（原標(biāo)題：【深度】剖析消防無人機(jī)技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)）
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在消費(fèi)級無人機(jī)吸引了無數(shù)民眾的目光，工業(yè)級無人機(jī)已在多個行業(yè)嶄露頭角的時候，專門用于消防的無人機(jī)也開始摸索著進(jìn)入了一個可以大展身手的領(lǐng)域。這些無人機(jī)能夠在消防領(lǐng)域扮演怎樣的角色？又將要具備怎樣的本領(lǐng)呢？小火箭邢強(qiáng)博士將就這兩個問題與大家一起探討和剖析消防無人機(jī)的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，展望其發(fā)展前景。無人機(jī)消防應(yīng)用
響應(yīng)快速優(yōu)勢凸現(xiàn)
天津港“8.12”特別重大火災(zāi)爆炸事故發(fā)生后，公安部消防局迅速調(diào)集了北京、河北、山西、山東總隊(duì)的8架消防無人機(jī)，隨同31名通信技術(shù)人員連夜趕往天津。這些消防無人機(jī)向救援人員提供了大量現(xiàn)場高清畫面，為救援工作的順利開展提供了有力的技術(shù)支持。而且正因?yàn)橛辛怂鼈兯@取的信息，才使得很多消防人員得以免于進(jìn)入充滿有害氣體的現(xiàn)場。當(dāng)救援行動正在實(shí)施時，每小時出動一次的無人機(jī)不僅保證了現(xiàn)場畫面的不間斷提供，更讓救援決策人員多了很多雙近距離觀察現(xiàn)場情況的“眼睛”。
▲將來，無人機(jī)會出現(xiàn)在消防、公共安全等多個領(lǐng)域。
消防無人機(jī)/圖來源網(wǎng)絡(luò)
消防無人機(jī)拍攝的一處民宅發(fā)生火災(zāi)的現(xiàn)場畫面/圖來源網(wǎng)絡(luò)
消防無人機(jī)的這次出動充分體現(xiàn)了它們響應(yīng)快速并且能夠進(jìn)入人員難以接近的危險場地的獨(dú)特優(yōu)勢。而人們對消防人員的傳統(tǒng)認(rèn)識也將因此發(fā)生較為徹底的改變。之前，提到消防員，大家立刻會把他們與飛馳的消防車和噴灑水流或泡沫的消防水龍聯(lián)系起來。而無人機(jī)的加入，使消防人員用于與火災(zāi)搏斗的武器庫中又添了一個利器。
實(shí)際上，航空器與消防的關(guān)系早在約100年前就開始建立了。1917年，美國林務(wù)局提出了將飛機(jī)用于消防工作的設(shè)想，并與同年進(jìn)行了帶有試驗(yàn)性質(zhì)的飛行任務(wù)。他們采購了若干飛機(jī)，并使用它們在加利福尼亞州廣袤的土地上按照固定線路巡視飛行，監(jiān)控該州的森林是否有發(fā)生火災(zāi)的跡象。到了1920年，美國林務(wù)局又進(jìn)行了一些飛機(jī)滅火的嘗試。他們給飛機(jī)裝上化學(xué)滅火藥劑，準(zhǔn)備讓其飛到火場上空對著火地點(diǎn)投撒。但空投的準(zhǔn)確性難以保證，且裝有藥劑的容器經(jīng)常有泄漏的情況。經(jīng)過幾年的摸索，雖然藥劑的容器經(jīng)過了紙袋子、錫罐子和橡木桶等多種改型試驗(yàn)，美國林務(wù)局還是暫時放棄了用飛機(jī)空投滅火藥劑滅火的嘗試。不過，在高空飛行的飛機(jī)在監(jiān)控范圍和火災(zāi)現(xiàn)場態(tài)勢的整體把握等方面顯示出不可替代的作用。因此在聽取了森林消防人員的建議后，美國林務(wù)局決定重點(diǎn)開拓航空器在巡邏監(jiān)控和火災(zāi)現(xiàn)場判讀方面的應(yīng)用。1925年，專門用于消防的空中攝影技術(shù)開始出現(xiàn)。而到了1929年，加利福尼亞州的消防人員們已經(jīng)能夠在火災(zāi)發(fā)生的時候快速收到空中投下的包裹了。這些包裹里面裝著剛剛洗出來的火災(zāi)現(xiàn)場的俯瞰照片，能夠幫助消防人員制訂有針對性的滅火方案。
