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摘要：近年来，各级消防部门配备应用了各种不同品牌型号的无人机，广泛应用于灾情侦察、地面测绘、新闻宣传等领域。但消防部门配备使用的无人机还存在较多短板和不足，不能完全适应消防救援的工作需要。消防部门应该抢抓无人机发展机遇，开发适应救援工作、具备消防特色、服务消防人员的多功能无人机，以应对纷繁复杂救援环境和急难险重工作任务的挑战。
关键词：消防救援;无人机;发展方向
0引言
近年来，各级消防部门配备应用了各种不同品牌型号的无人机，广泛应用于灾情侦察、地面测绘、新闻宣传等领域，为科学指挥和辅助决策提供了有力依据，为队伍战斗力插上了新的翅膀。当前消防部门配备使用的无人机还存在较多短板和不足，不能完全适应消防救援的工作需要，亟待开发消防行业专用多功能无人机。下面本文结合实际分析消防救援无人机发展方向。
1当前消防救援领域无人机发展现状
1.1消防灭火无人机发展现状
当前基层消防队伍配备使用的灭火无人机主要有三种不同类型：第一种灭火无人机机身下方安装了泡沫喷管，通过喷管连接消防水带，具备拖拽消防水带向上飞行的能力，可以飞到火源附近喷射泡沫扑灭火势;第二种灭火无人机机身下方安装了灭火药剂压力罐，可飞到火源附近喷射灭火药剂（干粉或泡沫）扑灭火势;第三种灭火无人机安装了灭火弹发射器，可以对准火源精确发射灭火弹，通过灭火弹的爆炸迅速消耗氧气并喷射灭火药剂，快速扑灭火势。上述无人机在各地消防支队有少量配备。
1.2其他民用无人机配备现状
除灭火无人机外，当前消防部门还采购配备了大量民用无人机，特别是行业版无人机，具备了火情侦察、摄影摄像、器材抛投、应急广播、空中照明、地面测绘等主要功能。这些无人机虽然不能直接用于灭火作业，但对提升消防部门灾情侦察、态势感知、辅助决策和新闻宣传水平发挥了非常重要的作用，可谓队伍战斗力的倍增器。
2当前消防救援无人机存在的主要短板
2.1续航时间普遍较短
受制于电池容量的限制，当前市面上销售的大多数无人机飞行续航时间为30分钟左右，个别无人机（如大疆M300RTK）最长飞行续航时间可达到55分钟左右。续航时间普遍较短，特别是冬季飞行时，受低温天气的影响，无人机的飞行续航时间还要打折扣。
2.2功能较为单一
当前消防部门配备的无人机多数功能较为单一，比如灭火无人机不具备侦察功能，侦察无人机不具备照明功能，照明无人机不具备通信功能。
2.3环境适应能力不强
无人机本身就是精密电子设备，在飞行过程中容易受到低温、雨雪、烟雾、气流、电磁场等各类环境因素的影响，在此类环境中飞行极易发生失控坠机现象，或者根本不能正常起飞。
2.4遥控距离有限
当前我国主要采用840.5-845MHz为无人机上行遥控链路频率。受限于遥控器的发射功率，无人机的最大遥控距离普遍为4-5公里，个别最远可达到8公里左右。如果无人机飞出最大遥控距离，则面临失控坠机的危险。特别是在高楼林立的城市或其他无线电信号遮挡比较严重的地区，无人机的遥控距离还会进一步下降。
2.5适用于消防救援作业的专用机型有限
如前所述，消防部门配备的专用无人机一般是灭火无人机，其他无人机大多数是民用普通无人机。在地震、泥石流、山体滑坡、洪水、森林火灾、建筑物垮塌等重大灾害事故的救援现场，消防部门除了需要无人机的对地侦察功能之外，还特别需要无人机的夜间照明、通信中继等特殊功能。比如在建筑物垮塌的夜间救援现场，消防救援的作业面积可以达到2000平方米以上，由于传统的移动照明灯组的照明面积只有100平方米左右，这时需要使用多部移动照明灯组同时照明才能满足灾害现场照明需要。如果使用无人机从空中进行照明，照明范围可以轻松达到2000平方米以上。遗憾的是上述无人机的研发配备还处于起步阶段，可供选择的品牌和机型极少。
3消防救援无人机发展方向分析
3.1功能模块方面
