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浅谈多旋翼无人机在消防应急系统中的应用
2019年2月26日，由应急管理部上海消防研究所举办的无人机系统消防应用综合实战演练在上海市消防总队奉贤培训基地举行，现场汇聚了来自全国各地消防总队专家、消防装备领域技术专家、消防研究所科研人员和无人机行业专业人士、无人机行业协会和无人机企业以及专业媒体等380多人参加并观摩此次演练活动。这次活动也是国内首次举办的最大规模的消防无人机实战演练，对于工业级无人机在消防和应急救援领域的推广应用具有重要意义。

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随着无人机技术的日趋成熟和航空摄影技术的进一步拓展，我国民用无人机应用领域日益广泛，包括：摄影测量、应急抢险、消防救灾、公共安全、资源勘探、环境监测、自然灾害监测与评估、城市规划与市政管理、林火病虫害防护与监测等。当前，我国消防部队面临着日益复杂的灭火救援和社会救助形势，对各类地震救援、抗洪抢险、山岳救助及大跨度或高层火灾等情况，传统现场侦查手段的局限性已日益凸显。如何有效实施消防预警和现场侦测，并迅速、准确处置灾情显得尤为重要。我国无人机应用技术及系统解决方案的成熟运用，使得无人机平台结合视频、无线图传等监控及传送设备，通过空中对复杂地形和复杂结构建筑进行火灾隐患巡查、现场救援指挥、火情侦测及防控成为消防部队新的选择。
结合消防部队的实战需求，无人机的运用可以解决以下四方面的问题：
1、灾情侦查。当灾害发生时，使用无人机进行灾情侦查，一是可以无视地形和环境，做到机动灵活开展侦查，特别是一些急难险重的灾害现场，侦查小组无法开展侦查的情况下，无人机能够迅速展开侦查。二是通过无人机侦查能够有效提升侦查的效率，第一时间查明灾害事故的关键因素，以便指挥员作出正确决策。三是能够有效规避人员伤亡，既能避免人进入有毒、易燃易爆等危险环境中，又能全面、细致掌握现场情况。
2、监控追踪。无人机的作用不仅仅局限在灾情侦查。消防部队所面对的各类灾害事故现场往往瞬息万变，在灾害事故的处置过程中，利用无人机进行实时监控追踪，能够提供精准的灾情变化情况，便于各级指挥部及时掌握动态灾害情况，从而作出快速、准确的对策，最大限度地减少灾害损失。
3、辅助救援。利用无人机集成或者灵活携带关键器材装备，能够为多种情况下的救援提供帮助：（1）为救援开辟救援途径。例如水上、山岳救援中，现有的抛投器使用环境和范围均有很大的局限性，并且精准度差，利用无人机辅助抛绳或是携带关键器材（如呼吸器、救援绳等），能够为救援创造新的途径，开辟救生通道，并且准确、高效率。（2）集成通信设备，利用无人机担当通信中继。例如在地震、山岳等有通信阻断的环境下，利用无人机集成转信模块，充当临时转信台，从而使得极端环境下建立起无线通信的链路。（3）利用无人机进行应急测绘。利用无人机集成航拍测绘模块，将灾害事故现场的情况全部收录并传至现场指挥部，对灾害现场的地形等进行应急测绘，为救援的开展提供有力支撑。
4、辅助监督。利用航拍对高层及超高层建筑实现全面实时的监测、及时发现火情隐患、消防现场火情实时控制、建筑消防检查或现场火情图像存储、可将空中监控视频实时接入其他安防或消防监控系统等。
一、设计思路
以某地消防支队建设为例，为了较好的利用无人机的优势，提高消防工作效率，设计思路如下：
1、在某消防支队管辖范围内出现火情的地区，应急指挥车赶赴现场附近，无人机起飞侦查火情，图像实时传输至操控手监视器、指挥车及指挥中心；
2、为方便控制操作无人机及远距离接收实时航拍画面，在辖区内制高点架设无线遥控天线及图传接收天线，大大提高无人机的操控距离及无线图传距离；