消防無人機(jī)能夠深入到有人駕駛飛機(jī)難以到達(dá)的角落/圖來源網(wǎng)絡(luò)
NASA推出的Ikhana無人機(jī)系統(tǒng)可以勝任防火巡邏的任務(wù)/圖來源網(wǎng)絡(luò)
有高清航拍和圖像回傳功能的消防無人機(jī)無疑是繼承了上世紀(jì)20年代的有人駕駛消防飛機(jī)的空投照片的使命。而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，消防無人機(jī)在現(xiàn)場勘查方面發(fā)揮的作用要比當(dāng)年的有人駕駛飛機(jī)大得多。這些無人機(jī)上搭載紅外探測設(shè)備或者彩色高分辨率面陣CCD（ChargeCoupledDevices，電荷耦合器件）設(shè)備，能夠在距離地面500-2000米的空中對火災(zāi)現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。紅外設(shè)備可以感知到人類肉眼難以察覺的暗火、陰燃等情況，對火場或者剛剛撲救之后的場地的了解更為全面。采用特殊波段進(jìn)行探測的傳感器還能夠透過火災(zāi)現(xiàn)場的濃煙毒霧感知消防人員想要迫切了解的火災(zāi)中心的具體情況。
但是，在火災(zāi)現(xiàn)場，無人機(jī)相對于有人駕駛飛機(jī)要面臨更多的挑戰(zhàn)。無人機(jī)的個頭兒通常要比有人駕駛飛機(jī)小很多，而火場附近往往有著復(fù)雜的橫風(fēng)和切變風(fēng)，對無人機(jī)的姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)。能夠進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的無人機(jī)通常要具備在5級以上的風(fēng)速中可在1米范圍內(nèi)懸停的能力，以確?，F(xiàn)場圖像的拍攝質(zhì)量能夠滿足判讀人員的需求。再者，雖然消防無人機(jī)能夠深入現(xiàn)場，但也為其帶來了更多的危險。此類無人機(jī)的結(jié)構(gòu)要針對高溫、高腐蝕的飛行環(huán)境進(jìn)行特殊強(qiáng)化。另外，在森林火災(zāi)中應(yīng)用的消防無人機(jī)還應(yīng)具備快速爬升和在高空長時間巡航的能力。因?yàn)榇竺娣e的火災(zāi)會急劇加熱著火點(diǎn)上方的空氣，有時候在現(xiàn)場正上方1500米的高空的空氣仍不適合無人機(jī)在其中穿越飛行。要想獲取從上空拍攝的鳥瞰畫面，消防無人機(jī)須飛到1500米以上的高空，才能借助高性能的航拍設(shè)備實(shí)施動態(tài)監(jiān)控作業(yè)。
傳承技術(shù)突出重點(diǎn)
雖然消防無人機(jī)在載荷、結(jié)構(gòu)、飛行性能等方面的技術(shù)使其能夠肩負(fù)起現(xiàn)場監(jiān)控的重要任務(wù)。但說起對火災(zāi)現(xiàn)場的動態(tài)監(jiān)控，該機(jī)并不是最早應(yīng)用的平臺。從火災(zāi)監(jiān)測傳感器，到森林巡邏飛機(jī)，到火災(zāi)預(yù)警衛(wèi)星，再到消防無人機(jī)，經(jīng)過了多個發(fā)展階段。
在現(xiàn)代建筑中生活和工作的人們對火災(zāi)監(jiān)控探頭并不陌生。這樣的探頭能夠?qū)熿F顆粒或者溫度場的突變產(chǎn)生反應(yīng)，并把警告信息傳輸給報警器或者直接驅(qū)動屋頂?shù)膰娏茉O(shè)備實(shí)施滅火行動。這種感知溫度或者觀測煙霧的手段可以追溯到上世紀(jì)30年代。經(jīng)驗(yàn)豐富的森林巡查員搭乘小型飛機(jī)在森林上空飛行，機(jī)上的設(shè)備簡陋，但是結(jié)合巡查員的好眼力，對濃煙或者明火的感知還是比較敏銳的。這一時期的飛行員可以借助機(jī)上的無線電設(shè)備將疑似發(fā)生火災(zāi)的坐標(biāo)告知附近的消防人員（如美國愛達(dá)華州的飛行巡邏隊(duì)）或者在飛到消防人員聚集的營地上空時用航空郵筒空投巡邏簡報（如蘇聯(lián)遠(yuǎn)東地區(qū)森林火災(zāi)巡邏機(jī)隊(duì)）。
