系留無人機在消防救援任務中的應用研究

摘要：

本文深入研究了系留無人機在消防救援任務中的應用。首先，介紹了系留無人機的基本結構、性能優勢，特別是其在續航、通信及穩定性方面的出色表現，并詳細分析了這些優勢在消防救援任務中的具體應用潛力。其次，針對系留無人機的性能優勢，深入探討了其在火災監控與偵察、通信中繼、物資投送以及人員轉移等多個方面的具體應用情況。最后，進一步展望了系留無人機在消防救援領域的發展趨勢。本研究不僅為系留無人機在消防救援任務中的應用提供了理論依據和實踐指導，還為相關領域的研究者和實踐者提供了有價值的參考。

關鍵詞：系留無人機；滅火救援；多旋翼無人機；消防

引言

隨著經濟的發展，城市化進程加快，突發事件日益增多，消防安全形勢愈發嚴峻。傳統的消防手段因作業范圍、續航及通信限制等，特別是在高層建筑、復雜地形等救援場景中，難以滿足高效、精準救援需求。因此，探索新型消防救援技術成為當務之急。系留無人機是通過系留繩索連接地面站，來實現持續供電與通信，突破傳統無人機續航時間短、通信距離等限制[1]。其在消防救援中展現出廣泛的應用潛力，為消防救援人員提供及時、準確的信息支持，提高救援效率和安全性。本文旨在深入探討系留無人機在消防救援中的應用，深入剖析技術特點、應用場景、挑戰與解決方案，推動消防救援技術的創新和發展。

一、研究現狀

在傳統的消防救援模式中，消防員是承擔救援任務的主體，往往需要在極端危險的環境下執行任務，安全風險極高。然而，隨著無人機、無人車的發展與應用，為新時代消防救援提供了新的思路。其中，無人機憑借著其快速部署和靈活的飛行能力，能夠迅速抵達火災或其他災害現場。消防救援無人機不僅能夠實時傳輸高清圖像與數據，還能直接執行滅火任務，通過掛載的滅火劑對火源進行噴灑，高效地完成救援任務。劉英堯的研究聚焦于無人機在消防救援，特別是森林消防中的效能與應用，深入分析了其潛力與挑戰，為理解該領域現狀提供了重要見解[2]。陳志平通過分析無人機在火災監測中的應用，探討其有效性與可行性，旨在為林業管理部門構建更高效的火災監測及撲救策略，以提升火災預防精度與應急響應速度[3]。在救援任務中，傳統無人機受續航、載荷及通信限制，難以廣泛應用于救援現場。系留無人機通過系留線纜連接地面電源，實現了持續能源供應與通信穩定，同時減輕了無人機自身載荷，提升了任務執行能力。因此，系留無人機可以為救援領域提供更可靠和高效的空中支援，具有廣闊的應用前景。

二、技術概述

系留無人機是多旋翼無人機的一種特殊形式，其主要特點是通過系留線纜與地面或其他載體相連，使用地面電源作為動力來源，從而摒棄了傳統的鋰電池供電方式。

（一）系留無人機的基本結構

系留無人機平臺由無人機、系留設備、地面控制站以及通信系統構成，如圖1所示。

1.無人機平臺。系留無人機多采用四旋翼或者多旋翼設計，作為系留無人機平臺的主體，其核心組件包括動力系統、飛行控制系統等。無人機平臺負責執行飛行任務，并可根據需要搭載各類傳感器、攝像頭以及消防噴灑裝置等。

2.系留技術與設備。系留技術是系留無人機的關鍵技術，通過地面設備連接多旋翼無人機來實現地面平臺的能量供給與控制。系留設備包括系留線纜、系留絞車、電源插頭和接口等，是地面設備用來為無人機持續供應電力的途徑。地面設備通過系留技術供電，從而增強無人機的續航能力，并有效減輕了無人機自身的載荷負擔。

3.地面控制站。地面控制站是實現系留無人機起飛、飛行姿態、任務規劃、數據接收與處理等控制工作的指揮中心，通常會配備有高性能計算機、顯示屏、操作手柄、無線傳輸等設備。操作人員可以通過地面控制站實時監控無人機的狀態、任務執行情況，實現無人機的精準操控。

4.通信系統。系留無人機通信系統是來實現無人機與地面控制站之間連接與信息交互的關鍵組件，通常結合無線傳輸（如Wi-Fi、4G/5G、衛星通信等）與有線傳輸的方式。地面控制站通過通信系統向無人機發送控制指令，實現無人機與地面站的通信與信息反饋。通過通信系統，無人機能夠實時地向控制站傳輸數據（如圖像、視頻、傳感器數據等），并準確接收來自地面的控制指令，能夠確保無人機操控的實時性、可靠性以及高效性。

