究比较超前。王祥科[3]等人针对大规模固定翼无人机集群的编队控制问题提出一种分层分组控制方案。通过建立控制架构、划分群组、设定机种角色，对各群组内的长机设计协同路径跟随控制律，实现各群组间的协同；对僚机设计控制律以跟随其所在群组的长机，使其与长机保持期望的相对位置且朝向一致，利用仿真系统对100架固定翼无人机进行了测试。

飞思实验室针对大规模无人机集群应用推出集中式控制和分布式控制2种集群方案。集中式控制无人机集群采用点对多点高带宽数据链，针对不同的载荷和应用场景实现最大30架无人机控制。由地面控制站中的操作人员制定任务分配方案和无人机具体飞行航路，无人机本身不具备决策能力，完全按照地面控制站发出的任务指令和航路执行任务。分布式控制体系无人机集群中的无人机是具有独自决策能力的智能体，它们具有很强的协同能力和自治性。无人机之间以自组网高带宽数据链技术为支撑，无人机之间对所处环境、任务目标集信息、无人机状态信息进行交互，实现协同任务分配、协同搜索、协同侦察与攻击。

在复杂的对抗战争中无人机集群已经崭露头角，成为兵家必备的法宝。在相对平和的应急救援领域无人机发挥作用更可谓信手拈来。一方面应急救援领域排除了复杂、强烈的军事对抗性，又远小于军事领域的规模，难度大大降低。另一方面与军事领域的去中心化、自主化、自治化不同，在应急救援领域中统一的调度指挥平台更适合，人在其中控制、处理一些关键信息，运算量会大大减少。例如在侦察无人机返回后，得到着火点位置及周边初步影像图，需不需要再次调派无人机、调派何种无人机制作更详細的三维现场图，有经验的指挥人员视情进行判断即可。故根据现有的算法变更移植或者开发新的算法专用于应急救援，在理论上、实践上都具有可行性。

3 无人机集群系统特点

3.1  集群性

在自然界中，为弥补个体能力的不足，诸多种群都能通过个体相互之间交流和合作呈现出某种群体行为，比如候鸟聚集迁徙、蜜蜂协同分工、鱼群的结群游弋等。无人机集群正是借助集群内局部的信息交换以及头雁的领航作用。整个系统可以成为有序集结、统一调度执行全局任务的无人机集群系统。

3.2  多样性

立足整个集群系统，考虑指挥调度平台的兼容性，针对灾害特点、作战阶段的任务分工配备各种不同机型的无人机。例如火情侦察阶段，调派红外侦察、双光侦察无人机，视火灾具体类型调度气体侦检无人机；大型灾害现场应保持无人机持续对整个灾害现场影像的监测，后台进行数据对比分析，查找倒塌、爆炸等潜在危险点；火场破拆、救人时，利用破拆无人机对一些特定的玻璃幕墙等障碍物进行破拆，打通救生通道；火灾扑救中，调派搭载灭火药剂的大荷载无人机进行辅助灭火；在夜晚救援时，调派系留照明无人机进行辅助照明。

3.3  统一性

在大型灾害现场中通常都是多个单位协同作战，如果无人机不能统一管理，可能会出现无人机满天飞资源重复浪费，甚至出现相互干扰炸机的情况。实现对无人机的统一管理，这里说的统一是指所有的无人机都在统一的调度平台下进行作业，平台集无人机集群调度、数据分析、图像处理于一体。指挥员根据平台呈现的灾情信息、被困人员数量、灾害整体情况等关键信息，灵活调整调度方案，精确实施救援，以智能化为基础，统一性管理为核心，达到高效能的作战目的。

4 无人机集群系统应用

近年来，应急救援领域大型灾害事故主要集中在高、地、大、化类火灾，以及地震、洪涝、山火等自然灾害，前者类型复杂，后者涉及范围广，其结果往往救援难度大、处置时间长达数十天。无人机集群系统根据自身集群性、多样性、统一性，很大程度上能突破应急救援发展的瓶颈。

4.1  火灾方面的应用

随着社会经济的发展，各地高层建筑越来越多，基于高层建筑的火灾场景，火灾特点有：浓烟较大、火势猛烈、蔓延迅速、疏散困难、易形成立体火灾、玻璃幕墙碎裂下落造成人员伤亡、扑救难度大等。这就要求消防救援队伍能够迅速侦察火情并根据火情态势展开救援，缩减救援时间，最大限度保障人民生命财产安全。结合火灾的特点和侦查需求，无人机群在移动起降平台的辅助下，可以提前起飞无人机，突破时间、空间上的限制，在人员未到达火场之前展开火场侦察，根据系统反馈的关键信息判断火势发展方向，指挥员在行进途中进行人员和装备部署，制定灭火方案；灭火期间无人机可以辅助灭火、现场侦查监测，从而提高灭火工作效率，减少救援人员的伤亡，切实为指战员的生命安全做好不间断的守护。

