無人機(jī)在港口消防應(yīng)急的應(yīng)用研究

任思帥，侯志強(qiáng)，邵攀，李學(xué)東

（交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院，北京 100082）

2015年8月12日，位于天津市濱海新區(qū)的瑞海公司危險(xiǎn)品倉庫發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，一共造成165 人遇難（其中參與救援處置的公安現(xiàn)役消防人員24 人、天津港消防人員75 人、公安民警11 人，事故企業(yè)、周邊企業(yè)員工和居民55 人）。本次事故造成這么多的消防員犧牲，主要原因是企業(yè)人員不能提供倉庫儲存貨物的準(zhǔn)確信息，導(dǎo)致指揮員難以對火場狀況做出準(zhǔn)確的判斷，沖到前線救火的消防員接連遭受兩次爆炸，還有現(xiàn)場危險(xiǎn)品產(chǎn)生了毒性氣體，也加劇了事故的嚴(yán)重程度。

在火災(zāi)等突發(fā)情況下充滿了很多的不確定性因素，指揮部門和救援人員對現(xiàn)場缺乏相應(yīng)的了解，救援人員盲目地進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場難以保證其安全。因此，在救援人員進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場之前，首先使用無人機(jī)快速進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行探測，將拍攝到的實(shí)時(shí)現(xiàn)場高清視頻回傳到應(yīng)急指揮調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場火災(zāi)實(shí)景與應(yīng)急指揮調(diào)度中心的大屏畫面同步，有利于指揮人員對火災(zāi)現(xiàn)場的觀察和判斷，更好地指揮救援人員開展施救任務(wù)，減少不必要的人員傷亡。

目前無人機(jī)在森林防火中得到了廣泛的應(yīng)用，采用無人機(jī)可以有效地提高森林防火工作質(zhì)量和效率，可以保證森林防火和救火可以更好的開展。首先在森林防火中采用無人機(jī)對森林進(jìn)行日常巡邏，相比于人工巡邏，無人機(jī)巡查的面積更大、效率更高；其次將無人機(jī)應(yīng)用在森林的消防應(yīng)急中，可以直接投放阻燃劑及在高空中拍攝火情，有利于消防人員對火情的判斷，盡量減少消防人員直接參與到森林的救火之中，進(jìn)而有效減少森林防火工作人員的傷亡情況，在森林滅火中發(fā)揮著十分重要的作用。

結(jié)合目前無人機(jī)在森林防火等消防應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用，將無人機(jī)應(yīng)用在港口消防應(yīng)急中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。將無人機(jī)應(yīng)用到港口消防應(yīng)急領(lǐng)域中，首先可以采用無人機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場視頻的采集，將實(shí)時(shí)拍攝的高清視頻回傳到港口應(yīng)急指揮調(diào)度中心，全面提高碼頭指揮調(diào)度人員對港口現(xiàn)場的火災(zāi)應(yīng)急觀察和判斷力，提高指揮人員的決策和現(xiàn)場救援人員的救援效果；其次相比于機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場探測，無人機(jī)可以更快的到達(dá)事故現(xiàn)場，更及時(shí)有效地對事故現(xiàn)場進(jìn)行偵察探測，還可以在無人機(jī)上面安裝喊話器，對現(xiàn)場救援人員及時(shí)有效的指揮；最后還可以在無人機(jī)上面加載氣體檢測云臺和熱成像鏡頭，及時(shí)判斷被困人員的位置，提高搜救效率，并有效獲取事故現(xiàn)場的氣體成分，減少救援人員的不必要傷亡。

1 無人機(jī)概述

無人機(jī)是無人駕駛飛行器的簡稱，是一種不載操作人員、用空氣動(dòng)力產(chǎn)生運(yùn)載工具升力、能夠自主或遙控飛行、能夠一次使用或回收并且載有殺傷或非殺傷有效載荷的有動(dòng)力的航空器。目前在消防應(yīng)急領(lǐng)域大部分采用的是多旋翼無人機(jī)，多旋翼無人機(jī)也可以稱為多軸無人機(jī)，根據(jù)多旋翼無人機(jī)的螺旋槳數(shù)量可細(xì)分為四旋翼、六旋翼、八旋翼等。一般認(rèn)為多旋翼無人機(jī)的螺旋槳數(shù)量越多，其飛行越平穩(wěn)，操作也就越容易。

多旋翼無人機(jī)的體積小，制造成本低，與固定翼無人機(jī)相比，它具有可定點(diǎn)懸停、可垂直起落等功能，因而在軍事方面可用于執(zhí)行運(yùn)送物資、戰(zhàn)場監(jiān)視、邊境巡檢等任務(wù)，在民用方面可用于電力巡線、救災(zāi)探測、勘探測繪、人員搜救等用途。隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)、激光、聲吶等儀器設(shè)備都可裝備到無人機(jī)上完成特定的任務(wù)。

