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淺談多旋翼無(wú)人機(jī)在消防應(yīng)急系統(tǒng)中的應(yīng)用
2019年2月26日，由應(yīng)急管理部上海消防研究所舉辦的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)消防應(yīng)用綜合實(shí)戰(zhàn)演練在上海市消防總隊(duì)奉賢培訓(xùn)基地舉行，現(xiàn)場(chǎng)匯聚了來(lái)自全國(guó)各地消防總隊(duì)專(zhuān)家、消防裝備領(lǐng)域技術(shù)專(zhuān)家、消防研究所科研人員和無(wú)人機(jī)行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士、無(wú)人機(jī)行業(yè)協(xié)會(huì)和無(wú)人機(jī)企業(yè)以及專(zhuān)業(yè)媒體等380多人參加并觀(guān)摩此次演練活動(dòng)。這次活動(dòng)也是國(guó)內(nèi)首次舉辦的最大規(guī)模的消防無(wú)人機(jī)實(shí)戰(zhàn)演練，對(duì)于工業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)在消防和應(yīng)急救援領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有重要意義。
隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的日趨成熟和航空攝影技術(shù)的進(jìn)一步拓展，我國(guó)民用無(wú)人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，包括：攝影測(cè)量、應(yīng)急搶險(xiǎn)、消防救災(zāi)、公共安全、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與評(píng)估、城市規(guī)劃與市政管理、林火病蟲(chóng)害防護(hù)與監(jiān)測(cè)等。當(dāng)前，我國(guó)消防部隊(duì)面臨著日益復(fù)雜的滅火救援和社會(huì)救助形勢(shì)，對(duì)各類(lèi)地震救援、抗洪搶險(xiǎn)、山岳救助及大跨度或高層火災(zāi)等情況，傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)偵查手段的局限性已日益凸顯。如何有效實(shí)施消防預(yù)警和現(xiàn)場(chǎng)偵測(cè)，并迅速、準(zhǔn)確處置災(zāi)情顯得尤為重要。我國(guó)無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)及系統(tǒng)解決方案的成熟運(yùn)用，使得無(wú)人機(jī)平臺(tái)結(jié)合視頻、無(wú)線(xiàn)圖傳等監(jiān)控及傳送設(shè)備，通過(guò)空中對(duì)復(fù)雜地形和復(fù)雜結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行火災(zāi)隱患巡查、現(xiàn)場(chǎng)救援指揮、火情偵測(cè)及防控成為消防部隊(duì)新的選擇。
結(jié)合消防部隊(duì)的實(shí)戰(zhàn)需求，無(wú)人機(jī)的運(yùn)用可以解決以下四方面的問(wèn)題：
1、災(zāi)情偵查。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行災(zāi)情偵查，一是可以無(wú)視地形和環(huán)境，做到機(jī)動(dòng)靈活開(kāi)展偵查，特別是一些急難險(xiǎn)重的災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)，偵查小組無(wú)法開(kāi)展偵查的情況下，無(wú)人機(jī)能夠迅速展開(kāi)偵查。二是通過(guò)無(wú)人機(jī)偵查能夠有效提升偵查的效率，第一時(shí)間查明災(zāi)害事故的關(guān)鍵因素，以便指揮員作出正確決策。三是能夠有效規(guī)避人員傷亡，既能避免人進(jìn)入有毒、易燃易爆等危險(xiǎn)環(huán)境中，又能全面、細(xì)致掌握現(xiàn)場(chǎng)情況。
