高层建筑灭火救援中多旋翼无人机的应用研究

摘 要：与普通建筑不同，高层建筑火灾救援难度更高，现行方法在高层建筑火灾救援中耗时较长，得不到快速救援，因此本文提出高层建筑灭火救援中多旋翼无人机的应用研究。通过多旋翼无人机搭载红外热像仪感知火灾现场图像，采用非线性平滑滤波技术对火灾红外热图像进行平滑处理，采用相对温差判断法识别火源，并通过坐标系转换定位多旋翼无人机灭火弹投掷位置，实现基于多旋翼无人机的高层建筑灭火救援。经试验证明，应用设计方法进行高层建筑灭火救援的耗时明显缩短，多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中具有良好的应用前景。

关键词：高层建筑；灭火救援；多旋翼无人机；红外热像仪；非线性平滑滤波技术；相对温差判断法

中图分类号：TU 976" " 文献标志码：A

随着高层建筑数量迅速增长，其灭火救援工作也面临前所未有的挑战。传统的消防装备，例如消防车、云梯等，当面对超高层建筑火灾时，无法快速有效地实施灭火救援行动。因此，探索新的高层建筑灭火救援方法，提高救援效率，降低人员伤亡和财产损失，已成为当前亟待解决的重要问题，相关学者针对高层建筑灭火救援问题展开了一系列研究。

王嵩垚[1]提出了基于消防安全标准化视角的救援方法，阐述了高层民用建筑灭火救援流程和策略。王月[2]在高层建筑消防安全管理研究中论述了灭火救援的重要性以及救援技术。虽然现有的研究理论在一定程度上为实际应用提供了理论支撑，但是现行方法仍然存在缺陷与不足。多旋翼无人机作为一种新兴的飞行器，具有成本低、危险小、易操纵、响应快、功能多、运用广等特点，能够在复杂多变的环境中快速、准确地完成任务。特别是在高层建筑灭火救援中，多旋翼无人机能够克服传统消防装备无法到达较高的位置和难以进入复杂环境的问题，通过搭载各种灭火设备和器材，实现快速有效灭火救援的目的。

1 基于多旋翼无人机的高层建筑灭火救援方法

本文应用多旋翼无人机对高层建筑火灾情况进行侦察，选择具备强稳定性、长续航能力和高负载能力的多旋翼无人机作为平台，以确保其在复杂高空环境下能够稳定飞行并有效执行任务。该无人机搭载高分辨率红外热像仪，能够在烟雾弥漫的环境中通过探测热辐射来精准定位火源，同时辅以高清可见光摄像头，为地面控制站提供火灾现场的实时清晰画面。此外，无人机还集成GPS导航模块、惯性导航系统及避障雷达，确保飞行过程中的安全性和准确性。在通信方面，采用高带宽、低延迟的无线通信系统，以实现无人机与地面控制站之间的实时数据传输和指令控制，具体救援流程如图1所示。

由图1可知，通过多旋翼无人机导航控制其火灾侦察路线，搭载红外热像仪采集火灾红外热图像，对图像进行处理，识别及定位火源，根据定位利用多旋翼无人机定点投掷灭火弹，直至消灭火源，实现基于多旋翼无人机的高层建筑灭火救援。

1.1 基于多旋翼无人机的建筑火灾图像感知

在高层建筑灭火救援场景中，应用多旋翼无人机对火灾情况进行侦察，其主要利用多旋翼无人机搭载红外热像仪对现场红外热图像进行采集及处理，为火源定位提供依据。考虑高层建筑内部空间比较复杂，并且局部区域空间比较狭小，对无人机灵活性要求比较高，因此选取型号为KJHFA-A5F5A的六旋翼无人机作为任务执行平台。该型号无人机具有卓越的稳定性、长续航能力和高负载能力，在复杂环境中仍能保持稳定的飞行姿态，确保任务执行的连续性和有效性。同时，UJHFA-A4F45型红外热像仪因其高分辨率、高灵敏度和宽广的测温范围被选为图像采集器，能够穿透烟雾，精准捕捉火源发出的红外辐射，实现火源的精确定位。利用支架将红外热像仪固定在多旋翼无人机身上，镜头朝向正前方。在图像采集过程中，无人机路径导航控制非常关键，考虑火源附近温度比较高，如果飞行过程中距离火源过近，就会导致无人机和红外热像仪着火，从而无法继续感知火灾图像[3]。因此在多旋翼无人机导航控制中，将信号强度视为衡量无人机状态的关键因素，当信号发生中断时，将其视为一种负向的奖励机制，从而激励无人机在路径规划时优先选择信号覆盖强、稳定性高的区域，并且将热流强度作为无人机路径选择惩罚依据，设计一种负向的奖励机制，以惩罚那些过于接近火源的行为。基于以上设计高层建筑火灾图像感知中多旋翼无人机行动选择策略，在时刻，无人机会根据当前信号状态和热流状态，计算建议行动，如公式（1）所示。