除灭火无人机以外，当前消防部门配备的大多数无人机不是针对消防救援领域研发的，不能满足消防行業的特殊需求。因此，笔者认为应该针对消防救援领域的特殊需求，开发一种消防通用无人机平台，预留各类功能模块接口，并配套开发各类功能模块。消防救援人员开展救援作业时，可以根据现场作业需要，临时组装各类功能模块，使无人机具备相应的功能。根据消防救援工作实际，消防通用无人机应该主要包含以下功能模块：
3.1.1双光图像采集模块
该模块采用可见光和红外线两种相机作为图像采集设备，具备视频采集和摄影摄像功能，可以实时向地面控制设备传输画面。其中红外线相机模式下，可以实时侦测火场温度，确定火点精确位置;可见光相机模式下，可以拍摄图片和视频，制作正射图和全景图。
3.1.2激光融合可见光三维测绘模块
该模块采用激光融合可见光相机作为图像采集设备，利用激光雷达精确扫描地形地貌，利用可见光相机对地面进行倾斜摄影，通过地面控制系统的制图功能自动合成精确的三维地貌图像。
3.1.3气体/气象侦检模块
该模块采用多合一气体检测设备对地面上空的有毒气体、可燃气体、二氧化碳、氧气等气体浓度进行检测，也可以对风速、湿度、气温等气象数据进行测定，并将数据实时回传地面。
3.1.4语音自组网中继模块
该模块具备语音自组网中继功能，可与地面的语音自组网中继台组成窄带网络，通过空中无线传输方式排除地形地貌遮挡，扩大超短波手持电台的通信范围。
3.1.5图像自组网中继模块
该模块具备图像自组网中继功能，可与地面的图像自组网中继台组成宽带网络，通过空中无线传输方式排除地形地貌遮挡，大幅扩大图像和数据传输距离。 3.1.6公网通信基站模块
该模块具备5G公网微波基站功能，无人机通过携带该模块可与远端其他5G微波基站组成蜂窝移动网络，同时向地面提供公网信号覆盖。确保公网中断时，救援人员可以使用公网通信设备（手机等）。
3.1.7应急广播模块
该模块为远程录音播放设备，设备接收到地面传输的音频数据后，通过扩音器向被困人员播放消防救援人员录音，鼓励被困人员沉着冷静等待消防部门救援，引导被困人员开展自救。语音最远传输距离与无人机遥控距离一致。
3.1.8空中照明模块
该模块主要包含高亮LED灯具，起飞后可以从空中为地面提供照明服务，最大照明覆盖范围可达2500平方米（50米*50米）以上。
3.1.9空中抛投模块
该模块具备物资抛投能力，所含自动释放挂钩最大可以承重30千克，可向被困人员精准投放安全绳、救生圈、救生衣、食物、饮水等器材或物资。
3.1.10灭火剂喷射模块
该模块具备灭火剂（水或泡沫）喷射能力，可以拖拽直径40毫米消防水带垂直向上飞行18米高度，同时具备喷射灭火剂灭火能力。
综上，不论战场环境怎么变化，上述消防专用无人机都能通过更换功能模块，迅速满足各种场景下的使用需求。
3.2动力和续航时间方面
由于消防行业的特殊性，较大以上的应急救援任务不可能在30分钟之类完成，特别是急难险重灾害事故的处置现场，往往需要一次性持续开展救援作业数小时至数天。由于大多数无人机采用电池供电，续航时间只有短短30分钟左右，这就导致此类无人机无法满足消防部门长时间作业需求。针对普通无人机续航时间不能满足使用需求的问题，建议在消防部门中推广油电混合无人机或系留无人机。其中油电混合无人机搭载了燃油发电机，在飞行过程中通过发电为螺旋桨电机和机载设备供电，确保无人机连续飞行时间可达6小时以上。系留无人机可采用市电、发电机或蓄电池组等地面电源以有线方式向无人机供电，虽然线缆限制了无人机的飞行高度，但可以保证无人机具备超长滞空时间，确保无人机可以持续工作直到地面救援任务结束。为增强无人机的战场适应能力，纯电无人机应同时预留电池供电和系留供电两种接口，油电混合无人机相应地预留系留供电接口。
3.3机体研发方面
考虑到消防作业环境的复杂性和救援任务的艰巨性，消防专用无人机应该尽量采用碳纤维、钛合金等高强度、低重量材料制造，可有效降低无人机自身重量，增强无人机的结构强度、负载能力和环境适应能力，确保消防专用无人机的负载能力至少达到30千克以上，具备不同功能模块的通用挂载能力。同时在一定程度上考虑防水防爆设计，使无人机具备在浓雾、雨雪、爆燃等复杂环境中的飞行作业能力。
