近年來，隨著飛控系統(tǒng)的開源、配套技術(shù)的進步以及市場需求的增加，無人機在各領(lǐng)域的應(yīng)用得到快速發(fā)展。目前，無人機在各級消防救援單位均得到不同程度的配發(fā)，但其使用仍存在諸多問題：一是無人機專項培訓(xùn)較少，基層通信人員缺乏系統(tǒng)全面的無人機培訓(xùn);二是無人機的功能應(yīng)用較為狹窄，目前主要集中于航拍偵察，缺乏進一步的深度應(yīng)用;三是通信組網(wǎng)混亂，與現(xiàn)場通信指揮車、遠程通信指揮中心等通信模塊連接不暢，信息共享有待提升。結(jié)合上述無人機應(yīng)用過程中存在的問題，從理論闡釋和實證研究的角度解決相關(guān)的問題，規(guī)范現(xiàn)場無人機通信組網(wǎng)流程，從而提升無人機在滅火救援中的應(yīng)用水平，對實際操作具有一定的借鑒與參考價值。

1 無人機通信模塊應(yīng)用研究

選用的六旋翼無人機具有航時長、機身穩(wěn)固、應(yīng)用靈活的特點。鑒于通信模塊在無人機現(xiàn)場作業(yè)中占據(jù)的重要位置，按照無人機的作業(yè)順序，從先導(dǎo)偵察、圖像傳輸、擴音喊話這三個主要功能出發(fā)，進行功能的技術(shù)手段及應(yīng)用研討。

1.1 先導(dǎo)偵察的功能優(yōu)化

先導(dǎo)偵察是指火災(zāi)、洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生后，消防無人機采用手動操作或自主航跡規(guī)劃的方式，先于其他的消防救援力量到達災(zāi)害現(xiàn)場進行偵察的一種功能。然而，目前消防領(lǐng)域采用無人機出動的模式通常為“手動遙控為主，自主飛行為輔”的操作方式，即消防員到場后，使用遙控器進行定點懸停、俯沖或下降等動作，完成災(zāi)害現(xiàn)場的初步偵察，在偵察過程中的部分階段，使用自主航跡規(guī)劃進行偵察。

此種操作方式雖簡單易行，但存在明顯的不足。如無人機在出動時，由于人員操作的限制，只能在消防救援人員到場后方可實施，致使無人機先導(dǎo)偵察、提前預(yù)判的能力大大弱化。因此，應(yīng)將無人機的偵察功能進一步優(yōu)化，實現(xiàn)先導(dǎo)偵察。

根據(jù)算法的基本原理和出現(xiàn)的先后時序，可以將路徑規(guī)劃算法分為四大類：傳統(tǒng)算法、圖形學(xué)方法，智能仿生學(xué)算法和其他算法。筆者采用的無人機將柵格法、A算法及遺傳算法相融合，所采用的算法如下：一是采用柵格法對飛行涵蓋的空間進行建模，即在確定飛行目標地點的位置坐標后，通過谷歌地圖的道路建筑信息及構(gòu)筑物的高度信息進行一定步長的劃分，并結(jié)合本轄區(qū)特點，選擇預(yù)先設(shè)置的幾個中繼節(jié)點作為區(qū)域目標點;二是利用 A的 open表和 close 表格及啟發(fā)函數(shù) h（n）對飛行路線進行約束限制，引導(dǎo)其向既定目標點飛行;三是引入蟻群算法進行處理。由于在上述步驟中，代價表的建立縮減了大量的無效或低效的飛行區(qū)域。因此，在少量迭代次數(shù)的情況下即可得到最終飛行路線。

此外，該無人機也可采用更為簡單的飛行方式，即采用“最低安全飛行高度”。在飛行器的地面控制終端上，由于國內(nèi)無人機的導(dǎo)航系統(tǒng)大部分采用 Google 地圖進行GPS 定位與導(dǎo)航，可以在飛行前進行高度設(shè)定，選取飛行領(lǐng)域中的最高點作為最低安全飛行距離，在設(shè)定了終點后實現(xiàn)自主飛行。由于消防無人機載有避障模塊，可避開高空障礙物以實現(xiàn)安全飛行。

