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【深度】剖析消防无人机技术发展脉络(图)

发布时间:2016-08-16

OFweek机器人网讯:在消费级无人机吸引了无数民众的目光,工业级无人机已在多个行业崭露头角的时候,专门用于消防的无人机也开始摸索着进入了一个可以大展身手的领域。这些无人机能够在消防领域扮演怎样的角色?又将要具备怎样的本领呢?小火箭邢强博士将就这两个问题与大家一起探讨和剖析消防无人机的技术发展脉络,展望其发展前景。

  响应快速优势凸现

  天津港“8.12”特别重大火灾爆炸事故发生后,公安部消防局迅速调集了北京、河北、山西、山东总队的8架消防无人机,随同31名通信技术人员连夜赶往天津。这些消防无人机向救援人员提供了大量现场高清画面,为救援工作的顺利开展提供了有力的技术支持。而且正因为有了它们所获取的信息,才使得很多消防人员得以免于进入充满有害气体的现场。当救援行动正在实施时,每小时出动一次的无人机不仅保证了现场画面的不间断提供,更让救援决策人员多了很多双近距离观察现场情况的“眼睛”。

  ▲将来,无人机会出现在消防、公共安全等多个领域。

  消防无人机/图来源网络

  消防无人机拍摄的一处民宅发生火灾的现场画面/图来源网络

  消防无人机的这次出动充分体现了它们响应快速并且能够进入人员难以接近的危险场地的独特优势。而人们对消防人员的传统认识也将因此发生较为彻底的改变。之前,提到消防员,大家立刻会把他们与飞驰的消防车和喷洒水流或泡沫的消防水龙联系起来。而无人机的加入,使消防人员用于与火灾搏斗的武器库中又添了一个利器。
   

实际上,航空器与消防的关系早在约100年前就开始建立了。1917年,美国林务局提出了将飞机用于消防工作的设想,并与同年进行了带有试验性质的飞行任务。他们采购了若干飞机,并使用它们在加利福尼亚州广袤的土地上按照固定线路巡视飞行,监控该州的森林是否有发生火灾的迹象。到了1920年,美国林务局又进行了一些飞机灭火的尝试。他们给飞机装上化学灭火药剂,准备让其飞到火场上空对着火地点投撒。但空投的准确性难以保证,且装有药剂的容器经常有泄漏的情况。经过几年的摸索,虽然药剂的容器经过了纸袋子、锡罐子和橡木桶等多种改型试验,美国林务局还是暂时放弃了用飞机空投灭火药剂灭火的尝试。不过,在高空飞行的飞机在监控范围和火灾现场态势的整体把握等方面显示出不可替代的作用。因此在听取了森林消防人员的建议后,美国林务局决定重点开拓航空器在巡逻监控和火灾现场判读方面的应用。1925年,专门用于消防的空中摄影技术开始出现。而到了1929年,加利福尼亚州的消防人员们已经能够在火灾发生的时候快速收到空中投下的包裹了。这些包裹里面装着刚刚洗出来的火灾现场的俯瞰照片,能够帮助消防人员制订有针对性的灭火方案。

  消防无人机能够深入到有人驾驶飞机难以到达的角落/图来源网络

  NASA推出的Ikhana无人机系统可以胜任防火巡逻的任务/图来源网络

  有高清航拍和图像回传功能的消防无人机无疑是继承了上世纪20年代的有人驾驶消防飞机的空投照片的使命。而且随着技术的进步,消防无人机在现场勘查方面发挥的作用要比当年的有人驾驶飞机大得多。这些无人机上搭载红外探测设备或者彩色高分辨率面阵CCD(ChargeCoupledDevices,电荷耦合器件)设备,能够在距离地面500-2000米的空中对火灾现场进行实时监控。红外设备可以感知到人类肉眼难以察觉的暗火、阴燃等情况,对火场或者刚刚扑救之后的场地的了解更为全面。采用特殊波段进行探测的传感器还能够透过火灾现场的浓烟毒雾感知消防人员想要迫切了解的火灾中心的具体情况。
   

但是,在火灾现场,无人机相对于有人驾驶飞机要面临更多的挑战。无人机的个头儿通常要比有人驾驶飞机小很多,而火场附近往往有着复杂的横风和切变风,对无人机的姿态稳定系统提出了更高的挑战。能够进入火灾现场的无人机通常要具备在5级以上的风速中可在1米范围内悬停的能力,以确保现场图像的拍摄质量能够满足判读人员的需求。再者,虽然消防无人机能够深入现场,但也为其带来了更多的危险。此类无人机的结构要针对高温、高腐蚀的飞行环境进行特殊强化。另外,在森林火灾中应用的消防无人机还应具备快速爬升和在高空长时间巡航的能力。因为大面积的火灾会急剧加热着火点上方的空气,有时候在现场正上方1500米的高空的空气仍不适合无人机在其中穿越飞行。要想获取从上空拍摄的鸟瞰画面,消防无人机须飞到1500米以上的高空,才能借助高性能的航拍设备实施动态监控作业。

  传承技术突出重点

  虽然消防无人机在载荷、结构、飞行性能等方面的技术使其能够肩负起现场监控的重要任务。但说起对火灾现场的动态监控,该机并不是最早应用的平台。从火灾监测传感器,到森林巡逻飞机,到火灾预警卫星,再到消防无人机,经过了多个发展阶段。

