无人机技术在灭火救援实战中的应用
摘要：在介绍无人机技术基本概况、分类以及应用优势的基础上，阐述了无人机在灭火救援中的主要功能，探讨了无人机技术在该领域的发展方向，提出了提升无人机技术应用效果的策略，以期进一步提升无人机技术在灭火救援中的应用。
灾情侦查是应急救援行动的重要环节，是制定灭火救援决策、展开作战行动和应用救援战术的前提。传统灾情侦查方法受限于地形和时间约束，导致灾情侦查无法发挥应有的作用，使救援人员难以快速、准确、全面把握现场情况，从而置身于未知的环境中，而无人机技术的广泛应用，不仅可以帮助救援人员及时、准确地获取火场信息，还可以通过无人机建模、数据自动化分析、信息筛选识别等方式，为救援行动提供重要的辅助决策，使消防人员全面了解现场灾情，有效降低救援人员的伤亡风险，提高灾害救援工作的效率和安全性[1]。
1无人机技术概述
1.1 无人机技术概况
无人机技术即无人驾驶飞机技术（简称“无人机”），该技术是利用无线电遥控设备和自身搭载程序控制装置进行操作，不依靠搭载人员的飞行器技术，主要由飞行器平台、飞行控制系统、无线电遥控系统和各类型功能模块四部分组成，根据无人机所搭载的功能模块不同，可实现俯瞰航拍、影像传输、红外识别、物品投送等多种功能[2]。
1.2 无人机的分类
无人机可依据形态、用途、高度、活动半径等方面进行分类，按照机型可分为固定翼无人机、多旋翼无人机。固定翼无人机具有续航时间长、飞行稳定、距离远、操作要求高等特点。多旋翼无人机具有成本较为低廉、操作较为简单、飞行震动小、可垂直起降等特点。现阶段消防救援队伍应急通信分队及各基层单位配备的多为具有航拍、影像传输、红外识别的多旋翼无人机，已广泛应用于灾情侦查、辅助指挥决策等方面[3]。从用途上分为军用无人机和民用无人机，军用无人机是由遥控设备或自备程序控制操纵的不载人飞机，具有使用方便、机动灵活、无人操作等特点。民用无人机是在常规飞行控制模块基础上，新增不同功能模块实现民用领域不同功能用途的无人机，常见民用无人机主要为航拍无人机、巡查无人机、农用无人机、气象无人机等，随着无人机技术逐渐成熟，制造成本和进入门槛降低，无人机领域在民用领域的应用更加广泛。
1.3 无人机在消防救援领域应用的优势
随着科技不断进步，无人机技术广泛应用在各个领域，展现出较大的发展潜力和应用前景，在消防应急救援领域，无人机技术应用的优势主要表现在：一是较高的精准度和稳定的操控性。无人机设备可以快速、准确地到达目标区域上空，全面了解灾害现场情况，可在空中对飞行距离100～1000m的范围达到毫米级的测量，方便一线救援人员快速精准地掌握灾害情况。消防救援队伍装备使用的为多旋翼无人机，可垂直起降和上空盘旋，为现场灾情侦查和区域监测灾情提供稳定可靠的工作环境[4]。二是较低的使用成本和实战风险。无人机设备不易受天气和周围环境的影响，无人机音视频、红外辨识、救援救助等多个功能模块可一次性建设后多次投入使用，成本相对较低，其具备的自动化操控能力，可在复杂的环境中代替人员执行侦查监测、灭火药剂投放和救援救助等任务，可有效降低一线救援人员在复杂危险区域和情况不明环境中的伤亡风险。三是较灵活的功能装备配置。无人机技术已应用于多学科、多技术领域，除航空飞行、线路测控等基本功能外，还可以实现特定功能需求，例如，无人机配备了夜视灯、高分辨率摄像头后，可在白天和黑夜实现稳定拍摄，为灭火应急救援提供清晰的图像数据[5]；无人机配备灭火剂喷洒装置后可向着火点精准喷射灭火药剂，高效控制或扑救火势。
2无人机技术在灭火救援中的主要功能
无人机能够迅速抵达火灾事发地，负责向地面实时传输图像和数据，其图像在非视线可达的城市环境中传输距离最远可达40km，可以较好地满足消防救援要求[6]，主要功能有：
2.1 高清摄像
搭载红外线夜间电视摄像头、辅助灯泡等先进技术的无人机在白天或黑夜，都能够从不同角度、不同层次收集丰富的场景照片，以便更好地帮助现场指挥人员获取灾区地貌、范围、扩散趋势等情况，从而制定有效的救援措施[7]。
2.2 灾情侦查
