消防無人機集群在消防滅火中的應用范文

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摘要：本文提出了一種消防無人機集群系統，并利用分子群設計思想，提出各類自組織協同任務執行機制，有效彌補了目前單體消防無人機所存在的人工操控成本高、操作流程復雜、總體任務執行非智能化等缺點。

關鍵詞：消防滅火；無人機集群；協同

當前，我國消防部隊面臨的消防滅火形勢越來越嚴峻，尤其是隨著城市建設的日益發展，高層建筑越來越多，處理火情的難度也日益加大，給消防帶來了極大的不便。現有滅火技術通常為通過消防云梯及消防水槍進行滅火，然而受自身條件的限制，有時滅火效果不甚理想。隨著無人機技術的發展，現已有將無人機運用于消防滅火的實踐，在指揮中心的統一指揮控制下，通過無人機對火源進行偵察，指揮中心根據火情信息，給滅火無人機發出滅火指令，進行消防滅火。目前僅有部分經濟發達地區的省總隊或支隊級購置了消防無人機，并且抽選了專業人員力量組建無人機分隊，大多是采取人工遙控操作滅火的方式，自動化程度不高，現場智能性不足。由于無人機之間缺乏信息交互，融合程度低，滅火效率較為低下，沒有發揮出無人機消防更大的優勢。本文所提出的消防無人機集群系統能夠有效彌補消防無人機單平臺功能不全，人工操控成本高、操作流程復雜等缺點。

一、無人機集群

1.無人機簡介

無人機即無人駕駛飛機，最初主要應用于軍事領域。后來無人機因其特有的優勢逐漸應用于民用領域。近年來，由于自然災害頻發，無人機在我國得到了進一步發展。無人機主要由飛機機體、飛控系統、數據鏈系統、電源系統和動力系統等部分組成。無人機的功能及特點主要有：（1）快速機動，響應及時。無人機具備機動靈活的特點，一旦任務需要其可快速到達指定目標區域，且對現場環境要求低。（2）成本低廉，危險性小。無人機運行成本比較低，保養和維修也比較簡便；其體形小，不用租賃起飛和停放的專用場地；無人機可以飛行到危險地域，或在不良氣候條件下執行緊急飛行任務。

2.無人機集群自然界中存在許多聚集而成的生物群體，如逃避天敵的魚群、遷徙的鳥群等，如圖1所示。此類群體的特點是單個個體的能力及智力水平有限，但個體間通過一定的交互而聚集成群體后，則能夠克服單一個體能力上的不足，在整體上“涌現”出特定的功能，人們將這種現象稱為集群智能。受生物集群的啟發，本文提出消防無人機集群系統及集群內自主協同機制，并將集群進行分子群設計，使得消防無人機集群能夠以自主協同、智能化的方式完成特定消防滅火任務。

二、消防無人機集群在消防滅火中的應用

1.消防無人機集群系統組成及架構本文利用分群設計的思想，將消防無人機集群系統分為偵察無人機子群、滅火無人機子群以及特種救援無人機子群。通過將集群進行分群設計，從而降低單一平臺的復雜性及成本，體現出集群的智能性和功能涌現性。消防無人機集群系統由多旋翼無人機平臺、地面站系統、電源供應系統、任務載荷、消防云系統等組成。

2.自主協同決策機制（1）自組織避撞機制消防無人機集群在執行相應任務時可采用自組織網絡避撞算法解決多機協同避撞問題。首先無人機在執行任務過程中能夠實時檢測自身是否安全，當遇到危險或可能發生相撞時，需要通過形成自組織網絡，感知周圍無人機狀態，若檢測到相撞風險時，則無人機相互排斥，類似同性電荷相互排斥作用；若無相撞風險，則按照預定路線繼續運動。（2）火源協同搜索機制在接收到火災報警后，往往只能了解火源大致位置信息，此時需要出動偵察無人機子群判明火源精確位置及周邊情況，為下一步決策提供依據。集群系統可采用全覆蓋協同搜索策略，如圖3所示。首先確定火源存在的區域范圍，將區域頂點坐標發送至偵察無人機子群首，隨后子群首確定需要出動偵察無人機數量，并為每架無人機規劃搜索路徑，展開火源搜索，確定火源位置。（3）協同定位機制消防無人機集群系統在發現火源后對火源進行協同定位，從而確定其準確位置。協同定位方法采用AOA（Angle-of-arrival）定位方法，即到達角度測距方法。AOA是基于信號到達角度的定位算法，是一種典型的基于測距的定位算法，通過某些硬件設備感知發射節點信號的到達方向，計算接收節點和錨節點之間的相對方位或角度，然后再利用三角測量法或其他方式計算出未知節點的位置。基于信號到達角度（AOA）的定位算法是一種常見的無線傳感網絡節點自定位算法，算法通信開銷低，定位精度較高。（4）協同投彈滅火機制偵察無人機子群完成對火源的定位以及火勢判斷后，將相關信息發送至滅火無人機子群首，子群首根據火勢決策出動滅火無人機數量。子群首為每架滅火無人機配備飛行高度層，滅火無人機按照自身高度層飛往火源上空，按照高度由低到高的順序依次投彈并返航。

3.消防無人機集群基本工作流程當前，城市消防站（隊）布局一般以接到出動指令后5分鐘內可到達責任區邊緣為原則，普通消防站轄區面積不應大于7平方公里，近郊區消防站轄區面積不大于15平方公里。現以某小區內以車輛燃燒發生火災為例，進行火災報警。（1）接警后，就近消防站迅速出動消防車輛并攜帶消防無人機集群，在車輛行進過程中，完成1-3架偵察無人機的路徑規劃與放飛工作，偵察無人機迅速飛往火災地點。（2）偵察無人機到達火災現場后，將獲取的火場圖像信息以及火場的精確定位信息傳至地面站，地面站根據紅外圖像信息確定火勢大小及火場面積，從而確定需要出動滅火無人機規模數量。（3）通過地面站軟件控制滅火無人機起飛，此時偵察無人機子群與滅火無人機子群進行組網通信，將火場的實時情況發送至滅火無人機，同時滅火無人機將自身攜帶滅火彈的實時數量發送至偵察無人機，由偵察無人機根據火勢指派后續滅火無人機進行滅火作業，無消防彈的滅火無人機自動返航，由地面人員填裝滅火彈。（4）待明火被撲滅后，偵察無人機繼續停留在火場周圍進行過火面監視評估，待滅火工作全部結束后，控制全部無人機返航降落。

三、結語

無人機集群因其自組織協同性、功能涌現性等特性，在消防滅火工作中具有巨大的應用前景，研究其在消防滅火中的應用意義深遠。利用消防無人機，及時掌握災害現場信息，有效幫助現場指揮人員準確判斷災情，并做出有效決策。同時消防無人機集群相較于傳統單體消防無人機也具有較大優勢，通過各類自主協同決策機制，提高了任務執行的自主性與智能性，減小了操作復雜性。目前消防無人機的應用仍處于起步階段，一些技術還需要不斷改進和創新，需要研發機構和消防單位共同努力，從而使消防無人機集群在消防應用中不斷適應實際需求，從而發揮其最大的綜合效益。

作者：1梁曉龍，劉流；2黃中杰3潘峰，黃科力 單位：1.空軍工程大學空管領航學院2.公安消防部隊高等專科學校訓練部3.西南交通大學希望學院信息工程系