（原標題：【深度】剖析消防無人機技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)）
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在消費級無人機吸引了無數(shù)民眾的目光，工業(yè)級無人機已在多個行業(yè)嶄露頭角的時候，專門用于消防的無人機也開始摸索著進入了一個可以大展身手的領(lǐng)域。這些無人機能夠在消防領(lǐng)域扮演怎樣的角色？又將要具備怎樣的本領(lǐng)呢？小火箭邢強博士將就這兩個問題與大家一起探討和剖析消防無人機的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，展望其發(fā)展前景。無人機消防應(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、山東總隊的8架消防無人機，隨同31名通信技術(shù)人員連夜趕往天津。這些消防無人機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。而且正因為有了它們所獲取的信息，才使得很多消防人員得以免于進入充滿有害氣體的現(xiàn)場。當(dāng)救援行動正在實施時，每小時出動一次的無人機不僅保證了現(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，無人機會出現(xiàn)在消防、公共安全等多個領(lǐng)域。
消防無人機/圖來源網(wǎng)絡(luò)
消防無人機拍攝的一處民宅發(fā)生火災(zāi)的現(xiàn)場畫面/圖來源網(wǎng)絡(luò)
消防無人機的這次出動充分體現(xiàn)了它們響應(yīng)快速并且能夠進入人員難以接近的危險場地的獨特優(yōu)勢。而人們對消防人員的傳統(tǒng)認識也將因此發(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)局提出了將飛機用于消防工作的設(shè)想，并與同年進行了帶有試驗性質(zhì)的飛行任務(wù)。他們采購了若干飛機，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)局又進行了一些飛機滅火的嘗試。他們給飛機裝上化學(xué)滅火藥劑，準備讓其飛到火場上空對著火地點投撒。但空投的準確性難以保證，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，美國林務(wù)局還是暫時放棄了用飛機空投滅火藥劑滅火的嘗試。不過，在高空飛行的飛機在監(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。
消防無人機能夠深入到有人駕駛飛機難以到達的角落/圖來源網(wǎng)絡(luò)
NASA推出的Ikhana無人機系統(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無疑是繼承了上世紀20年代的有人駕駛消防飛機的空投照片的使命。而且隨著技術(shù)的進步，消防無人機在現(xiàn)場勘查方面發(fā)揮的作用要比當(dāng)年的有人駕駛飛機大得多。這些無人機上搭載紅外探測設(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)場進行實時監(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，無人機相對于有人駕駛飛機要面臨更多的挑戰(zhàn)。無人機的個頭兒通常要比有人駕駛飛機小很多，而火場附近往往有著復(fù)雜的橫風(fēng)和切變風(fēng)，對無人機的姿態(tài)穩(wěn)定系統(tǒng)提出了更高的挑戰(zhàn)。能夠進入火災(zāi)現(xiàn)場的無人機通常要具備在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，雖然消防無人機能夠深入現(xiàn)場，但也為其帶來了更多的危險。此類無人機的結(jié)構(gòu)要針對高溫、高腐蝕的飛行環(huán)境進行特殊強化。另外，在森林火災(zāi)中應(yīng)用的消防無人機還應(yīng)具備快速爬升和在高空長時間巡航的能力。因為大面積的火災(zāi)會急劇加熱著火點上方的空氣，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，消防無人機須飛到1500米以上的高空，才能借助高性能的航拍設(shè)備實施動態(tài)監(jiān)控作業(yè)。
傳承技術(shù)突出重點
雖然消防無人機在載荷、結(jié)構(gòu)、飛行性能等方面的技術(shù)使其能夠肩負起現(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，到火災(zāi)預(yù)警衛(wèi)星，再到消防無人機，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?；蛘邷囟葓龅耐蛔儺a(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30年代。經(jīng)驗豐富的森林巡查員搭乘小型飛機在森林上空飛行，機上的設(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上的無線電設(shè)備將疑似發(fā)生火災(zāi)的坐標告知附近的消防人員（如美國愛達華州的飛行巡邏隊）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)遠東地區(qū)森林火災(zāi)巡邏機隊）。
進入上世紀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70年代起也開始對相關(guān)技術(shù)進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進行巡邏/圖來源網(wǎng)絡(luò)
▲先進探測設(shè)備結(jié)合詳細的數(shù)字地圖使得無人機能夠把火災(zāi)情況和具體坐標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提供了機會。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的特點進行的創(chuàng)新。
不同的紅外設(shè)備是針對不同的波長設(shè)計的，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化，對被探測物體輻射紅外光的波長范圍應(yīng)該進行進一步地拓展。小火箭認為，傳統(tǒng)的3-5微米的中波紅外探測將在消防無人機上使用，并且會應(yīng)用在高溫火點分析的領(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，消防無人機的紅外探測設(shè)備在關(guān)注火點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經(jīng)歷了空中巡邏、目標指示和直接滅火三個階段的發(fā)展歷程一樣，消防無人機在今后也將執(zhí)行更加多樣的任務(wù)。
目前，人們對消防無人機的認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)域的無人機已經(jīng)不僅僅滿足于觀察和探測，消防無人機的應(yīng)用領(lǐng)域也將開始進行多方面的拓展。
▲無人機技術(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)
盡管消防無人機目前尚不能做到軍用無人機的“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)計和土木工程的進步則遠遠地走到了前面。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，如果消防無人機能夠攜帶繩索上升到制高點，并在建筑物上構(gòu)造一個高空吊載支點的話，將會給高層建筑的被困人員提供一個寶貴的逃生機會。
另外，消防人員在沖向火災(zāi)現(xiàn)場的時候，往往要背負沉重的設(shè)備。而對于攀爬高層建筑的消防人員來說，背負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施救援。而此時如果讓無人機來向高層建筑內(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送來的藥品和食品。這種在短時間內(nèi)能夠以多個架次實施定點精確投遞的能力是目前有人駕駛飛機難以做到的。
小火箭期待消防無人機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，為無人機的技術(shù)發(fā)展和無人機應(yīng)用領(lǐng)域的拓展添上濃墨重彩的一筆！
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