基于無人機的三維GIS智慧消防應(yīng)急救援平臺研究

朱國慶（中國礦業(yè)大學(xué)）

以消防安全重點單位為研究對象，為解決火場信息缺失、災(zāi)害信息探測手段不足、指揮決策缺少科學(xué)依據(jù)等問題，采用無人機三維GIS建模、火災(zāi)動力學(xué)模型和應(yīng)急救援理論等先進技術(shù)及理論構(gòu)建了三維智慧消防應(yīng)急救援平臺，為推動智慧消防的發(fā)展探索路徑。

隨著經(jīng)濟的快速增長，越來越多的大型公共建筑、大型廠庫房、大型石化企業(yè)等高火災(zāi)危險建筑出現(xiàn)在城市或城市周邊，增大了城市的安全風(fēng)險。2015年的8.12天津港火災(zāi)爆炸事故共造成165人遇難、8人失蹤、798人受傷，304幢建筑物、12428輛商品汽車、7533個集裝箱受損或損壞，已核定直接經(jīng)濟損失68.66億元。因此，及時準(zhǔn)確地掌握起火單位基本信息，科學(xué)有效地預(yù)測火災(zāi)發(fā)展趨勢，提出有針對性的、科學(xué)的滅火作戰(zhàn)方案是降低城市火災(zāi)等突發(fā)事故人員傷亡及經(jīng)濟損失的關(guān)鍵。

目前，部分消防隊伍已經(jīng)裝備一些數(shù)字化消防作戰(zhàn)指揮工具，但使用功能和應(yīng)用場景仍多基于二維GIS信息系統(tǒng)，缺少人、車、裝備及火災(zāi)的相互信息交互，存在作戰(zhàn)部署與力量調(diào)度不通暢等問題。基于此，筆者就消防信息集成與精準(zhǔn)作戰(zhàn)指揮的發(fā)展趨勢提出：未來智慧消防作戰(zhàn)指揮平臺應(yīng)體現(xiàn)4個發(fā)展趨勢。

（1）基于三維GIS地理信息系統(tǒng)構(gòu)建消防作戰(zhàn)指揮平臺。隨著全國各地智慧城市的試點建設(shè)，特別是基于多旋翼無人機三維建模技術(shù)的高效化和低成本化，越來越多的三維建筑信息出現(xiàn)在城市地理信息平臺中。因此，基于GIS三維地理系統(tǒng)的消防作戰(zhàn)指揮平臺也就成為未來的一個基本趨勢。消防重點單位可以更加直觀地展示與量測，傳統(tǒng)的紙質(zhì)消防作戰(zhàn)圖紙也將被替代。

基于無人機三維建模技術(shù)的城市三維模型。

（2）起火單位信息的高度集成與快速三維展現(xiàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，未來消防救援平臺應(yīng)能夠?qū)崟r展示起火單位的基本信息。以某油庫為例，未來消防救援平臺應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對單位基本信息、消防圖樣、巡更記錄、電動消防泵（柴油消防泵）、泡沫罐、消防水箱、消火栓等關(guān)鍵消防信息的高度集成和可視化快速展示。

（3）可視化地精準(zhǔn)作戰(zhàn)指揮。未來消防指揮平臺應(yīng)該是三維可視化的作戰(zhàn)平臺（或三維電子沙盤），決策者可以實時獲取救援車輛與救援人員的狀態(tài)信息與實時位置，準(zhǔn)確獲取災(zāi)害現(xiàn)場的災(zāi)情信息。決策者可以根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場的信息反饋，及時做出相應(yīng)的作戰(zhàn)部署。與此同時，決策者也可以在平臺非常方便地進行三維電子沙盤推演，平臺能夠根據(jù)火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型的算法，提前推演出災(zāi)害演化過程，以此指導(dǎo)消防作戰(zhàn)。

