多旋翼無(wú)人機(jī)的應(yīng)急救援效能提升研究

鄭佰萬(wàn)

（重慶市消防救援總隊(duì)萬(wàn)州支隊(duì),重慶 萬(wàn)州 404000）

0.引言

無(wú)人機(jī)最早用于戰(zhàn)爭(zhēng)情報(bào)搜集，經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，逐漸應(yīng)用于目標(biāo)偵測(cè)辨識(shí)、毀滅打擊、電子對(duì)抗、通信中繼等領(lǐng)域。而多旋翼無(wú)人機(jī)由于具有垂直起降、靈活方便的特點(diǎn)，所以消防救援的無(wú)人機(jī)大多采用多旋翼的結(jié)構(gòu)形式[1]。多旋翼無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)布局研究較為成熟，飛行控制技術(shù)趨于完備。在災(zāi)害中由旋翼機(jī)系統(tǒng)、地面系統(tǒng)、綜合保障系統(tǒng)和任務(wù)載荷組成，具有靈活便捷、視野開(kāi)闊、安全可靠的特點(diǎn)，在地震、洪澇災(zāi)害、森林火災(zāi)、化工火災(zāi)等范圍大、處置時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)情復(fù)雜的應(yīng)急救援中具有明顯的應(yīng)用價(jià)值[2]。隨著消防救援職能向“全災(zāi)種、大應(yīng)急”方向轉(zhuǎn)變，無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援效能提升需要從兩個(gè)方面來(lái)開(kāi)展：（1）需要充分借助測(cè)繪地理信息等高新技術(shù)，提升應(yīng)急救援的效率，方便決策者基于“一張圖”制訂科學(xué)的應(yīng)急救援方案并進(jìn)行災(zāi)害評(píng)估；（2）機(jī)組作為多旋翼無(wú)人機(jī)操控的核心，也是應(yīng)急救援過(guò)程中最不穩(wěn)定的因素，需要研究其常見(jiàn)問(wèn)題并提出相應(yīng)對(duì)策。圍繞這兩個(gè)方面來(lái)綜合提升無(wú)人機(jī)救援效能，具有很強(qiáng)的實(shí)踐意義。

1.無(wú)人機(jī)救援關(guān)鍵技術(shù)分析

多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援，目前主要靠飛手操控，通過(guò)在PAD端實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)視頻來(lái)人工目視災(zāi)害畫(huà)面，救援效率低下、誤判率較高。通過(guò)三維地理建模、地理視頻融合、多光譜遙感熱成像等測(cè)繪地理信息領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，打造集動(dòng)態(tài)視頻與靜態(tài)畫(huà)面于一體的三維救援場(chǎng)景，對(duì)于提升實(shí)時(shí)態(tài)勢(shì)感知能力作用巨大。

1.1 三維地理建模技術(shù)

在地震、洪澇、森林火災(zāi)、化工火災(zāi)等災(zāi)害范圍大、處置時(shí)間長(zhǎng)、災(zāi)情復(fù)雜、人員車(chē)輛眾多的應(yīng)急救援中，可以將災(zāi)區(qū)以前的影像和無(wú)人機(jī)航飛后的影像進(jìn)行疊加比對(duì)，提取出同一范圍不同時(shí)段的地物變化，發(fā)現(xiàn)受災(zāi)范圍、受災(zāi)建筑物和人員；同時(shí)基于多旋翼無(wú)人機(jī)獲取的傾斜影像進(jìn)行實(shí)景三維建模[3]，建立受災(zāi)區(qū)域或建筑的三維模型，形成現(xiàn)場(chǎng)作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)圖，并通過(guò)實(shí)時(shí)目標(biāo)坐標(biāo)定位、實(shí)時(shí)目標(biāo)面積測(cè)量和實(shí)時(shí)測(cè)距，獲取車(chē)輛人員位置、建筑占地面積、道路、車(chē)輛寬度等信息，依據(jù)模型規(guī)劃消防車(chē)路徑和停放點(diǎn)，適時(shí)調(diào)整力量分布?，F(xiàn)場(chǎng)指揮員不必深入災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)就能通過(guò)無(wú)人機(jī)回傳的圖像對(duì)事故進(jìn)行全面的判斷，最大限度地輔助指揮者研判災(zāi)情發(fā)展。2019年12月，廣東省佛山市發(fā)生森林大火，復(fù)雜山體地形和超過(guò)6級(jí)大風(fēng)給救援工作造成了極大的阻力，消防員利用無(wú)人機(jī)搭載多光譜熱成像相機(jī)和遠(yuǎn)攝變焦云臺(tái)相機(jī)快速確定了火災(zāi)區(qū)域，并拍攝山體的火線(xiàn)走勢(shì)，通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)況與GIS地圖對(duì)比觀(guān)測(cè)火情，為制訂撲救方案提供了參考。

