無人機在消防救援中的科學應用探討

蔣旭洲

（上海市保安服務（集團）有限公司，上海 200051）

0 引言

起初，我國的無人機消防設施主要用于監測火災現場，提供空中圖像和視頻傳輸。隨著技術的進步，無人機消防逐漸實現了煙霧探測、熱成像、氣體監測等多項功能，通過無人機的遠程控制和自主飛行，消防人員可以迅速了解火災現場的情況，實時收集大量數據，輔助決策和指揮。同時，無人機還能將救援裝備和物資精確投送至相關地點，提高了救援效率和安全性。隨著人工智能和機器學習等技術的融合，無人機消防可以進行自主路徑規劃和目標識別，進一步提升了應急響應的能力。

1 無人機概述

1.1 無人機含義

無人機是指無人駕駛飛行器，通過自主飛行控制技術和先進傳感器技術執行任務。無人機由飛行器、控制系統和地面站組成。飛行器包括機身、翼、旋翼等，控制系統包括導航、通信和傳感器，地面站用于遠程操作和數據處理。

1.2 無人機分類

無人機在消防救援中的分類可以基于動力能源和氣動布局進行劃分，根據動力能源，無人機可分為電動、燃氣和混合動力無人機。電動無人機使用電池或電動馬達作為動力來源，具有低噪音、環保和快速響應的特點；燃氣無人機則采用燃料發動機或噴氣發動機提供動力，具備長航時和較大載荷能力；混合動力無人機結合了電動和燃氣動力系統的優勢，平衡了航程和負載的需求。按氣動布局，無人機可分為固定翼無人機、旋翼無人機和垂直起降無人機，固定翼無人機采用傳統飛機形態，適用于長距離巡航和廣域搜索[1]；旋翼無人機通過旋翼產生升力，具備垂直起降和懸停能力，適用于近距離偵察和搜救任務；垂直起降無人機結合了固定翼和旋翼的優勢，可快速響應且具備長航程能力。這些分類基于動力能源和氣動布局，每種類型的無人機都有其獨特的優勢和適用場景，能提供多樣化的救援解決方案。

1.3 無人機在消防救援中的應用原理

無人機具備靈活的飛行能力，能夠進入人類難以到達或存在風險的高樓、森林或危險環境等區域，小型機身和操縱的機動性使其能夠在狹小空間中自由飛行，進入受限區域進行偵察、搜救和監測任務。此外，無人機的可控性使操作員能夠通過地面站實時控制其飛行路徑、速度、高度和姿態等參數。這種實時控制能力使消防人員能夠根據需要調整無人機的飛行狀態，并進行優化。通常在執行任務時，無人機還會搭載高分辨率攝像頭、紅外傳感器和煙霧探測器等各種傳感器和設備，用于獲取關鍵信息，這些數據和圖像可為消防人員提供火勢評估、火源定位和被困人員搜救的全面、準確支持。例如，紅外傳感器可探測火源熱點，幫助確定火勢蔓延和煙霧產生的位置；攝像頭提供實時圖像和視頻，消防人員可通過這些視覺信息，了解火場擴散、建筑結構和通道阻塞情況。

2 無人機在消防救援應用中的技術要求

2.1 可靠性

可靠性是保證無人機在關鍵時刻順利執行任務的關鍵因素。首先，無人機的結構和材料必須具備高強度和耐久性，以應對惡劣的環境條件和緊急情況。無人機只有配備先進的傳感器和監測系統，才能夠實時獲取周圍環境的火情狀況、煙霧濃度、溫度等數據，以便及時作出決策。其次，無人機的通信系統必須穩定可靠，能夠與指揮中心或其他救援人員進行實時通信和數據傳輸，還要保證有高效的電池或燃料供應系統，以供其長時間飛行和持續工作。同時，無人機還應具備自主導航和避障能力，能夠準確識別和躲避障礙物，確保飛行的穩定性和安全性[2]。最后，要給無人機配備可靠的故障診斷和自動修復系統，自主檢測并解決一些常見故障，避免任務中斷或飛行事故的發生。

