無人機(jī)在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

閻炫彤++祝效華

摘 要：火災(zāi)對(duì)人類危害巨大，傳統(tǒng)靠人力觀察的火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法因監(jiān)測(cè)范圍有限、地域環(huán)境復(fù)雜等因素，增加了監(jiān)測(cè)成本，還極有可能造成人員傷亡。隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，其在城市火災(zāi)防護(hù)、預(yù)警中得到了良好的應(yīng)用前景。討論了無人機(jī)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的選型準(zhǔn)則，研究了無人機(jī)遙感技術(shù)、救援技術(shù)在城市火災(zāi)中的應(yīng)用，總結(jié)了無人機(jī)遙感技術(shù)在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)無人機(jī)火災(zāi)救援技術(shù)的發(fā)展作出了展望。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；火災(zāi)；遙感技術(shù)；救援技術(shù)

中圖分類號(hào)：V279+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.04.124

隨著城鎮(zhèn)化速度的加快和城市人口的快速增長，城市的高層建筑日益增多，這些都增加了火災(zāi)發(fā)生的潛在隱患，給火災(zāi)的防護(hù)救援工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，1979—2010年，除了森林、草原和礦井火災(zāi)以外，我國共發(fā)生特別重大火災(zāi)39起，死亡2 474人，直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá)79 611.11億元。20世紀(jì)七八十年代，我國年平均火災(zāi)損失分別為2.5億元、3.2億元以上；20世紀(jì)90年代以來，年平均火災(zāi)損失快速上升至十幾億元；2004—2006年，全國范圍內(nèi)共發(fā)生火災(zāi)分別為25.3萬起、23.6萬起、22.3萬起，傷亡人數(shù)分別為5 527人、5 002人、2 956 人，直接損失分別為16.7億元、13.6億元、7.8億元。

這些觸目驚心的數(shù)據(jù)表明火災(zāi)對(duì)人類的危害巨大，是現(xiàn)在文明社會(huì)中最具破壞力的災(zāi)害現(xiàn)象之一，火災(zāi)的防護(hù)工作已成為擺在我們面前刻不容緩的問題。而無人機(jī)憑借獲取遙感數(shù)據(jù)及其全天候、高精度、高效快速的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，能大大提高火災(zāi)信息的捕獲概率，為現(xiàn)代化城市的火災(zāi)監(jiān)測(cè)提供了新方法。

1 無人機(jī)的分類及選型

1.1 無人機(jī)分類

無人機(jī)主要由飛機(jī)本體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及搭載的其它電子設(shè)施等組成。評(píng)判無人機(jī)性能的重要性能指標(biāo)主要包括各種飛行參數(shù)、額定載重和續(xù)航時(shí)間。

無人機(jī)可在軍用和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，依照飛行方式可分為旋翼無人機(jī)、固定翼無人機(jī)等。依照無人機(jī)的任務(wù)、性能、設(shè)計(jì)特色分類的話，可分為戰(zhàn)術(shù)和持久型無人機(jī)、中型、小型和微型直升機(jī)等。其中，中型無人機(jī)是目前無人機(jī)飛行控制研究中的主要研究對(duì)象，因?yàn)榕c其他種類無人機(jī)相比，它具有續(xù)航久、載重大、價(jià)格低、飛行相對(duì)靈活、起降要求低等明顯優(yōu)勢(shì)，并能適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 無人機(jī)選型

在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的無人機(jī)主要包括無人直升機(jī)和固定翼無人機(jī)，其主要性能如表1所示。

為了滿足無人機(jī)在火災(zāi)事故的應(yīng)用，無人機(jī)應(yīng)具備續(xù)航時(shí)間長、抗風(fēng)能力強(qiáng)，空中懸停及搭載光學(xué)系統(tǒng)的功能，同時(shí)，還應(yīng)具備較好的信息傳輸能力。由表1可知，在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)作業(yè)中，直升機(jī)與固定翼機(jī)相比，具備懸停、垂直起降及較強(qiáng)的載荷能力，因而無人直升機(jī)比固定翼機(jī)優(yōu)勢(shì)更大。此外，無人直升機(jī)還具有自主起降特性功能，該功能無需人工干預(yù)，可自主飛行，因此，進(jìn)一步提高了無人直升機(jī)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用性能。

無人直升機(jī)可依據(jù)不同的地形及工作要求進(jìn)行選型。各類無人直升機(jī)性能如表 2所示。目前，城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)中，無人機(jī)多為小型和微型機(jī)型，而中型無人直升機(jī)的使用還處于初級(jí)階段。隨著無人機(jī)機(jī)型的增大，其續(xù)航能力、工作范圍和抗風(fēng)能力也會(huì)相應(yīng)提升。

2 無人機(jī)在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 無人機(jī)遙感技術(shù)