2、監(jiān)控追蹤。無(wú)人機(jī)的作用不僅僅局限在災(zāi)情偵查。消防部隊(duì)所面對(duì)的各類(lèi)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)往往瞬息萬(wàn)變，在災(zāi)害事故的處置過(guò)程中，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控追蹤，能夠提供精準(zhǔn)的災(zāi)情變化情況，便于各級(jí)指揮部及時(shí)掌握動(dòng)態(tài)災(zāi)害情況，從而作出快速、準(zhǔn)確的對(duì)策，最大限度地減少災(zāi)害損失。
3、輔助救援。利用無(wú)人機(jī)集成或者靈活攜帶關(guān)鍵器材裝備，能夠?yàn)槎喾N情況下的救援提供幫助：（1）為救援開(kāi)辟救援途徑。例如水上、山岳救援中，現(xiàn)有的拋投器使用環(huán)境和范圍均有很大的局限性，并且精準(zhǔn)度差，利用無(wú)人機(jī)輔助拋繩或是攜帶關(guān)鍵器材（如呼吸器、救援繩等），能夠?yàn)榫仍畡?chuàng)造新的途徑，開(kāi)辟救生通道，并且準(zhǔn)確、高效率。（2）集成通信設(shè)備，利用無(wú)人機(jī)擔(dān)當(dāng)通信中繼。例如在地震、山岳等有通信阻斷的環(huán)境下，利用無(wú)人機(jī)集成轉(zhuǎn)信模塊，充當(dāng)臨時(shí)轉(zhuǎn)信臺(tái)，從而使得極端環(huán)境下建立起無(wú)線(xiàn)通信的鏈路。（3）利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪。利用無(wú)人機(jī)集成航拍測(cè)繪模塊，將災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)的情況全部收錄并傳至現(xiàn)場(chǎng)指揮部，對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的地形等進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪，為救援的開(kāi)展提供有力支撐。
4、輔助監(jiān)督。利用航拍對(duì)高層及超高層建筑實(shí)現(xiàn)全面實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情隱患、消防現(xiàn)場(chǎng)火情實(shí)時(shí)控制、建筑消防檢查或現(xiàn)場(chǎng)火情圖像存儲(chǔ)、可將空中監(jiān)控視頻實(shí)時(shí)接入其他安防或消防監(jiān)控系統(tǒng)等。
一、設(shè)計(jì)思路
以某地消防支隊(duì)建設(shè)為例，為了較好的利用無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，提高消防工作效率，設(shè)計(jì)思路如下：
1、在某消防支隊(duì)管轄范圍內(nèi)出現(xiàn)火情的地區(qū)，應(yīng)急指揮車(chē)趕赴現(xiàn)場(chǎng)附近，無(wú)人機(jī)起飛偵查火情，圖像實(shí)時(shí)傳輸至操控手監(jiān)視器、指揮車(chē)及指揮中心；
2、為方便控制操作無(wú)人機(jī)及遠(yuǎn)距離接收實(shí)時(shí)航拍畫(huà)面，在轄區(qū)內(nèi)制高點(diǎn)架設(shè)無(wú)線(xiàn)遙控天線(xiàn)及圖傳接收天線(xiàn)，大大提高無(wú)人機(jī)的操控距離及無(wú)線(xiàn)圖傳距離；
3、無(wú)人機(jī)拍攝的畫(huà)面無(wú)線(xiàn)傳輸至轄區(qū)內(nèi)制高點(diǎn)，然后通過(guò)光纜等專(zhuān)網(wǎng)傳輸至指揮中心。
二、系統(tǒng)組成
1、無(wú)人機(jī)：包括無(wú)人機(jī)機(jī)體、攝像云臺(tái)組件、無(wú)線(xiàn)圖傳發(fā)射套件、手動(dòng)控制設(shè)備、地面站等。
2、應(yīng)急通信車(chē)：無(wú)線(xiàn)圖傳接收終端。
三、技術(shù)優(yōu)勢(shì)
由于采用了技術(shù)先進(jìn)的飛控平臺(tái)及前后臺(tái)視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，配合完善的飛行及地勤保障系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)可對(duì)地面實(shí)施完備的長(zhǎng)時(shí)間空中監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)較低的綜合成本對(duì)傳統(tǒng)手段無(wú)法涉足的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和輔助救援，其智能化和先進(jìn)性突出體現(xiàn)在巡查路徑規(guī)劃、智能分析、定點(diǎn)持續(xù)監(jiān)控、火情報(bào)警等，并且在制定應(yīng)急預(yù)案、建立快速響應(yīng)機(jī)制、現(xiàn)場(chǎng)火情存檔與取證等方面充分發(fā)揮技術(shù)防范手段的重要作用。
