大数据时代高新技术在灭火救援工作中的应用

张明辉

大数据时代高新技术在灭火救援工作中的应用

张明辉

(鸡西市消防支队，黑龙江 鸡西 158100)

以大数据时代科技发展为背景，分析了虚拟技术在模拟灭火救援试验中的应用，无人机技术在灾情勘察、数据采集以及消防指挥调度中的作用，物联网的全球定位技术在火灾救援中的应用和ZigBee的数据传输技术在消防空气呼吸器中的应用，剖析了消防机器人的优缺点以及其在高层建筑、地下建筑、地铁隧道以及石化等高危场所灭火救援中的应用，旨在提升灭火救援工作的科技化水平，提高消防部队灭火救援战斗效能。

灭火救援；数据采集；GPS定位；勘察

所谓大数据，是指收集和分析大量信息的能力，是人们获取新认知、创造新价值的源泉。与传统数据相比，大数据具有更大的容量、更高的多样性、更快的生成速度。当前，大数据在数据分析和预测方面展示出惊人的魅力。公安消防部队开展大数据时代背景下的灭火救援能力分析研究，对全面深化部队战斗力改革具有深远的意义。在消防工作实践中，灭火应急救援任务呈现多元化，涉及的数据海量、类型多样，应用科技创新成果，利用灾害事故特点、战斗力量、道路交通、水源供给、物资保障、后援力量等大数据，实现信息资源共享互通和有效挖掘，对于推进灭火救援工作具有重要作用[1]。

1 虚拟现实技术在灭火救援中的应用

虚拟现实技术(VRT)是指利用人工智能、计算机技术、人机接口技术、多媒体技术等模拟人在火灾中的听觉、视觉、嗅觉、动作等行为的一种新技术，主要用于灭火救援的模拟试验[2]。利用这种技术模拟灭火救援主要分为数据采集、三维建模、实时控制与交互以及烟火特效制作四个步骤。

1.1 数据采集

数据采集主要分为两步，一是原始数据采集，二是建模数据处理。利用虚拟现实技术进行火灾救援模拟和训练首先应进行原始数据采集，主要是为了构建火灾现场的地形模型、交通模型以及建筑模型等。采集方法主要有实地拍照采集法、激光扫描采集法及GPS技术采集法等。对火灾现场管线模型数据采集可以利用图像处理方法采集，其可以清晰地构建管线模型的纹理。建模数据处理是指利用现代先进数据技术对采集的原始数据进行特殊处理，使火灾现场的地形模型纹理、建筑模型纹理以及交通模型纹理尽可能保持色调协调、真实、直观、生动。在处理数据建模时应尽可能减少视角、镜头畸变引发的模型变形，且不能存在与建模影像无关的其他影像，使建模纹理过渡自然，使模型惟妙惟肖。

1.2 三维建模和实时控制交互

三维建模的工具有3ds Max和Multicen Creator，其中3ds Max的作用是创建火灾场景模型，Multicen Creator软件的作用是利用它的OpenFlight数据结构布设DOF节点。三维建模必须采用统一命名的原则，必须统一单位，对模型进行定位，创建模型时不能存在共面、反面以及漏面的问题，构建的模型必须按照火灾现场的实际情况设计基本细节。最后是模型简化和模型修正，要尽量突出重点建筑物，简化次要建筑物，对冗余的点、线、面等进行删除，对镜头物像进行修改校正。实时控制与交互是指对模拟出的虚拟火灾救援试验要具有控制和交互虚拟场景实物的功能。

1.3 烟火特效制作

对火灾现场的烟火效果的制作是通过先进的数据技术提供黑烟、火、风、雷雨、雪花等粒子特效和碰撞检测功能，并在其中封装开源引擎提供的粒子系统工具，使火灾救援现场模拟试验能够很好演绎现实场景，帮助各种火灾救援方案预测实施效果。烟火特效制作的方法有Delta3D法、FUMEFX FOR 3ds Max插件制作法等，图1为烟火特效制作对应的输出效果图。

