无人机技术在消防通信中的应用研究

樊 野

（呼和浩特市武川县消防救援大队，内蒙古呼和浩特 011799）

0 引言

无人机在消防灭火救援中具有广泛的应用前景，近年来无人机大量应用于应急救援行动并取得了很大成效。随着飞控系统的开源及市场需求增加，无人机在消防救援单位得到应用，但仍存在基层通信人员缺乏系统培训，功能集中于航拍侦察，通信组网混乱等问题，需要深入研究无人机在消防通信中的关键技术。

1 无人机在消防救援中的应用

随着我国城市建设的快速发展，高层楼宇消防问题日益突出，城市高层楼宇消防灭火面临玻璃幕墙破拆困难、消防通道堵塞等困境，传统的消防手段不能满足现有城市楼层高度的消防需求。如何快速获取现场信息、针对被困人员展开救援成为消防工作的新课题。可以借助无线监控手段实施灭火救援，由于高层楼宇存在建筑结构复杂，无线通信信号传输不通畅等问题，应用中难以保证信号传输的可靠性，消防无人机是有效的高层楼宇灭火解决方案[1]。

1.1 国内外消防无人机应用研究

消防无人机具有机动灵巧、可搭载设备等优势，可以在高温火场持续监视火情，提供信息保障，对灭火作战等具有重要作用[2]。随着科技的发展，无人机作为灾害事故辅助救援平台得到广泛应用。国内外专家学者利用传感器技术等研发了多款消防无人机，主要用于森林防火及人员辅助救援。国内专家对无人机在消防领域应用进行的相关研究，主要包括论述消防无人机的优势，分析无人机功能特点，分析无人机在事故应急中无线通信系统的搭建，实现指挥中心与无人机无线数据传输。

目前消防无人机主要应用于灾情侦察、森林防火监测等领域。无人机挂载灾情侦察模块可实现对火场多维信息实时监测，包括有毒害气体浓度等。国内消防侦察无人机逐渐实现对灾害现场信息采集与灭火救援配合。中国航天科工集团研究院研发的灭火救援无人机侦察系统解决了高层建筑外部侦察能力不足的问题[3]。某公司多旋翼消防无人机搭载智能遥感系统，具有投掷灭火弹等功能。江苏某公司研发的无人机搭载倾斜摄影机、高功率探照灯等模块，可对消防安全重点单位实时动态监控。Ivan在欧洲AWARE 项目支持下研发无人机分布式决策结构，根据无人机反馈信息实施消防力量调配。一些新型灾情侦察消防无人机在灾害事故中得到应用，地震中利用携带摄像头无人机实现灾后应急救援响应。

欧美国家对森林消防无人机研究较多，近几年国外森林消防无人机通过挂载不同相机采集火灾影像，可实现对火灾探测监测[4]。美国First Response 项目研发ALTUS 无人机应用于森林火灾扑救，目前研究添加更多传感器无人机实现信息监测。我国森林消防无人机研究起步较晚，东北林业大学与吉林工程技术学院等学者对森林消防无人机进行设计开发，降低森林防火员的工作强度。武汉某科技公司研发的森林消防无人机可实时传输森林上空影像。国外研究无人机森林火灾探测算法，如基于小波分析、高斯混合模型森林火灾探测等。我国许多学者进行了无人机定位技术研究，如：南京森林警察学院林火研究中心研发了森林着火点定位方法等。

1.2 消防无人机主要功能

无人机在消防救援工作中的主要作用包括辅助救援、信息采集与灭火等，消防无人机具有平台应用广泛、飞行高度低、机动性强、安全性能好、操作简单等优点[5]。通过无人机搭载多功能模块可采集现场气体温度与图像信息，快速提供辅助灭火与应急救援。消防无人机信息采集主要应用气体分析仪、红外热像仪与高清摄像夜视仪等。红外热像可用于无人机不同场景，模拟图像传输系统可实时测绘场景温度信息，图像采集模块可采集灾害现场高清视频信息，夜视图像信息采用综合可见光可清晰区分火灾信息，利用夜视仪实现火灾信息精确采集，对场景图像信息实时拍摄录像，可根据无人机拍摄火场画面判断，通过无线传输等数传系统传送到指挥中心，实现远程可视化指挥。通过无人机搭载3D 建模系统，实现快速有效覆盖不同表面特征，实现消防重点单位三维精确建模，利用无人机进行事故现场测绘。气体分析模块可携带不同类型气体传感器，根据现场需要随时更换气体传感器，采集消防队员数据收集到数据库。消防无人机辅助救援功能主要通过携带应急救援设备，配置扬声器等设备辅助灭火救援。无人机安装扬声器可作为紧急广播，可实现灾难现场疏散减少拥挤风险，应急广播模块可在600 m 内实现声音传播。

