基于消防應(yīng)急救援的無人機(jī)集群系統(tǒng)研究

職雪剛 馬小東

摘要：為了有效提升消防救援隊(duì)伍的應(yīng)急救援能力，結(jié)合目前無人機(jī)的發(fā)展水平和應(yīng)急救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出消防專用無人機(jī)集群系統(tǒng)的概念，以期應(yīng)用在各類災(zāi)害事故的處置過程中，提高災(zāi)害事故救援效率，更大程度地保障消防人員安全。緊跟無人機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，多機(jī)種協(xié)同運(yùn)用，整合目前的偵察勘測(cè)、輔助救援、輔助滅火、通信組網(wǎng)等功能，系統(tǒng)化、精細(xì)化編組入群，針對(duì)無人機(jī)在消防應(yīng)急救援中的優(yōu)勢(shì)和問題，提出了相關(guān)可行性建議。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)集群系統(tǒng)；消防應(yīng)急救援；技術(shù)研發(fā)

中圖分類號(hào)：D631.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：2096-1227（2023）10-0023-03

1 消防專用無人機(jī)集群系統(tǒng)概念的提出

自2018年改制轉(zhuǎn)隸以來，消防救援隊(duì)伍從武警序列劃歸應(yīng)急救援體系，其本質(zhì)不僅是領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)和管理方式的轉(zhuǎn)變，更是隊(duì)伍本身應(yīng)對(duì)“全災(zāi)種、大應(yīng)急”職業(yè)化、專業(yè)化的發(fā)展要求，肩負(fù)應(yīng)急救援國(guó)家隊(duì)和主力軍的新使命，踐行消防救援隊(duì)伍“救民于水火，助民于危難，給人民以力量”的擔(dān)當(dāng)作為。近幾年全國(guó)各種災(zāi)害救援的需求量大幅增長(zhǎng)，同時(shí)救援人員犧牲的人數(shù)也不斷增加。這就意味著需要有智能性和專業(yè)性更強(qiáng)的設(shè)備，輔助人乃至代替人去執(zhí)行危險(xiǎn)性較大的任務(wù)。

無人機(jī)具有環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、測(cè)量精準(zhǔn)度高、機(jī)動(dòng)靈活、作業(yè)便捷、視野全面等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、科技、應(yīng)急等領(lǐng)域，一定程度上彌補(bǔ)了傳統(tǒng)消防救援的不足和短板。基于此，無人機(jī)搭載各種功能模塊在消防救援隊(duì)伍中迅速得到了普及，在各類大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)可以執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)偵查、高空喊話、航拍建模、信息收集、空中組網(wǎng)、系留照明、指揮調(diào)度以及火災(zāi)撲救等作業(yè)任務(wù)，在消防救援實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，一定程度上解決了目前的燃眉之急。無人機(jī)及相關(guān)技術(shù)正在飛速發(fā)展之中，但礙于隊(duì)伍自身職能特點(diǎn)，缺少專門的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，停留在單一功能的簡(jiǎn)單運(yùn)用，遇到復(fù)雜的災(zāi)情，不但會(huì)耗費(fèi)大量人力物力，其最終處置效能也不理想。行業(yè)內(nèi)剛剛興起的無人機(jī)集群，用一個(gè)“智能大腦”將多個(gè)無人機(jī)連接起來組成無人機(jī)集群，通過感知交互、信息傳遞和協(xié)同工作，使無人機(jī)集群成為自主式空中智能系統(tǒng)，可謂解決當(dāng)前消防救援困境的一劑良藥。

2 無人機(jī)集群系統(tǒng)可行性分析

現(xiàn)階段無人機(jī)集群系統(tǒng)多為單一機(jī)型或者幾種機(jī)型的簡(jiǎn)單組合。2015年，美國(guó)海軍研究辦公室的“蝗蟲”項(xiàng)目聚焦發(fā)展通過發(fā)射管將大量可進(jìn)行數(shù)據(jù)共享、自主協(xié)同的無人機(jī)快速連續(xù)發(fā)射至空中的技術(shù)，其中包括發(fā)射可攜帶不同任務(wù)載荷的郊狼（Coyote）無人機(jī)，并完成了9架無人機(jī)完全自主同步和編隊(duì)飛行的技術(shù)驗(yàn)證。2017年10月，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司完成119架固定翼無人機(jī)集群飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈，119架小型固定翼無人機(jī)成功演示了密集彈射起飛、空中集結(jié)、多目標(biāo)分組、編隊(duì)合圍、集群行動(dòng)等動(dòng)作。在2022年北京冬奧會(huì)開幕式之夜，由2022架無人機(jī)組成的集群以極富創(chuàng)意的3D動(dòng)態(tài)表演，在夜空中勾勒出漫天飛舞的雪花、冬奧會(huì)會(huì)徽以及“冰墩墩”和“雪容融”，給觀眾留下深刻印象。由此可見，集群的作用效果十分突出，接下來本文將從消防集群系統(tǒng)的硬件配置、軟件運(yùn)行入手，結(jié)合無人機(jī)機(jī)型的搭配、起飛平臺(tái)、相關(guān)算法要求，論證其可行性。

