無(wú)人機(jī)在消防救援中的科學(xué)應(yīng)用探討

蔣旭洲

（上海市保安服務(wù)（集團(tuán)）有限公司，上海 200051）

0 引言

起初，我國(guó)的無(wú)人機(jī)消防設(shè)施主要用于監(jiān)測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，提供空中圖像和視頻傳輸。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)消防逐漸實(shí)現(xiàn)了煙霧探測(cè)、熱成像、氣體監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)功能，通過(guò)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和自主飛行，消防人員可以迅速了解火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情況，實(shí)時(shí)收集大量數(shù)據(jù)，輔助決策和指揮。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還能將救援裝備和物資精確投送至相關(guān)地點(diǎn)，提高了救援效率和安全性。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)的融合，無(wú)人機(jī)消防可以進(jìn)行自主路徑規(guī)劃和目標(biāo)識(shí)別，進(jìn)一步提升了應(yīng)急響應(yīng)的能力。

1 無(wú)人機(jī)概述

1.1 無(wú)人機(jī)含義

無(wú)人機(jī)是指無(wú)人駕駛飛行器，通過(guò)自主飛行控制技術(shù)和先進(jìn)傳感器技術(shù)執(zhí)行任務(wù)。無(wú)人機(jī)由飛行器、控制系統(tǒng)和地面站組成。飛行器包括機(jī)身、翼、旋翼等，控制系統(tǒng)包括導(dǎo)航、通信和傳感器，地面站用于遠(yuǎn)程操作和數(shù)據(jù)處理。

1.2 無(wú)人機(jī)分類

無(wú)人機(jī)在消防救援中的分類可以基于動(dòng)力能源和氣動(dòng)布局進(jìn)行劃分，根據(jù)動(dòng)力能源，無(wú)人機(jī)可分為電動(dòng)、燃?xì)夂突旌蟿?dòng)力無(wú)人機(jī)。電動(dòng)無(wú)人機(jī)使用電池或電動(dòng)馬達(dá)作為動(dòng)力來(lái)源，具有低噪音、環(huán)保和快速響應(yīng)的特點(diǎn)；燃?xì)鉄o(wú)人機(jī)則采用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，具備長(zhǎng)航時(shí)和較大載荷能力；混合動(dòng)力無(wú)人機(jī)結(jié)合了電動(dòng)和燃?xì)鈩?dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，平衡了航程和負(fù)載的需求。按氣動(dòng)布局，無(wú)人機(jī)可分為固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和垂直起降無(wú)人機(jī)，固定翼無(wú)人機(jī)采用傳統(tǒng)飛機(jī)形態(tài)，適用于長(zhǎng)距離巡航和廣域搜索[1]；旋翼無(wú)人機(jī)通過(guò)旋翼產(chǎn)生升力，具備垂直起降和懸停能力，適用于近距離偵察和搜救任務(wù)；垂直起降無(wú)人機(jī)結(jié)合了固定翼和旋翼的優(yōu)勢(shì)，可快速響應(yīng)且具備長(zhǎng)航程能力。這些分類基于動(dòng)力能源和氣動(dòng)布局，每種類型的無(wú)人機(jī)都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)景，能提供多樣化的救援解決方案。

1.3 無(wú)人機(jī)在消防救援中的應(yīng)用原理

無(wú)人機(jī)具備靈活的飛行能力，能夠進(jìn)入人類難以到達(dá)或存在風(fēng)險(xiǎn)的高樓、森林或危險(xiǎn)環(huán)境等區(qū)域，小型機(jī)身和操縱的機(jī)動(dòng)性使其能夠在狹小空間中自由飛行，進(jìn)入受限區(qū)域進(jìn)行偵察、搜救和監(jiān)測(cè)任務(wù)。此外，無(wú)人機(jī)的可控性使操作員能夠通過(guò)地面站實(shí)時(shí)控制其飛行路徑、速度、高度和姿態(tài)等參數(shù)。這種實(shí)時(shí)控制能力使消防人員能夠根據(jù)需要調(diào)整無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，并進(jìn)行優(yōu)化。通常在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，無(wú)人機(jī)還會(huì)搭載高分辨率攝像頭、紅外傳感器和煙霧探測(cè)器等各種傳感器和設(shè)備，用于獲取關(guān)鍵信息，這些數(shù)據(jù)和圖像可為消防人員提供火勢(shì)評(píng)估、火源定位和被困人員搜救的全面、準(zhǔn)確支持。例如，紅外傳感器可探測(cè)火源熱點(diǎn)，幫助確定火勢(shì)蔓延和煙霧產(chǎn)生的位置；攝像頭提供實(shí)時(shí)圖像和視頻，消防人員可通過(guò)這些視覺信息，了解火場(chǎng)擴(kuò)散、建筑結(jié)構(gòu)和通道阻塞情況。