其技術(shù)優(yōu)勢(shì)有：
1、機(jī)動(dòng)靈活。小型無(wú)人機(jī)重量輕，依托飛行控件就可以對(duì)其進(jìn)行操控，只需要1~2人就可以完成此類(lèi)操作任務(wù)。在道路不暢，交通中斷的情況下，徒步就可以攜帶至災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)，且起飛條件很簡(jiǎn)單，對(duì)地形無(wú)要求，加上無(wú)人機(jī)攜帶方便，所以具有很強(qiáng)的靈活性。此外，無(wú)人機(jī)的飛行速度易于控制，轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)動(dòng)性好，可以靈活機(jī)動(dòng)控制飛行方向，機(jī)載攝像頭也可以跟蹤拍攝對(duì)象；無(wú)人機(jī)還能快速到達(dá)指定地點(diǎn)，反應(yīng)能力快捷，對(duì)環(huán)境和氣候條件也有很強(qiáng)適應(yīng)能力，在2014年西藏塔爾欽“神山”保障測(cè)試中，無(wú)人機(jī)在6級(jí)風(fēng)力下完成飛行任務(wù)，受陰雨天氣等條件限制比大型載人飛機(jī)要小的多；其起飛條件只需要幾平米空地，周?chē)鸁o(wú)突出障礙物即可，在低空作業(yè)時(shí)，受氣候條件限制非常小，獲取影像的速度非?？?，可在10公里范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠發(fā)揮偵查作用。
2、視野全面。無(wú)人機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超視距控制，從而具有很全面的視野，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，可以從不同角度、不同的距離在不同的光線(xiàn)條件下進(jìn)行作業(yè)。既可以實(shí)現(xiàn)在高空對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全局性拍攝，也可以調(diào)整距離和角度，按需抓拍對(duì)現(xiàn)場(chǎng)決策有重要幫助的關(guān)鍵因素。通過(guò)遠(yuǎn)程控制無(wú)人機(jī)和攝像頭，可以根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)采集并傳輸圖像，尤其是在低空飛行時(shí)，無(wú)人機(jī)跟蹤拍攝能力極強(qiáng)，使用機(jī)載攝像頭獲取的圖像分辨率很高，如果配備熱視等夜視功能攝像，其收錄的視頻將更加全面。這樣的方式為實(shí)現(xiàn)災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)空中監(jiān)控提供了有力保證，能有效提升消防部隊(duì)搶險(xiǎn)救援的偵查能力。
3、操作簡(jiǎn)單。從技術(shù)層面上看，無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)程視頻傳輸與控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和接口接入地面站，通過(guò)光纖接入指揮中心，因此，只需通過(guò)遙控?cái)z像機(jī)及其輔助設(shè)備（鏡頭、云臺(tái)等），就能直接觀(guān)看無(wú)人機(jī)的攝像頭實(shí)時(shí)視頻。通常，用戶(hù)只需通過(guò)遙控器來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的所有動(dòng)作，通過(guò)遠(yuǎn)程視頻傳輸與控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況一目了然，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、方便的全方位監(jiān)控；當(dāng)客戶(hù)端（包括PC和手機(jī)）在接入公網(wǎng)后，用戶(hù)可以通過(guò)PC、平板電腦或者是手機(jī)等多種形式的載體實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的控制。從應(yīng)用層面上看，無(wú)人機(jī)的實(shí)際操作也并不復(fù)雜，只要掌握好飛行、音視頻控制和其他兼容模塊的操作，便能發(fā)揮效能。