2.1? 硬件可行性分析

目前無人機(jī)搭載航測(cè)相機(jī)制作二維三維模型、搭載紅外探測(cè)儀進(jìn)行熱成像、搭載探照燈實(shí)現(xiàn)全方位照明等單體功能已在救援實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用，但在系統(tǒng)化集群的研發(fā)中，要立足整個(gè)系統(tǒng)總體功能，分模塊、具體化研發(fā)。例如專用滅火無人機(jī)集群，可從偵查模塊、破拆模塊、滅火模塊進(jìn)行優(yōu)化組合。專用水域救援無人機(jī)集群可從偵查模塊、搜救模塊、拋投模塊進(jìn)行搭配使用。

硬件方面需要考慮功能模塊對(duì)無人機(jī)在防水、載荷、飛行速度穩(wěn)定性等方面的要求。例如雨水天氣，大疆M300RTK搭載禪思H20T相機(jī)，其機(jī)身IP45防護(hù)，鏡頭IP44防護(hù)，可嘗試進(jìn)行作業(yè)。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)快速展開大范圍偵查、估測(cè)火勢(shì)，大疆御2無人機(jī)雙光模式下快速鎖定火點(diǎn)部位，大幅縮短火點(diǎn)排查時(shí)間及過火面積估算時(shí)間[1]。2022年9月5日四川省甘孜州瀘定縣發(fā)生6.8級(jí)地震，四川省通信管理局和應(yīng)急管理廳緊急調(diào)度騰盾科創(chuàng)雙尾蝎無人機(jī)飛赴受災(zāi)區(qū)域，馳援抗震救災(zāi)工作。在航管相關(guān)部門的大力支持下緊急完成空域協(xié)調(diào)，騰盾雙尾蝎無人機(jī)掛載光電偵察吊艙、空中基站設(shè)備，飛抵震中區(qū)域上空，啟動(dòng)災(zāi)情廣域巡查并實(shí)施公眾通信覆蓋任務(wù)，搶險(xiǎn)救災(zāi)指揮和受災(zāi)群眾手機(jī)通信陸續(xù)恢復(fù)。單個(gè)無人機(jī)搭載時(shí)可根據(jù)需要固化功能模塊選取專用功能無人機(jī)，滿足高的穩(wěn)定性需求，也可根據(jù)機(jī)型靈活替換不同功能模塊或者搭載多個(gè)功能模塊。

無人機(jī)起飛平臺(tái)建設(shè)中，多個(gè)省、市消防救援隊(duì)伍根據(jù)部消防救援局“兩項(xiàng)改革”工作以及“數(shù)字化通信保障隊(duì)伍”建設(shè)的要求開展，部分單位已完成搭建固定式起降平臺(tái)。在轄區(qū)內(nèi)高空監(jiān)測(cè)巡防全覆蓋，可兼顧周邊隊(duì)站部分轄區(qū)，并對(duì)轄區(qū)內(nèi)的居住小區(qū)、工業(yè)企業(yè)等開展日常消防安全巡查。下一步無人機(jī)機(jī)場(chǎng)控制平臺(tái)可以對(duì)接119智能接處警系統(tǒng)，消防指揮中心對(duì)所屬隊(duì)站下達(dá)出動(dòng)命令，無人機(jī)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收警情地理信息GIS坐標(biāo)信息，無人機(jī)與轄區(qū)隊(duì)站車輛同步出動(dòng)，實(shí)時(shí)將行進(jìn)途中無人機(jī)畫面?zhèn)鬏斨辽霞?jí)消防指揮中心和轄區(qū)單位指揮員。

同時(shí)，車載無人機(jī)起飛平臺(tái)也已展開了應(yīng)用，單個(gè)無人機(jī)起飛平臺(tái)在各個(gè)行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用比較廣泛。李青松、陳維[2]提出了無人機(jī)與巡防車結(jié)合助建智慧街面巡防體系。山東電友電力科技有限公司在封閉的巡檢車內(nèi)安裝機(jī)巢，無人機(jī)由巡檢車尾部放飛，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)起降、自動(dòng)作業(yè)、自動(dòng)充電、多機(jī)協(xié)同控制和遠(yuǎn)程指揮等功能，有效提高無人機(jī)自主巡檢效率。未來解決定位精度、導(dǎo)航信號(hào)不穩(wěn)定等技術(shù)限制，將超越目前的移動(dòng)起降平臺(tái)，達(dá)到真正的移動(dòng)中起降的任務(wù)要求。