2.2 操控性

雖然無人機在飛行過程中不搭載駕駛員，但其操作和應用仍需依賴地面人員，操作員要能夠及時對無人機進行控制，以應對突發狀況和變化的環境條件，無人機的操縱桿、遙控器或其他操控設備需要具備靈敏的響應機制，能夠精確轉換操作員的指令，并將其傳達給無人機。由于消防滅火救援任務通常需要無人機在復雜空間環境中進行懸停、飛行和定點操作，操控性良好的無人機應具備穩定的飛行特性，能夠在風力、氣流等外部干擾下保持平穩飛行，還要有高精度的定位和導航能力，以確保無人機能夠精確地到達目標位置并執行任務。

2.3 穩定性

在消防救援任務中，無人機可能面臨高樓大廈、狹小空間、強風等復雜的環境和飛行條件。因此，無人機需要具備出色的飛行穩定性，以應對這些挑戰。其飛行控制系統必須能夠實時感知飛行狀態，并對姿態、速度、高度等參數作出相應調整，以保持平穩飛行。無人機還應具備高精度的慣性測量單元（IMU）和飛行控制算法，以實現精確的飛行姿態控制。合理的機身布局、翼面形狀以及推進系統配置都能減小飛行時的空氣動力干擾，提高飛行穩定性。此外，配備可調節的副翼、舵面等飛行控制舵面或穩定裝置，可以在飛行過程中實時校正無人機的姿態，從而增強其穩定性。慣性測量單元（IMU）和陀螺儀等傳感器也可以實時檢測無人機的姿態和運動狀態，為飛行控制系統提供準確的數據反饋，多重技術結合使用，可以提高無人機在復雜環境中的穩定性和安全性。

2.4 集成兼容性

在真實的消防救援場景下，無人機通常會與其他設備進行聯機，以接受指揮機構的統一調配，意味著無人機系統要有與消防車輛、監控系統、通信設備等其他關鍵設備進行無縫連接和通信的能力。無人機還應具備兼容多種傳感器和數據收集設備的能力，要能夠攜帶紅外攝像頭、煙霧探測器、熱成像設備等各種傳感器，以及時探測火災和救援場景中的危險情況，第一時間收集、處理和傳輸傳感器獲取的數據。由于要與地面指揮和控制系統進行實時數據交換和指令傳遞，無人駕駛航空器還要支持標準化的通信協議與接口。

3 無人機在消防救援工作中的科學應用實踐

3.1 信息收集

無人機憑借高度的靈活性和較強的飛行能力，為消防人員提供了全方位的信息收集渠道，通過搭載各種傳感器和相機，可以實時獲取災區的圖像和視頻數據，為消防人員提供了獨特的視角和全景視野，從而準確地了解火災的規模、位置和擴散速度。例如，在天津港“8.12”爆炸事件后，無人機通過航拍方式收集了爆炸區域的實際情況，對該區進行了深入分析，為火災受損情況的評估提供了重要數據[3]。無人駕駛飛行器還可以搭載4G/5G通信技術，與救援指揮部和單兵設備實現實時連接，使其及時獲取無人機傳輸的現場信息，并結合真實狀態選擇合適的消防滅火救援方案，提升指揮人員和救援人員的現場反應速度，使他們能夠根據火勢的變化及時調整救援方案。

3.2 災情偵察

無人機能夠快速抵達并進入危險區域，不需要考慮操作人員的安全問題，能夠提供災情現場的一手關鍵信息。在地震、洪水、山體滑坡等自然災害中，無人機的航拍功能可以為救援人員提供全面的信息，并以俯瞰整體狀況的視角，捕捉細節并記錄災情，幫助救援人員準確了解災害的特征和范圍。通過圖像和視頻傳輸，無人機可以實時向救援人員提供現場情況，幫助救援人員判斷災情蔓延情況、災害源位置和發展趨勢，從而采取針對性的措施，最大程度地減少損失和傷亡。此外，無人機還可以搭載各種傳感器和儀器，用于檢測和分析災害現場產生的有害氣體和化學物質。例如，在化學泄漏事故中，無人機搭載的氣體監測儀器可以幫助救援人員了解危險物質的濃度和分布情況，及早采取相應的防護措施，確保救援人員的人身安全。