图1 输出效果图

2 无人机技术在灭火救援中的应用

2.1 无人机技术的工作原理及分类

无人机具有监测精度高、灵活安全和节约成本的优点，能够实现多角度拍摄勘察实时传回火灾现场视频，在消防灭火救援中起到重要的辅助作用。其工作原理是利用飞控系统操控机体，利用数据链系统发送、输出信息或指令，利用发射回收系统确保机体在无人驾驶的情况下成功回落安全地点。其核心系统是飞控系统，飞控系统性能的优劣关系着无人机能否稳定飞行以及准确传输数据，它是确保无人机顺利开展灭火救援工作的保障。无人机按动力源可分为油动无人机和电动无人机，按照外形可分为多旋翼无人机、无人直升机和固定无人机，其中无人直升机因外形太大、操作复杂不适合灭火救援工作，在灭火救援工作中主要使用多旋翼无人机。

2.2 无人机在灭火救援中的应用现状

目前国际上先进无人机具有多样化的观测系统，其中搭载的夜视系统可以在夜晚进行快速、精确的数据采集，拍摄高清照片，可有效勘察火灾灾情、实时输送高清火灾现场视频，充分发挥无人机勘察灾情、采集数据和消防指挥调度的作用。无人机的通信设备可与卫星等无线设备结合，实现大范围的地域拍摄，可低空飞行拍摄各个角度的照片，实现清晰、准确、多角度航拍功能。在灭火救援中不可避免的会有消防员不能进入的火灾区域，这时便可派遣无人机进行火灾现场的勘察工作，为消防部队提供科学、精确、有效的数据的同时还能减少消防员的伤亡[3]。无人机具备灵活便捷、安全且能动性强、适应能力强等优点，使其在灭火救援中的应用功能众多。随着数据技术的快速发展，未来还会开发更多的无人机灭火救援功能。

2.3 无人机技术在灭火救援中的应用实践

2.3.1 勘察灾情采集数据

无人机拥有安全灵活、快速的优点，可在第一时间赶到火灾现场实施救援工作，它拥有拍摄高清照片自动生成火灾现场地形数据图的功能，为火灾灾害评估提供基础数据支撑。我国消防部队通常使用小型的无人多旋翼机，它的重量不超过十几千克，通常需要2～3名专业操控人员，利用小型遥控器、台式电脑或者笔记本电脑都可控制无人机正常运行。在实际灭火救援工作中，无人机一旦到达火灾现场，便可进行简略勘察，勘察内容包括测量火灾现场的风速、温度、空气湿度以及火灾现场是否存在易燃易爆等危险化学品、火灾现场可以用的灭火救援资源等，为消防人员提供现场灾情、救援情况、可利用救援资源等信息。此外无人机的远距离实时通信视频传回功能可与通信卫星和地面接收站结合，为消防人员提供下一步灭火救援行动方向。

2.3.2 消防指挥调度

一旦发生火灾会波及很多方面，若消防部队不及时采取灭火救援措施会造成严重后果。无人机的飞控系统具有监控火灾现场发生事件、精确传输数据等功能，可以不受地势、空间条件的限制，对火灾现场进行全方位的实时监控，实时传达指令、传输精确数据，在灭火救援中可被用于消防指挥调度。在实际灭火救援中可利用通信设备进行火灾现场精确数据的传输，并对火灾内部情况进行分析判断，可充分发挥指挥调控能力。此外火灾地区的消防部指挥中心可以通过无人机的高清拍摄技术和3G、4G图像传输获取火灾现场的实时视频，通过视频了解火灾现场的实际情况，为高层决策人员会商灭火救援策略提供依据，辅助灭火救援的指挥调度[4-5]，辅助制定科学、合理的灭火救援方案。

3 物联网技术在灭火救援中的应用

物联网(Web of Things)在灭火救援中是通过各种信息传感设备、多种全球定位技术、激光扫描仪以及红外线感应器等对火灾现场进行全方位实时监控，采集火灾现场的声音、光度、热度、电力以及力学等方面的信息，实现灭火救援工作现场与消防员以及消防指挥中心的连接、互动。