4、安全可靠。無(wú)論面對(duì)暴雨、高溫、臺(tái)風(fēng)、泥石流等惡劣的天氣環(huán)境；或者易燃易爆、塌陷、有毒等嚴(yán)重事故災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)；抑或山岳、峽谷、溝壑等極端地理環(huán)境，無(wú)人機(jī)技術(shù)能有效規(guī)避傳統(tǒng)滅火救援行動(dòng)中存在的短板，可確保消防官兵的自身安全。并能通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的跟拍、追蹤，為事故處置的指揮決策提供安全可靠的依據(jù)，能夠最大限度地控制災(zāi)情發(fā)展，減少災(zāi)情的損失，減少人員傷亡。
5、實(shí)時(shí)圖傳。無(wú)人機(jī)在對(duì)災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)拍攝的同時(shí)，利用COFDM無(wú)線(xiàn)圖傳技術(shù)，實(shí)時(shí)傳輸高清圖像至地面接收終端，傳輸視頻高達(dá)1080p畫(huà)質(zhì)。由于COFDM技術(shù)具備廣播式傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，無(wú)人機(jī)視頻可同時(shí)被指揮車(chē)、指揮中心、操控手微型便攜終端等多終端接收。
四、設(shè)計(jì)方案
1、設(shè)計(jì)概述
主要實(shí)現(xiàn)功能如下：
（1）災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)空中拍攝及錄像；
（2）現(xiàn)場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)傳輸至地面應(yīng)急指揮車(chē)。
功能實(shí)現(xiàn)框圖如下所示：
如上圖所示，執(zhí)行任務(wù)時(shí)，應(yīng)急車(chē)抵達(dá)事件現(xiàn)場(chǎng)附近，無(wú)人機(jī)起飛抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，航拍畫(huà)面通過(guò)無(wú)線(xiàn)圖傳傳輸至應(yīng)急車(chē)及制高點(diǎn)基站，基站接收?qǐng)D像接入光纜等有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈路向上傳輸至上級(jí)指揮中心。
制高點(diǎn)基站安裝有圖傳接收天線(xiàn)的同時(shí)，安裝有無(wú)線(xiàn)遙控天線(xiàn)，用以在指揮中心對(duì)無(wú)人機(jī)的遠(yuǎn)距離手動(dòng)操控。
2、系統(tǒng)框圖
3、系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）制高點(diǎn)基站安裝無(wú)線(xiàn)圖傳接收天線(xiàn)及無(wú)線(xiàn)遙控天線(xiàn)，提高無(wú)線(xiàn)圖傳接收范圍及遙控范圍；
（2）無(wú)人機(jī)可懸停拍攝，續(xù)航可達(dá)40分鐘以上；
（3）無(wú)人機(jī)高清無(wú)線(xiàn)圖傳，廣播式傳輸，包括操控手持接收端、基站接收端、應(yīng)急車(chē)接收端等多終端同步接收；
（4）無(wú)人機(jī)攝像云臺(tái)，選用高清攝像機(jī)；
（5）防雨云臺(tái)及機(jī)體設(shè)計(jì)，可全天候飛行。
五、市面上的消防無(wú)人機(jī)方案
1、深圳艾特的智能消防解決方案
2、華科爾的FE15消防滅火無(wú)人機(jī)
華科爾在行業(yè)應(yīng)用無(wú)人機(jī)領(lǐng)域再度發(fā)力，推出首款察打一體無(wú)人機(jī)——FE15消防滅火無(wú)人機(jī)，載重量大（最大可負(fù)載15公斤）、抗風(fēng)能力強(qiáng)、拋撒精度高，最大負(fù)載飛行時(shí)間可達(dá)30分鐘，能夠在復(fù)雜火情環(huán)境下遠(yuǎn)程發(fā)射滅火彈。FE15消防滅火無(wú)人機(jī)能夠同時(shí)攜帶30倍光學(xué)變焦相機(jī)和夜視瞄準(zhǔn)鏡，白天黑夜均能工作。在火情發(fā)生時(shí)，F(xiàn)E15能夠迅速到達(dá)指定樓層高度，勘察火情并投放滅火劑，為消防救援提供強(qiáng)有力的高空支持。根據(jù)華科爾的介紹稱(chēng)，F(xiàn)E15是高層建筑專(zhuān)用消防滅火無(wú)人機(jī)，采用折疊機(jī)身設(shè)計(jì)，超強(qiáng)負(fù)載與抗震顫設(shè)計(jì)，能快速抵達(dá)高層火場(chǎng)，利用高倍攝像機(jī)觀(guān)察火勢(shì)，并發(fā)射滅火彈的無(wú)人機(jī)。FE15消防滅火無(wú)人機(jī)采用紅外TOF技術(shù)，通過(guò)高精度傳感器打造的智能避障系統(tǒng)，能夠識(shí)別前面方向5m以外的障礙物并進(jìn)行剎車(chē)減速，防止因誤操作帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，保障飛行安全。
