■ 梁曉龍 劉流 空軍工程大學空管領航學院

■ 黃中杰 公安消防部隊高等?？茖W校訓練部

■ 潘峰 黃科力 西南交通大學希望學院信息工程系

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(fā)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(xiàn)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(fā)展，現(xiàn)已有將無人機運用于消防滅火的實踐，在指揮中心的統(tǒng)一指揮控制下，通過無人機對火源進行偵察，指揮中心根據(jù)火情信息，給滅火無人機發(fā)出滅火指令，進行消防滅火。

目前僅有部分經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的省總隊或支隊級購置了消防無人機，并且抽選了專業(yè)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(xiàn)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(fā)揮出無人機消防更大的優(yōu)勢。本文所提出的消防無人機集群系統(tǒng)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(yōu)勢逐漸應用于民用領域。近年來，由于自然災害頻發(fā)，無人機在我國得到了進一步發(fā)展。無人機主要由飛機機體、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和動力系統(tǒng)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(qū)域，且對現(xiàn)場環(huán)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(yǎng)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(zhí)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(xiàn)”出特定的功能，人們將這種現(xiàn)象稱為集群智能。受生物集群的啟發(fā)，本文提出消防無人機集群系統(tǒng)及集群內(nèi)自主協(xié)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(xié)同、智能化的方式完成特定消防滅火任務。

圖1 自然界中典型生物集群

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(tǒng)組成及架構(gòu)

本文利用分群設計的思想，將消防無人機集群系統(tǒng)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(xiàn)出集群的智能性和功能涌現(xiàn)性。

消防無人機集群系統(tǒng)由多旋翼無人機平臺、地面站系統(tǒng)、電源供應系統(tǒng)、任務載荷、消防云系統(tǒng)等組成，如圖2所示。地面站是消防無人機集群系統(tǒng)的指揮控制中心，其功能包括無人機的任務規(guī)劃、飛行參數(shù)監(jiān)視、任務載荷的狀態(tài)顯示以及無人機的起飛和降落控制等。任務載荷包括滅火彈、瞄準具、投擲裝置及各類傳感器等，是滅火任務的主要執(zhí)行機構(gòu)。消防云系統(tǒng)為云端計算、存儲、處理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)執(zhí)行消防滅火任務，不斷收集任務相關數(shù)據(jù)，從中提取系統(tǒng)任務執(zhí)行規(guī)則，從而促使系統(tǒng)執(zhí)行層的不斷進化，功能不斷豐富和完善，使得系統(tǒng)能夠真正向智能化的方向不斷發(fā)展。

圖2 系統(tǒng)組成示意圖

2.自主協(xié)同決策機制

（1）自組織避撞機制

消防無人機集群在執(zhí)行相應任務時可采用自組織網(wǎng)絡避撞算法解決多機協(xié)同避撞問題。首先無人機在執(zhí)行任務過程中能夠?qū)崟r檢測自身是否安全，當遇到危險或可能發(fā)生相撞時，需要通過形成自組織網(wǎng)絡，感知周圍無人機狀態(tài)，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(xù)運動。

（2）火源協(xié)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?jīng)Q策提供依據(jù)。集群系統(tǒng)可采用全覆蓋協(xié)同搜索策略，如圖3所示。首先確定火源存在的區(qū)域范圍，將區(qū)域頂點坐標發(fā)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(shù)量，并為每架無人機規(guī)劃搜索路徑，展開火源搜索，確定火源位置。

圖3 全覆蓋搜索策略示意圖

（3）協(xié)同定位機制

消防無人機集群系統(tǒng)在發(fā)現(xiàn)火源后對火源進行協(xié)同定位，從而確定其準確位置。協(xié)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(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和錨節(jié)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(jié)點的位置?；谛盘柕竭_角度（AOA）的定位算法是一種常見的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點自定位算法，算法通信開銷低，定位精度較高。示意圖如圖4所示。

圖4 協(xié)同定位示意圖

（4）協(xié)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(fā)送至滅火無人機子群首，子群首根據(jù)火勢決策出動滅火無人機數(shù)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(nèi)可到達責任區(qū)邊緣為原則，普通消防站轄區(qū)面積不應大于7平方公里，近郊區(qū)消防站轄區(qū)面積不大于15平方公里。現(xiàn)以某小區(qū)內(nèi)以車輛燃燒發(fā)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(guī)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(xiàn)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(jù)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(guī)模數(shù)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(wǎng)通信，將火場的實時情況發(fā)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(shù)量發(fā)送至偵察無人機，由偵察無人機根據(jù)火勢指派后續(xù)滅火無人機進行滅火作業(yè)，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(xù)停留在火場周圍進行過火面監(jiān)視評估，待滅火工作全部結(jié)束后，控制全部無人機返航降落。

三、結(jié)語

無人機集群因其自組織協(xié)同性、功能涌現(xiàn)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(xiàn)場信息，有效幫助現(xiàn)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(tǒng)單體消防無人機也具有較大優(yōu)勢，通過各類自主協(xié)同決策機制，提高了任務執(zhí)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(chuàng)新，需要研發(fā)機構(gòu)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(fā)揮其最大的綜合效益。