（重慶交通大學(xué)，重慶市，402247） 李 偉 李卓炎 曹 雪 謝 磊 張川東 李潛龍

在我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展背景下，依托現(xiàn)代科技手段提升火災(zāi)防范、監(jiān)控管理的專業(yè)性、現(xiàn)代化程度和精細(xì)化管理水平成為當(dāng)下的主要趨勢(shì)。在應(yīng)急管理部消防救援2021 年全國(guó)火災(zāi)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，社區(qū)火災(zāi)占較大比重，這意味著社區(qū)火災(zāi)的總體危險(xiǎn)性更大，且涉及范圍更廣。居民區(qū)是以居民家庭為重要主體，各類生活、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)活動(dòng)為輔的中小型社會(huì)區(qū)域，居民住宅是社區(qū)的基本組成單元。社區(qū)的消防安全，關(guān)乎社會(huì)整體的治安水準(zhǔn)。建筑內(nèi)頻發(fā)的失火、漏水、煤氣泄漏等重大安全事故，給人們敲醒了警鐘，一旦不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，必將造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和傷亡事故[1]。由于居民樓普遍具有“高”、“密”、“人員集中”等問(wèn)題，一旦發(fā)生火災(zāi)，火場(chǎng)情況的復(fù)雜性對(duì)消防隊(duì)員的救援以及滅火帶來(lái)了諸多困難。同時(shí)社區(qū)居民在火情發(fā)生以后沒有及時(shí)冷靜判斷自身所處的環(huán)境，無(wú)法及時(shí)有效逃離火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，沒有使用正確的逃生方式。而智能型無(wú)人機(jī)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、信息化等技術(shù)的整合正是社區(qū)火災(zāi)治理的破解之道。

1 智慧消防應(yīng)急管理平臺(tái)原理

5G 無(wú)人機(jī)智慧消防應(yīng)急管理平臺(tái)順應(yīng)城市數(shù)字化趨勢(shì)，著重圍繞智能化和數(shù)字化進(jìn)行建設(shè)。5G無(wú)人機(jī)智慧消防應(yīng)急管理平臺(tái)以邊緣計(jì)算、5G通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)為三大技術(shù)支柱板塊進(jìn)行搭建，基層輔以無(wú)人機(jī)精確作業(yè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)社區(qū)火災(zāi)有效治理。智慧消防管理平臺(tái)的組織框架見圖1。搭載4K 高清攝像頭和熱成像系統(tǒng)等儀器的信息采集無(wú)人機(jī)，利用最新耐高溫材料設(shè)計(jì)機(jī)身結(jié)構(gòu)，保證無(wú)人機(jī)的可靠運(yùn)行，對(duì)火災(zāi)信息進(jìn)行精確收集。蜂群無(wú)人機(jī)在智慧消防平臺(tái)程序控制進(jìn)行多機(jī)群滅火作業(yè)，有效減輕消防人員工作量和火勢(shì)蔓延。建立大型云數(shù)據(jù)中心，平臺(tái)通過(guò)邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)采集信息有效利用得出救援、滅火方案。

圖1 平臺(tái)板塊

2 邊緣計(jì)算運(yùn)用

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)+邊緣計(jì)算

在普通的5G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，由于核心網(wǎng)部署位置高，信息傳輸必須經(jīng)過(guò)多次路由，因此時(shí)延長(zhǎng)，并不適應(yīng)無(wú)人機(jī)超低時(shí)延的業(yè)務(wù)要求。這些區(qū)域性服務(wù)，如果全部放到云端處理并不可行，特別對(duì)于視頻類服務(wù)，不僅造成了傳輸帶寬的浪費(fèi)，還增加了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。因此，基于對(duì)傳輸時(shí)延和連接數(shù)量需求，決定了5G 業(yè)務(wù)的處理核心不可能全放在核心網(wǎng)后端的云處理平臺(tái)。

