无人机在消防救援中的科学应用探讨

蒋旭洲

（上海市保安服务（集团）有限公司，上海 200051）

0 引言

起初，我国的无人机消防设施主要用于监测火灾现场，提供空中图像和视频传输。随着技术的进步，无人机消防逐渐实现了烟雾探测、热成像、气体监测等多项功能，通过无人机的远程控制和自主飞行，消防人员可以迅速了解火灾现场的情况，实时收集大量数据，辅助决策和指挥。同时，无人机还能将救援装备和物资精确投送至相关地点，提高了救援效率和安全性。随着人工智能和机器学习等技术的融合，无人机消防可以进行自主路径规划和目标识别，进一步提升了应急响应的能力。

1 无人机概述

1.1 无人机含义

无人机是指无人驾驶飞行器，通过自主飞行控制技术和先进传感器技术执行任务。无人机由飞行器、控制系统和地面站组成。飞行器包括机身、翼、旋翼等，控制系统包括导航、通信和传感器，地面站用于远程操作和数据处理。

1.2 无人机分类

无人机在消防救援中的分类可以基于动力能源和气动布局进行划分，根据动力能源，无人机可分为电动、燃气和混合动力无人机。电动无人机使用电池或电动马达作为动力来源，具有低噪音、环保和快速响应的特点；燃气无人机则采用燃料发动机或喷气发动机提供动力，具备长航时和较大载荷能力；混合动力无人机结合了电动和燃气动力系统的优势，平衡了航程和负载的需求。按气动布局，无人机可分为固定翼无人机、旋翼无人机和垂直起降无人机，固定翼无人机采用传统飞机形态，适用于长距离巡航和广域搜索[1]；旋翼无人机通过旋翼产生升力，具备垂直起降和悬停能力，适用于近距离侦察和搜救任务；垂直起降无人机结合了固定翼和旋翼的优势，可快速响应且具备长航程能力。这些分类基于动力能源和气动布局，每种类型的无人机都有其独特的优势和适用场景，能提供多样化的救援解决方案。

1.3 无人机在消防救援中的应用原理

无人机具备灵活的飞行能力，能够进入人类难以到达或存在风险的高楼、森林或危险环境等区域，小型机身和操纵的机动性使其能够在狭小空间中自由飞行，进入受限区域进行侦察、搜救和监测任务。此外，无人机的可控性使操作员能够通过地面站实时控制其飞行路径、速度、高度和姿态等参数。这种实时控制能力使消防人员能够根据需要调整无人机的飞行状态，并进行优化。通常在执行任务时，无人机还会搭载高分辨率摄像头、红外传感器和烟雾探测器等各种传感器和设备，用于获取关键信息，这些数据和图像可为消防人员提供火势评估、火源定位和被困人员搜救的全面、准确支持。例如，红外传感器可探测火源热点，帮助确定火势蔓延和烟雾产生的位置；摄像头提供实时图像和视频，消防人员可通过这些视觉信息，了解火场扩散、建筑结构和通道阻塞情况。

2 无人机在消防救援应用中的技术要求

2.1 可靠性

可靠性是保证无人机在关键时刻顺利执行任务的关键因素。首先，无人机的结构和材料必须具备高强度和耐久性，以应对恶劣的环境条件和紧急情况。无人机只有配备先进的传感器和监测系统，才能够实时获取周围环境的火情状况、烟雾浓度、温度等数据，以便及时作出决策。其次，无人机的通信系统必须稳定可靠，能够与指挥中心或其他救援人员进行实时通信和数据传输，还要保证有高效的电池或燃料供应系统，以供其长时间飞行和持续工作。同时，无人机还应具备自主导航和避障能力，能够准确识别和躲避障碍物，确保飞行的稳定性和安全性[2]。最后，要给无人机配备可靠的故障诊断和自动修复系统，自主检测并解决一些常见故障，避免任务中断或飞行事故的发生。

2.2 操控性

虽然无人机在飞行过程中不搭载驾驶员，但其操作和应用仍需依赖地面人员，操作员要能够及时对无人机进行控制，以应对突发状况和变化的环境条件，无人机的操纵杆、遥控器或其他操控设备需要具备灵敏的响应机制，能够精确转换操作员的指令，并将其传达给无人机。由于消防灭火救援任务通常需要无人机在复杂空间环境中进行悬停、飞行和定点操作，操控性良好的无人机应具备稳定的飞行特性，能够在风力、气流等外部干扰下保持平稳飞行，还要有高精度的定位和导航能力，以确保无人机能够精确地到达目标位置并执行任务。

2.3 稳定性

在消防救援任务中，无人机可能面临高楼大厦、狭小空间、强风等复杂的环境和飞行条件。因此，无人机需要具备出色的飞行稳定性，以应对这些挑战。其飞行控制系统必须能够实时感知飞行状态，并对姿态、速度、高度等参数作出相应调整，以保持平稳飞行。无人机还应具备高精度的惯性测量单元（IMU）和飞行控制算法，以实现精确的飞行姿态控制。合理的机身布局、翼面形状以及推进系统配置都能减小飞行时的空气动力干扰，提高飞行稳定性。此外，配备可调节的副翼、舵面等飞行控制舵面或稳定装置，可以在飞行过程中实时校正无人机的姿态，从而增强其稳定性。惯性测量单元（IMU）和陀螺仪等传感器也可以实时检测无人机的姿态和运动状态，为飞行控制系统提供准确的数据反馈，多重技术结合使用，可以提高无人机在复杂环境中的稳定性和安全性。