s（t+1）=（ε‧r|η‧v）+γ （1）

式中：s（t+1）为下一时刻多旋翼无人机更新的行动；ε为当前时刻信号强度；r为执行行动后获得的即时奖励；η为当前时刻热流强度；v为执行行动后获得的即时惩罚；γ为折扣因子，用来衡量未来奖励对于当前决策的重要性[4]。

γ的值域被严格限制在0～1，当γ的值趋近于1时，给予未来奖励更高的权重[5]。这意味当做出决策时，会更多地考虑未来可能获得的奖励，而不仅是当前的即时收益。这种策略倾向于寻求长期的最大化累积奖励，因此，它对于需要长期规划的任务特别有效[6]。相反，当γ的值趋近于0时，将更多地关注即时奖励。这意味在当前状态下，会倾向于选择能够立即带来收益的行动，而不是去等待可能存在的更高但延迟的奖励。因此，通过调整γ的值，控制对未来奖励的考虑程度，以适应不同的任务需求和环境条件[7]。通过以上控制多旋翼无人机飞行路线，通过USB网络接口将红外热像仪在路径上感知的图像信息上传到计算机，用于后续火源定位。

1.2 建筑火灾图像预处理

当利用红外热像仪对室内火灾环境进行红外热扫描时，环境温度对红外热图像的质量有显著影响。由于室内火灾现场的温度分布极不均匀，且往往伴随烟雾、水蒸气等介质的复杂变化，这些因素共同作用于红外热像仪的探测过程，导致采集的图像中不可避免地混入了各种噪声分量。这些噪声分量可能来源于多个方面，包括但不限于环境温度的波动、探测器的固有噪声、信号传输过程中的干扰等。它们以随机分布的形式出现在红外热图像中，表现为图像亮度或温度值的微小波动，从而干扰室内环境真实热状态的准确呈现。为了有效提升红外热图像的质量，减少噪声干扰对后续分析和判断的不利影响，采用先进的非线性平滑滤波技术进行处理。具体来说，非线性平滑滤波技术通过定义一种非线性的滤波函数或准则，对图像中的每一个像素点及其邻域内的像素值进行加权处理。在处理过程中，滤波函数会根据像素值之间的差异或梯度等特征，动态调整不同像素点的权重，从而实现对噪声的有效抑制和对图像细节的保留[8]。假设得到的火灾红外热图像为Y，其概率密度函数可以表示为f（Y），它描述图像中各个灰度值出现的概率[9]。在这个函数中，关注与黑噪点（代表较暗、温度较低的噪声点）和白噪点（代表较亮、温度较高的噪声点）对应的概率，如公式（2）所示。

（2）

式中：H为图像黑噪点分布概率；K为白噪点分布概率；e为火灾图像红外热图像灰度值；w为噪点灰度值；u为白噪点灰度值。

红外热图像的灰度中值代表图像的整体亮度水平，因此用红外热图像的灰度中值替换图像中黑噪点的灰度值，保留图像中的白噪点，以实现对火灾红外热图像滤波的功能。

1.3 基于多旋翼无人机的定点灭火救援

在以上基础上，采用相对温差判断法识别火源，在火灾场景中物体会经历热量交换，其温度发生变化。这种变化可以是迅速的，也可以是渐进的，它取决于物体所吸收或释放的热量以及物体自身的物理特性。为了量化这一变化，采用特定的温升计算公式，如公式（3）所示。

c（i，j）=ρ（i，j）-g （3）

式中：c（i，j）为高层建筑火灾图像中（i，j）像素点处的温升；ρ（i，j）为高层建筑火灾图像中（i，j）像素点处的温度；g为火灾图像中环境温度参照物温度。

根据温升计算火灾红外热图像中各个像素点的相对温差，如公式（4）所示。

M（i，j）=c（i，j）/v（i，j） （4）

式中：M（i，j）为高层建筑火灾图像中（i，j）像素点处的相对温差；v（i，j）为高层建筑火灾图像中（i，j）像素点处的温差（温差是描述两个不同物体或同一物体不同部分之间温度差异的物理量）。