目前無人機(jī)通信和控制主要通過無線電傳輸，無人機(jī)主要由四部分組成，分別是平臺、控制飛行的系統(tǒng)、無線電遙控系統(tǒng)以及裝備。無人機(jī)具有三個(gè)特點(diǎn)，第一個(gè)特點(diǎn)在于檢測精度方面，無人機(jī)在低空飛行50 到100 米時(shí)，測量的精度最高可達(dá)到毫米；第二個(gè)特點(diǎn)無人機(jī)安裝攝像器材的成本不高；第三個(gè)特點(diǎn)就是無人機(jī)相對安全靈活，能夠適應(yīng)多種天氣、多種角度、多種結(jié)構(gòu)。

2 消防無人機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 災(zāi)情偵察

大多數(shù)自然災(zāi)害及突發(fā)事故現(xiàn)場的環(huán)境復(fù)雜多變，很多情況下大型偵察設(shè)備難以進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行偵察探測?；馂?zāi)等特殊事故現(xiàn)場環(huán)境充滿了很多的不確定性因素，在對事故現(xiàn)場了解不足的情況下，貿(mào)然進(jìn)入事故現(xiàn)場很難保證救援人員的安全。通過在無人機(jī)上面安裝災(zāi)害偵察模塊，可以實(shí)時(shí)檢測火災(zāi)現(xiàn)場的多維信息，獲得火災(zāi)周圍溫度場、有毒有害氣體濃度、現(xiàn)場其他影響因素等。

當(dāng)采用無人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急救援時(shí)，可以配備紅外夜視儀和熱成像鏡頭，無論白天還是黑夜，都可以360°全景對事故現(xiàn)場進(jìn)行偵察，將偵察到的信息及時(shí)地傳送到后方應(yīng)急指揮中心，供指揮人員了解現(xiàn)場地形地貌、事故發(fā)展趨勢、人員被困情況等，為指揮人員的決策提供支持。

2.2 應(yīng)急照明通信

當(dāng)發(fā)生自然災(zāi)害或突發(fā)事故時(shí)，事故現(xiàn)場的應(yīng)急照明得不到保證，可以通過在無人機(jī)上面裝載空中照明設(shè)備，進(jìn)而可以解決夜間野外復(fù)雜地形、危險(xiǎn)水域等事故現(xiàn)場缺少大范圍移動(dòng)照明的難題，將無人機(jī)裝載照明設(shè)備應(yīng)用于應(yīng)急救援領(lǐng)域，能夠提高應(yīng)急救援中心處理夜間突發(fā)事件能力和效率。

應(yīng)急通信系統(tǒng)是指發(fā)生突發(fā)緊急情況下通信需求瞬間增加時(shí)的通信保障。通過安裝在無人機(jī)上的通信中繼，災(zāi)害現(xiàn)場可以實(shí)現(xiàn)大范圍通信覆蓋，解決信道擁塞、通信盲點(diǎn)等難題。一旦發(fā)生突發(fā)事故時(shí)，可以及時(shí)傳遞災(zāi)情、保障救災(zāi)指揮調(diào)度、滿足災(zāi)區(qū)民眾的聯(lián)絡(luò)需求，同時(shí)將通過機(jī)載揚(yáng)聲器向現(xiàn)場人員進(jìn)行廣播關(guān)鍵信息。

2.3 消防滅火

消防無人機(jī)在滅火方面可以發(fā)揮很大的優(yōu)勢。多旋翼無人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)靈活可控，還可以攜帶消防救援設(shè)備進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行撲救，在一定程度上能夠替代消防救援人員。當(dāng)采用無人機(jī)進(jìn)行應(yīng)急救援時(shí)，可以選擇攜帶配備配水設(shè)備、聲音喊話裝置、救生繩等重物的無人機(jī)，對事故現(xiàn)場開展救援活動(dòng)。當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)還可以通過視頻傳輸，對火情進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，無人機(jī)可攜帶不同的滅火裝置，并可向火災(zāi)中的被困人員投放應(yīng)急救援物資等，確保被困人員的安全。

無人機(jī)在森林消防中的應(yīng)用可以更直觀地判斷火災(zāi)情況，將無人機(jī)應(yīng)用到森林滅火工作中，可以幫助控制火災(zāi)情況。森林火災(zāi)發(fā)生后，火災(zāi)規(guī)模通常較大，直接滅火難度較大，采用無人機(jī)在高空中可以準(zhǔn)確的判斷火災(zāi)趨勢，緊接著在安全區(qū)域設(shè)置防火帶，可以有效減緩火災(zāi)的蔓延，對消防工作具有重要意義。