开展灭火工作是消防无人机的发展趋势，可集成灭火剂等器材装备用于灭火救援工作，使用无人机携带泡沫，干粉等灭火剂，针对易燃易爆有毒危险区进行初起火灾扑救。灭火无人机可携带大量灭火弹飞行到火源附近向目标射击，灭火弹可穿透厚钢化玻璃幕墙喷洒灭火剂。灭火无人机可准确向火源位置发送灭火弹解决高层建筑救援难题。高层建筑发生火灾时，搭载玻璃破拆枪的无人机飞行到火灾楼层外，用玻璃破拆发射高速冲击弹，向室内喷洒干粉，有效扑灭火焰[6]。低频声波在30～60 Hz 可产生适合的灭火能量，声波隔离空气可消除不强烈的火灾。声波技术适用于建筑火灾中为消防员开辟小型灭火通道，压力波在空气中传播可隔离火焰与空气。

1.3 消防无人机的应用领域

无人机在消防灭火救援工作中的应用主要包括侦察救援与灭火等领域，侦察领域主要有重大自然灾害现场与石化火灾等场景，灭火领域主要是精准释放灭火剂、运输灭火器材装备；救援领域应用主要包括基站、抛投与扩音照明功能模块[7]。由于石化火灾经常出现爆炸与立体燃烧现象，使用搭载侦察模块的消防无人机实施高空侦察作业可降低人员伤亡风险。当前社会生产力高速发展，以高层地下建筑等为代表的现代化建筑迅速发展，对灭火救援行动提出了更高的要求，可开发小型无人机深入火场获取信息资源。

以山体滑坡等为代表的重大自然灾害具有高突发、大面积等特点，导致事故现场信息传递陷入堵塞，外部人员难以到达灾区。某些起火位置不便于人员攀爬，可利用灭火无人机搭载灭火剂迅速抵达任务区域，如天龙I 号高层建筑专用特种灭火无人机在20 m 外发射灭火弹，可抛射8 kg 灭火剂。处置城郊农村火灾存在偏远地区道路交通条件不佳，可以通过派遣运输无人机携带简易灭火器抵达事故地点控制火势蔓延。无人机可通过搭载无线微波单兵与后方指挥中心等开展通信。通信中继模块与长航时无人机结合使用，有效解决通信盲区等问题。无人机在搭载通信中继模块后可迅速建立现场通信链路，可操作多台无人机定位火场人员位置，指挥人员科学部署，提升灭火救援效能。

2 无人机技术在消防通信中的应用

2.1 消防无人机通信模块应用研究

六旋翼无人机具有机身稳固、应用灵活等特点，按照无人机作业顺序，从图像传输等功能出发进行应用分析。先导侦察是火灾等自然灾害发生后，采用自动航迹规划方式到达灾害现场侦察的功能，目前消防领域无人机通常以手动操作模式为主，通过俯冲等动作完成侦察，使用自主航迹规划侦察方式简单易行，但由于人员操作限制只能在救援人员到达现场后实施，应优化无人机侦察功能，实现先导侦察。路径规划算法根据算法原理分为图形学与智能仿生学算法等，采用无人机将遗传算法等融合，采用栅格法对飞行涵盖空间建模，通过谷歌地图道路建筑信息划分，选择预设中继点为区域目标点。

无人机可采用最低安全飞行高度方式，由于国内外无人机导航系统大部分采用Google 地图进行GPS 定位导航，可选取飞行领域最高点为最低安全飞行距离，由于消防无人机载有避障模块，可实现安全飞行。消防无人机通行系统包含图传等无线电传输设备，无人机进行现场图像实时回传，是完成指挥辅助决策功能的重要环节，微波图像传输是目前可行性较强的传输方式。消防应用中图像传输是使用4G 设备进行3G 图像传输，无人机承载高清摄像机实时摄录现场影像，地面终端引出HDMI 的高清接口，通过访问通信指挥中心登录IP 地址可获取基站转接数据信息。微波图像传输是无人机拍摄视频数据将信息发送至现场通信指挥车载接收机，可在通信指挥中心看到实时视频资料[8]。

2.2 无人机在消防通信中的实际应用

研究选取某消防部门训练基地为实验对象，记录天气等情况后设定初始地点，使用Google 地图定位，得到部分飞行画面。接到出动指令后无人机出发，飞行中将图像传回地面终端，可准确显示出事故地点泄露源扩散度及被困人员情况等。通过高清摄像机传回地面终端的图像清晰，证明采用六旋翼无人机可实现先导侦察功能。实验选取训练场化工装置为事故现场，试验成功标准设定为将无人机采集图像传回指挥中心显示屏，无人机在现场消防人员操作下迅速起飞，得到现场部分地面终端截图。图1 为先导侦察显示消防车出动情况。

图1 先导侦察显示消防车出动情况

采用3G/4G 图像传输方式可实时传输至指挥中心页面，服务器访问得到画面像素降低但不影响视频分析研判。为防止单一传输手段在现场出现故障后导致图传中断，对比实验使用微波图像传输方式，得到相关通信设备图像。选取高层建筑模拟演练区为事故地点，迅速携带单兵背负式微波传输设备，操纵遥控设备对无人机进行起飞操作，画面稳定后选取某时刻地面终端图像进行记录对比，起飞后2 分47 秒截取影像，传回指挥中心图像与高空拍摄图像对比，整体画质清晰同步性良好。通过对比侦察方式传输视频画面，侦察方式可达到预期效果，某种指挥手段因外部环境干扰中止可采用其他方式传输视频。设定灾情为高层建筑起火楼层上方有被困人员，启用无人机进行喊话安抚，选择扩音模块将其载荷到无人机云台，扩音模块接收端调至350 MHz，微型喇叭采用小型锂离子电池电源，对无人机载荷要求低。对电台喊话后声音立刻从扩音模块传出，高层建筑被困人员可清晰听到喊话内容。

