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淺談多旋翼無人機(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奉賢培訓(xùn)基地舉行，現(xiàn)場匯聚了來自全國各地消防總隊專家、消防裝備領(lǐng)域技術(shù)專家、消防研究所科研人員和無人機(jī)行業(yè)專業(yè)人士、無人機(jī)行業(yè)協(xié)會和無人機(jī)企業(yè)以及專業(yè)媒體等380多人參加并觀摩此次演練活動。這次活動也是國內(nèi)首次舉辦的最大規(guī)模的消防無人機(jī)實(shí)戰(zhàn)演練，對于工業(yè)級無人機(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，我國民用無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛，包括：攝影測量、應(yīng)急搶險、消防救災(zāi)、公共安全、資源勘探、環(huán)境監(jiān)測、自然災(zāi)害監(jiān)測與評估、城市規(guī)劃與市政管理、林火病蟲害防護(hù)與監(jiān)測等。當(dāng)前，我國消防部隊面臨著日益復(fù)雜的滅火救援和社會救助形勢，對各類地震救援、抗洪搶險、山岳救助及大跨度或高層火災(zāi)等情況，傳統(tǒng)現(xiàn)場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)場偵測，并迅速、準(zhǔn)確處置災(zāi)情顯得尤為重要。我國無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)及系統(tǒng)解決方案的成熟運(yùn)用，使得無人機(jī)平臺結(jié)合視頻、無線圖傳等監(jiān)控及傳送設(shè)備，通過空中對復(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)場救援指揮、火情偵測及防控成為消防部隊新的選擇。
結(jié)合消防部隊的實(shí)戰(zhàn)需求，無人機(jī)的運(yùn)用可以解決以下四方面的問題：
1、災(zāi)情偵查。當(dāng)災(zāi)害發(fā)生時，使用無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)情偵查，一是可以無視地形和環(huán)境，做到機(jī)動靈活開展偵查，特別是一些急難險重的災(zāi)害現(xiàn)場，偵查小組無法開展偵查的情況下，無人機(jī)能夠迅速展開偵查。二是通過無人機(jī)偵查能夠有效提升偵查的效率，第一時間查明災(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、易燃易爆等危險環(huán)境中，又能全面、細(xì)致掌握現(xiàn)場情況。
2、監(jiān)控追蹤。無人機(jī)的作用不僅僅局限在災(zāi)情偵查。消防部隊所面對的各類災(zāi)害事故現(xiàn)場往往瞬息萬變，在災(zāi)害事故的處置過程中，利用無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控追蹤，能夠提供精準(zhǔn)的災(zāi)情變化情況，便于各級指揮部及時掌握動態(tài)災(zāi)害情況，從而作出快速、準(zhǔn)確的對策，最大限度地減少災(zāi)害損失。
3、輔助救援。利用無人機(jī)集成或者靈活攜帶關(guān)鍵器材裝備，能夠為多種情況下的救援提供幫助：（1）為救援開辟救援途徑。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），能夠為救援創(chuàng)造新的途徑，開辟救生通道，并且準(zhǔn)確、高效率。（2）集成通信設(shè)備，利用無人機(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，利用無人機(jī)集成轉(zhuǎn)信模塊，充當(dāng)臨時轉(zhuǎn)信臺，從而使得極端環(huán)境下建立起無線通信的鏈路。（3）利用無人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急測繪。利用無人機(jī)集成航拍測繪模塊，將災(zāi)害事故現(xiàn)場的情況全部收錄并傳至現(xiàn)場指揮部，對災(zāi)害現(xiàn)場的地形等進(jìn)行應(yīng)急測繪，為救援的開展提供有力支撐。
4、輔助監(jiān)督。利用航拍對高層及超高層建筑實(shí)現(xiàn)全面實(shí)時的監(jiān)測、及時發(fā)現(xiàn)火情隱患、消防現(xiàn)場火情實(shí)時控制、建筑消防檢查或現(xiàn)場火情圖像存儲、可將空中監(jiān)控視頻實(shí)時接入其他安防或消防監(jiān)控系統(tǒng)等。
一、設(shè)計思路
以某地消防支隊建設(shè)為例，為了較好的利用無人機(jī)的優(yōu)勢，提高消防工作效率，設(shè)計思路如下：
1、在某消防支隊管轄范圍內(nèi)出現(xiàn)火情的地區(qū)，應(yīng)急指揮車趕赴現(xiàn)場附近，無人機(jī)起飛偵查火情，圖像實(shí)時傳輸至操控手監(jiān)視器、指揮車及指揮中心；
