基于无人机的智慧消防系统建设探讨
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作者:刘卓斌 刘永军 张恕孝 王大勇
摘 要：传统的消防系统，在应对高楼林立的城市民用居住和工业生产高层建筑消防救援上存在诸多困难，本文通过对传统消防系统对城市火灾扑救的难点分析，总结和归纳了无人机在城市火灾扑救这一领域，特别是高层建筑火灾扑救应用上的突出优势，详细探讨了建设基于无人机的智慧消防系统的一些工作和建议。
关键词：无人机 智能消防系统 高层建筑 火灾
1 引言
当前城市化进程越来越快，人口集中和密集程度越来越高，“城市病”频现，“北上广深”超大城市和一线城市人口都超千万，甚至3000万常住人口，城市的拥挤度、建筑群规模和高度也在不断刷新纪录，目前仅300m以上的高楼多达64座，100m以上的高楼有2000余栋。但传统的消防设备和系统的发展相对缓慢，特别是针对密集化城市高层建筑着火，基本上还是传统的云梯消防车模式，救援时间紧急，灭火效果差，火情难以控制，给人民的生命财产带来极大损害，同时火灾救援的武警官兵战士的生命安全也同样无法保障。
案例1：古建筑物群发生灾害事故（巴黎圣母院着火，见图1），时间：2019年4月15日。灭火难点：850余年历史的巴黎圣母院文物价值不言而明，倘若从高空往下灭火，势必会将800多度高温热气带入教堂大堂，对文物及教堂内部造成更严重后果，需要对高空着火点进行准确监测，进行精準灭火。现场灭火方式：消防人员+无人化装备应用，通过无人机实时捕获图像，为消防员准确，及时了解火情提供重要支持，获得了控制火势的必要数据，并寻找到最佳扑火位置。建议方案优化：针对古建筑，通常不能直接使用高压水枪（泡沫）进行灭火，其对古建筑带来的次生灾害对古建筑的损坏不亚于大火的烧毁。古建筑的灭火通常采用干粉灭火器，对于古建筑的高空着火点，干粉无法进入到火场，这是就需要有高空专业设备（如大载重灭火无人机）喷射干粉进行灭火。
案例2：高层建筑灾害事故（郑州市绿地原盛国际3号写字楼C座着火事故，见图2），时间：2018年2月1日，灭火难点：高层建筑灭火救援困难已是公认的世界性难题。灭火方式：消防人员在50m以下的楼层进行灭火。建议方案优化：采用空+地+人三维一体分层级进行灭火，空中无人机进行火场侦查，消防机器人从地面进入楼内，从下往上进行室内灭火和侦查，消防人员在外围控制消防机器人同时在外围进行火势压制。高空灭火无人机在50m高处进行多架次的循环灭火。
据权威数据统计，2017年全国共接报火灾28.1万起，亡1390人，伤881人，直接财产损失36亿元，共接警118.9万起，出动人员1311.5万人次、出动车辆224.8万辆次;2018年全国共接报火灾23.7万起，亡1407人，伤798人，直接财产损失36.75亿元，接警出动115.7万起，出动消防救援人员1273.2万人次，出动消防车辆219.3万辆次;截至2019年6月，伤亡624人，火灾发生次数14.64万起，直接财产损失15.7亿元，统计情况如图3。
2 城市火灾的扑救痛点
城市火灾危害极大，一旦扑救不力，人员和财产损失不可估量，尤其“城市病”严重的高层建筑火灾，具有“一快两难”的特点。即火势蔓延速度快，人员疏散困难，火灾扑救困难，这就要求灭火救援人员能够准确迅速，科学施救，最大限度挽救人员生命和降低财产损失。
针对大城市和其高层建筑，传统的消防系统存在痛点：（1）大城市人员和车辆密集，救援人员和云梯消防车需要时间赶到现场;（2）救援现场情况瞬变与上级消防指挥存在信息不对称;（3）消防云梯车桥梁桥洞路面通过性差，很多建筑物的消防回转通道也难以满足，（4）常出现火灾现场“进不去”“展不开”“够不着”的问题。因此，在传统消防系统上集成无人机参与救援和建立相应通信系统、数据采集分析等系统，研究空地一体化无人机消防救援系统解决方案，即建设基于无人机的智慧消防系统是现代城市消防救援迫切需要的解决方案，是智慧城市建设的重要内容。
3 无人机在智慧消防系统的应用
3.1 辅助灭火救援
突破传统的火灾救援模式，使用无人机对火情检测，生命探测、应急出动、救援设备抛投等众多领域就行辅助灭火。通过空中视角给灭火方案制定提供最真实的依据。
（1）便携式侦查无人机。
搭载红外双光、喊话器、照明灯，可在狭小空间快速穿梭侦查。
（2）侦查巡检无人机。
搭载红外双光吊舱、单光吊舱、气体检测仪、可视喊话抛投一提器，可用于现场灾情侦查，指挥调度，应急疏散。
（3）应急建模无人机。
搭载三维建模无人机、单光吊舱、红外双光吊舱、气体分析仪、照明灯，可用于救灾现场实景三维建模与侦查。
3.2 直接灭火
大载重的灭火飞行平台（见图4），通过搭载灭火消防栓等设备，对高层火情实施有效控制和扑灭。在高层灭火实施过程中，以安全作业为核心，采用多传感器数据融合，以适应多作业模式和极端复杂环境，开展消防灭火无人机系统研究，保障高层建筑人民生命财产安全，拥有巨大的社会效益。