（4）快速遠(yuǎn)程輔助決策指揮系統(tǒng)。未來消防作戰(zhàn)指揮平臺應(yīng)具有快速遠(yuǎn)程輔助決策指揮功能，以應(yīng)對我國各地出現(xiàn)越來越多的重特大火災(zāi)危險源。例如城市中大型的石化企業(yè)、大型油庫、大型商業(yè)綜合體、大型倉儲物流建筑和眾多高層、超高層建筑等。上級消防機構(gòu)或者滅火指揮專家能夠快速地了解并推測災(zāi)害演化進程，遠(yuǎn)程與現(xiàn)場人員實現(xiàn)有效互動，準(zhǔn)確做出決策指導(dǎo)，以此提高救援的科學(xué)性。

基于無人機的三維GIS智慧消防應(yīng)急救援平臺系統(tǒng)構(gòu)成。

設(shè)計思路與關(guān)鍵技術(shù)

總體思路及系統(tǒng)構(gòu)成

以消防安全重點單位為研究對象，為解決火場信息缺失、災(zāi)害信息探測手段不足、指揮決策缺少科學(xué)依據(jù)等問題。筆者的團隊根據(jù)無人機三維GIS建模技術(shù)、火災(zāi)動力學(xué)模型、應(yīng)急救援理論等先進技術(shù)及理論，開發(fā)出一套三維智慧消防應(yīng)急救援系統(tǒng)。開發(fā)的總體思路如下：

（1）實現(xiàn)災(zāi)前預(yù)案的數(shù)字化與可推演。采用無人機建立消防安全重點單位的三維模型，并加入人、車、裝備等可控三維封裝模型。利用三維封裝模型，實現(xiàn)滅火戰(zhàn)術(shù)的沙盤推演，并形成動態(tài)的救援預(yù)案。

（2）構(gòu)建災(zāi)害現(xiàn)場實時監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)消防控制室實時監(jiān)測信息的對接，包括視頻監(jiān)控信息、火災(zāi)聯(lián)動報警信息、水滅火系統(tǒng)裝備信息；實現(xiàn)無人機采集災(zāi)情信息的實時傳輸，包括火場的溫度場信息、有毒有害氣體濃度分布信息等。

（3）開發(fā)三維火災(zāi)模型，實現(xiàn)作戰(zhàn)力量的智能部署。開發(fā)三維虛擬火災(zāi)模型，并將其反映在三維地圖中。在此基礎(chǔ)上，融合消防作戰(zhàn)理論，控制人、車模型進行排兵布陣，實現(xiàn)作戰(zhàn)力量的智能部署。

依據(jù)上述思路，提出了基于無人機的三維GIS智慧消防應(yīng)急救援平臺。

該系統(tǒng)的設(shè)計原理如下：

（1）無人機搭載傾斜相機對大型建（構(gòu)）筑物進行高清拍攝，利用三維GIS建模技術(shù)生成平臺可調(diào)用的三維模型基本圖層文件。對圖層文件加以3D引擎驅(qū)動，實現(xiàn)三維模型在軟件中的三維漫游。

（2）設(shè)計人車三維封裝模塊嵌入系統(tǒng)，實時接收位置信息與狀態(tài)信息，并做到對于人、車、裝備的實時調(diào)度部署。

（3）無人機搭載有毒有害氣體分析儀與三光吊艙，對地面災(zāi)害現(xiàn)場進行信息采集，通過4G網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)降孛娣?wù)器。

（4）應(yīng)急救援平臺對接事故現(xiàn)場消防控制室信息，實現(xiàn)對災(zāi)害現(xiàn)場視頻監(jiān)控信息、聯(lián)動報警信息、主動滅火設(shè)備信息等消防物聯(lián)網(wǎng)信息的實時接收。

（5）優(yōu)化火災(zāi)理論模型，劃定危險區(qū)域，并且實現(xiàn)火災(zāi)理論模型在平臺中的三維展示。系統(tǒng)內(nèi)嵌火災(zāi)救援理論，依據(jù)所劃定危險區(qū)域，科學(xué)化部署救援力量，輔助制定救援決策。