3.4智能研发方面
如上所述，为确保消防专用无人机的性能，整机采用了强度大、重量轻的碳纤维、钛合金材料制造，生产成本较一般民用无人机高。消防救援人员在操作使用时难免害怕操作不当出现坠机事故，导致畏手畏脚影响战斗力发挥。因此设计无人机时因除了应该考虑设计完善的自动避障功能外，还应该考虑开发超出遥控距离时自动返航、电量不足时自动返航、受电磁干扰时自动迫降、下雨自动提示、自动选择平整地面降落等智能飞行功能，解决操作人员的后顾之忧。除此以外，为了提升无人机制作三维图和正射图的速度，无人机应该具备数据“边飞边传”的功能，地面控制系统通过实时接收无人机传输的图像，迅速自动生成三维图或正射图，提高制图速度和工作效率。
3.5遥控研发方面
一方面，由于无人机的遥控距离极為有限，严重制约了无人机工作范围的扩展。另一方面，我国通信公网的覆盖率在世界上具有领先地位，例如2020年中国移动全国行政村的4G网络覆盖率已达98%。因此在研发消防专用无人机时，应该考虑以公网作为无人机遥控手段，确保无人机可通过地面公网基站接收遥控信号，令其始终处于消防救援人员遥控之下。由于地面公网基站的覆盖率极高，理论上无人机的飞行距离只取决于其动力。例如，续航6小时的油电混合无人机理论上最大单程飞行控制距离和图像传输距离可达300公里以上。这为消防救援手段的革新提供了更多可能性，例如山洪发生后造成道路中断，消防救援人员无法通过驾车快速挺进重灾区，但可以通过释放油电混合无人机先于救援人员到达灾害现场开展侦察，迅速回传图像掌握灾情，并为救援指挥决策提供依据。
4结语
当前无人机的发展正处于方兴未艾的阶段，消防部门应该抢抓无人机发展机遇，充分利用当今各类新技术、新材料，开发适应救援工作、具备消防特色、服务消防人员的多功能无人机平台，以应对各类纷繁复杂的救援环境和急难险重的工作任务挑战。
参考文献
[1]南江林：消防无人机研究与应用前景分析，消防科技与技术，2017
[2]中华人民共和国工业和信息化部：民用无人机无线电管理暂行办法，中华人民共和国工业和信息化部网站，2020
[3]徐印：无人机在消防救援中的应用前景探讨，数字用户，2020
关键词：消防救援;无人机;发展方向
0引言
近年来，各级消防部门配备应用了各种不同品牌型号的无人机，广泛应用于灾情侦察、地面测绘、新闻宣传等领域，为科学指挥和辅助决策提供了有力依据，为队伍战斗力插上了新的翅膀。当前消防部门配备使用的无人机还存在较多短板和不足，不能完全适应消防救援的工作需要，亟待开发消防行业专用多功能无人机。下面本文结合实际分析消防救援无人机发展方向。
1当前消防救援领域无人机发展现状
1.1消防灭火无人机发展现状
当前基层消防队伍配备使用的灭火无人机主要有三种不同类型：第一种灭火无人机机身下方安装了泡沫喷管，通过喷管连接消防水带，具备拖拽消防水带向上飞行的能力，可以飞到火源附近喷射泡沫扑灭火势;第二种灭火无人机机身下方安装了灭火药剂压力罐，可飞到火源附近喷射灭火药剂（干粉或泡沫）扑灭火势;第三种灭火无人机安装了灭火弹发射器，可以对准火源精确发射灭火弹，通过灭火弹的爆炸迅速消耗氧气并喷射灭火药剂，快速扑灭火势。上述无人机在各地消防支队有少量配备。
1.2其他民用无人机配备现状
除灭火无人机外，当前消防部门还采购配备了大量民用无人机，特别是行业版无人机，具备了火情侦察、摄影摄像、器材抛投、应急广播、空中照明、地面测绘等主要功能。这些无人机虽然不能直接用于灭火作业，但对提升消防部门灾情侦察、态势感知、辅助决策和新闻宣传水平发挥了非常重要的作用，可谓队伍战斗力的倍增器。
2当前消防救援无人机存在的主要短板
2.1续航时间普遍较短
受制于电池容量的限制，当前市面上销售的大多数无人机飞行续航时间为30分钟左右，个别无人机（如大疆M300RTK）最长飞行续航时间可达到55分钟左右。续航时间普遍较短，特别是冬季飞行时，受低温天气的影响，无人机的飞行续航时间还要打折扣。