1.2 無(wú)人機(jī)視頻與3D地理信息融合技術(shù)

為了對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)和險(xiǎn)情有更深入地了解，可以派遣多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行災(zāi)區(qū)巡視，通過(guò)5G鏈路實(shí)時(shí)傳輸無(wú)人機(jī)的視頻到指揮中心大屏。同時(shí)，根據(jù)無(wú)人機(jī)位置、姿態(tài)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等[3]，結(jié)合地理視頻融合算法，在無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)將拍攝的空中視頻和3D地圖進(jìn)行位置糾正、畸變改正、地理配準(zhǔn)等一系列操作，最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)視頻與三維地圖的無(wú)縫融合。通過(guò)地理視頻融合技術(shù)，讓決策者仿佛置身于真實(shí)的三維數(shù)字孿生災(zāi)害場(chǎng)景，在該場(chǎng)景中進(jìn)行救援路線(xiàn)標(biāo)繪、救援距離計(jì)算、災(zāi)害面積測(cè)量、仿真模擬，可以顯著提升應(yīng)急救援過(guò)程中聯(lián)動(dòng)指揮和救援處置的科學(xué)性和便利性，做到精準(zhǔn)施策、科學(xué)救援。

1.3 多光譜遙感成像技術(shù)

在消防員無(wú)法進(jìn)入的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，60%以上的火情無(wú)法利用傳統(tǒng)的手持熱視儀、搜救犬、視頻監(jiān)控設(shè)備等監(jiān)測(cè)火情，形成了信息盲區(qū)，但無(wú)人機(jī)可以利用空中視角實(shí)時(shí)監(jiān)控追蹤，通過(guò)搭載紅外熱遙感成像實(shí)現(xiàn)找出高溫火點(diǎn)，進(jìn)行等溫線(xiàn)測(cè)算，監(jiān)控火情蔓延方向，勘測(cè)火場(chǎng)附近危險(xiǎn)物，尋找生還者，探測(cè)零星火點(diǎn)等功能，為指揮救援提供重要依據(jù)。在危化品泄漏事故中，消防員借助無(wú)人機(jī)搭載探測(cè)儀對(duì)泄漏的精確位置、品類(lèi)及易燃易爆性等進(jìn)行偵檢。例如在2019年江蘇某化工廠(chǎng)火災(zāi)中，現(xiàn)場(chǎng)的大量危化品泄漏，且著火點(diǎn)分散，并伴隨產(chǎn)生高溫和濃煙。消防員通過(guò)無(wú)人機(jī)利用30倍變焦鏡頭和熱成像相機(jī)，快速獲取火場(chǎng)的高清圖像并實(shí)時(shí)建模，從而依靠無(wú)人機(jī)搭載熱成像鏡頭對(duì)火場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了偵察精度和處置效率。

3.無(wú)人機(jī)機(jī)組操作效能分析

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是一種人機(jī)融合、人機(jī)交互的系統(tǒng)，是人與機(jī)器的作業(yè)體系，其救援效能主要影響因素包括人和旋翼機(jī)兩方面。人是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中“大腦”，是最不穩(wěn)定因素。美國(guó)軍方數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指出，人為錯(cuò)誤引發(fā)的事故占無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以外事故的1/2。無(wú)人機(jī)操作機(jī)組作為一個(gè)系統(tǒng)，影響其操作效能的要素主要有個(gè)人素質(zhì)、個(gè)人不安全行為、機(jī)組不安全行為、不安全監(jiān)督4個(gè)部分。