2 無(wú)人機(jī)在消防救援應(yīng)用中的技術(shù)要求

2.1 可靠性

可靠性是保證無(wú)人機(jī)在關(guān)鍵時(shí)刻順利執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵因素。首先，無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)和材料必須具備高強(qiáng)度和耐久性，以應(yīng)對(duì)惡劣的環(huán)境條件和緊急情況。無(wú)人機(jī)只有配備先進(jìn)的傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，才能夠?qū)崟r(shí)獲取周圍環(huán)境的火情狀況、煙霧濃度、溫度等數(shù)據(jù)，以便及時(shí)作出決策。其次，無(wú)人機(jī)的通信系統(tǒng)必須穩(wěn)定可靠，能夠與指揮中心或其他救援人員進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)傳輸，還要保證有高效的電池或燃料供應(yīng)系統(tǒng)，以供其長(zhǎng)時(shí)間飛行和持續(xù)工作。同時(shí)，無(wú)人機(jī)還應(yīng)具備自主導(dǎo)航和避障能力，能夠準(zhǔn)確識(shí)別和躲避障礙物，確保飛行的穩(wěn)定性和安全性[2]。最后，要給無(wú)人機(jī)配備可靠的故障診斷和自動(dòng)修復(fù)系統(tǒng)，自主檢測(cè)并解決一些常見故障，避免任務(wù)中斷或飛行事故的發(fā)生。

2.2 操控性

雖然無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中不搭載駕駛員，但其操作和應(yīng)用仍需依賴地面人員，操作員要能夠及時(shí)對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制，以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況和變化的環(huán)境條件，無(wú)人機(jī)的操縱桿、遙控器或其他操控設(shè)備需要具備靈敏的響應(yīng)機(jī)制，能夠精確轉(zhuǎn)換操作員的指令，并將其傳達(dá)給無(wú)人機(jī)。由于消防滅火救援任務(wù)通常需要無(wú)人機(jī)在復(fù)雜空間環(huán)境中進(jìn)行懸停、飛行和定點(diǎn)操作，操控性良好的無(wú)人機(jī)應(yīng)具備穩(wěn)定的飛行特性，能夠在風(fēng)力、氣流等外部干擾下保持平穩(wěn)飛行，還要有高精度的定位和導(dǎo)航能力，以確保無(wú)人機(jī)能夠精確地到達(dá)目標(biāo)位置并執(zhí)行任務(wù)。

2.3 穩(wěn)定性

在消防救援任務(wù)中，無(wú)人機(jī)可能面臨高樓大廈、狹小空間、強(qiáng)風(fēng)等復(fù)雜的環(huán)境和飛行條件。因此，無(wú)人機(jī)需要具備出色的飛行穩(wěn)定性，以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。其飛行控制系統(tǒng)必須能夠?qū)崟r(shí)感知飛行狀態(tài)，并對(duì)姿態(tài)、速度、高度等參數(shù)作出相應(yīng)調(diào)整，以保持平穩(wěn)飛行。無(wú)人機(jī)還應(yīng)具備高精度的慣性測(cè)量單元（IMU）和飛行控制算法，以實(shí)現(xiàn)精確的飛行姿態(tài)控制。合理的機(jī)身布局、翼面形狀以及推進(jìn)系統(tǒng)配置都能減小飛行時(shí)的空氣動(dòng)力干擾，提高飛行穩(wěn)定性。此外，配備可調(diào)節(jié)的副翼、舵面等飛行控制舵面或穩(wěn)定裝置，可以在飛行過(guò)程中實(shí)時(shí)校正無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，從而增強(qiáng)其穩(wěn)定性。慣性測(cè)量單元（IMU）和陀螺儀等傳感器也可以實(shí)時(shí)檢測(cè)無(wú)人機(jī)的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，為飛行控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)反饋，多重技術(shù)結(jié)合使用，可以提高無(wú)人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和安全性。