2.2? 軟件可行性分析

目前業(yè)內(nèi)無人機(jī)集群方面已運(yùn)用協(xié)同作戰(zhàn)算法，且在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)領(lǐng)域研究比較超前。王祥科[3]等人針對(duì)大規(guī)模固定翼無人機(jī)集群的編隊(duì)控制問題提出一種分層分組控制方案。通過建立控制架構(gòu)、劃分群組、設(shè)定機(jī)種角色，對(duì)各群組內(nèi)的長(zhǎng)機(jī)設(shè)計(jì)協(xié)同路徑跟隨控制律，實(shí)現(xiàn)各群組間的協(xié)同；對(duì)僚機(jī)設(shè)計(jì)控制律以跟隨其所在群組的長(zhǎng)機(jī)，使其與長(zhǎng)機(jī)保持期望的相對(duì)位置且朝向一致，利用仿真系統(tǒng)對(duì)100架固定翼無人機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。

飛思實(shí)驗(yàn)室針對(duì)大規(guī)模無人機(jī)集群應(yīng)用推出集中式控制和分布式控制2種集群方案。集中式控制無人機(jī)集群采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)高帶寬數(shù)據(jù)鏈，針對(duì)不同的載荷和應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)最大30架無人機(jī)控制。由地面控制站中的操作人員制定任務(wù)分配方案和無人機(jī)具體飛行航路，無人機(jī)本身不具備決策能力，完全按照地面控制站發(fā)出的任務(wù)指令和航路執(zhí)行任務(wù)。分布式控制體系無人機(jī)集群中的無人機(jī)是具有獨(dú)自決策能力的智能體，它們具有很強(qiáng)的協(xié)同能力和自治性。無人機(jī)之間以自組網(wǎng)高帶寬數(shù)據(jù)鏈技術(shù)為支撐，無人機(jī)之間對(duì)所處環(huán)境、任務(wù)目標(biāo)集信息、無人機(jī)狀態(tài)信息進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)協(xié)同任務(wù)分配、協(xié)同搜索、協(xié)同偵察與攻擊。

在復(fù)雜的對(duì)抗戰(zhàn)爭(zhēng)中無人機(jī)集群已經(jīng)嶄露頭角，成為兵家必備的法寶。在相對(duì)平和的應(yīng)急救援領(lǐng)域無人機(jī)發(fā)揮作用更可謂信手拈來。一方面應(yīng)急救援領(lǐng)域排除了復(fù)雜、強(qiáng)烈的軍事對(duì)抗性，又遠(yuǎn)小于軍事領(lǐng)域的規(guī)模，難度大大降低。另一方面與軍事領(lǐng)域的去中心化、自主化、自治化不同，在應(yīng)急救援領(lǐng)域中統(tǒng)一的調(diào)度指揮平臺(tái)更適合，人在其中控制、處理一些關(guān)鍵信息，運(yùn)算量會(huì)大大減少。例如在偵察無人機(jī)返回后，得到著火點(diǎn)位置及周邊初步影像圖，需不需要再次調(diào)派無人機(jī)、調(diào)派何種無人機(jī)制作更詳細(xì)的三維現(xiàn)場(chǎng)圖，有經(jīng)驗(yàn)的指揮人員視情進(jìn)行判斷即可。故根據(jù)現(xiàn)有的算法變更移植或者開發(fā)新的算法專用于應(yīng)急救援，在理論上、實(shí)踐上都具有可行性。

3 無人機(jī)集群系統(tǒng)特點(diǎn)

3.1? 集群性

在自然界中，為彌補(bǔ)個(gè)體能力的不足，諸多種群都能通過個(gè)體相互之間交流和合作呈現(xiàn)出某種群體行為，比如候鳥聚集遷徙、蜜蜂協(xié)同分工、魚群的結(jié)群游弋等。無人機(jī)集群正是借助集群內(nèi)局部的信息交換以及頭雁的領(lǐng)航作用。整個(gè)系統(tǒng)可以成為有序集結(jié)、統(tǒng)一調(diào)度執(zhí)行全局任務(wù)的無人機(jī)集群系統(tǒng)。