3.3 指揮調度

在無人駕駛飛行器的指揮調度過程中，操作人員運用遙控設備對無人機進行精準操控，將其引導至需要偵查和監測的區域。除了傳統的高分辨率相機用于捕捉火源位置、燃燒程度以及潛在危險源等細節信息外，還可以搭載各類專業傳感器以提供更多精準數據。通過實時傳輸詳細數據到指揮部，為救援行動的制定和執行提供重要依據。然而，僅憑大量數據的積累并不足以實現高效的救援，指揮部還需要利用計算機視覺技術對無人機拍攝的高清圖像和視頻進行智能分析，實現火源熱點、煙霧密集區和建筑結構等關鍵信息的自動識別。智能識別能力賦予了消防救援中心更準確的危害發展趨勢判斷能力，幫助相關人員及時調整救援策略，提高整個救援行動的效率和安全性[4]。

3.4 輔助救援

在火災發生時，無人機可以迅速飛抵火場，并通過高清攝像頭捕捉火勢擴散的實時情況，為指揮中心提供及時、準確的數據，幫助他們快速定位被困人員或火源，使救援人員能夠根據火勢的實際情況作出相應的決策，制定更有效的救援方案。無人機還可以用于復雜地形或危險環境中搜救受困人員，在山區或洪水災害中，無人機可以通過飛行和懸停，搜索并發現被困的人員，將其準確的位置信息傳輸給救援隊伍，縮短搜救時間，提高成功率。無人機靈活的機動性和較低的風險，使其能夠進入人類難以到達或存在危險的區域，為救援行動提供有力的支持?；蛘叽钶d搜救繩索或生命探測儀等救援裝備，實現自主投送和運輸應急物資，即使在救援人員無法到達的地點，無人機也能夠及時提供必要的支持和救援。

3.5 拓展應用

無人機可以搭載各種通信設備，利用空中通信中繼站，建立臨時通信網絡，從而實現救援人員之間的持續聯絡、行動協調以及救援效率的提升。首先，無人機能搭載高清攝像頭和紅外熱成像設備，快速搜索大面積區域，并利用圖像識別技術檢索被困人員。無人機的機動性和靈活性使其能夠進入狹小或危險的地方，為救援行動提供更加精準的支持，通過實時圖像傳輸和數據分析，使救援人員準確了解災區狀況，迅速制定行動計劃。其次，無人機還可以裝載氣體傳感器和空氣質量監測設備，實時監測火場煙霧濃度和化學氣體含量。不僅提供了火災擴散預警和安全評估報告，還能為消防指揮決策提供科學依據，救援人員可以根據相關數據迅速調整救援策略，確保行動的安全性和有效性。除了通信和搜索救援功能，無人機還可以配備其他專業裝置，例如攜帶醫療急救設備，為受傷人員提供緊急醫療援助，或進行地質勘測和環境監測，提供重要的科學數據支持，以評估災害的規模和影響[5]。

4 結語

無人機在消防救援領域的科學應用展現出巨大的潛力和發展前景，具有高空偵察、緊急物資運送等功能，已經成為救援行動的有力后盾。當自主飛行技術、傳感器技術和人工智能技術在不斷優化迭代的同時，無人駕駛飛行器的感知和決策能力也有了大幅增強，進一步提高了火災源定位和火勢監測的準確性。無人機還可以利用無線通信和大數據分析等領域的融合，推動消防救援效率和響應速度的提升[6-7]。未來，無人機有望扮演更重要的角色，為保護人民的生命和財產做出巨大貢獻，為構筑和諧社會提供技術支持。