3.1 物联网的定位技术在灭火救援中的应用

目前国际上比较流行的物联网全球定位技术有射频识别定位技术以及GPS定位技术等，其中射频识别定位技术又称RFID定位，它在灭火救援中的工作原理是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别火灾现场各种物体、人，并对其进行精确定位。这种技术的优点是可以将火灾现场各种物体、人等的定位精确到厘米的级别，而且可在几毫秒内完成定位。它的缺点是识别、定位距离短，很难在灭火救援工作中进行远距离、大范围识别、定位。GPS定位技术又称卫星定位技术，它是利用卫星对某物体进行精确定位。在灭火救援实际工作中，这种技术可以实时定位火灾现场的任何物体、人以及危险化学品，且其导航系统可以为消防员提供到达目的地的精确路线，可以辅助消防员或者消防无人机等设备准确到达目标地，可以将锁定的火灾目标自动生成火灾现场电子地图，具有侦查火灾现场以及侦查灾情的作用。此外这种功能可安装在手机用户端，火灾中的幸存者只需开启手机GPS定位功能，消防员便可准确、快速锁定幸存者，及时采取救援措施，减少人员伤亡[6]。但是这种定位技术太过依赖基站的分布和基站信号的覆盖范围，不适用在山区、原始森林等偏远地区的灭火救援。

3.2 ZigBee数据传输技术在空气呼吸器中的应用

传统灭火救援的数据传输技术主要有导线型数据传输和对讲机无线通信数据传输。导线型数据传输的信号可靠性会随着传输距离的增大而降低，在实际灭火救援工作中风险比较大，不适合灭火救援工作。对讲机数据传输技术需要消防员与指挥员进行不定时对话沟通灭火救援工作各种情况，受噪音等外界环境的干扰比较大，这种技术不但不能实时监控还会明显降低救援人员的作战效率，也不是灭火救援工作的最佳选择[7]。ZigBee数据传输技术可实现灭火救援实时监控功能，可满足消防员在灭火救援工作中空气呼吸器压力数据传输的需要。ZigBee是一种低功耗的近距离无线组网通信技术，它适用于自动远程控制领域。在灭火救援工作中不仅降低设备成本，还可以实现远程火灾现场的实时监控，降低消防员的伤亡概率。因此，可在消防员以及其带入火场中的空气呼吸器中加装压力监控装置，利用压力传感器对消防员以及幸存者的空气呼吸器的剩余氧气进行监控，然后利用ZigBee的数据传输技术将监控数据经主机输送进空气呼吸器的报警装置，实时监控消防员的空气呼吸器的剩余氧气量，消防员可根据氧气剩余量的监控情况进行灭火救援工作。一旦空气呼吸器的氧气将消耗殆尽时，快速撤离灭火救援现场更换新的空气呼吸器后再开展灭火救援工作。这种技术的应用，可有效减少消防员在灭火救援中的伤亡，确保消防员的生命安全。

4 消防机器人技术在灭火救援中的应用

消防机器人最早诞生于20世纪80年代的日本，我国对消防机器人的研究始于20世纪70年代，到90年代后才正式开始大规模的研发，当时具有代表性的消防机器人是自行消防水炮。如今，我国的消防机器人已经具有行走、跨越障碍、语音、爬坡以及灭火等功能，还可以在消防机器人中加装各种传感器以及GPS定位技术，实现灾情勘察、数据采集和精确定位、导航等功能。

4.1 消防机器人在灭火救援中应用的优缺点

在实际灭火救援工作中，消防机器人作为一种非生命载体可以进入高温、浓烟、有毒以及放射性等危险环境作业，可以代替消防员进行灭火救援工作，降低消防员的伤亡概率。目前我国消防机器人在设计上整合了智能化、自动控制、计算机、通信等多种高新技术，使其具有数据采集、分析和反馈、使用灭火器灭火等多种功能。在灭火救援工作中可以自动判断火灾危险源，明显提高了救援工作效率。但需要注意的是，消防员需要对其进行精心维护和保养，确保其可以长期使用，以充分发挥其在灭火救援工作中的作用。