無人機搭載傾斜相機工作示意圖。

（6）開發(fā)沙盤推演與預(yù)案演練功能模塊，反復(fù)打磨應(yīng)急救援預(yù)案。既可輔助戰(zhàn)時指揮，也可用作常時訓(xùn)練。

關(guān)鍵技術(shù)

（1）無人機三維GIS建模技術(shù)

無人機搭載多角度的傾斜相機和定位定向系統(tǒng)（POS），獲取地面影像信息。傾斜相機在指定點拍攝，可以一次性獲取一個正射影像和4個傾斜影像。定位定向系統(tǒng)則記錄5個相機快門觸發(fā)時無人機的GPS和高度信息，并與影像進行自動匹配。

拍攝航線設(shè)計：在航線設(shè)計軟件生成的飛行計劃文件中，包含飛行路線、各相機的曝光點位置坐標(biāo)。在無人機實際飛行的過程中，各相機會自動根據(jù)對應(yīng)的曝光點坐標(biāo)進行曝光拍攝。

多視影像匹配：將傾斜攝影相機所獲得的高清圖片導(dǎo)入至Smart 3D中，軟件在多張傾斜影像上獲取同名點坐標(biāo)。然后利用這些同名點坐標(biāo)根據(jù)前方交會原理進而獲取地面上地物點的三維位置信息。

三維模型基本圖層生成：高清圖像的拼接采用表面紋理映射原理。利用提取后的紋理對建筑模型進行貼圖，生成三維模型基本圖層。

三維模型3D漫游：利用3D引擎對生成的三維模型基本圖層進行驅(qū)動，實現(xiàn)三維模型在虛擬環(huán)境下的3D漫游和距離等查詢功能。

（2）消防三維封裝模型與碰撞檢測

消防三維封裝模型由3D Max 軟件制作，將多種消防三維模型導(dǎo)入應(yīng)急救援軟件，進行調(diào)用和操作。

（上）GIS三維模型建立流程圖。

（下）災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)路線。

表1 氣體分析模塊技術(shù)指標(biāo)表

為了使可移動和可操作的三維封裝模型與建（構(gòu)）筑物三維地圖進行良好的交互行為，系統(tǒng)需要對模型對象間的碰撞進行及時檢測，以避免發(fā)生穿透現(xiàn)象等不真實的現(xiàn)象，保證虛擬環(huán)境的真實感和用戶的體驗感。

（3）災(zāi)害現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

由無人機搭載三光吊艙、氣體分析儀等模塊在空中檢測與采集數(shù)據(jù)。三光吊艙能夠采集晝夜間影像信息，監(jiān)測火場溫度；氣體分析儀可對火場煙氣或泄漏氣體實時監(jiān)測。采集到的火場數(shù)據(jù)實時傳輸至所研發(fā)的智慧消防應(yīng)急救援平臺，預(yù)判災(zāi)害的蔓延趨勢，為確定災(zāi)害危險區(qū)域提供基礎(chǔ)資料，為高效救災(zāi)、指揮人員疏散等提供科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。

無人機（六軸飛行器）主要由飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其動力由六個旋翼式的飛行引擎提供，可進行垂直運動、俯仰運動、滾轉(zhuǎn)運動、偏航運動等。

火場氣體的探測依賴于氣體分析儀及其傳輸系統(tǒng)。通過使用無人機攜帶氣體檢測儀，采用無線輸出技術(shù)，解決了消防員無法進入現(xiàn)場實地勘測的問題；通過機載GPS模塊可實時傳輸相應(yīng)地理位置的氣體濃度數(shù)據(jù)，使無人機可以快速地對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行采集，提高了采集效率；多組分氣體分析儀包含多組分氣體傳感器，可同時監(jiān)測6種不同類型的氣體，且傳感器的響應(yīng)速度快，可以提高采集頻率，完善現(xiàn)場數(shù)據(jù)，提高危險區(qū)域的測量精度。

氣體分析模塊技術(shù)指標(biāo)如表1所示。氣體傳感器產(chǎn)生與目標(biāo)氣體濃度成正比的電信號。電信號為一串加有通信協(xié)議的二進制數(shù)字，不同傳感器的通信協(xié)議不同。