3、无人机拍摄的画面无线传输至辖区内制高点，然后通过光缆等专网传输至指挥中心。
二、系统组成
1、无人机：包括无人机机体、摄像云台组件、无线图传发射套件、手动控制设备、地面站等。
2、应急通信车：无线图传接收终端。
三、技术优势
由于采用了技术先进的飞控平台及前后台视频监控传输系统，配合完善的飞行及地勤保障系统，无人机可对地面实施完备的长时间空中监控，从而实现较低的综合成本对传统手段无法涉足的区域进行实时监控和辅助救援，其智能化和先进性突出体现在巡查路径规划、智能分析、定点持续监控、火情报警等，并且在制定应急预案、建立快速响应机制、现场火情存档与取证等方面充分发挥技术防范手段的重要作用。
其技术优势有：
1、机动灵活。小型无人机重量轻，依托飞行控件就可以对其进行操控，只需要1~2人就可以完成此类操作任务。在道路不畅，交通中断的情况下，徒步就可以携带至灾害事故现场，且起飞条件很简单，对地形无要求，加上无人机携带方便，所以具有很强的灵活性。此外，无人机的飞行速度易于控制，转弯半径小，机动性好，可以灵活机动控制飞行方向，机载摄像头也可以跟踪拍摄对象；无人机还能快速到达指定地点，反应能力快捷，对环境和气候条件也有很强适应能力，在2014年西藏塔尔钦“神山”保障测试中，无人机在6级风力下完成飞行任务，受阴雨天气等条件限制比大型载人飞机要小的多；其起飞条件只需要几平米空地，周围无突出障碍物即可，在低空作业时，受气候条件限制非常小，获取影像的速度非常快，可在10公里范围内稳定可靠发挥侦查作用。
2、视野全面。无人机通过无线技术可以实现超视距控制，从而具有很全面的视野，依据现场需求，可以从不同角度、不同的距离在不同的光线条件下进行作业。既可以实现在高空对目标进行全局性拍摄，也可以调整距离和角度，按需抓拍对现场决策有重要帮助的关键因素。通过远程控制无人机和摄像头，可以根据实际需求实时采集并传输图像，尤其是在低空飞行时，无人机跟踪拍摄能力极强，使用机载摄像头获取的图像分辨率很高，如果配备热视等夜视功能摄像，其收录的视频将更加全面。这样的方式为实现灾害事故现场实时空中监控提供了有力保证，能有效提升消防部队抢险救援的侦查能力。
3、操作简单。从技术层面上看，无人机的远程视频传输与控制系统通过网络和接口接入地面站，通过光纤接入指挥中心，因此，只需通过遥控摄像机及其辅助设备（镜头、云台等），就能直接观看无人机的摄像头实时视频。通常，用户只需通过遥控器来实现无人机的所有动作，通过远程视频传输与控制系统对现场情况一目了然，以实现远程、方便的全方位监控；当客户端（包括PC和手机）在接入公网后，用户可以通过PC、平板电脑或者是手机等多种形式的载体实现对无人机的控制。从应用层面上看，无人机的实际操作也并不复杂，只要掌握好飞行、音视频控制和其他兼容模块的操作，便能发挥效能。
4、安全可靠。无论面对暴雨、高温、台风、泥石流等恶劣的天气环境；或者易燃易爆、塌陷、有毒等严重事故灾害现场；抑或山岳、峡谷、沟壑等极端地理环境，无人机技术能有效规避传统灭火救援行动中存在的短板，可确保消防官兵的自身安全。并能通过对现场情况的跟拍、追踪，为事故处置的指挥决策提供安全可靠的依据，能够最大限度地控制灾情发展，减少灾情的损失，减少人员伤亡。
5、实时图传。无人机在对灾害现场拍摄的同时，利用COFDM无线图传技术，实时传输高清图像至地面接收终端，传输视频高达1080p画质。由于COFDM技术具备广播式传输的特点，无人机视频可同时被指挥车、指挥中心、操控手微型便携终端等多终端接收。
四、设计方案
1、设计概述
主要实现功能如下：
（1）灾害现场空中拍摄及录像；
（2）现场图像实时传输至地面应急指挥车。
功能实现框图如下所示：