消防机器人在灭火救援中应用的缺点主要表现在两个方面，一是制造成本高，研制出的产品比较少，市场价格昂贵；二是消防机器人的维护和保养比较复杂，对维保人员的专业要求高，维修和保养难度大。这些缺点明显降低了其在灭火救援工作中的应用普及率。

4.2 消防机器人在灭火救援中的实际应用

在我国消防机器人主要被用于高层建筑、地下建筑、地铁隧道以及石化企业等灭火救援的高危场所。在高层建筑中一旦发生火灾会迅速蔓延，会产生大量有毒浓烟，现场能见度低，消防人员难以接近高层着火点，而消防车举高高度有限，不能满足高层建筑的灭火救援要求。在这些情况下应用消防机器人可以有效解决以上难题，明显提高灭火救援的工作效率。在地下建筑中由于建筑封闭性比较大，一旦发生火灾，烟雾浓度和空气温度会迅猛上升，消防员和消防设备很难进入开展灭火救援工作，应用消防机器人可以解决以上难题，明显降低消防人员在灭火救援中的伤亡风险。在地铁隧道中应用攀爬消防机器人，可以迅速、有效的灭火。石化企业等高危场所一旦发生火灾，不可避免会伴随爆炸、有毒气体大量释放等现象，其引发的后续灾难无法想象。这种高危场所消防员很难接近着火点，利用消防机器人可有效实施灭火救援。

5 结束语

近年来我国各地火灾频发，国家对高新技术在灭火救援中的应用越来越重视。在大数据时代，灭火救援应用的数据技术有无人机勘察技术、虚拟现实技术、物联网技术、3D图像传输技术等。此外还有消防机器人技术，但这种技术在我国尚不成熟在灭火救援中应用还未普及。本文主要分析了无人机勘察技术、虚拟现实技术、物联网技术和消防机器人技术在灭火救援中的应用，目的是为大数据时代下的灭火救援工作提供有益参考。

[1] 肖调伟.初探大数据在灭火救援中的运用[J].中国公共安全(学术版)，2016(3):49-50.

[2] 付丽秋.虚拟现实技术在灭火救援模拟实验中的应用[J].实验技术与管理，2015(4)：130-132.

[3] 姬东.无人机在消防灭火救援中的应用研究[J].科技展望，2016，26(24):155.

[4] 王志勇.移动通讯网络工具在灭火救援中的应用[J].山东建筑大学学报，2015(4)：389-392.

[5] 蒋铸.全力提高消防指挥中心指挥效能——提升灭火救援战斗力[J].消防技术与产品信息，2015(4):50-51．

[6] 苏俊.物联网技术在灭火救援人员防护中的应用研究[C]//中国消防协会科学技术年会论文集.2014:12-17.

[7] 李严.消防灭火救援中数据挖掘技术的应用[J].科技创新与应用,2016(29):291.

(责任编辑 陈 华)

Research on Applying Science and Technology Innovation to Firefighting and Rescue in the Era of Big Data

ZHANG Minghui

(JixiMunicipalFireBrigade,HeilongjiangProvince158100,China)

This paper not only analyzes the application of virtual technology to fire rescue simulation, the role of UAV technology in disaster investigation and data collection and fire-control command, the application of IOT GPS positioning technology to fire rescue, and the application of ZigBee data transmission technology to firefighting breathing apparatus in the era of big data, but also elaborates the advantages and disadvantages of the fire robot, and its application to the firefighting and rescue operations of high-risk places, such as high-rise buildings, underground buildings, subway tunnel and petrochemical storage, aiming at applying high technology to firefighting and rescue operations and improving the capacity and efficiency of firefighting and rescue operations.

firefighting and rescue; data collection; GPS positioning; reconnaissance

2017-01-18

张明辉(1977— )，男(满族)，河北围场人，工程师。

D631.6

A

1008-2077(2017)04-0032-04