3、重慶國(guó)飛通用航空設(shè)備制造有限公司高層火災(zāi)快速撲救消防無(wú)人機(jī)
4、江蘇鴻鵠消防無(wú)人機(jī)精準(zhǔn)應(yīng)急救援方案
5、北京深遠(yuǎn)世寧的系留式消防無(wú)人機(jī)平臺(tái)
由上海消防研究所聯(lián)合北京深遠(yuǎn)世寧科技有限公司研制的RXR-XLZ-1型大載重，多功能，長(zhǎng)航時(shí)，高可靠性系留式消防無(wú)人機(jī)平臺(tái)在地震搜救，高層建筑救援，水域救援和山岳救助四個(gè)演練環(huán)節(jié)全程滯留在空中，承擔(dān)了災(zāi)害救援場(chǎng)景中的應(yīng)急通信中繼基站的功能，為現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)摩的專(zhuān)家和嘉賓留下了極為深刻的印象。據(jù)了解，該款消防系留無(wú)人機(jī)針對(duì)消防應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性在系留無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)上進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)。例如20公斤的大載重能力確保系留飛行平臺(tái)可以同時(shí)裝載多項(xiàng)消防任務(wù)載荷，同時(shí)開(kāi)展各種消防任務(wù)。系留無(wú)人機(jī)的全自動(dòng)收放線(xiàn)系統(tǒng)，保證消防系留無(wú)人機(jī)在最短時(shí)間完成升空部署工作。為了抗通信干擾，系留消防無(wú)人機(jī)平臺(tái)創(chuàng)新性地采用光纖通信傳輸模式，完全替代了傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)使用的圖傳和數(shù)傳設(shè)備，確保系留無(wú)人機(jī)在任何復(fù)雜電磁環(huán)境下都可以正常工作。另外針對(duì)消防救援人員便捷性使用要求，消防系留無(wú)人機(jī)平臺(tái)采用一鍵式操作方式，完全脫離傳統(tǒng)遙控器控制，極大簡(jiǎn)化了消防系留無(wú)人機(jī)使用的難度。
當(dāng)?shù)卣?，泥石流等自然?zāi)害發(fā)生時(shí)，災(zāi)區(qū)通訊基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，需要第一時(shí)間恢復(fù)災(zāi)區(qū)的通訊能力。采用消防式系留無(wú)人機(jī)搭載應(yīng)急通訊中繼站設(shè)備，在災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)快速建立移動(dòng)式空中通信基站，迅速恢復(fù)災(zāi)區(qū)應(yīng)急救援人員和災(zāi)區(qū)群眾與外界的通信，為災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)救援提供安全可靠的通信保障能力。系留式消防無(wú)人機(jī)平臺(tái)不僅可以攜帶中繼應(yīng)急通訊基站，而且還可以同時(shí)攜帶雙光光學(xué)吊艙，氣體探測(cè)設(shè)備，高空照明設(shè)備，空中喊話(huà)設(shè)備等多種消防任務(wù)載荷，在大型災(zāi)害事故的救援現(xiàn)場(chǎng)（如石化裝置、油罐區(qū)、高層建筑、大型倉(cāng)庫(kù)）和重大活動(dòng)的保衛(wèi)現(xiàn)場(chǎng)，執(zhí)行高清視頻采集、火災(zāi)蔓延態(tài)勢(shì)全天候監(jiān)控、氣體擴(kuò)散趨勢(shì)和蔓延范圍檢測(cè)、高空照明、高空喊話(huà)等多種消防作業(yè)，為消防及災(zāi)害救援現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急指揮決策提供實(shí)時(shí)的豐富可靠的數(shù)據(jù)支持。