2.4 集成兼容性

在真實(shí)的消防救援場(chǎng)景下，無(wú)人機(jī)通常會(huì)與其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)機(jī)，以接受指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一調(diào)配，意味著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)要有與消防車輛、監(jiān)控系統(tǒng)、通信設(shè)備等其他關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫連接和通信的能力。無(wú)人機(jī)還應(yīng)具備兼容多種傳感器和數(shù)據(jù)收集設(shè)備的能力，要能夠攜帶紅外攝像頭、煙霧探測(cè)器、熱成像設(shè)備等各種傳感器，以及時(shí)探測(cè)火災(zāi)和救援場(chǎng)景中的危險(xiǎn)情況，第一時(shí)間收集、處理和傳輸傳感器獲取的數(shù)據(jù)。由于要與地面指揮和控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和指令傳遞，無(wú)人駕駛航空器還要支持標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議與接口。

3 無(wú)人機(jī)在消防救援工作中的科學(xué)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 信息收集

無(wú)人機(jī)憑借高度的靈活性和較強(qiáng)的飛行能力，為消防人員提供了全方位的信息收集渠道，通過(guò)搭載各種傳感器和相機(jī)，可以實(shí)時(shí)獲取災(zāi)區(qū)的圖像和視頻數(shù)據(jù)，為消防人員提供了獨(dú)特的視角和全景視野，從而準(zhǔn)確地了解火災(zāi)的規(guī)模、位置和擴(kuò)散速度。例如，在天津港“8.12”爆炸事件后，無(wú)人機(jī)通過(guò)航拍方式收集了爆炸區(qū)域的實(shí)際情況，對(duì)該區(qū)進(jìn)行了深入分析，為火災(zāi)受損情況的評(píng)估提供了重要數(shù)據(jù)[3]。無(wú)人駕駛飛行器還可以搭載4G/5G通信技術(shù)，與救援指揮部和單兵設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連接，使其及時(shí)獲取無(wú)人機(jī)傳輸?shù)默F(xiàn)場(chǎng)信息，并結(jié)合真實(shí)狀態(tài)選擇合適的消防滅火救援方案，提升指揮人員和救援人員的現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)速度，使他們能夠根據(jù)火勢(shì)的變化及時(shí)調(diào)整救援方案。

3.2 災(zāi)情偵察

無(wú)人機(jī)能夠快速抵達(dá)并進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，不需要考慮操作人員的安全問(wèn)題，能夠提供災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的一手關(guān)鍵信息。在地震、洪水、山體滑坡等自然災(zāi)害中，無(wú)人機(jī)的航拍功能可以為救援人員提供全面的信息，并以俯瞰整體狀況的視角，捕捉細(xì)節(jié)并記錄災(zāi)情，幫助救援人員準(zhǔn)確了解災(zāi)害的特征和范圍。通過(guò)圖像和視頻傳輸，無(wú)人機(jī)可以實(shí)時(shí)向救援人員提供現(xiàn)場(chǎng)情況，幫助救援人員判斷災(zāi)情蔓延情況、災(zāi)害源位置和發(fā)展趨勢(shì)，從而采取針對(duì)性的措施，最大程度地減少損失和傷亡。此外，無(wú)人機(jī)還可以搭載各種傳感器和儀器，用于檢測(cè)和分析災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的有害氣體和化學(xué)物質(zhì)。例如，在化學(xué)泄漏事故中，無(wú)人機(jī)搭載的氣體監(jiān)測(cè)儀器可以幫助救援人員了解危險(xiǎn)物質(zhì)的濃度和分布情況，及早采取相應(yīng)的防護(hù)措施，確保救援人員的人身安全。

3.3 指揮調(diào)度

在無(wú)人駕駛飛行器的指揮調(diào)度過(guò)程中，操作人員運(yùn)用遙控設(shè)備對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)操控，將其引導(dǎo)至需要偵查和監(jiān)測(cè)的區(qū)域。除了傳統(tǒng)的高分辨率相機(jī)用于捕捉火源位置、燃燒程度以及潛在危險(xiǎn)源等細(xì)節(jié)信息外，還可以搭載各類專業(yè)傳感器以提供更多精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)時(shí)傳輸詳細(xì)數(shù)據(jù)到指揮部，為救援行動(dòng)的制定和執(zhí)行提供重要依據(jù)。然而，僅憑大量數(shù)據(jù)的積累并不足以實(shí)現(xiàn)高效的救援，指揮部還需要利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的高清圖像和視頻進(jìn)行智能分析，實(shí)現(xiàn)火源熱點(diǎn)、煙霧密集區(qū)和建筑結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息的自動(dòng)識(shí)別。智能識(shí)別能力賦予了消防救援中心更準(zhǔn)確的危害發(fā)展趨勢(shì)判斷能力，幫助相關(guān)人員及時(shí)調(diào)整救援策略，提高整個(gè)救援行動(dòng)的效率和安全性[4]。