3.1 機(jī)組人員個(gè)人素質(zhì)

無(wú)人機(jī)操作控制及任務(wù)執(zhí)行，主要依賴(lài)于機(jī)組協(xié)同作業(yè)。無(wú)人機(jī)飛行雖然可以規(guī)避地形障礙，但受建筑物、崖壁、鐵塔、高壓線(xiàn)等高處障礙物影響，存在一定的撞擊風(fēng)險(xiǎn)，而環(huán)境因素的不穩(wěn)定也十分考驗(yàn)駕駛員技術(shù)。機(jī)長(zhǎng)整體把控能力、決策水平，駕駛員操控水平等都會(huì)對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行安全、任務(wù)執(zhí)行產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)組的救援效能產(chǎn)生影響。

當(dāng)前，消防救援隊(duì)伍雖然有培訓(xùn)認(rèn)證的駕駛員，但缺乏專(zhuān)業(yè)的駕駛員訓(xùn)練場(chǎng)地，人員的專(zhuān)業(yè)性不強(qiáng)、操作熟練程度不高等現(xiàn)象普遍存在，更缺少能夠同時(shí)熟練操作各類(lèi)功能模塊和無(wú)人機(jī)的駕駛員以及專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練師和設(shè)備維護(hù)人員，專(zhuān)業(yè)人才的選拔培養(yǎng)機(jī)制有待完備，且缺少消防領(lǐng)域無(wú)人機(jī)駕駛員的認(rèn)證機(jī)制。而無(wú)人機(jī)機(jī)組是一個(gè)具有能動(dòng)性的有機(jī)系統(tǒng)，如果在協(xié)調(diào)配合上出現(xiàn)盲區(qū)，就會(huì)產(chǎn)生效能內(nèi)耗，任務(wù)執(zhí)行時(shí)容易發(fā)生安全事故。

3.2 機(jī)組不安全行為

機(jī)組不安全行為是在滅火救援中造成無(wú)人機(jī)飛行事故的最主要因素，由差錯(cuò)行為和違規(guī)行為所構(gòu)成。差錯(cuò)是指機(jī)組執(zhí)行任務(wù)與設(shè)定目標(biāo)之間的差異；違規(guī)的含義是機(jī)組在救援過(guò)程中故意違反規(guī)定時(shí)的錯(cuò)誤操作。差錯(cuò)包括決策差錯(cuò)、技能差錯(cuò)和感知差錯(cuò)三個(gè)維度。其中決策差錯(cuò)是由于機(jī)長(zhǎng)對(duì)滅火救援現(xiàn)場(chǎng)作戰(zhàn)意圖認(rèn)識(shí)不足或?qū)?zāi)情評(píng)估不到位所導(dǎo)致的；技能差錯(cuò)是指駕駛員由于執(zhí)飛操作技能掌握不精、操作失誤所造成的；感知錯(cuò)誤是觀(guān)察員對(duì)災(zāi)情態(tài)勢(shì)研判不清、認(rèn)識(shí)不夠所產(chǎn)生的誤差。