（二）系留無人機的技術優勢

在消防救援的應用中，系留無人機憑借其結構特性在續航、通信、穩定性等方面展現出了顯著優勢。

1.續航、負載能力強。系留無人機是通過地面電源來供電，因此無人機電源穩定、動力強，可實現長時間作業，減少了電源負載，大大增加了其負載能力以及續航能力。這使無人機能夠在森林防火、環境監測等需要持續監控或作業的場合長時間工作，高效完成任務。

2.通信能力強。系留無人機通常采用無線傳輸與有線傳輸結合的方式來實現實時通信，配備有先進的通信系統，能夠確保與地面控制站之間的通信穩定性。系留無人機穩定的通信鏈路、高質量的數據傳輸，使其在應急通信、數據傳輸等應用中具有顯著優勢。

3.抗干擾能力、穩定性強。系留無人機是通過系留線纜與地面相連的多旋翼無人機，這提高了飛行的抗干擾能力和穩定性。穩定性對于搭載高精度傳感器、攝像頭等任務載荷的無人機來說尤為重要，可以確保任務執行的準確性和可靠性。

（三）系留無人機在消防救援中的適用性

系留無人機以其續航能力強、通信能力強、穩定性強的特點，在各種消防救援場景中展現出了巨大的應用潛力，特別是在地形復雜和惡劣天氣條件下。在地形復雜的救援場景中，如深山、森林等地區，傳統消防車輛和人員難以迅速到達災害現場并進行有效的現場勘探。系留無人機可在5分鐘內快速升空，并通過搭載的高清攝像頭和傳感器實時傳輸高清視頻、熱成像視頻以及現場數據，為地面指揮人員提供準確、全面的火情信息。在暴雨、大風等惡劣天氣條件下，傳統消防手段往往受到嚴重限制。系留無人機憑借其卓越的抗干擾能力和高度穩定性以及地面供電系統的持續支持，能夠在極端環境中保持相對穩定的飛行狀態，繼續高效執行救援任務。此外，系留無人機大多具備斷槳保護、斷鏈保護、斷電保護等多種措施，保障無人機飛行的安全性和操作的可靠性。綜上所述，系留無人機在消防救援中具有顯著的技術優勢和適用性，能夠為消防救援工作提供更加高效、準確、安全的支持。

三、系留無人機在消防救援中的應用研究

（一）火災現場監控與偵察

在火災現場，系留無人機可憑借其高空視角和長續航能力的優勢，成為監控火情、偵察火源位置和搜救被困人員的重要工具。

1.實時監控與火情評估。在森林火災或城市高層建筑火災中，系留無人機搭載高清攝像頭和紅外熱成像儀，能夠實時傳輸火場圖像和溫度分布數據，幫助指揮人員準確評估火勢蔓延趨勢和火源強度，從而制定科學的滅火策略。

2.火源偵察與定位。系留無人機可以深入火場內部或周邊區域，利用高精度導航系統和避障技術，精確偵察火源位置，為消防隊伍提供準確的打擊目標，提高滅火效率。

3.人員搜救。在人員被困情況下，系留無人機可以搭載熱成像相機或聲音探測設備，從空中搜索被困人員的生命體征，為救援隊伍提供精確的搜救路徑和位置信息。

（二）應急通信中繼

無人機中繼通信是一種利用無人機作為空中節點，拓展地面或者空中通信覆蓋范圍的技術[4-5]。如圖2所示，其原理是利用無人機作為中繼節點，在源節點和目標節點之間建立通信鏈路。這些鏈路通過無線電波傳輸信號，信號從源節點發出，被無人機中繼節點接收、放大（或進行其他必要的信號處理）后，再轉發給目標節點。無人機中繼通信系統能夠支持多跳中繼，信號可以通過多架無人機進行多次轉發，從而進一步擴大通信覆蓋范圍并增強信號傳輸的穩定性。

在自然災害或突發事件導致的通信中斷情形下，大中型固定翼無人機與直升機能夠發揮重要作用，提供應急通信中繼服務，作為臨時的通信平臺，迅速恢復災區與外界的聯絡。無人機的飛行搭載能力和滯空時間等因素限制了其應用的廣泛性，而系留無人機規避了這些問題，提供了新的發展思路。