3.4 輔助救援

在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，無(wú)人機(jī)可以迅速飛抵火場(chǎng)，并通過(guò)高清攝像頭捕捉火勢(shì)擴(kuò)散的實(shí)時(shí)情況，為指揮中心提供及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，幫助他們快速定位被困人員或火源，使救援人員能夠根據(jù)火勢(shì)的實(shí)際情況作出相應(yīng)的決策，制定更有效的救援方案。無(wú)人機(jī)還可以用于復(fù)雜地形或危險(xiǎn)環(huán)境中搜救受困人員，在山區(qū)或洪水災(zāi)害中，無(wú)人機(jī)可以通過(guò)飛行和懸停，搜索并發(fā)現(xiàn)被困的人員，將其準(zhǔn)確的位置信息傳輸給救援隊(duì)伍，縮短搜救時(shí)間，提高成功率。無(wú)人機(jī)靈活的機(jī)動(dòng)性和較低的風(fēng)險(xiǎn)，使其能夠進(jìn)入人類難以到達(dá)或存在危險(xiǎn)的區(qū)域，為救援行動(dòng)提供有力的支持。或者搭載搜救繩索或生命探測(cè)儀等救援裝備，實(shí)現(xiàn)自主投送和運(yùn)輸應(yīng)急物資，即使在救援人員無(wú)法到達(dá)的地點(diǎn)，無(wú)人機(jī)也能夠及時(shí)提供必要的支持和救援。

3.5 拓展應(yīng)用

無(wú)人機(jī)可以搭載各種通信設(shè)備，利用空中通信中繼站，建立臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)救援人員之間的持續(xù)聯(lián)絡(luò)、行動(dòng)協(xié)調(diào)以及救援效率的提升。首先，無(wú)人機(jī)能搭載高清攝像頭和紅外熱成像設(shè)備，快速搜索大面積區(qū)域，并利用圖像識(shí)別技術(shù)檢索被困人員。無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和靈活性使其能夠進(jìn)入狹小或危險(xiǎn)的地方，為救援行動(dòng)提供更加精準(zhǔn)的支持，通過(guò)實(shí)時(shí)圖像傳輸和數(shù)據(jù)分析，使救援人員準(zhǔn)確了解災(zāi)區(qū)狀況，迅速制定行動(dòng)計(jì)劃。其次，無(wú)人機(jī)還可以裝載氣體傳感器和空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火場(chǎng)煙霧濃度和化學(xué)氣體含量。不僅提供了火災(zāi)擴(kuò)散預(yù)警和安全評(píng)估報(bào)告，還能為消防指揮決策提供科學(xué)依據(jù)，救援人員可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)迅速調(diào)整救援策略，確保行動(dòng)的安全性和有效性。除了通信和搜索救援功能，無(wú)人機(jī)還可以配備其他專業(yè)裝置，例如攜帶醫(yī)療急救設(shè)備，為受傷人員提供緊急醫(yī)療援助，或進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，提供重要的科學(xué)數(shù)據(jù)支持，以評(píng)估災(zāi)害的規(guī)模和影響[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)在消防救援領(lǐng)域的科學(xué)應(yīng)用展現(xiàn)出巨大的潛力和發(fā)展前景，具有高空偵察、緊急物資運(yùn)送等功能，已經(jīng)成為救援行動(dòng)的有力后盾。當(dāng)自主飛行技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能技術(shù)在不斷優(yōu)化迭代的同時(shí)，無(wú)人駕駛飛行器的感知和決策能力也有了大幅增強(qiáng)，進(jìn)一步提高了火災(zāi)源定位和火勢(shì)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。無(wú)人機(jī)還可以利用無(wú)線通信和大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域的融合，推動(dòng)消防救援效率和響應(yīng)速度的提升[6-7]。未來(lái)，無(wú)人機(jī)有望扮演更重要的角色，為保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)做出巨大貢獻(xiàn)，為構(gòu)筑和諧社會(huì)提供技術(shù)支持。