2.4 集成兼容性

在真实的消防救援场景下，无人机通常会与其他设备进行联机，以接受指挥机构的统一调配，意味着无人机系统要有与消防车辆、监控系统、通信设备等其他关键设备进行无缝连接和通信的能力。无人机还应具备兼容多种传感器和数据收集设备的能力，要能够携带红外摄像头、烟雾探测器、热成像设备等各种传感器，以及时探测火灾和救援场景中的危险情况，第一时间收集、处理和传输传感器获取的数据。由于要与地面指挥和控制系统进行实时数据交换和指令传递，无人驾驶航空器还要支持标准化的通信协议与接口。

3 无人机在消防救援工作中的科学应用实践

3.1 信息收集

无人机凭借高度的灵活性和较强的飞行能力，为消防人员提供了全方位的信息收集渠道，通过搭载各种传感器和相机，可以实时获取灾区的图像和视频数据，为消防人员提供了独特的视角和全景视野，从而准确地了解火灾的规模、位置和扩散速度。例如，在天津港“8.12”爆炸事件后，无人机通过航拍方式收集了爆炸区域的实际情况，对该区进行了深入分析，为火灾受损情况的评估提供了重要数据[3]。无人驾驶飞行器还可以搭载4G/5G通信技术，与救援指挥部和单兵设备实现实时连接，使其及时获取无人机传输的现场信息，并结合真实状态选择合适的消防灭火救援方案，提升指挥人员和救援人员的现场反应速度，使他们能够根据火势的变化及时调整救援方案。

3.2 灾情侦察

无人机能够快速抵达并进入危险区域，不需要考虑操作人员的安全问题，能够提供灾情现场的一手关键信息。在地震、洪水、山体滑坡等自然灾害中，无人机的航拍功能可以为救援人员提供全面的信息，并以俯瞰整体状况的视角，捕捉细节并记录灾情，帮助救援人员准确了解灾害的特征和范围。通过图像和视频传输，无人机可以实时向救援人员提供现场情况，帮助救援人员判断灾情蔓延情况、灾害源位置和发展趋势，从而采取针对性的措施，最大程度地减少损失和伤亡。此外，无人机还可以搭载各种传感器和仪器，用于检测和分析灾害现场产生的有害气体和化学物质。例如，在化学泄漏事故中，无人机搭载的气体监测仪器可以帮助救援人员了解危险物质的浓度和分布情况，及早采取相应的防护措施，确保救援人员的人身安全。

3.3 指挥调度

在无人驾驶飞行器的指挥调度过程中，操作人员运用遥控设备对无人机进行精准操控，将其引导至需要侦查和监测的区域。除了传统的高分辨率相机用于捕捉火源位置、燃烧程度以及潜在危险源等细节信息外，还可以搭载各类专业传感器以提供更多精准数据。通过实时传输详细数据到指挥部，为救援行动的制定和执行提供重要依据。然而，仅凭大量数据的积累并不足以实现高效的救援，指挥部还需要利用计算机视觉技术对无人机拍摄的高清图像和视频进行智能分析，实现火源热点、烟雾密集区和建筑结构等关键信息的自动识别。智能识别能力赋予了消防救援中心更准确的危害发展趋势判断能力，帮助相关人员及时调整救援策略，提高整个救援行动的效率和安全性[4]。

3.4 辅助救援

在火灾发生时，无人机可以迅速飞抵火场，并通过高清摄像头捕捉火势扩散的实时情况，为指挥中心提供及时、准确的数据，帮助他们快速定位被困人员或火源，使救援人员能够根据火势的实际情况作出相应的决策，制定更有效的救援方案。无人机还可以用于复杂地形或危险环境中搜救受困人员，在山区或洪水灾害中，无人机可以通过飞行和悬停，搜索并发现被困的人员，将其准确的位置信息传输给救援队伍，缩短搜救时间，提高成功率。无人机灵活的机动性和较低的风险，使其能够进入人类难以到达或存在危险的区域，为救援行动提供有力的支持。或者搭载搜救绳索或生命探测仪等救援装备，实现自主投送和运输应急物资，即使在救援人员无法到达的地点，无人机也能够及时提供必要的支持和救援。

3.5 拓展应用

无人机可以搭载各种通信设备，利用空中通信中继站，建立临时通信网络，从而实现救援人员之间的持续联络、行动协调以及救援效率的提升。首先，无人机能搭载高清摄像头和红外热成像设备，快速搜索大面积区域，并利用图像识别技术检索被困人员。无人机的机动性和灵活性使其能够进入狭小或危险的地方，为救援行动提供更加精准的支持，通过实时图像传输和数据分析，使救援人员准确了解灾区状况，迅速制定行动计划。其次，无人机还可以装载气体传感器和空气质量监测设备，实时监测火场烟雾浓度和化学气体含量。不仅提供了火灾扩散预警和安全评估报告，还能为消防指挥决策提供科学依据，救援人员可以根据相关数据迅速调整救援策略，确保行动的安全性和有效性。除了通信和搜索救援功能，无人机还可以配备其他专业装置，例如携带医疗急救设备，为受伤人员提供紧急医疗援助，或进行地质勘测和环境监测，提供重要的科学数据支持，以评估灾害的规模和影响[5]。

4 结语

无人机在消防救援领域的科学应用展现出巨大的潜力和发展前景，具有高空侦察、紧急物资运送等功能，已经成为救援行动的有力后盾。当自主飞行技术、传感器技术和人工智能技术在不断优化迭代的同时，无人驾驶飞行器的感知和决策能力也有了大幅增强，进一步提高了火灾源定位和火势监测的准确性。无人机还可以利用无线通信和大数据分析等领域的融合，推动消防救援效率和响应速度的提升[6-7]。未来，无人机有望扮演更重要的角色，为保护人民的生命和财产做出巨大贡献，为构筑和谐社会提供技术支持。