目前消防無人機(jī)在城市中的消防滅火也得到了一定程度的應(yīng)用，在城市中高層建筑越來越多，并且這些高層建筑的距離都比較近，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)對消防救援工作存在著很多的挑戰(zhàn)，比如存在著火災(zāi)發(fā)生在高樓層、內(nèi)部的消防設(shè)施不足等問題。消防用無人機(jī)具有載重量大、抗風(fēng)能力強(qiáng)、拋灑精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以在高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)人為操控在遠(yuǎn)距離發(fā)射滅火彈和近距離噴灑滅火干粉，有效地提升消防滅火效率，同時(shí)收集火場視頻，盡量地減少不必要的人員傷亡。

3 無人機(jī)在港口消防應(yīng)急的應(yīng)用優(yōu)勢和問題

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢

無人機(jī)在港口消防應(yīng)急的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：第一點(diǎn)是無人機(jī)可以在高空中拍攝火災(zāi)情形，無人機(jī)通過裝載的攝像機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)變焦、傾斜多角度拍攝，及時(shí)地向現(xiàn)場人員傳遞現(xiàn)場火災(zāi)情形，為救援人員提供基本的火災(zāi)情況認(rèn)知。第二點(diǎn)是無人機(jī)可以通過裝載氣體收集器等裝載對火災(zāi)信息進(jìn)行收集，將收集的信息及時(shí)地傳遞到應(yīng)急指揮中心，有利于指揮人員的應(yīng)急決策，為消防人員的滅火計(jì)劃提供依據(jù)，提高消防救援的效率。第三點(diǎn)是利用無人機(jī)對事故現(xiàn)場進(jìn)行指揮調(diào)度，現(xiàn)場指揮人員可以通過無人機(jī)傳輸?shù)氖鹿尸F(xiàn)場的視頻，對事故現(xiàn)場進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷，并將決策信息及時(shí)地傳遞給救援人員，還能對救援人員通過喊話進(jìn)行及時(shí)有效的指揮。第四點(diǎn)是無人機(jī)通過裝載滅火設(shè)施，具備直接滅火的功能，相比于消防機(jī)器人，無人機(jī)還可以在高空中作業(yè)，它能夠飛到指定地點(diǎn)并投擲滅火彈，更高效和及時(shí)地進(jìn)行消防滅火。第五點(diǎn)是無人機(jī)可以進(jìn)行應(yīng)急救援，無人機(jī)可以裝載的熱成像鏡頭及時(shí)快速的發(fā)現(xiàn)被困人員的位置，還可以攜帶應(yīng)急救援物資投放給被困人員，有利于救援人員及時(shí)快速地救出被困人員。最后一點(diǎn)是在高空中追蹤災(zāi)情的變化，現(xiàn)場指揮人員可以根據(jù)災(zāi)情的變化采取相應(yīng)的措施，最終實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的全面、及時(shí)控制。

3.2 存在的問題

目前，無人機(jī)應(yīng)用到港口消防應(yīng)急中還存在著很多的問題，一是在高溫的環(huán)境下，電池的電壓會(huì)下降很快，火災(zāi)現(xiàn)場高溫產(chǎn)生的熱氣流也會(huì)對無人機(jī)的穩(wěn)定性有所影響，高溫還會(huì)影響無人機(jī)的機(jī)身材料。二是事故現(xiàn)場的高層建筑、強(qiáng)磁場、以及鳥類等都會(huì)對無人機(jī)的信號傳輸、視頻拍攝等產(chǎn)生不利的影響，并且在冬天使用無人機(jī)作業(yè)時(shí)，低溫會(huì)對無人機(jī)的續(xù)航產(chǎn)生影響。三是無人機(jī)可以裝載氣體檢測器，但飛行時(shí)槳葉產(chǎn)生的巨大升力及氣流會(huì)嚴(yán)重影響氣體檢測準(zhǔn)確度，并且無人機(jī)能夠裝載熱成像鏡頭來搜救被困人員的位置，當(dāng)在戶外作業(yè)基本不受外界的因素影響，當(dāng)搜救建筑物內(nèi)的被困人員，其信號會(huì)受到建筑物的影響，無法準(zhǔn)確判斷被困人員的位置。四是現(xiàn)階段飛手儲備不足，需要增強(qiáng)飛手在惡劣天氣以及發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)的應(yīng)急處置能力，在實(shí)際的操作中，對飛行員的操作和投擲的準(zhǔn)確性也有較高的要求。五是缺少相應(yīng)的管理制度，在日常應(yīng)急演練中缺少無人機(jī)參與其中。