1.建立臨時通信網絡。系留無人機搭載移動通信基站或衛星通信設備，可以在災區上空形成臨時通信網絡，能夠為救援隊伍、醫療機構和受災群眾提供語音、數據和視頻通信服務。

2.數據傳輸與信息共享。系留無人機可以作為數據傳輸的節點，將災區現場的圖像、視頻和傳感器數據實時傳輸至后方指揮中心，實現信息的快速共享和決策支持。

3.遠程指揮與控制。系留無人機能夠充當應急通信中繼的通信節點，通過這一節點，指揮人員可以實現對其他無人機或救援設備的遠程精確操控，從而顯著提升救援行動的效率和協同作戰能力，實現更加高效的救援行動。

（三）物資投送與人員轉移

在特定條件下，系留無人機還可以用于物資投送和人員轉移。雖然這一應用相對復雜且具有一定的風險，但在某些極端情況下具有潛在的實用價值。

1.物資投送。與普通無人機相比，系留無人機具有更長的續航時間和更大的載重能力。系留無人機可以持續、穩定地搭載緊急救援物資，如藥品、食品、水和通信設備等，快速投送至災區內部或偏遠地區，為受災群眾提供急需的援助。

2.人員轉移。無人機用于人員轉移的技術和安全性挑戰較大，在某些特定危險情境下，可以考慮開發專用的吊籃或吊艙系統，結合系留無人機的高空懸停能力和出色的飛行穩定性，能夠更準確地控制飛行軌跡和高度，從而確保人員轉移過程中的安全性。

四、未來發展趨勢與展望

系留無人機以其高穩定性的飛行能力、懸空能力、續航能力在消防救援領域展現出了巨大的潛力和價值，可以在災害現場的偵察、物資投送、通信保障等方面發揮重要作用。

（一）高性能的動力系統

隨著供電系統及系留技術的不斷進步，系留無人機的續航能力將得到顯著提升，這將使系留無人機具有更強的飛行能力，從而實現更大范圍的搜尋作業以及更長時間的懸停偵察任務。同時，更高效的能源管理系統也將使得系留無人機在復雜環境下保持更穩定的飛行狀態。

（二）先進的通信中繼技術

在搶險救災、消防救援等關鍵任務中，系留無人機將承擔起更為重要的通信中繼角色，需要具備構建更廣泛覆蓋通信網絡的能力，并提供更為穩定的通信連接。因此，系留無人機將搭載更為先進的通信中繼設備，旨在實現更高帶寬、更低延遲的通信服務。

（三）智能化的自主飛行和避障技術

在消防救援中，時間就是生命。智能化的自主飛行和避障技術，能夠極大地提高無人機的操作效率和安全性，使其在復雜多變的災害現場中更高效地發揮救援作用。在未來發展中，將實現掛載設備的多樣化，擴大了無人機應用范圍和效能，如高清攝像頭、紅外熱成像儀、氣體檢測儀等。這些設備將為救援人員提供更豐富的現場信息，有助于他們更準確地判斷災情和制定救援方案。綜上所述，系留無人機憑借其卓越的性能與不斷提升的功能，在消防救援領域展現出了巨大的應用潛力。隨著技術的持續進步，系留無人機將在提高救援效率、保障人員安全等方面發揮更加重要的作用。

結語

本文通過深入分析和探討系留無人機在消防救援任務中的應用，不僅為相關領域的研究者和實踐者提供了有價值的參考，還為未來系留無人機在消防救援領域的進一步發展奠定了堅實的理論基礎。期待在未來的研究中，能夠繼續深化對系留無人機性能優勢的認識，探索更多創新的應用方式，以更好地服務于消防救援任務，保障人民生命財產安全。

參考文獻

[1]郎為民，馬衛國，趙卓萍，等.系留無人機系統研究[J].電信快報，2022（11）：1-6.

[2]劉英堯.無人機技術在消防救援中的效能及應用研究[J].森林防火，2023，41（04）：139-143.

[3]陳志平.無人機監測在森林火災中的應用[J].森林防火，2023，41（04）：135-138.

[4]郎為民，廖非凡，李宇鴿，等.系留升空中繼通信系統的應用現狀與發展趨勢[J].電信快報，2023（04）：1-4.

[5]吳侹.系留多旋翼無人機通信系統在應急救災通信中的應用[J].移動通信，2016，40（15）：68-71.

作者簡介：

房泓言（1997— ），女，漢族，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向：無人機高精度定位、無人機應用。