在热量传递过程中，热量总是从温度较高的物体或部位流向温度较低的物体或部位，直至两者达到热平衡状态。温差的大小直接影响热量传递的速率和方向。相对温差越大，说明与周围环境温度差异越大，因此利用公式（3）、公式（4）计算所有红外热图像的相对温差，相对温度最高的点为火源点，将该点作为多旋翼无人机灭火弹投放点。考虑以上定位的火源在图像坐标系中，因此根据坐标系转换定位灭火弹投放点，如公式（5）所示。

W（x，y）=[i，j]‧R+[i，j]‧T （5）

式中：W（x，y）为多旋翼无人机灭火弹投掷点；x、y分别为投掷点横坐标和纵坐标；R为旋转因子；T为平移因子。

根据定位多旋翼无人机投掷灭火弹，直到火被消灭，以此实现基于多旋翼无人机的高层建筑灭火救援。

2 试验论证

2.1 试验准备与设计

通过试验检验本文所提的基于多旋翼无人机的高层建筑灭火救援方法的性能，以某高层建筑为试验环境，该建筑楼层数量为8层，建筑高度为36.14m，每层3户用户，在该高层建筑中进行火灾救援演习，在每层布设1个火源，利用本文方法对该高层建筑进行灭火救援。根据实际情况，试验准备了1台六旋翼无人机和1台红外热像仪，根据实际情况对多旋翼无人机和红外热像仪参数进行设置，见表1。

表1 高层建筑灭火救援参数

六旋翼无人机 红外热像仪

平飞速度/（km/h） 10 曝光时间/s 0.1

续航时间/min 120 拍照模式 定时拍摄

飞行距离/km 半径1.5 温度范围/℃ ﹣20～200

定位模式 GPS 图像分辨率 1080

飞行高度/m 0-100 测温精度/℃ ±1.5

飞行角度/（°） 0-360 像元尺寸/μm 17.5

由六旋翼无人机搭载红外热像仪对建筑内火灾图像进行采集，共采集1200张图像，对图像进行处理和分析，以定位火源，六旋翼无人机搭载灭火弹对火源定点灭火救援。

2.2 试验结果与讨论

速率是灭火救援效果的重要评价指标，救援速率越快，高层建筑火灾损失就会越小，对住户的危害越小，救援效果越好，因此试验统计不同火源位置下高层建筑灭火救援耗时。为了使本次试验具有一定的参考性和学术性价值，选择文献[1]和文献[2]的方法进行对比，表2记录了3种方法应用下高层建筑灭火救援耗时数据。

表2 高层建筑灭火救援耗时（单位：min）

火源位置 本文方法 文献[1]方法 文献[2]方法

第一层 16.25 32.14 27.15

第二层 24.17 41.52 34.68

第三层 29.48 52.46 41.29

第四层 32.42 63.41 52.42

第五层 36.58 74.15 63.46

第六层 41.25 82.53 74.15

第七层 46.25 96.42 82.64

第八层 48.42 112.42 96.47

从表2中数据可以看出，随着火源位置升高，救援难度不断提升，灭火救援耗时也在不断增加，但设计方法应用下救援耗时相对较短，当对建筑第八层火灾灭火救援时，耗时不超过文献[1]方法和文献[1]方法的1/2，救援速率最快。其原因是在高层建筑火灾现场，多旋翼无人机能够迅速到达火场，通过搭载的各种设备为消防员提供了及时、准确的火场信息，助力他们采取更科学的救援决策。同时，多旋翼无人机还搭载灭火设备，直接参与灭火行动，有效减轻了消防员的负担，提高了灭火效率。通过以上对比和分析，证明了设计方法更适用于高层建筑灭火救援，多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中具有良好的应用效果。

3 结语

本文结合相关文献资料，对高层建筑灭火救援中多旋翼无人机的应用展开研究，提出了一种新的救援思路，有效提高了救援效率，降低了高层建筑火灾危害，为城市消防提供了参考依据。然而，也必须清醒地认识到，多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的应用还存在许多挑战和限制，例如续航能力有限、载重能力相对较小、复杂环境下的稳定性和抗干扰能力需要提高等问题，都制约了多旋翼无人机在高层建筑灭火救援中的深入应用。未来，需要进一步加强对多旋翼无人机技术的研究和创新，不断提升其续航能力、载重能力和稳定性，以满足高层建筑灭火救援的更高需求。

参考文献

[1]王嵩垚.基于消防安全标准化视角的超高层民用建筑的防火方法与灭火救援技术分析[J].大众标准化，2023，（21）：32-34.

[2]王月.浅谈高层建筑消防安全管理对灭火救援作战的重要作用[J].水上安全，2023，（10）：100-102.

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[5]周培德.浅谈高层建筑消防安全管理对灭火救援作战的重要作用[J].湖北应急管理，2023（4）：53-55.

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