無人機(jī)遙感技術(shù)就是集合了無人機(jī)飛行、遙感和遙測(cè)、衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)通訊，能夠自動(dòng)獲取相關(guān)信息，完成無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)的處理、建模和形成遙感影像的技術(shù)。城市火情在線監(jiān)測(cè)就是利用無人機(jī)遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大火災(zāi)事故的防護(hù)與預(yù)警的。

傳統(tǒng)火災(zāi)監(jiān)視是通過相關(guān)人員到受災(zāi)地方進(jìn)行觀測(cè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且災(zāi)情觀測(cè)不全面。而利用無人機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判定災(zāi)害體的位置和計(jì)算災(zāi)害量，利用災(zāi)情電子沙盤，不僅可為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)指揮和決策提供直觀和可靠的依據(jù)，且可大大降低人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。在城市特殊場(chǎng)所中，比如物流倉庫、電力調(diào)配中心和高層建筑物等地，派遣無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以確保火災(zāi)信息盡早傳達(dá)到城市消防中心。

2.2 無人機(jī)輔助救火技術(shù)

當(dāng)發(fā)生大規(guī)模火災(zāi)時(shí)，通常采用飛機(jī)與救災(zāi)人員的協(xié)同救火作業(yè)，這樣可以大幅提高工作效率，但在一些復(fù)雜環(huán)境條件下，會(huì)使飛行員的通信及定位受到干擾，甚至危機(jī)人員的生命安全，因此，救火無人機(jī)得到了廣泛使用。

當(dāng)前，救火無人機(jī)通常都具備操控簡單、短距離起降、風(fēng)中穩(wěn)定強(qiáng)的特性。操作人員通過無人機(jī)可以全面監(jiān)視和判定火災(zāi)情況，人們只需要負(fù)責(zé)無人機(jī)的起降操控，而無人機(jī)的飛行軌道、拍攝等都是電腦提前設(shè)置好的，普通人員通過短期培訓(xùn)后就可操作無人機(jī)進(jìn)行防災(zāi)救援作業(yè)。

3 無人機(jī)在火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)

無人機(jī)除了在軍用方面迅猛發(fā)展外，在民用方面的應(yīng)用也越來越多，尤其是在遙感應(yīng)用方面，易獲取數(shù)碼影像、進(jìn)行大比例尺測(cè)圖及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)災(zāi)情等。與其他信息獲取方式相比，無人機(jī)平臺(tái)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

3.1 無人機(jī)造價(jià)和事故發(fā)生率較低

無人機(jī)機(jī)身材質(zhì)主要是碳纖維或玻璃纖維等復(fù)合材料，如果無人機(jī)在飛行或運(yùn)輸時(shí)出現(xiàn)破損，可隨時(shí)更換，維修成本低，且用1臺(tái)高配置的電腦就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 操作簡易

無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性、靈活性使得它起飛和降落無需專門的跑道場(chǎng)地，可以靈活地在滑跑、車載、滑降等地飛行，且操控非常容易。

3.3 運(yùn)輸方便

無人機(jī)體積小、質(zhì)量輕，一般長度不大于10 m，運(yùn)輸非常方便，甚至可以直接放在車?yán)镞M(jìn)行運(yùn)輸。

3.4 作業(yè)安全性能高

在惡劣的氣候和復(fù)雜地形中，無人機(jī)可替代救援人員進(jìn)行相關(guān)的危險(xiǎn)作業(yè)，避免人員傷亡，這也是無人機(jī)的重要特點(diǎn)。

無人機(jī)與傳統(tǒng)方法相比，仍有一些不足之處，比如無人機(jī)的飛行航線多是固定的，飛行時(shí)在其他信號(hào)的干擾下會(huì)發(fā)生通信延遲，尤其是在惡劣的天氣以及高層建筑等復(fù)雜環(huán)境下，其操縱性能會(huì)大大降低。

4 結(jié)束語

無人機(jī)在未來必將在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮巨大的作用，通過對(duì)無人機(jī)在城市火災(zāi)監(jiān)測(cè)中的探索，得出了以下結(jié)論：①有針對(duì)性地研制新型無人機(jī)。提升無人機(jī)技術(shù)的性能，研制適用于城市地形的重載、長續(xù)航能力無人機(jī)。②提高航拍質(zhì)量和信息傳輸能力。天氣條件、信號(hào)干擾等因素對(duì)無人機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的影響很大，要提高無人機(jī)抵抗不利因素的能力，保證災(zāi)情信息的及時(shí)傳輸。③建立全城市全地形監(jiān)測(cè)。現(xiàn)有無人機(jī)只能做到火災(zāi)高發(fā)地區(qū)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)控，今后可通過利用無人機(jī)火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在全城市中的“衛(wèi)星式”覆蓋監(jiān)測(cè)。

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作者簡介：閻炫彤（1998—），男，江蘇宿遷人，現(xiàn)寶雞中學(xué)學(xué)習(xí)。祝效華（1978—），山東菏澤人，博士（后），教授，中國機(jī)械動(dòng)力學(xué)學(xué)會(huì)理事。

〔編輯：張思楠〕