2.2功能较为单一
当前消防部门配备的无人机多数功能较为单一，比如灭火无人机不具备侦察功能，侦察无人机不具备照明功能，照明无人机不具备通信功能。
2.3环境适应能力不强
无人机本身就是精密电子设备，在飞行过程中容易受到低温、雨雪、烟雾、气流、电磁场等各类环境因素的影响，在此类环境中飞行极易发生失控坠机现象，或者根本不能正常起飞。
2.4遥控距离有限
当前我国主要采用840.5-845MHz为无人机上行遥控链路频率。受限于遥控器的发射功率，无人机的最大遥控距离普遍为4-5公里，个别最远可达到8公里左右。如果无人机飞出最大遥控距离，则面临失控坠机的危险。特别是在高楼林立的城市或其他无线电信号遮挡比较严重的地区，无人机的遥控距离还会进一步下降。
2.5适用于消防救援作业的专用机型有限
如前所述，消防部门配备的专用无人机一般是灭火无人机，其他无人机大多数是民用普通无人机。在地震、泥石流、山体滑坡、洪水、森林火灾、建筑物垮塌等重大灾害事故的救援现场，消防部门除了需要无人机的对地侦察功能之外，还特别需要无人机的夜间照明、通信中继等特殊功能。比如在建筑物垮塌的夜间救援现场，消防救援的作业面积可以达到2000平方米以上，由于传统的移动照明灯组的照明面积只有100平方米左右，这时需要使用多部移动照明灯组同时照明才能满足灾害现场照明需要。如果使用无人机从空中进行照明，照明范围可以轻松达到2000平方米以上。遗憾的是上述无人机的研发配备还处于起步阶段，可供选择的品牌和机型极少。
3消防救援无人机发展方向分析
3.1功能模块方面
除灭火无人机以外，当前消防部门配备的大多数无人机不是针对消防救援领域研发的，不能满足消防行業的特殊需求。因此，笔者认为应该针对消防救援领域的特殊需求，开发一种消防通用无人机平台，预留各类功能模块接口，并配套开发各类功能模块。消防救援人员开展救援作业时，可以根据现场作业需要，临时组装各类功能模块，使无人机具备相应的功能。根据消防救援工作实际，消防通用无人机应该主要包含以下功能模块：
3.1.1双光图像采集模块
该模块采用可见光和红外线两种相机作为图像采集设备，具备视频采集和摄影摄像功能，可以实时向地面控制设备传输画面。其中红外线相机模式下，可以实时侦测火场温度，确定火点精确位置;可见光相机模式下，可以拍摄图片和视频，制作正射图和全景图。
3.1.2激光融合可见光三维测绘模块
该模块采用激光融合可见光相机作为图像采集设备，利用激光雷达精确扫描地形地貌，利用可见光相机对地面进行倾斜摄影，通过地面控制系统的制图功能自动合成精确的三维地貌图像。
3.1.3气体/气象侦检模块
该模块采用多合一气体检测设备对地面上空的有毒气体、可燃气体、二氧化碳、氧气等气体浓度进行检测，也可以对风速、湿度、气温等气象数据进行测定，并将数据实时回传地面。
3.1.4语音自组网中继模块
该模块具备语音自组网中继功能，可与地面的语音自组网中继台组成窄带网络，通过空中无线传输方式排除地形地貌遮挡，扩大超短波手持电台的通信范围。
3.1.5图像自组网中继模块
该模块具备图像自组网中继功能，可与地面的图像自组网中继台组成宽带网络，通过空中无线传输方式排除地形地貌遮挡，大幅扩大图像和数据传输距离。 3.1.6公网通信基站模块
该模块具备5G公网微波基站功能，无人机通过携带该模块可与远端其他5G微波基站组成蜂窝移动网络，同时向地面提供公网信号覆盖。确保公网中断时，救援人员可以使用公网通信设备（手机等）。
3.1.7应急广播模块
该模块为远程录音播放设备，设备接收到地面传输的音频数据后，通过扩音器向被困人员播放消防救援人员录音，鼓励被困人员沉着冷静等待消防部门救援，引导被困人员开展自救。语音最远传输距离与无人机遥控距离一致。
3.1.8空中照明模块
该模块主要包含高亮LED灯具，起飞后可以从空中为地面提供照明服务，最大照明覆盖范围可达2500平方米（50米*50米）以上。
3.1.9空中抛投模块