3.3 不安全監(jiān)督

在大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，任務(wù)的安全監(jiān)督是機(jī)長(zhǎng)的基本責(zé)任，機(jī)組的駕駛員和觀(guān)察員也有對(duì)機(jī)長(zhǎng)的決策提供參考的責(zé)任，出現(xiàn)險(xiǎn)情和安全隱患應(yīng)馬上向機(jī)長(zhǎng)報(bào)告。安全監(jiān)督出現(xiàn)的差錯(cuò)主要包括監(jiān)督不充分和未糾正問(wèn)題。首先，機(jī)長(zhǎng)是執(zhí)行任務(wù)的總體把關(guān)者，如果不能履行安全監(jiān)督要求和規(guī)程，對(duì)駕駛員和觀(guān)察員執(zhí)飛時(shí)的不安全行為沒(méi)有立即糾正，那么整個(gè)救援任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中安全隱患始終伴隨，最終釀成損失。其次，機(jī)長(zhǎng)履行職責(zé)發(fā)現(xiàn)隱患并指出問(wèn)題，但對(duì)于隱患和錯(cuò)誤整改后的結(jié)果沒(méi)有驗(yàn)收確認(rèn)，此類(lèi)做法履行了一定的監(jiān)督責(zé)任，但依舊沒(méi)有將安全隱患根除（如圖1所示）：

圖1 影響無(wú)人機(jī)救援效能的因素

4.提升無(wú)人機(jī)救援效能的對(duì)策

根據(jù)上述分析，在應(yīng)急救援過(guò)程中影響多旋翼無(wú)人機(jī)救援效能的主要因素是技術(shù)因素和人為因素。為了提升無(wú)人機(jī)救援效果，不僅需要大力加強(qiáng)測(cè)繪地理信息等高新技術(shù)的應(yīng)用，而且要努力降低機(jī)組成員的人為錯(cuò)誤，提升綜合素質(zhì)，并實(shí)現(xiàn)人與技術(shù)的深度融合，從而建立高效協(xié)同的指揮救援體系，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)合一”。

4.1 對(duì)測(cè)繪地理信息技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用

為了支撐建設(shè)協(xié)同的應(yīng)急救援體系，實(shí)時(shí)獲取基于北斗定位的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)高精度三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)并建立數(shù)字孿生救援一張圖，對(duì)災(zāi)害環(huán)境進(jìn)行智能地理信息分析是十分關(guān)鍵的工作。所以，有必要在多旋翼無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)上深入集成已有的測(cè)繪地理利息技術(shù)，并與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能、數(shù)字孿生、元宇宙等新技術(shù)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新融合，建立基于測(cè)繪地理信息技術(shù)的無(wú)人機(jī)協(xié)同指揮體系。通過(guò)無(wú)人機(jī)獲取現(xiàn)場(chǎng)的傾斜影像數(shù)據(jù)，快速生成實(shí)景三維模型和災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)地形圖；通過(guò)地理視頻融合技術(shù)，將空中拍攝的視頻與地形圖進(jìn)行融合；通過(guò)高光譜熱成像技術(shù)，智能分析災(zāi)害點(diǎn)，減少人工干預(yù)，提供決策的自動(dòng)化和智能化水平。基于以上技術(shù)，將無(wú)人機(jī)系統(tǒng)接入指揮中心調(diào)度體系，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況動(dòng)態(tài)生成危機(jī)應(yīng)對(duì)方案和應(yīng)急資源調(diào)配方案，為靈活指揮和決策提供輔助手段。

4.2 提升機(jī)組綜合能力

4.2.1 人為錯(cuò)誤的規(guī)避

雖然消防救援無(wú)人機(jī)尚沒(méi)有較權(quán)威的飛行事故原因分析，通過(guò)借鑒Wiegmannhe Shappell在《飛行事故分析中的人為錯(cuò)誤：人的因素分析與分類(lèi)系統(tǒng)》中針對(duì)飛行事故的人為因素分析提出了人的因素分析與分類(lèi)系統(tǒng)（Human Factors Analytics and Classfication System,HFACS）[4]，從環(huán)境和個(gè)人兩個(gè)方面來(lái)看：（1）盡可能保證機(jī)組人員的工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定；（2）確保無(wú)人機(jī)的性能穩(wěn)定性，同時(shí)也需要通過(guò)后期的維護(hù)保養(yǎng)等提高其穩(wěn)定性和使用時(shí)限；（3）機(jī)組成員確保自己生理、心理、精神都處于較好的狀態(tài)，否則應(yīng)由其他人代替；（4）注重機(jī)組成員職權(quán)梯度的配置，即不要將資歷、職位、技術(shù)都很高的機(jī)長(zhǎng)與資歷、職位、技術(shù)較低的駕駛員和觀(guān)察員搭配為一個(gè)機(jī)組，造成職權(quán)梯度過(guò)于陡峭。同時(shí)也不能將資歷、職位、技術(shù)幾近相同的人劃分到同一機(jī)組，容易造成決策分歧。