進(jìn)入上世紀(jì)60年代，隨著衛(wèi)星技術(shù)和遙感探測技術(shù)的發(fā)展，火災(zāi)預(yù)警衛(wèi)星開始得到廣泛應(yīng)用。利用火災(zāi)現(xiàn)場的溫度比周圍環(huán)境溫度明顯升高的原理，火災(zāi)預(yù)警衛(wèi)星在太空中對地球上的重點(diǎn)區(qū)域?qū)嵤囟葓鲞b感監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)有溫度突然升高的現(xiàn)象，立刻向有關(guān)部門發(fā)出預(yù)警信息。我國在上世紀(jì)70年代起也開始對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究并擁有了自己的預(yù)警衛(wèi)星技術(shù)。
巡邏人員在地面操控中心控制消防無人機(jī)進(jìn)行巡邏/圖來源網(wǎng)絡(luò)
▲先進(jìn)探測設(shè)備結(jié)合詳細(xì)的數(shù)字地圖使得無人機(jī)能夠把火災(zāi)情況和具體坐標(biāo)及時地反饋給消防人員。
數(shù)字地圖/圖來源網(wǎng)絡(luò)
目前，以德國FIRE-WATCH森林火災(zāi)自動預(yù)警系統(tǒng)、美國護(hù)林紅外遙感火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)和加拿大衛(wèi)星巡回監(jiān)測系統(tǒng)為代表的星載紅外監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為火災(zāi)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。星上設(shè)備要求小型化和高可靠性的趨勢正好給消防無人機(jī)提供了機(jī)會。而幾十年來人們對紅外預(yù)警設(shè)備的研究為消防無人機(jī)的探測設(shè)備打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。
多光譜光電吊艙、分布孔徑紅外系統(tǒng)和紅外搜索跟蹤系統(tǒng)是消防無人機(jī)的三大核心載荷。而這些載荷的技術(shù)均離不開對以往紅外預(yù)警技術(shù)的傳承和針對無人機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行的創(chuàng)新。
不同的紅外設(shè)備是針對不同的波長設(shè)計(jì)的，而不同的波長則對應(yīng)著不同的輻射溫度。工業(yè)級紅外探測設(shè)備對3-5微米波長和8-12微米波長紅外線的研究較為深入，而這兩個波段的探測技術(shù)是由軍用紅外預(yù)警技術(shù)通過軍轉(zhuǎn)民的方式承接而來。
消防無人機(jī)在執(zhí)行紅外探測任務(wù)的時候，對紅外線波長的分段要求是更為細(xì)化，對被探測物體輻射紅外光的波長范圍應(yīng)該進(jìn)行進(jìn)一步地拓展。小火箭認(rèn)為，傳統(tǒng)的3-5微米的中波紅外探測將在消防無人機(jī)上使用，并且會應(yīng)用在高溫火點(diǎn)分析的領(lǐng)域。鑒于該波段的紅外光與火災(zāi)現(xiàn)場的濃煙間有著極其微妙的關(guān)系，我認(rèn)為對該波段紅外光的探測應(yīng)與煙霧成像探測相結(jié)合，以呈現(xiàn)出更多的現(xiàn)場細(xì)節(jié)。而傳統(tǒng)的8-12微米的紅外波長則應(yīng)適當(dāng)向較短的紅外波長方向拓展，與3-5微米的紅外探測設(shè)備相銜接，可形成對現(xiàn)場周邊環(huán)境和陰燃悶燃物體的持續(xù)監(jiān)控。在這兩個傳統(tǒng)波長之外，消防無人機(jī)的紅外探測設(shè)備還應(yīng)以0.65微米為中心的波段和以1.6微米為中心的波段的探測設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用。