4 無人機(jī)在港口消防應(yīng)急的解決對策

4.1 加強(qiáng)無人機(jī)技術(shù)研發(fā)

無人機(jī)在港口消防應(yīng)急應(yīng)用中，進(jìn)行作業(yè)時(shí)第一點(diǎn)就要應(yīng)對現(xiàn)場高溫環(huán)境，因此在設(shè)計(jì)消防無人機(jī)時(shí)首先要加強(qiáng)機(jī)載硬件設(shè)備的開發(fā)，無人機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)備主要有螺旋槳、監(jiān)測探頭、機(jī)身、信號收發(fā)裝置等，提高無人機(jī)硬件的耐高溫水平，將耐高溫材料應(yīng)用其中，保證消防無人機(jī)具有耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。第二點(diǎn)就是無人機(jī)在實(shí)際作業(yè)時(shí)電池受外界環(huán)境的影響，高溫環(huán)境會(huì)影響電池的電壓，低溫環(huán)境會(huì)使電池壽命下降，消防無人機(jī)應(yīng)采用耐高溫和低溫電池，在高溫環(huán)境下要保證電池電壓的穩(wěn)定性，在低溫環(huán)境下要保證電池放電性能和產(chǎn)品性能的穩(wěn)定。最后一點(diǎn)就是要進(jìn)一步優(yōu)化無人機(jī)氣動(dòng)外形，得到最優(yōu)氣動(dòng)參數(shù)，從而進(jìn)一步提高無人機(jī)氣動(dòng)性能。

4.2 采用更先進(jìn)的機(jī)載消防應(yīng)急設(shè)備

將無人機(jī)應(yīng)用在港口消防應(yīng)急時(shí)，第一件事就是把現(xiàn)場視頻傳輸給應(yīng)急指揮中心，這需要求無人機(jī)上面配備高清攝像頭，以保證拍攝的視頻清晰。無人機(jī)拍攝的視頻在傳輸過程中也會(huì)受到高層建筑和磁場的影響，為保證視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠，需要無人機(jī)上面配備傳輸性能優(yōu)良的傳感器。5G 網(wǎng)路具有“高速率、低時(shí)延、大容量”的優(yōu)點(diǎn)，可以將先進(jìn)的5G 技術(shù)應(yīng)用在無人機(jī)視頻傳輸上。無人機(jī)還需要搭載更先進(jìn)的氣體探測云臺和熱成像鏡頭，以保證氣體探測和搜救結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

4.3 加強(qiáng)無人機(jī)隊(duì)伍建設(shè)

面對目前飛手后備力量不足的問題，首先需要建立飛手隊(duì)伍，培養(yǎng)飛手在惡劣天氣和突發(fā)事件中的應(yīng)急處理能力，充分積累無人機(jī)探測位置、鏡頭角度、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用等經(jīng)驗(yàn)，并培養(yǎng)飛手日常保養(yǎng)和簡單維修的技能。明確日常訓(xùn)練的內(nèi)容和時(shí)間，確保飛手操作無人機(jī)的時(shí)間，提高飛手的實(shí)際操作水平。

4.4 完善管理制度，加強(qiáng)演練

倘若無人機(jī)沒有制定完善的管理制度，其在港口應(yīng)急救援的效果也不會(huì)理想，為確保無人機(jī)在港口應(yīng)急救援中更好地應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況制定科學(xué)的管理制度。健全完善的管理制度，能夠確保無人機(jī)在港口應(yīng)急救援中得到良好應(yīng)用，合理的管理制度能夠保障無人機(jī)更好地應(yīng)用在港口的消防應(yīng)急中，制定的管理制度還需要各項(xiàng)內(nèi)容具有實(shí)用性。還要以制度保障無人機(jī)的日常演練，以練代戰(zhàn)，使飛手能夠從容操作無人機(jī)應(yīng)對突發(fā)事件。

5 結(jié)束語

當(dāng)港口發(fā)生突發(fā)情況時(shí)，需要及時(shí)有效地開展救援行動(dòng)，將無人機(jī)應(yīng)用在港口的消防應(yīng)急中，可以提高應(yīng)急救援的效率，最大限度地保障消防人員的安全。目前，無人機(jī)在港口消防應(yīng)急中的應(yīng)用還存在著一定的問題，需要不斷提高無人機(jī)的硬件設(shè)施和完善人員隊(duì)伍，建立完善的管理制度，以便更好地應(yīng)用于港口消防應(yīng)急。