4.2  抢险救援方面的应用

重大灾害往往具有发生突然、扩散迅速、危害范围广的特点，因而决定了应急救援行动必须做到传递事故信息准确、开展救援活动迅速和应急救援行动有效。以“河南郑州7·20特大暴雨灾害事件”为背景，模拟无人机集群系统集群作用力。在交通瘫痪、电力网络中断情况下，无人机集群系统在初战阶段，通过高空侦察评估洪水流向为救援人员选择合适的行进路线，同时搭载自组网设备快速搭建各个区域的移动基站，确保居民移动设备的正常运行，助力各个应急部门在紧急情况下的通信正常运行；侦查阶段，分区域对各自覆盖的灾害现场进行大规模的二维、三维模型图像采集，为指挥部掌握灾害整体情况和进一步的部署指挥做参考；在救援阶段中，远距离精准抛投、紧急运送物资、安抚被困人员；全程信息共享、资源的统一调度，大大提高了任务的安全性和高效性。

5 无人机集群系统发展前景

目前无人机的发展面临着诸多困境，存在着续航瓶颈、通信系统、避障技术等问题。集群意味着多个个体可以相互补充、信息共享，在短续航的情况下多架无人机顺序作业完成大规模的侦察、测量任务；同一时间空域内多架无人机形成自组成网，延伸了通信范围、加强了局域网内的信号传输的稳定性，面对无人机指数级的增长带来的同频干扰，有效降低了干扰；同时相互之间共享位置环境信息，可以一定程度上缓解避障技术的困境。

集群系统势必将成为未来无人机一种发展趋势，在人工智能技术的影响下，不管是单个无人机的智能程度，还是整体的协助紧密，都将大幅度提升，可以实现1+1＞2的效能放大作用。在人类主导下实施的动作行为将大幅缩减，更多的将是智能体的自动运转。集群系统将会融入更多的传感器[4]，提供目标的可见光信息、电磁辐射信息、红外信息等更全面信息。目前，这些信息大多数通过通信链路回传至地面控制站进行处理，无线链路在大数据量的情况下必然导致速度慢、质量不好把握。随着人工智能技術的发展及硬件运算能力的提高，未来单个无人机有望完成信息整合，提供更加直观的目标信息，从而减少数据通信量，减少平台负担，提高整体运行效率。

6 结语

本文根据消防应急救援现状，提出了利用无人机集群系统解决应急救援瓶颈的问题，结合目前无人机发展情况论述了消防专用无人机集群的在硬件、软件上的要求及实现的可行性，概括了消防无人机集群系统的特点，给出了无人机集群在解决具体灾害类型中的应用价值。在此基础上展望了未来无人机集群的发展趋势，期望能够对未来无人集群系统的发展起到一定的促进作用。

参考文献：

[1]刘忠俊.中国新闻网.四川泸定6.8级地震：双尾蝎无人机紧急驰援[EB/OL].2022-9-5/2022-11-25.

[2]李青松，陈维.警用无人机与巡防车载一体化平台融合应用的探讨和思考[J].中国信息化，2022（5）：87-89+76.

[3]王祥科，陈浩，赵述龙.大规模固定翼无人机集群编队控制方法[J].控制与决策，2021（9）：2063-2073.

[4]辛昕，谢川.人工智能在无人机系统中的应用与发展研究[J].飞航导弹，2021（5）：48-51.

Research on Unmanned Aircraft Cluster System Based on Firefighting Emergency Rescue

Zhi Xuegang，Ma Xiaodong

（Hubei Provincial Fire and Rescue Brigade Emergency Communication and Vehicle Service Section，Hubei Wuhan 430060）

Abstract： In order to effectively enhance the emergency rescue capability of the fire rescue team， combined with the current level of development of UAVs and the current status of their application in emergency rescue， the concept of firefighting-specific UAV cluster system is put forward， with a view to applying it in the process of dealing with various types of disaster accidents， improving the efficiency of rescue in disaster accidents， and safeguarding the safety of firefighters to a greater extent. Keeping up with the current development of UAVs， multi-aircraft synergistic application， integrating the current functions of reconnaissance and survey， auxiliary rescue， auxiliary firefighting， and communication networking， systematizing and refining the grouping into clusters， relevant feasible suggestions are put forward for the advantages and problems of UAVs in firefighting emergency rescue.

Keywords： UAV cluster system; fire emergency rescue; technology development