與紅外預(yù)警衛(wèi)星和紅外導(dǎo)引頭不同，消防無人機(jī)的紅外探測設(shè)備在關(guān)注火點(diǎn)中心位置的同時也要對周圍環(huán)境有一個較為宏觀的感知。為將周邊環(huán)境的情況以圖形圖表的方式直觀地反饋給火災(zāi)指揮人員，消防無人機(jī)的探測設(shè)備應(yīng)用更短的波長（以0.65微米為中心）掃描出現(xiàn)場周圍的地表特征。而對于以植被為主要探測對象的森林消防無人機(jī)而言，以1.6微米為中心的波段則特別適用于對植被的探測和監(jiān)控。
應(yīng)用廣泛大有作為
就像有人駕駛的消防飛機(jī)經(jīng)歷了空中巡邏、目標(biāo)指示和直接滅火三個階段的發(fā)展歷程一樣，消防無人機(jī)在今后也將執(zhí)行更加多樣的任務(wù)。
目前，人們對消防無人機(jī)的認(rèn)知大多停留在平時的預(yù)警巡邏、火災(zāi)現(xiàn)場的偵察監(jiān)控和滅火后的現(xiàn)場巡察這三個應(yīng)用領(lǐng)域，也就是主要充當(dāng)“空中之眼”的作用。隨著其他領(lǐng)域的無人機(jī)已經(jīng)不僅僅滿足于觀察和探測，消防無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也將開始進(jìn)行多方面的拓展。
▲無人機(jī)技術(shù)在抗風(fēng)和抗高溫等方面的突破將會給消防無人機(jī)的應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持。
抗風(fēng)和抗高溫/圖來源網(wǎng)絡(luò)
▲未來的消防無人機(jī)能夠擔(dān)任更加多樣化的任務(wù)。
擔(dān)任多樣化任務(wù)/圖來源網(wǎng)絡(luò)
盡管消防無人機(jī)目前尚不能做到軍用無人機(jī)的“察打一體”那樣干脆直接地介入到應(yīng)用領(lǐng)域，但是它仍在投遞關(guān)鍵載荷與應(yīng)急廣播方面還是有不少的潛能等待開發(fā)。在高層建筑發(fā)生火災(zāi)的時候，消防人員面臨的一大難題就是救援困難。目前的消防云梯的高度大多為50米或80米，100米以上的云梯還未普及。但建筑設(shè)計(jì)和土木工程的進(jìn)步則遠(yuǎn)遠(yuǎn)地走到了前面。40層以上的樓房比比皆是，已經(jīng)突破了云梯的作業(yè)高度極限。在出現(xiàn)高層建筑火警的時候，如果消防無人機(jī)能夠攜帶繩索上升到制高點(diǎn)，并在建筑物上構(gòu)造一個高空吊載支點(diǎn)的話，將會給高層建筑的被困人員提供一個寶貴的逃生機(jī)會。
另外，消防人員在沖向火災(zāi)現(xiàn)場的時候，往往要背負(fù)沉重的設(shè)備。而對于攀爬高層建筑的消防人員來說，背負(fù)20千克重的設(shè)備爬到百米高層以后，很難再有充足的體能來實(shí)施救援。而此時如果讓無人機(jī)來向高層建筑內(nèi)投遞關(guān)鍵設(shè)備的話，無疑能夠大大減輕消防人員的負(fù)擔(dān)，節(jié)省大量的體力。
在湍急河流、沼澤地、危險冰面上的被困人員在今后或許能夠等來消防無人機(jī)遞送的救生繩、救生衣或救生圈等救援物品。在災(zāi)后尚未能搶通道路的地區(qū)，被困人員或許能夠在第一時間收到消防無人機(jī)送來的藥品和食品。這種在短時間內(nèi)能夠以多個架次實(shí)施定點(diǎn)精確投遞的能力是目前有人駕駛飛機(jī)難以做到的。
小火箭期待消防無人機(jī)能夠在未來拯救更多的受困人員，能夠在火災(zāi)預(yù)警和火災(zāi)救援現(xiàn)場發(fā)揮更大的作用，為無人機(jī)的技術(shù)發(fā)展和無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展添上濃墨重彩的一筆！
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