高层建筑火灾扑救作业急需大载重消防灭火无人机，百公斤级以上，一次能扑灭200m2面积以上的火灾，具有较大的应用空间。火灾初期：灭火无人机控制高层火情，将火灾扑灭在初期，迅速代替灭火救援人员进入易燃易爆、有毒、缺氧、浓烟等危险灾害事故现场;火灾中期：多机组合灭火战术，与举高类消防车协同作战，采用预先的战术方法扑灭中期火灾。
如我院某型消防无人机是针对高层建筑灭火救援，研发的大载荷八旋翼电动无人直升机，利用和改进现代灭火技术，采用高效灭火药剂扑救高层建筑火灾的一种全新灭火装备。
应用场景设定为直接扑救500m以下设有外窗的室内空间火灾和建筑外墙（保温层和装饰物）火灾，具有使用范围广，全方位作业，展开迅速，操作简便的优势。 4 建设探讨
“空地一体化无人机智慧消防系统”（见图5）服务于实战应用，把实时视频信息、物联网信息、现场周边救援信息、其他业务部门信息以及无人机实时信息接入平台，通过对数据进行整合管理，达到多样化智慧应用效果，从而对灾害现场情况实时精准监测，并辅助各级消防部门指战员完成應急救援指挥决策任务，最终实现“一张图指挥、一张图协调、一张图分析、一张图决策”的智慧消防基本要求。
总体上第一步智能消防控制系统平台采用软件硬件高度融合，以无人机装备作为搭载平台，结合各类业务需求的硬件传感器设备，采集火场信息，建立火场三维模型。第二步无人机共享火场信息给单兵消防员和消防车，以利于现场组团有序救援作业。第三步消防现场指挥中心将现场情况实时传递给上级指挥大厅，上级掌握情况，调拨有力。火场现场可自组网，可采用便携终端增强信号，数据传输采用5G/卫星等途径。形成空天地的三维灭火态势，有组织有指挥的扑救行动，有目标有力量的扑救团队。
4.1 防火管理系统
防火管理系统主要针对火灾灾情先发现和预评估，通过可见光或者多光谱等光学设备，对受灾进行精确的数据获取，用于指导后续工作提供可靠的数据支撑。通过无人机遥感技术，将火灾的状态进行影像获取，可全面、完整和详实的获得烧毁状况，并通过软件分析，建立三模模型。
4.2 通信子系统
通信方面主要分为几段（见图6），如下所述。
（1）智能化设备到地面控制端。
目前采用图传将视频和图片数据传输到地面断，通常采用5.8GHz频段电台进行传输，传输距离可达到10km，目前常用的在5km左右。数据传输通过数传完成，可以将无人机和智能化装备上的业务监控数据传输回来。可包括气体传感器数据、粉尘数据、地理信息数据（GPS）、温度以及湿度等各种数据。
（2）地面控制端到后台控制系统。
地面控制端可通过网络将数据转会到数据中心，网络环境有通过网络接口直接回传数据到系统，这种方案依赖4G/5G网络或者现场的WIFI工作。
（3）通过数传将数据发回地面站，地面站程序处理后写入系统数据库。再有系统数据库对数据进行处理分析。
4.3 自组建网络
如果现场没有网络支持，可以自组建局域网，距离不足则采用中继网络基站。自组网是一种移动通信和计算机网络相结合的网络，网络的信息交换采用计算机网络中的分组交换机制，用户终端是可以移动的便携式终端，自组网中每个用户终端都兼有路由器和主机两种功能。
中继（Relay）技术，就是在基站与移动台之间增加了一个或多个中继节点，负责对无线信号进行一次或者多次的转发，即无线信号要经过多跳才能到达移动台。以较简单的两跳中继为例，就是将一个基站—终端链路分割为基站—中继站和中继站—终端两个链路，从而有机会将一个质量较差的链路替换为两个质量较好的链路，以获得更高的链路容量及更好的覆盖。
4.4 临时指挥站-指挥车
指挥车（见图7）是将天线服务器，控制端以及其他设备统一集成在指挥通讯车上，可以灵活机动的处理的现场情况。车辆开到现场立即成立现场指挥中心。能高效顺利的实现现场指挥，远程汇报的作用。
机动化无人机管理系统，可一车多用，行车移动地面站。需要的硬件设备有地勤车一辆，无人机和其他智能设备，车载地面站、维修工具、快速充电设备、工作站一台，远距离数据传输模块以及作业急救设备等。
4.5 核心技术人工智能算法
整个系统平台中最核心的应该是基于云平台的人工智能算法，对整个系统在运行作业过程中实现一整套完整的数据采集、数据分析、报表形成和最终的人工智能算法的处理，给出决策者一个准确的参考意见和价值。
人工智能算法可以基于数据高于数据对系统算法进行整合运算。基于一些典型的故障模式，利用特征识别和机器学习等算法，实现数据的高效采集和智能分析，进行各方式智能识别指导消防救援，特点有：
（1）高效的数据整理、分类和归档;
（2）基于机器学习的典型故障自动判别;
（3）交互式的故障诊断模式，大幅提高准确率;
（4）对诊断结果自动形成分析报表。
参考文献
[1] 罗彦鹏.无人机在消防灭火救援工作中的运用[J].中国科技信息，2019（13）：78.
[2] 陈镔，秦正楠.八旋翼消防预警无人机设计与实现[J].佳木斯大学学报：自然科学版，2019（3）：35-36.
[3] 崔彦琛，吴立志，朱红伟，等.无人机在消防通信中的应用研究[J].消防科学与技术，2019（4）.
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