3 消防无人机应用技术展望

3.1 消防无人机技术应用中存在的不足

近年来我国火灾事故频发，主要发生场所包括交通工具、生产厂房及公共娱乐场所等。消防部门参加灭火救援任务，主要事故包括基础设施与危化品事故等。建筑火灾扑救及灾害应急救援中面临的难题主要包括灾情信息侦测手段匮乏，难以及时掌握灾害现场基本信息，消防人员对现场了解通常通过观察及现场人员口述，无法保证信息的准确性，影响救援任务的进度。消防人员到场后的首要任务是了解灾情，目前通常用肉眼观察，携带便携式设备侦察，难以掌握事故整体状态，现场消防人员面临较高的安全风险。

目前消防无人机研究存在模块化集成兼容性不强、续航技术不成熟等问题。面对灾害现场无人机飞行易受到温度烟雾等影响，易发生坠机事故。消防无人机应用中需要携带诸多功能模块，如温度场数据信息采集等模块，易与消防应急通信设备相互干扰影响消防应急通信。消防无人机续航能力不足，电动无人机载重量低，限制其在高层建筑火灾等环境下的应用；现有无人机不具备智能避障技术，防爆能力不强，无法进入爆炸风险场所作业。消防专业配备应用无人机需要依据科学的训练，完善有效的日常维护保养管理制度，培养专业消防无人机飞行手队伍，确保灭火救援实战实施。目前我国尚未出台消防无人机标准规范，缺乏抗干扰、高温、风雨等方面的统一性能指标要求，急需加快标准编制，推进研发生产有序化。

3.2 消防无人机应用发展趋势

消防无人机适用领域广泛，可用于石化装置及危化品园区等火灾爆炸事故现场及水域等应急救援，灭火救援实战需求是研发消防无人机未来的主攻方向，须坚持原始创新提升消防无人机专业智能化水平。根据不同类型火灾特点，研发适用的无人机是发展趋势。森林消防无人机发展要满足续航时长要求，石化火灾无人机应注重毒害气体监测，地震等应急救援消防无人机侧重救生物资运送等。一体化消防无人机要能参与特殊场所辅助灭火，三位一体的消防无人机才能满足全方位作业应急需求。消防无人机智能化体现在依托应急救援软件实现救援智能化，软硬件结合智能辅助救援决策平台包括灭火方式选择、疏散指导与营救方式选择等。

3.3 消防无人机研发思路

消防无人机可通过搭载辅助救援装置模块等，实现灾害现场辅助灭火救援。受负载等能力限制，多为2 个模块整合难以实现3 个以上模块同时搭载。消防无人机研发思路是满足耐候性、实时性、安全性等方面的要求。通过无人机搭载多功能模块及时采集现场温度及影像信息，快速提供辅助灭火救援，充分发挥无人机实战效能。集成功能模块包括影像采集模块、倾斜摄影模块、红外温度场模块等。图2 为消防无人机机载控制系统空间结构图。通过消防无人机挂载3D 建模系统，实现从不同方位对地表物快速覆盖，实现对消防安全重点单位的3D精准建模。

图2 消防无人机机载控制系统空间结构

气体分析模块可搭载多种不同气体传感器，气体传感器可根据现场需求随时更换，将采集关键数据录入数据库。影像采集模块可实现对灾害事故现场高清视频信息采集，可见光一体高清机芯可以清晰分辨火场信息，可借助夜视仪准确采集火灾信息，实现对现场影像信息实时缩放录像等。红外热像可使无人机应用于不同场景，可实时测绘场景温度信息。应急广播具备长距离广播功能，降低人员恐慌与拥堵风险。应急广播模块可通过增加稳云台实现0°～180°广播方向。高强度探照灯搭载照明装置，可以通过空中照明增强拍摄效果，为夜间作业提供现场照明。利用机载应急救援装置携带救生绳及医药食品等救援物资，确保施救过程被困人员的生命安全。借鉴国外声波灭火等技术，研发搭载灭火装置模块，实现早期有效控制。

4 结束语

目前无人机在救灾物资投送等方面发挥重要作用。随着无人机技术的成熟，无人机在民用领域具有广阔的市场前景。研发消防无人机是满足应急救援要求，重点是突破无人飞行载具、任务载荷、设备技术性能、适应电磁干扰等环境下的作业需求。主要技术性能包括最大飞行高度、时间、质量与气候环境适应性能、电磁兼容性能等。无人机灭火控制系统采用计算机通信技术提供实时音视频，根据指挥人员操控发射灭火弹灭火。无人机灭火系统可应用于高楼及森林灭火，目前高清摄像机镜头方向固定，可安装相机云台实现多角度观察事故现场状况。