4.2.2 建立專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)認(rèn)證機(jī)制

首先，各地消防救援隊(duì)伍應(yīng)當(dāng)積極與地方有資質(zhì)的無(wú)人機(jī)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作，建立聯(lián)訓(xùn)機(jī)制，通過(guò)組織指戰(zhàn)員集中培訓(xùn)，將偵檢、建模、拋投等功能荷載的培訓(xùn)學(xué)習(xí)分階段納入無(wú)人機(jī)駕駛培訓(xùn)課程中，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)駕駛員培訓(xùn)周期化、常態(tài)化、制度化。其次，要完善無(wú)人機(jī)駕駛員認(rèn)證制度，使其同時(shí)具有操作無(wú)人機(jī)駕駛和相應(yīng)功能荷載兩大技術(shù)，并在應(yīng)急管理職能機(jī)構(gòu)中建立相應(yīng)的認(rèn)證機(jī)制，使資格證書(shū)在隊(duì)伍中通用。最后，建立健全激勵(lì)和退出機(jī)制，包括資格重評(píng)，對(duì)于獲得認(rèn)證人員給予津貼補(bǔ)助制度，鼓勵(lì)其獲得更高級(jí)別的資質(zhì)證書(shū)，如駕駛員教員和飛行設(shè)備維護(hù)資質(zhì)；對(duì)不合格人員予以淘汰或換崗。在隊(duì)伍中適當(dāng)增加無(wú)人機(jī)駕駛員人才編制人數(shù)，并且鼓勵(lì)技術(shù)人才大膽創(chuàng)新，開(kāi)展技術(shù)裝備革新。

4.2.3 強(qiáng)化無(wú)人機(jī)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用

當(dāng)前無(wú)人機(jī)的演練和實(shí)戰(zhàn)之間依然存在斷層，雖然駕駛員在日常演練中操作能力較強(qiáng)，但是在實(shí)戰(zhàn)中卻容易失誤。因此，要加強(qiáng)無(wú)人機(jī)在實(shí)戰(zhàn)條件下的模擬演練：一是要提前建模，面對(duì)轄區(qū)內(nèi)的復(fù)雜區(qū)域和重點(diǎn)建筑，提前做好數(shù)據(jù)采集和建模，定期進(jìn)行針對(duì)性的熟悉和數(shù)據(jù)更新；二是可由應(yīng)急管理部門(mén)牽頭建立無(wú)人機(jī)駕駛員培訓(xùn)基地，盡可能模擬真實(shí)的災(zāi)害場(chǎng)景和環(huán)境，定期組織集中培訓(xùn)及考核；三是要進(jìn)行區(qū)域性乃至全國(guó)性的無(wú)人機(jī)機(jī)組救援能力大比武，以賽促訓(xùn)，借此了解各地的資質(zhì)、水平、擅長(zhǎng)領(lǐng)域，真正有效激勵(lì)駕駛員提升自身技術(shù)水平，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)培訓(xùn)的主動(dòng)性和積極性。

5.結(jié)束語(yǔ)

多旋翼無(wú)人機(jī)由于其便捷性和靈活性等原因在應(yīng)急救援中被廣泛使用。當(dāng)前的無(wú)人機(jī)救援中，測(cè)繪地理信息技術(shù)發(fā)揮了不可替代的作用，這些技術(shù)包含三維地理建模技術(shù)、無(wú)人機(jī)視頻與3D地理信息融合技術(shù)、多光譜遙感成像技術(shù)等。為了綜合提升無(wú)人機(jī)救援效能，需要持續(xù)提升測(cè)繪地理信息與機(jī)組的效能，打造一體化的指揮救援體系。