无人机具有高空检测功能，通过安装录像机可以随时获取火灾发生地点的信息[8]。无人机操作手按要求控制无人机的飞行高度，将火灾视频实时传输到车辆的边缘监视器上，位置摄像机具备多角度的拍摄能力，包括变焦、倾斜等功能，还可以编程进行频率扫描，以捕捉车辆、道路和建筑物的多重视角。此外，无人机还配备了多种设备，如数码相机、有毒可燃气体探测器、测风仪、红外热像仪等，可在消防救援队伍灾情侦查小组难以到达的情况下，快速执行侦查任务。无人机与侦检设备的集成设置，不仅能够远程检测易燃易爆危险化学品及其他相关气体的浓度，还能测量环境温度和风速，详细了解灾害现场的环境和气象条件[9]。无人机在消防救援中的应用具有高度的技术性和多功能性，通过远程监测和侦查，不仅能够提供关键信息，还能有效减少一线救援人员进入危险环境的风险，使无人机在消防救援队伍一线实战中变得更加重要和不可或缺。
2.3 定位搜寻
紧急情况下，地面指挥人员可以通过无人机准确定位受灾者和参与灾害救助的消防员的位置，快速施救。例如，2018年3月13日接警，一名女孩被困在山东章丘玉泉山附近，因山势险峻、地形多变，一线救援人员多次尝试搜寻未果后，使用无人机升空搜寻，通过搜索定位，救援人员成功对其进行了救援。该案例较好地展示了无人机在复杂环境中搜索和救援的能力，采用网络联动和实时定位，大大提高了救援工作效率，缩短了救援时间，最大限度地保障了受灾者的安全[10]。
2.4 信号覆盖
灾害事故发生后，极易造成断水、断电、断网的极端灾害情况，通信无人机无线传输技术可有效解决地震、山体滑坡中通信中断等问题，在救援工作指挥调度和组织实施中发挥着关键作用。通信无人机使用合并运输模块作为临时中继站，具有极低的信噪比门限（1dB）和接近香农极限的接收灵敏度（-128dBm），这使得在相同传输功率下，通信距离可以提高60%，通过层层物理技术进行中继联网，各个网络连接相互补充，无须借助其他介质，而且新节点的离开或加入不会对整个网络通信造成干扰[11]，见图1。
随着5G信号的普及和应用，无人机具备了飞速同步和信号迅速处理的功能，通信建立和动态网络的发射与接收可以在100ms内完成。这使得在紧急情况下，特别是在自然灾害发生时，无人机可以迅速建立通信，协助救援工作，提高灾害救援的效率和响应速度。自组网终端可以随意在网络中发生改变，速度又快又稳，终端之间的网络结构可以随时发生改变来满足各个场景的需要，见图2。
2.5 预警照明
预警照明作为高空侦查、救援任务中保障关键指令有效传递的重要方式，可排除信号、噪声干扰，正常开展救援现场应急通信和信息传递。无人机预警照明功能可在夜间应急搜救任务中利用灯光变化传递信息，也可以为夜间应急搜救提供大范围、长时间、高亮度的照明，从而确保救援工作安全、不间断开展。同时，无人机设备随车配备、携带、运送，可在任务转移和遇到紧急情况时快速启动。此外，无人机操作系统具有自动巡航模式，可以高效地辅助人工操作，降低操作难度，为救援行动提供了极大的便捷，为救援现场提供了更加稳定、持久的高空照明，大大提高了救援效率和稳定。
2.6 救援行动
当高层建筑、森林等复杂区域发生火灾，传统的投放方式受许多因素影响，准确率较低，可以通过地面控制将简易灭火剂投放到空中，以扑灭火源。例如，“天龙一号”灭火无人机，主要应用在高层建筑，承载容量为20kg，拥有4枚消防弹，它可以穿越厚达20mm 的双层钢骨玻璃，投掷8kg灭火剂，覆盖灭火面积达80m2[12]。无人驾驶飞行器较小，更容易操控，可不受高层建筑高度限制，起飞到达指定位置，将灭火药剂喷射至火场，快速扑灭火源，有效保护群众生命和财产安全。
3无人机技术在灭火救援领域的发展方向
3.1 提升无人机耐火隔热性能
在火场救援中，无人机面对高温热辐射、热对流等复杂环境，机身材料受高温影响较大，飞行系统稳定性面临挑战。因此，无人机应用于消防领域和火灾扑救时，必须考虑升级无人机材料的耐火性和隔热性，可选用阻燃材料制作无人机，并在无人机身涂装隔热材料，加强飞行自动校准系统的校正，以延长无人机的使用寿命、保证飞行安全。