2、為方便控制操作無人機(jī)及遠(yuǎn)距離接收實(shí)時航拍畫面，在轄區(qū)內(nèi)制高點(diǎn)架設(shè)無線遙控天線及圖傳接收天線，大大提高無人機(jī)的操控距離及無線圖傳距離；
3、無人機(jī)拍攝的畫面無線傳輸至轄區(qū)內(nèi)制高點(diǎn)，然后通過光纜等專網(wǎng)傳輸至指揮中心。
二、系統(tǒng)組成
1、無人機(jī)：包括無人機(jī)機(jī)體、攝像云臺組件、無線圖傳發(fā)射套件、手動控制設(shè)備、地面站等。
2、應(yīng)急通信車：無線圖傳接收終端。
三、技術(shù)優(yōu)勢
由于采用了技術(shù)先進(jìn)的飛控平臺及前后臺視頻監(jiān)控傳輸系統(tǒng)，配合完善的飛行及地勤保障系統(tǒng)，無人機(jī)可對地面實(shí)施完備的長時間空中監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)較低的綜合成本對傳統(tǒng)手段無法涉足的區(qū)域進(jìn)行實(shí)時監(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)勢有：
1、機(jī)動靈活。小型無人機(jī)重量輕，依托飛行控件就可以對其進(jìn)行操控，只需要1~2人就可以完成此類操作任務(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，且起飛條件很簡單，對地形無要求，加上無人機(jī)攜帶方便，所以具有很強(qiáng)的靈活性。此外，無人機(jī)的飛行速度易于控制，轉(zhuǎn)彎半徑小，機(jī)動性好，可以靈活機(jī)動控制飛行方向，機(jī)載攝像頭也可以跟蹤拍攝對象；無人機(jī)還能快速到達(dá)指定地點(diǎn)，反應(yīng)能力快捷，對環(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”保障測試中，無人機(jī)在6級風(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，周圍無突出障礙物即可，在低空作業(yè)時，受氣候條件限制非常小，獲取影像的速度非常快，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。無人機(jī)通過無線技術(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)場需求，可以從不同角度、不同的距離在不同的光線條件下進(jìn)行作業(yè)。既可以實(shí)現(xiàn)在高空對目標(biāo)進(jìn)行全局性拍攝，也可以調(diào)整距離和角度，按需抓拍對現(xiàn)場決策有重要幫助的關(guān)鍵因素。通過遠(yuǎn)程控制無人機(jī)和攝像頭，可以根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時采集并傳輸圖像，尤其是在低空飛行時，無人機(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)場實(shí)時空中監(jiān)控提供了有力保證，能有效提升消防部隊搶險救援的偵查能力。
3、操作簡單。從技術(shù)層面上看，無人機(jī)的遠(yuǎn)程視頻傳輸與控制系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)和接口接入地面站，通過光纖接入指揮中心，因此，只需通過遙控攝像機(jī)及其輔助設(shè)備（鏡頭、云臺等），就能直接觀看無人機(jī)的攝像頭實(shí)時視頻。通常，用戶只需通過遙控器來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的所有動作，通過遠(yuǎn)程視頻傳輸與控制系統(tǒng)對現(xiàn)場情況一目了然，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、方便的全方位監(jiān)控；當(dāng)客戶端（包括PC和手機(jī)）在接入公網(wǎng)后，用戶可以通過PC、平板電腦或者是手機(jī)等多種形式的載體實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的控制。從應(yīng)用層面上看，無人機(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。無論面對暴雨、高溫、臺風(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；抑或山岳、峽谷、溝壑等極端地理環(huán)境，無人機(jī)技術(shù)能有效規(guī)避傳統(tǒng)滅火救援行動中存在的短板，可確保消防官兵的自身安全。并能通過對現(xiàn)場情況的跟拍、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)時圖傳。無人機(jī)在對災(zāi)害現(xiàn)場拍攝的同時，利用COFDM無線圖傳技術(shù)，實(shí)時傳輸高清圖像至地面接收終端，傳輸視頻高達(dá)1080p畫質(zhì)。由于COFDM技術(shù)具備廣播式傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，無人機(jī)視頻可同時被指揮車、指揮中心、操控手微型便攜終端等多終端接收。