氣體分析軟件將數(shù)據(jù)編譯成濃度信息，并將濃度信息實時反映在系統(tǒng)操作界面中。

三光吊艙是集成高清數(shù)字?jǐn)z像頭、夜視鏡頭、紅外鏡頭為一體的圖像采集裝置。該高清數(shù)字?jǐn)z像儀可實現(xiàn)20倍光學(xué)變焦，滿足晝夜不同光線條件下的拍攝任務(wù)，并可利用紅外熱像機芯精確測量物體溫度，捕捉顯示畫面中溫度最高點，實時測繪出火災(zāi)現(xiàn)場溫度場信息。三光吊艙同時提供俯仰和旋轉(zhuǎn)的全角度控制，水平橫滾自穩(wěn)模式，方便多方位的圖像采集。

（4）三維虛擬火災(zāi)模型的開發(fā)

以石油庫為例研究三維虛擬火災(zāi)模型的開發(fā)。石油儲罐一旦發(fā)生火災(zāi)，火焰產(chǎn)生的熱通量會直接影響到周圍儲罐，極易導(dǎo)致火勢的蔓延，也給救援人員和設(shè)備的安全帶來威脅。油池火火焰的熱通量主要分為對流熱通量與輻射熱通量，隨著池火半徑的增大，火焰熱通量中的輻射通量逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，從工程應(yīng)用的角度分析，選擇火焰熱輻射模型作為劃定油庫火災(zāi)危險區(qū)域的理論基礎(chǔ)能夠保證工程上需要的精度。

根據(jù)火災(zāi)理論模型的選定，筆者所在團隊將火災(zāi)理論模型編寫成程序。

（5）消防作戰(zhàn)力量智能部署的設(shè)計

仍以石油庫為例研究消防作戰(zhàn)力量智能部署設(shè)計。依據(jù)已確定的危險區(qū)域范圍，可分別計算出撲滅油罐火災(zāi)所需泡沫消防車和油罐冷卻所需泡沫消防車數(shù)量，從而更加合理地調(diào)配救援力量，以滿足滅火救援的需要。

三維智慧消防應(yīng)急救援平臺開發(fā)

筆者所在團隊開發(fā)了一種三維智慧消防應(yīng)急救援平臺，能夠在三維的視角下很好的解決救援力量調(diào)度困難、災(zāi)情偵測不足、輔助決策手段匱乏等問題。平臺關(guān)鍵功能模塊主要有接警模塊、出警模塊以及救援模塊。

（上）作戰(zhàn)力量部署示意圖。

（中）資料調(diào)取處理流程。

（下）調(diào)度方案生成流程。

接警模塊

（1）定位火警地點，快速調(diào)取火情單位基本資料

三維GIS系統(tǒng)快速定位火警發(fā)生地點坐標(biāo)，點擊地點坐標(biāo)，隨即向服務(wù)器發(fā)送調(diào)取消防安全重點單位資料的命令。遠(yuǎn)程服務(wù)器向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，通過算法解碼展現(xiàn)在軟件界面內(nèi)。平臺將消防安全重點單位劃分為：人員密集類、石油化工類、高層建筑類以及其他類，幫助救援人員能夠快速查詢到發(fā)生災(zāi)情的消防安全重點單位的類別。確定災(zāi)情單位后，客戶端通過局域網(wǎng)向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器調(diào)取單位基本情況信息和消防基本信息。

（2）調(diào)度周邊消防力量

進入救援力量模塊，客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求命令。服務(wù)器接收到命令后，向外部中隊管理系統(tǒng)調(diào)取信息，包括車輛狀態(tài)和人員狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)事先確定的災(zāi)情單位屬性，服務(wù)器后臺經(jīng)計算確定調(diào)度方案，并通過前臺展現(xiàn)。