该模块具备物资抛投能力，所含自动释放挂钩最大可以承重30千克，可向被困人员精准投放安全绳、救生圈、救生衣、食物、饮水等器材或物资。
3.1.10灭火剂喷射模块
该模块具备灭火剂（水或泡沫）喷射能力，可以拖拽直径40毫米消防水带垂直向上飞行18米高度，同时具备喷射灭火剂灭火能力。
综上，不论战场环境怎么变化，上述消防专用无人机都能通过更换功能模块，迅速满足各种场景下的使用需求。
3.2动力和续航时间方面
由于消防行业的特殊性，较大以上的应急救援任务不可能在30分钟之类完成，特别是急难险重灾害事故的处置现场，往往需要一次性持续开展救援作业数小时至数天。由于大多数无人机采用电池供电，续航时间只有短短30分钟左右，这就导致此类无人机无法满足消防部门长时间作业需求。针对普通无人机续航时间不能满足使用需求的问题，建议在消防部门中推广油电混合无人机或系留无人机。其中油电混合无人机搭载了燃油发电机，在飞行过程中通过发电为螺旋桨电机和机载设备供电，确保无人机连续飞行时间可达6小时以上。系留无人机可采用市电、发电机或蓄电池组等地面电源以有线方式向无人机供电，虽然线缆限制了无人机的飞行高度，但可以保证无人机具备超长滞空时间，确保无人机可以持续工作直到地面救援任务结束。为增强无人机的战场适应能力，纯电无人机应同时预留电池供电和系留供电两种接口，油电混合无人机相应地预留系留供电接口。
3.3机体研发方面
考虑到消防作业环境的复杂性和救援任务的艰巨性，消防专用无人机应该尽量采用碳纤维、钛合金等高强度、低重量材料制造，可有效降低无人机自身重量，增强无人机的结构强度、负载能力和环境适应能力，确保消防专用无人机的负载能力至少达到30千克以上，具备不同功能模块的通用挂载能力。同时在一定程度上考虑防水防爆设计，使无人机具备在浓雾、雨雪、爆燃等复杂环境中的飞行作业能力。
3.4智能研发方面
如上所述，为确保消防专用无人机的性能，整机采用了强度大、重量轻的碳纤维、钛合金材料制造，生产成本较一般民用无人机高。消防救援人员在操作使用时难免害怕操作不当出现坠机事故，导致畏手畏脚影响战斗力发挥。因此设计无人机时因除了应该考虑设计完善的自动避障功能外，还应该考虑开发超出遥控距离时自动返航、电量不足时自动返航、受电磁干扰时自动迫降、下雨自动提示、自动选择平整地面降落等智能飞行功能，解决操作人员的后顾之忧。除此以外，为了提升无人机制作三维图和正射图的速度，无人机应该具备数据“边飞边传”的功能，地面控制系统通过实时接收无人机传输的图像，迅速自动生成三维图或正射图，提高制图速度和工作效率。
3.5遥控研发方面
一方面，由于无人机的遥控距离极為有限，严重制约了无人机工作范围的扩展。另一方面，我国通信公网的覆盖率在世界上具有领先地位，例如2020年中国移动全国行政村的4G网络覆盖率已达98%。因此在研发消防专用无人机时，应该考虑以公网作为无人机遥控手段，确保无人机可通过地面公网基站接收遥控信号，令其始终处于消防救援人员遥控之下。由于地面公网基站的覆盖率极高，理论上无人机的飞行距离只取决于其动力。例如，续航6小时的油电混合无人机理论上最大单程飞行控制距离和图像传输距离可达300公里以上。这为消防救援手段的革新提供了更多可能性，例如山洪发生后造成道路中断，消防救援人员无法通过驾车快速挺进重灾区，但可以通过释放油电混合无人机先于救援人员到达灾害现场开展侦察，迅速回传图像掌握灾情，并为救援指挥决策提供依据。
4结语
当前无人机的发展正处于方兴未艾的阶段，消防部门应该抢抓无人机发展机遇，充分利用当今各类新技术、新材料，开发适应救援工作、具备消防特色、服务消防人员的多功能无人机平台，以应对各类纷繁复杂的救援环境和急难险重的工作任务挑战。
参考文献
[1]南江林：消防无人机研究与应用前景分析，消防科技与技术，2017
[2]中华人民共和国工业和信息化部：民用无人机无线电管理暂行办法，中华人民共和国工业和信息化部网站，2020
[3]徐印：无人机在消防救援中的应用前景探讨，数字用户，2020