3.2 提高飞行灵活性
消防无人机常常需要在狭小、复杂的空间中作业，因此要求无人机体积不能太大，并且具备易拆装的功能，便于在任务变化和地面条件恶劣时及时组装和收整。在未来发展中，无人机须寻求制造技术突破，尽可能生产具有体积小、可装卸、可折叠、可伸缩等特点的无人机，以降低操作难度、灵活躲避飞行障碍。
3.3 加强无人机集群协同
目前，无人机在消防救援中缺乏集群协同的能力，无须人工干预即可完成多项任务，比如无人机灯光秀表演。消防救援领域可根据战术战法、协同指挥需要，加强对无人机群在灾情侦查、应急通信、灭火剂喷射和火灾扑救领域的技术研发应用，大幅提高无人机在消防救援领域集群作战中的效率和效能。
3.4 建立灾情数据库
我国目前缺乏完善的灾情数据库信息，无法进行全面、多样的数据收集、分类处理、搜索、检索和分析，为拓展无人机在消防救援领域的应用造成了困难。例如，集群协同和功能创新上缺乏有力的数据支撑和实践指导。因此，建立完善的灾情数据库是进一步释放无人机实战效能和拓展实战功能的重要途径，需要建立部门协作、实践反馈、创新完善的消防无人机发展体系，确保符合实战需要。
3.5 优化设备与机身契合度
虽然无人机集群配备了侦查、警报、摄像图传输、轻量化设备和灭火剂喷射功能，但精度不够理想、后坐力较大，需要进一步改进和提高搭载设备与机身的契合度，以增强无人机在消防救援中的作用。
4无人机技术应用效果的提升策略
4.1 强化培训，夯实基础
强化培训方面的首要任务是严格执行《轻小无人机运行规定（试行）》的操作流程，坚持无人机飞手培训、考核、持证上岗，确保无人机操作人员具备必要的操作规范。此外，在无人机飞手的初训、复训和岗位适应性测试中，需要加大真实场景模拟训练的力度，训练环境应涵盖居民楼、林场和商场等不同场景，以应对各种复杂的火灾环境。
4.2 严把质量，注重维保
为保障无人机质量，需要根据实际需求选择适当的品牌、平台、跟踪能力和飞行控制参数，并与制造商建立定期维修和保养的机制。无人机设备定期检测、保养、维护是保证无人机长期运行的重中之重，可采用驻场培训的方式帮助消防救援队人员掌握无人机基础部件检测、维修、保养的技能，确保无人机正常、良好的使用状态。
4.3 有效测试，确保安全
无人机长时间处于高空作业对飞行安全和稳定有着极高的要求，有效测试可确保无人机的质量和使用效能。无人机测试应在购买验收、维修返岗和达到保养检测年限时进行，可根据需要分为常规测试和专项测试，常规测试包括螺旋桨断裂保护、遥控丢失、飞行操控等多个方面，通过检测、测试可有效确保飞行器在各种情况下的安全性和可靠性。专项测试是指对消防救援领域专用功能模块的测试，包括红外识别、空中呼叫、灭火药剂投送、影音图像传输等专门功能模块的测试，以确保无人机可以发挥较好的实战效能。
4.4 软硬件结合，提升应用效能
为提高信息处理效率，需要开发数据库系统，建立基础数据库，方便对信息进行分类、筛选和提取。现场采集与数据库比对的信息包括火灾现场经纬度、面积、风向、风速、有毒有害气体浓度、人员情况等，以上数据采集后的分析比对有助于指挥中心和现场指挥部更好地掌握灾情，及时作出决策，优化消防救援工作组织实施方案。
4.5 紧跟实战，提升消防专用无人机研发深度
消防专用无人机的研发需要综合考虑侦查、早期警报、摄像图像传输、照明设备配送、灭火剂注入等多个模块，以实现火灾侦查、初期灭火、人员搜索、救援援助、信息传递等多种功能。无人机的开发还需要注重机体轻量化、模块的装卸灵活、操作能力在高温和燃烧环境下的适应性。同时建立不同型号和功能模块的无人驾驶航空器组群模块，使各模块互连和智能控制，支持地面指挥和数据处理，以提高消防救援实战中的效率和效能。
5结束语
无人机作为信息技术快速发展的产物，已经在各行业得到广泛应用，并在消防救援中扮演着举足轻重的角色。无人机具备空中侦查检测、信息采集与传输、指挥调度、灭火药剂投送等多重功能，其技术的推广和应用将在提升灭火应急救援效率和质效方面，提供强有力的技术创新支撑。