1.2 圖像傳輸?shù)墓δ軆?yōu)化

在消防無人機的通信系統(tǒng)中，一般包含圖傳、數(shù)傳等無線電傳輸設(shè)備。其中，無人機通過搭載圖像傳輸模塊進行現(xiàn)場圖像的實時回傳，則是無人機完成現(xiàn)場偵察、指揮輔助決策功能的最重要的環(huán)節(jié)。結(jié)合消防部門通信裝備配備現(xiàn)狀，3G/4G 圖像傳輸與微波圖像傳輸是目前可行性強、傳輸穩(wěn)定的傳輸方式。

（1）3G/4G 圖像傳輸。在消防的實際應(yīng)用中，3G/4G圖像傳輸可以理解為使用 4G 設(shè)備進行 3G 圖像傳輸，其現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸路徑，如圖 1 所示。圖中的 1～5 分別為無人機、無人機地面終端、3G 公網(wǎng)基站、服務(wù)器和指揮中心。一是無人機承載的高清攝像機實時攝錄現(xiàn)場影像，將數(shù)據(jù)傳遞到無人機的地面終端上;二是地面終端引出一條HDMI 的高清接口，向地面的 3G 公網(wǎng)基站發(fā)射信息;三是通過訪問通信指揮中心登錄 IP 地址，連接服務(wù)器，即可獲取基站轉(zhuǎn)接的數(shù)據(jù)信息。

（2）微波圖像傳輸。微波圖像傳輸是指消防通信人員將無人機拍攝到的視頻數(shù)據(jù)通過便攜式等發(fā)射終端，以微波的形式將信息發(fā)送至現(xiàn)場的通信指揮車上的車載接收機，經(jīng)過車載發(fā)射機再次發(fā)射后，即可在通信指揮中心看到實時視頻資料，實現(xiàn)“現(xiàn)場-指揮車-指揮中心”同步觀看。具體傳輸流程如圖 2 所示。在圖 2 中，1～4 分別為無人機、背負式微波傳輸設(shè)備、現(xiàn)場指揮車的接收端與輸出端、指揮中心。

1.3 擴音喊話的功能優(yōu)化

目前，擴音系統(tǒng)在消防通信中的應(yīng)用大部分停留在地面喊話的階段。然而，在高層建筑輕生現(xiàn)場以及引導(dǎo)人員疏散等救援現(xiàn)場，經(jīng)常由于地面人車擁擠，聲音嘈雜，致使擴音設(shè)備的效用大為降低。因此，使用無人機可以實現(xiàn)消防救援現(xiàn)場的高空喊話，增強被救助者在等待救援時的信心。結(jié)合目前消防救援實際情況，可采用如下方式：無人機搭載無線接收設(shè)備，地面救援人員在到達現(xiàn)場后，立即使用手臺進行喊話，通過無線傳輸方式傳輸?shù)綗o人機的接收設(shè)備后，通過擴音器將聲音傳出。

2 實證研究

2.1 先導(dǎo)偵察實驗研究

選取某消防部門訓(xùn)練基地為實驗對象，對溫度、風(fēng)向、天氣等基本情況作出記錄后，設(shè)定無人機的初始地點及事故想定點。使用 Google 地圖進行定位，確定飛行初始點與終點，實施一鍵飛行，得到的部分飛行畫面如圖 3、圖 4所示。從圖中可以看出，接到出動指令后，無人機先于消防車出發(fā)，并在飛行途中不間斷地將圖像傳回指揮員手中的無人機地面終端;到達現(xiàn)場后，能夠清晰、準確地顯示出事故地點泄漏源的擴散程度、周邊道路情況及人員被困情況，為途中指揮決策提供重要來源。

通過實驗可以看出，通過高清攝像機傳回地面終端的圖像清晰，畫面穩(wěn)定，符合消防部隊對于先導(dǎo)偵察的基本要求，證明采用防抖動平臺及高清攝像機的六旋翼無人機可以實現(xiàn)該功能。

2.2 圖像傳輸實驗研究

（1）3G/4G 圖像傳輸實驗研究。本實驗選取訓(xùn)練場化工裝置訓(xùn)練區(qū)作為事故現(xiàn)場，將指揮演練中心設(shè)定為支隊指揮中心，實驗的成功標準設(shè)定為：消防人員到場后能否將無人機采集到的圖像穩(wěn)定清晰地傳回指揮中心顯示屏上且時差小于 1 s。實驗開始后，無人機在現(xiàn)場消防人員的操作下，迅速起飛，待飛行平穩(wěn)后開始記錄其傳輸畫面。得到的現(xiàn)場部分的地面終端截圖及指揮中心截圖，如 圖 5、圖 6 所示。