  在现代建筑中生活和工作的人们对火灾监控探头并不陌生。这样的探头能够对烟雾颗粒或者温度场的突变产生反应,并把警告信息传输给报警器或者直接驱动屋顶的喷淋设备实施灭火行动。这种感知温度或者观测烟雾的手段可以追溯到上世纪30年代。经验丰富的森林巡查员搭乘小型飞机在森林上空飞行,机上的设备简陋,但是结合巡查员的好眼力,对浓烟或者明火的感知还是比较敏锐的。这一时期的飞行员可以借助机上的无线电设备将疑似发生火灾的坐标告知附近的消防人员(如美国爱达华州的飞行巡逻队)或者在飞到消防人员聚集的营地上空时用航空邮筒空投巡逻简报(如苏联远东地区森林火灾巡逻机队)。

  进入上世纪60年代,随着卫星技术和遥感探测技术的发展,火灾预警卫星开始得到广泛应用。利用火灾现场的温度比周围环境温度明显升高的原理,火灾预警卫星在太空中对地球上的重点区域实施温度场遥感监测,一旦发现有温度突然升高的现象,立刻向有关部门发出预警信息。我国在上世纪70年代起也开始对相关技术进行研究并拥有了自己的预警卫星技术。

  巡逻人员在地面操控中心控制消防无人机进行巡逻/图来源网络

  ▲先进探测设备结合详细的数字地图使得无人机能够把火灾情况和具体坐标及时地反馈给消防人员。

  数字地图/图来源网络


目前,以德国FIRE-WATCH森林火灾自动预警系统、美国护林红外遥感火灾预警系统和加拿大卫星巡回监测系统为代表的星载红外监控系统已经成为火灾预警网络的重要组成部分。星上设备要求小型化和高可靠性的趋势正好给消防无人机提供了机会。而几十年来人们对红外预警设备的研究为消防无人机的探测设备打下了良好的技术基础。

  多光谱光电吊舱、分布孔径红外系统和红外搜索跟踪系统是消防无人机的三大核心载荷。而这些载荷的技术均离不开对以往红外预警技术的传承和针对无人机的特点进行的创新。

  不同的红外设备是针对不同的波长设计的,而不同的波长则对应着不同的辐射温度。工业级红外探测设备对3-5微米波长和8-12微米波长红外线的研究较为深入,而这两个波段的探测技术是由军用红外预警技术通过军转民的方式承接而来。

  消防无人机在执行红外探测任务的时候,对红外线波长的分段要求是更为细化,对被探测物体辐射红外光的波长范围应该进行进一步地拓展。小火箭认为,传统的3-5微米的中波红外探测将在消防无人机上使用,并且会应用在高温火点分析的领域。鉴于该波段的红外光与火灾现场的浓烟间有着极其微妙的关系,我认为对该波段红外光的探测应与烟雾成像探测相结合,以呈现出更多的现场细节。而传统的8-12微米的红外波长则应适当向较短的红外波长方向拓展,与3-5微米的红外探测设备相衔接,可形成对现场周边环境和阴燃闷燃物体的持续监控。在这两个传统波长之外,消防无人机的红外探测设备还应以0.65微米为中心的波段和以1.6微米为中心的波段的探测设备的研发与应用。与红外预警卫星和红外导引头不同,消防无人机的红外探测设备在关注火点中心位置的同时也要对周围环境有一个较为宏观的感知。为将周边环境的情况以图形图表的方式直观地反馈给火灾指挥人员,消防无人机的探测设备应用更短的波长(以0.65微米为中心)扫描出现场周围的地表特征。而对于以植被为主要探测对象的森林消防无人机而言,以1.6微米为中心的波段则特别适用于对植被的探测和监控。

  应用广泛大有作为

  就像有人驾驶的消防飞机经历了空中巡逻、目标指示和直接灭火三个阶段的发展历程一样,消防无人机在今后也将执行更加多样的任务。

  目前,人们对消防无人机的认知大多停留在平时的预警巡逻、火灾现场的侦察监控和灭火后的现场巡察这三个应用领域,也就是主要充当“空中之眼”的作用。随着其他领域的无人机已经不仅仅满足于观察和探测,消防无人机的应用领域也将开始进行多方面的拓展。

  ▲无人机技术在抗风和抗高温等方面的突破将会给消防无人机的应用提供有力的技术支持。

 

  抗风和抗高温/图来源网络

  ▲未来的消防无人机能够担任更加多样化的任务。

  担任多样化任务/图来源网络

  尽管消防无人机目前尚不能做到军用无人机的“察打一体”那样干脆直接地介入到应用领域,但是它仍在投递关键载荷与应急广播方面还是有不少的潜能等待开发。在高层建筑发生火灾的时候,消防人员面临的一大难题就是救援困难。目前的消防云梯的高度大多为50米或80米,100米以上的云梯还未普及。但建筑设计和土木工程的进步则远远地走到了前面。40层以上的楼房比比皆是,已经突破了云梯的作业高度极限。在出现高层建筑火警的时候,如果消防无人机能够携带绳索上升到制高点,并在建筑物上构造一个高空吊载支点的话,将会给高层建筑的被困人员提供一个宝贵的逃生机会。

  另外,消防人员在冲向火灾现场的时候,往往要背负沉重的设备。而对于攀爬高层建筑的消防人员来说,背负20千克重的设备爬到百米高层以后,很难再有充足的体能来实施救援。而此时如果让无人机来向高层建筑内投递关键设备的话,无疑能够大大减轻消防人员的负担,节省大量的体力。

  在湍急河流、沼泽地、危险冰面上的被困人员在今后或许能够等来消防无人机递送的救生绳、救生衣或救生圈等救援物品。在灾后尚未能抢通道路的地区,被困人员或许能够在第一时间收到消防无人机送来的药品和食品。这种在短时间内能够以多个架次实施定点精确投递的能力是目前有人驾驶飞机难以做到的。

  小火箭期待消防无人机能够在未来拯救更多的受困人员,能够在火灾预警和火灾救援现场发挥更大的作用,为无人机的技术发展和无人机应用领域的拓展添上浓墨重彩的一笔!

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