3.2? 多樣性

立足整個(gè)集群系統(tǒng)，考慮指揮調(diào)度平臺(tái)的兼容性，針對(duì)災(zāi)害特點(diǎn)、作戰(zhàn)階段的任務(wù)分工配備各種不同機(jī)型的無人機(jī)。例如火情偵察階段，調(diào)派紅外偵察、雙光偵察無人機(jī)，視火災(zāi)具體類型調(diào)度氣體偵檢無人機(jī)；大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)保持無人機(jī)持續(xù)對(duì)整個(gè)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)影像的監(jiān)測(cè)，后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，查找倒塌、爆炸等潛在危險(xiǎn)點(diǎn)；火場(chǎng)破拆、救人時(shí)，利用破拆無人機(jī)對(duì)一些特定的玻璃幕墻等障礙物進(jìn)行破拆，打通救生通道；火災(zāi)撲救中，調(diào)派搭載滅火藥劑的大荷載無人機(jī)進(jìn)行輔助滅火；在夜晚救援時(shí)，調(diào)派系留照明無人機(jī)進(jìn)行輔助照明。

3.3? 統(tǒng)一性

在大型災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)中通常都是多個(gè)單位協(xié)同作戰(zhàn)，如果無人機(jī)不能統(tǒng)一管理，可能會(huì)出現(xiàn)無人機(jī)滿天飛資源重復(fù)浪費(fèi)，甚至出現(xiàn)相互干擾炸機(jī)的情況。實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的統(tǒng)一管理，這里說的統(tǒng)一是指所有的無人機(jī)都在統(tǒng)一的調(diào)度平臺(tái)下進(jìn)行作業(yè)，平臺(tái)集無人機(jī)集群調(diào)度、數(shù)據(jù)分析、圖像處理于一體。指揮員根據(jù)平臺(tái)呈現(xiàn)的災(zāi)情信息、被困人員數(shù)量、災(zāi)害整體情況等關(guān)鍵信息，靈活調(diào)整調(diào)度方案，精確實(shí)施救援，以智能化為基礎(chǔ)，統(tǒng)一性管理為核心，達(dá)到高效能的作戰(zhàn)目的。

4 無人機(jī)集群系統(tǒng)應(yīng)用

近年來，應(yīng)急救援領(lǐng)域大型災(zāi)害事故主要集中在高、地、大、化類火災(zāi)，以及地震、洪澇、山火等自然災(zāi)害，前者類型復(fù)雜，后者涉及范圍廣，其結(jié)果往往救援難度大、處置時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)十天。無人機(jī)集群系統(tǒng)根據(jù)自身集群性、多樣性、統(tǒng)一性，很大程度上能突破應(yīng)急救援發(fā)展的瓶頸。

4.1? 火災(zāi)方面的應(yīng)用

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各地高層建筑越來越多，基于高層建筑的火災(zāi)場(chǎng)景，火災(zāi)特點(diǎn)有：濃煙較大、火勢(shì)猛烈、蔓延迅速、疏散困難、易形成立體火災(zāi)、玻璃幕墻碎裂下落造成人員傷亡、撲救難度大等。這就要求消防救援隊(duì)伍能夠迅速偵察火情并根據(jù)火情態(tài)勢(shì)展開救援，縮減救援時(shí)間，最大限度保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全。結(jié)合火災(zāi)的特點(diǎn)和偵查需求，無人機(jī)群在移動(dòng)起降平臺(tái)的輔助下，可以提前起飛無人機(jī)，突破時(shí)間、空間上的限制，在人員未到達(dá)火場(chǎng)之前展開火場(chǎng)偵察，根據(jù)系統(tǒng)反饋的關(guān)鍵信息判斷火勢(shì)發(fā)展方向，指揮員在行進(jìn)途中進(jìn)行人員和裝備部署，制定滅火方案；滅火期間無人機(jī)可以輔助滅火、現(xiàn)場(chǎng)偵查監(jiān)測(cè)，從而提高滅火工作效率，減少救援人員的傷亡，切實(shí)為指戰(zhàn)員的生命安全做好不間斷的守護(hù)。