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如上图所示，执行任务时，应急车抵达事件现场附近，无人机起飞抵达现场，航拍画面通过无线图传传输至应急车及制高点基站，基站接收图像接入光缆等有线网络链路向上传输至上级指挥中心。
制高点基站安装有图传接收天线的同时，安装有无线遥控天线，用以在指挥中心对无人机的远距离手动操控。
2、系统框图

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3、系统特点
（1）制高点基站安装无线图传接收天线及无线遥控天线，提高无线图传接收范围及遥控范围；
（2）无人机可悬停拍摄，续航可达40分钟以上；
（3）无人机高清无线图传，广播式传输，包括操控手持接收端、基站接收端、应急车接收端等多终端同步接收；
（4）无人机摄像云台，选用高清摄像机；
（5）防雨云台及机体设计，可全天候飞行。
五、市面上的消防无人机方案
1、深圳艾特的智能消防解决方案
【消防|?浅谈多旋翼无人机在消防应急系统中的应用】

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2、华科尔的FE15消防灭火无人机
华科尔在行业应用无人机领域再度发力，推出首款察打一体无人机——FE15消防灭火无人机，载重量大（最大可负载15公斤）、抗风能力强、抛撒精度高，最大负载飞行时间可达30分钟，能够在复杂火情环境下远程发射灭火弹。FE15消防灭火无人机能够同时携带30倍光学变焦相机和夜视瞄准镜，白天黑夜均能工作。在火情发生时，FE15能够迅速到达指定楼层高度，勘察火情并投放灭火剂，为消防救援提供强有力的高空支持。根据华科尔的介绍称，FE15是高层建筑专用消防灭火无人机，采用折叠机身设计，超强负载与抗震颤设计，能快速抵达高层火场，利用高倍摄像机观察火势，并发射灭火弹的无人机。FE15消防灭火无人机采用红外TOF技术，通过高精度传感器打造的智能避障系统，能够识别前面方向5m以外的障碍物并进行刹车减速，防止因误操作带来的风险，保障飞行安全。

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3、重庆国飞通用航空设备制造有限公司高层火灾快速扑救消防无人机

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4、江苏鸿鹄消防无人机精准应急救援方案

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5、北京深远世宁的系留式消防无人机平台
由上海消防研究所联合北京深远世宁科技有限公司研制的RXR-XLZ-1型大载重，多功能，长航时，高可靠性系留式消防无人机平台在地震搜救，高层建筑救援，水域救援和山岳救助四个演练环节全程滞留在空中，承担了灾害救援场景中的应急通信中继基站的功能，为现场观摩的专家和嘉宾留下了极为深刻的印象。据了解，该款消防系留无人机针对消防应用场景的复杂性和危险性在系留无人机基础平台上进行了多项技术创新和改进。例如20公斤的大载重能力确保系留飞行平台可以同时装载多项消防任务载荷，同时开展各种消防任务。系留无人机的全自动收放线系统，保证消防系留无人机在最短时间完成升空部署工作。为了抗通信干扰，系留消防无人机平台创新性地采用光纤通信传输模式，完全替代了传统无人机使用的图传和数传设备，确保系留无人机在任何复杂电磁环境下都可以正常工作。另外针对消防救援人员便捷性使用要求，消防系留无人机平台采用一键式操作方式，完全脱离传统遥控器控制，极大简化了消防系留无人机使用的难度。

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当地震，泥石流等自然灾害发生时，灾区通讯基础设施遭到严重破坏，需要第一时间恢复灾区的通讯能力。采用消防式系留无人机搭载应急通讯中继站设备，在灾害现场快速建立移动式空中通信基站，迅速恢复灾区应急救援人员和灾区群众与外界的通信，为灾害现场救援提供安全可靠的通信保障能力。系留式消防无人机平台不仅可以携带中继应急通讯基站，而且还可以同时携带双光光学吊舱，气体探测设备，高空照明设备，空中喊话设备等多种消防任务载荷，在大型灾害事故的救援现场（如石化装置、油罐区、高层建筑、大型仓库）和重大活动的保卫现场，执行高清视频采集、火灾蔓延态势全天候监控、气体扩散趋势和蔓延范围检测、高空照明、高空喊话等多种消防作业，为消防及灾害救援现场的应急指挥决策提供实时的丰富可靠的数据支持。