出警模塊

（1）實時規(guī)劃救援路線

確定調(diào)度方案之后，指戰(zhàn)員點擊進入作戰(zhàn)指揮功能模塊。系統(tǒng)會自動向公共網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)器發(fā)出調(diào)用請求，借助現(xiàn)有外網(wǎng)地圖軟件去規(guī)劃救援路徑，并反映在平臺界面，單獨形成小窗口顯示。

（2）調(diào)取現(xiàn)場實時信息

前往火場途中，指戰(zhàn)員點擊火場信息捕集功能模塊。平臺向服務(wù)器發(fā)出調(diào)取請求，服務(wù)器連接火場單位消防控制室消息，將包括視頻信息、消防聯(lián)動信息等在內(nèi)的消防物聯(lián)網(wǎng)信息解碼傳輸至應(yīng)急救援系統(tǒng)平臺前端。另一路連接無人機地面站，調(diào)取地面站信息包括集成視頻信息、多組分氣體濃度數(shù)據(jù)。

救援模塊

（1）現(xiàn)場測量

在平臺界面點擊測量分析功能模塊。光標(biāo)變成測量模式，在GIS平臺上選中測量基點。平臺后臺讀取點坐標(biāo)，調(diào)用空間測量算法，計算結(jié)果在前臺顯示。

（上）實時規(guī)劃救援路線。

（中上）現(xiàn)場精確分析。

（中下）沙盤推演。

（下）預(yù)案演練流程。

（2）沙盤推演

點擊沙盤推演模塊，平臺界面上顯示多種三維封裝模型按鈕，包括指揮部、消防員、火焰、消防車等。點擊某個三維模塊按鈕，觸發(fā)命令，在平臺后臺調(diào)用預(yù)設(shè)的三維封裝模型。光標(biāo)在GIS平臺上點擊某點作為三維模型的位置，觸發(fā)矢量模型在GIS平臺上加載的命令，光標(biāo)選中點即為加載模型基點。矢量模型加載的同時，客戶端向服務(wù)器調(diào)用三維封裝模型狀態(tài)信息，并在窗口顯示。

（3）預(yù)案演練

預(yù)案演練是對整個操作系統(tǒng)的管理，功能模塊主要包括錄制開始、錄制結(jié)束、錄制暫停、預(yù)案回放等按鈕。點擊錄制開始，系統(tǒng)自動生成時間軸。指戰(zhàn)員可以在平臺中正常操作，時間軸記錄操作的每一條命令信息并存儲。操作完成后點擊錄制結(jié)束，時間軸隨即暫停。

總結(jié)

(1) 針對國家的消防應(yīng)急救援現(xiàn)狀和消防信息化、智能化的重大需求，采用無人機三維建模技術(shù)設(shè)計并開發(fā)一種適用于消防安全重點單位的三維智慧消防應(yīng)急救援平臺，以實現(xiàn)建（構(gòu)）筑物信息的及時獲取，火場信息的實時監(jiān)測及救援決策的科學(xué)性，致力于提高消防隊的應(yīng)急救援能力。

(2) 應(yīng)用三維GIS建模技術(shù)，實現(xiàn)消防安全重點單位建（構(gòu)）筑物及其周邊環(huán)境的三維可視化，同時設(shè)計了三維封裝模型，實現(xiàn)可視化的力量部署，沙盤演練，制作數(shù)字化救援預(yù)案等功能。

(3) 集成創(chuàng)新了多功能消防無人機搭載多功能模塊，實現(xiàn)多種火場信息的實時監(jiān)測，可繪制火災(zāi)溫度場和有毒有害氣體濃度曲線。

(4) 實現(xiàn)在三維地圖上劃分危險區(qū)域，為救援力量的部署和人員疏散提供科學(xué)指導(dǎo)。

(5) 本系統(tǒng)可接入當(dāng)前國家正在大力試點的智慧城市平臺，結(jié)合消防員、消防車、消防裝備和單位相關(guān)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)化，可實現(xiàn)智慧消防的初步功能，有助于消防部隊?wèi)?zhàn)斗力的提升。 ■