4.2? 搶險(xiǎn)救援方面的應(yīng)用

重大災(zāi)害往往具有發(fā)生突然、擴(kuò)散迅速、危害范圍廣的特點(diǎn)，因而決定了應(yīng)急救援行動(dòng)必須做到傳遞事故信息準(zhǔn)確、開展救援活動(dòng)迅速和應(yīng)急救援行動(dòng)有效。以“河南鄭州7·20特大暴雨災(zāi)害事件”為背景，模擬無人機(jī)集群系統(tǒng)集群作用力。在交通癱瘓、電力網(wǎng)絡(luò)中斷情況下，無人機(jī)集群系統(tǒng)在初戰(zhàn)階段，通過高空偵察評(píng)估洪水流向?yàn)榫仍藛T選擇合適的行進(jìn)路線，同時(shí)搭載自組網(wǎng)設(shè)備快速搭建各個(gè)區(qū)域的移動(dòng)基站，確保居民移動(dòng)設(shè)備的正常運(yùn)行，助力各個(gè)應(yīng)急部門在緊急情況下的通信正常運(yùn)行；偵查階段，分區(qū)域?qū)Ω髯愿采w的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大規(guī)模的二維、三維模型圖像采集，為指揮部掌握災(zāi)害整體情況和進(jìn)一步的部署指揮做參考；在救援階段中，遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)拋投、緊急運(yùn)送物資、安撫被困人員；全程信息共享、資源的統(tǒng)一調(diào)度，大大提高了任務(wù)的安全性和高效性。

5 無人機(jī)集群系統(tǒng)發(fā)展前景

目前無人機(jī)的發(fā)展面臨著諸多困境，存在著續(xù)航瓶頸、通信系統(tǒng)、避障技術(shù)等問題。集群意味著多個(gè)個(gè)體可以相互補(bǔ)充、信息共享，在短續(xù)航的情況下多架無人機(jī)順序作業(yè)完成大規(guī)模的偵察、測(cè)量任務(wù)；同一時(shí)間空域內(nèi)多架無人機(jī)形成自組成網(wǎng)，延伸了通信范圍、加強(qiáng)了局域網(wǎng)內(nèi)的信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，面對(duì)無人機(jī)指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)帶來的同頻干擾，有效降低了干擾；同時(shí)相互之間共享位置環(huán)境信息，可以一定程度上緩解避障技術(shù)的困境。

集群系統(tǒng)勢(shì)必將成為未來無人機(jī)一種發(fā)展趨勢(shì)，在人工智能技術(shù)的影響下，不管是單個(gè)無人機(jī)的智能程度，還是整體的協(xié)助緊密，都將大幅度提升，可以實(shí)現(xiàn)1+1＞2的效能放大作用。在人類主導(dǎo)下實(shí)施的動(dòng)作行為將大幅縮減，更多的將是智能體的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。集群系統(tǒng)將會(huì)融入更多的傳感器[4]，提供目標(biāo)的可見光信息、電磁輻射信息、紅外信息等更全面信息。目前，這些信息大多數(shù)通過通信鏈路回傳至地面控制站進(jìn)行處理，無線鏈路在大數(shù)據(jù)量的情況下必然導(dǎo)致速度慢、質(zhì)量不好把握。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展及硬件運(yùn)算能力的提高，未來單個(gè)無人機(jī)有望完成信息整合，提供更加直觀的目標(biāo)信息，從而減少數(shù)據(jù)通信量，減少平臺(tái)負(fù)擔(dān)，提高整體運(yùn)行效率。

6 結(jié)語

本文根據(jù)消防應(yīng)急救援現(xiàn)狀，提出了利用無人機(jī)集群系統(tǒng)解決應(yīng)急救援瓶頸的問題，結(jié)合目前無人機(jī)發(fā)展情況論述了消防專用無人機(jī)集群的在硬件、軟件上的要求及實(shí)現(xiàn)的可行性，概括了消防無人機(jī)集群系統(tǒng)的特點(diǎn)，給出了無人機(jī)集群在解決具體災(zāi)害類型中的應(yīng)用價(jià)值。在此基礎(chǔ)上展望了未來無人機(jī)集群的發(fā)展趨勢(shì)，期望能夠?qū)ξ磥頍o人集群系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

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Research on Unmanned Aircraft Cluster System Based on Firefighting Emergency Rescue

Zhi Xuegang，Ma Xiaodong

（Hubei Provincial Fire and Rescue Brigade Emergency Communication and Vehicle Service Section，Hubei Wuhan 430060）

Abstract： In order to effectively enhance the emergency rescue capability of the fire rescue team， combined with the current level of development of UAVs and the current status of their application in emergency rescue， the concept of firefighting-specific UAV cluster system is put forward， with a view to applying it in the process of dealing with various types of disaster accidents， improving the efficiency of rescue in disaster accidents， and safeguarding the safety of firefighters to a greater extent. Keeping up with the current development of UAVs， multi-aircraft synergistic application， integrating the current functions of reconnaissance and survey， auxiliary rescue， auxiliary firefighting， and communication networking， systematizing and refining the grouping into clusters， relevant feasible suggestions are put forward for the advantages and problems of UAVs in firefighting emergency rescue.

Keywords： UAV cluster system; fire emergency rescue; technology development