從圖像中可以看出，采用 3G/4G 圖像傳輸?shù)姆绞侥軌蜃龅綄崟r傳輸，實現(xiàn)“現(xiàn)場-地面終端-指揮中心”的視頻同步。但在指揮中心的頁面中，由于受到公網(wǎng)基站的影響，指揮中心服務(wù)器訪問得到的畫面像素大幅度降低，但整體畫質(zhì)并不影響指揮中心的視頻觀看與分析研判，符合災(zāi)害現(xiàn)場視頻傳輸要求。

（3）微波圖像傳輸實驗研究。為防止單一傳輸手段在現(xiàn)場出現(xiàn)故障后導(dǎo)致圖傳中斷，在采用 3G/4G 圖像傳輸?shù)幕A(chǔ)上，進行對比試驗，即使用微波圖像傳輸方式，使用單兵背負式微波傳輸設(shè)備進行圖像傳輸，相關(guān)通信設(shè)備如圖 7 所示，圖中分別為現(xiàn)場通信指揮車、消防無人機、微波傳輸設(shè)備、地面接收端。

選取高層建筑模擬演練區(qū)作為事故地點。事故人員到場后，迅速攜帶單兵背負式微波傳輸設(shè)備，在確保通信指揮車的輸入端與視頻輸出接口連接完整的情況下，操縱遙控設(shè)備對無人機進行起飛操作。飛離至預(yù)定高度后定點懸停，開始傳輸視頻圖像。在畫面穩(wěn)定后，選取某一時刻的地面終端圖像及指揮中心圖像進行記錄和對比，從圖8、圖 9 可以看出，在起飛后 2 分 47 秒后，截取同一時間高清攝像機影像及指揮中心圖像，經(jīng)過通信指揮車傳輸回指揮中心的圖像與無人機在高空拍攝的圖像相比，雖然畫質(zhì)在一定程度上降低，但整體的畫質(zhì)清晰度及同步性較為良好，符合現(xiàn)場偵察及指揮中心對于災(zāi)害現(xiàn)場的畫面要求。

通過對比兩種偵察方式傳輸?shù)囊曨l畫面，可以看出：從整體畫面效果、時延情況以及傳輸穩(wěn)定性的角度，二者均能達到預(yù)期的效果。在指揮救援現(xiàn)場，一旦其中某種指揮手段因外部環(huán)境干擾被迫中止時，可迅速采用第二種方式進行視頻傳輸。

2.3 擴音喊話功能實驗研究

設(shè)定災(zāi)害情景為：高層建筑起火樓層上方有人員被困，為防止被困人員盲目跳樓，決定啟用無人機進行喊話安撫。消防人員到場后，選擇擴音模塊并將其載荷到無人機的云臺上，將手臺頻率調(diào)制 350 MHz，擴音模塊接收端也調(diào)至 350 MHz，通過無人機上的微型喇叭將聲音擴散出去。由于微型喇叭采用小型鋰離子電池作電源，設(shè)備輕巧，對無人機的載荷要求較低?，F(xiàn)場試驗情況如圖 10、圖11 所示。

在實驗現(xiàn)場對電臺進行喊話后，聲音立即從無人機上的擴音模塊傳出，且音量適中，在高層建筑中的被困人員可以清晰地聽到擴音器的喊話內(nèi)容。證明該通信模塊及通信方式可以滿足滅火救援現(xiàn)場對擴音功能的要求。

3 結(jié)束語

立足當前消防無人機在滅火救援現(xiàn)場急需改進的應(yīng)用功能，提出了相應(yīng)的通信技術(shù)路徑及實現(xiàn)手段，闡述了其中包含的技術(shù)原理，最后通過實地檢驗的方式，對技術(shù)路徑進行了實際論證。實驗證明：采用自主研發(fā)的六旋翼長航時無人機可以完全實現(xiàn)本文提出的先導(dǎo)偵察、圖像傳輸及擴音喊話功能，為今后消防部門在使用無人機的相應(yīng)功能時提供了一定的參考價值。但該無人機仍存在荷載分散、視頻傳輸質(zhì)量差等問題。下一步將從通信模塊集成整合、數(shù)據(jù)處理等角度繼續(xù)進行探索。隨著飛控設(shè)備、通信鏈路技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，消防無人機的先導(dǎo)偵察、圖像傳輸?shù)裙δ軐⒌玫竭M一步的優(yōu)化，并向通信設(shè)備信息融合、通信輔助決策平臺等發(fā)展方向靠攏，為“智慧消防”的建設(shè)注入新的活力。

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