四、設(shè)計方案
1、設(shè)計概述
主要實(shí)現(xiàn)功能如下：
（1）災(zāi)害現(xiàn)場空中拍攝及錄像；
（2）現(xiàn)場圖像實(shí)時傳輸至地面應(yīng)急指揮車。
功能實(shí)現(xiàn)框圖如下所示：
如上圖所示，執(zhí)行任務(wù)時，應(yīng)急車抵達(dá)事件現(xiàn)場附近，無人機(jī)起飛抵達(dá)現(xiàn)場，航拍畫面通過無線圖傳傳輸至應(yīng)急車及制高點(diǎn)基站，基站接收圖像接入光纜等有線網(wǎng)絡(luò)鏈路向上傳輸至上級指揮中心。
制高點(diǎn)基站安裝有圖傳接收天線的同時，安裝有無線遙控天線，用以在指揮中心對無人機(jī)的遠(yuǎn)距離手動操控。
2、系統(tǒng)框圖
3、系統(tǒng)特點(diǎn)
（1）制高點(diǎn)基站安裝無線圖傳接收天線及無線遙控天線，提高無線圖傳接收范圍及遙控范圍；
（2）無人機(jī)可懸停拍攝，續(xù)航可達(dá)40分鐘以上；
（3）無人機(jī)高清無線圖傳，廣播式傳輸，包括操控手持接收端、基站接收端、應(yīng)急車接收端等多終端同步接收；
（4）無人機(jī)攝像云臺，選用高清攝像機(jī)；
（5）防雨云臺及機(jī)體設(shè)計，可全天候飛行。
五、市面上的消防無人機(jī)方案
1、深圳艾特的智能消防解決方案
2、華科爾的FE15消防滅火無人機(jī)
華科爾在行業(yè)應(yīng)用無人機(jī)領(lǐng)域再度發(fā)力，推出首款察打一體無人機(jī)——FE15消防滅火無人機(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消防滅火無人機(jī)能夠同時攜帶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，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，F(xiàn)E15是高層建筑專用消防滅火無人機(jī)，采用折疊機(jī)身設(shè)計，超強(qiáng)負(fù)載與抗震顫設(shè)計，能快速抵達(dá)高層火場，利用高倍攝像機(jī)觀察火勢，并發(fā)射滅火彈的無人機(jī)。FE15消防滅火無人機(jī)采用紅外TOF技術(shù)，通過高精度傳感器打造的智能避障系統(tǒng)，能夠識別前面方向5m以外的障礙物并進(jìn)行剎車減速，防止因誤操作帶來的風(fēng)險，保障飛行安全。
3、重慶國飛通用航空設(shè)備制造有限公司高層火災(zāi)快速撲救消防無人機(jī)
4、江蘇鴻鵠消防無人機(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人機(jī)平臺
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，長航時，高可靠性系留式消防無人機(jī)平臺在地震搜救，高層建筑救援，水域救援和山岳救助四個演練環(huán)節(jié)全程滯留在空中，承擔(dān)了災(zāi)害救援場景中的應(yīng)急通信中繼基站的功能，為現(xiàn)場觀摩的專家和嘉賓留下了極為深刻的印象。據(jù)了解，該款消防系留無人機(jī)針對消防應(yīng)用場景的復(fù)雜性和危險性在系留無人機(jī)基礎(chǔ)平臺上進(jìn)行了多項技術(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可以同時裝載多項消防任務(wù)載荷，同時開展各種消防任務(wù)。系留無人機(jī)的全自動收放線系統(tǒng)，保證消防系留無人機(jī)在最短時間完成升空部署工作。為了抗通信干擾，系留消防無人機(jī)平臺創(chuàng)新性地采用光纖通信傳輸模式，完全替代了傳統(tǒng)無人機(jī)使用的圖傳和數(shù)傳設(shè)備，確保系留無人機(jī)在任何復(fù)雜電磁環(huán)境下都可以正常工作。另外針對消防救援人員便捷性使用要求，消防系留無人機(jī)平臺采用一鍵式操作方式，完全脫離傳統(tǒng)遙控器控制，極大簡化了消防系留無人機(jī)使用的難度。
當(dāng)?shù)卣穑嗍鞯茸匀粸?zāi)害發(fā)生時，災(zāi)區(qū)通訊基礎(chǔ)設(shè)施遭到嚴(yán)重破壞，需要第一時間恢復(fù)災(zāi)區(qū)的通訊能力。采用消防式系留無人機(jī)搭載應(yīng)急通訊中繼站設(shè)備，在災(zāi)害現(xiàn)場快速建立移動式空中通信基站，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)場救援提供安全可靠的通信保障能力。系留式消防無人機(jī)平臺不僅可以攜帶中繼應(yīng)急通訊基站，而且還可以同時攜帶雙光光學(xué)吊艙，氣體探測設(shè)備，高空照明設(shè)備，空中喊話設(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（如石化裝置、油罐區(qū)、高層建筑、大型倉庫）和重大活動的保衛(wèi)現(xiàn)場，執(zhí)行高清視頻采集、火災(zāi)蔓延態(tài)勢全天候監(jiān)控、氣體擴(kuò)散趨勢和蔓延范圍檢測、高空照明、高空喊話等多種消防作業(yè)，為消防及災(zāi)害救援現(xiàn)場的應(yīng)急指揮決策提供實(shí)時的豐富可靠的數(shù)據(jù)支持。