邊緣計(jì)算（MEC）：運(yùn)營(yíng)商和第三方業(yè)務(wù)可以部署在靠近用戶附著接入點(diǎn)的位置，通過(guò)降低時(shí)延和負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)分發(fā)[2]。邊緣計(jì)算服務(wù)器部署在網(wǎng)絡(luò)邊界，將無(wú)線傳輸和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效融入到一塊，同時(shí)在無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)側(cè)添加了計(jì)算、存儲(chǔ)、處理等各種功能，從而形成了邊緣云，以提升信息技術(shù)服務(wù)環(huán)境和云端計(jì)算能力水平，將服務(wù)本地化，使區(qū)域性服務(wù)不必浪費(fèi)資源在云端進(jìn)行處理。

邊緣計(jì)算能夠在保證較低延遲的情況下給使用者帶來(lái)更豐富的服務(wù),從而解決了移動(dòng)設(shè)備資源有限的問(wèn)題;同時(shí)也大大減少了需要將數(shù)據(jù)傳輸至云端的數(shù)據(jù)量,減輕了網(wǎng)絡(luò)帶寬與大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的壓力[3]。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算，建立適應(yīng)于無(wú)人機(jī)無(wú)線傳輸和信息處理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)飛行應(yīng)用的高可靠和低時(shí)延性。

2.2 應(yīng)急信息物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

5G 無(wú)人機(jī)智慧消防應(yīng)急管理平臺(tái)建設(shè)通過(guò)建立應(yīng)急信息物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算，以便整合消防資源和優(yōu)化消防救援路線，提高消防人員進(jìn)行滅火救援作業(yè)的效率。邊緣計(jì)算能夠降低云網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的工作量和負(fù)荷，并具有高帶寬、低延時(shí)、安全性強(qiáng)、異構(gòu)匯聚、海量接入和本地安全性隱私保障等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)城市消防數(shù)字化的有利措施。邊緣計(jì)算配備獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集模塊，用于無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)視頻信息采集和滅火救援決策計(jì)算，并將數(shù)據(jù)結(jié)果上傳到云服務(wù)中，再由5G 無(wú)人機(jī)智慧消防應(yīng)急管理平臺(tái)從云服務(wù)端獲取信息以發(fā)送至消防人員，同時(shí)啟動(dòng)蜂群無(wú)人機(jī)輔助消防人員進(jìn)行滅火救援作業(yè)。因無(wú)人機(jī)視頻采集涉及到人臉識(shí)別、特征識(shí)別和居住信息，邊緣信息安全建設(shè)也是必不可少的，平臺(tái)應(yīng)致力于維護(hù)公民的隱私權(quán)和利益。邊緣信息安全建設(shè)將提供從操作系統(tǒng)、軟件應(yīng)用到通信通道等全鏈路的安全防護(hù)能力，支持云上風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、云上設(shè)備身份管理、云上遠(yuǎn)程升級(jí)的安全方案，覆蓋身份認(rèn)證漏洞、信息泄漏、木馬病毒、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾N節(jié)點(diǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)提供更安全、更合規(guī)的邊緣節(jié)點(diǎn)管理能力以及云邊一體的安全保障系統(tǒng)。

3 無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)采集與消防協(xié)同應(yīng)用

智慧消防平臺(tái)的協(xié)同應(yīng)用見圖2，火情發(fā)生第一時(shí)間，布局在建筑物中的火警報(bào)警器將被觸發(fā)，并將情況上報(bào)至數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對(duì)室內(nèi)無(wú)人機(jī)下達(dá)疏散指令。在狹小的通道中無(wú)人機(jī)憑借微型機(jī)身、靈活的姿態(tài)可以輕松躲避周邊障礙物，同時(shí)無(wú)人機(jī)身上攜帶的喊話器和綠色光源有助于在擁擠、昏暗環(huán)境中有效引導(dǎo)人群分流、疏散。

圖2 數(shù)據(jù)采集與消防協(xié)同應(yīng)用

在室內(nèi)無(wú)人機(jī)疏散人群的過(guò)程中，室外無(wú)人機(jī)啟動(dòng)并開展火場(chǎng)數(shù)據(jù)采集作業(yè)。室外無(wú)人機(jī)相比于消防員可以進(jìn)行大范圍的偵察和搜索，運(yùn)用機(jī)載生命探測(cè)儀裝置對(duì)火場(chǎng)中心的被困人員進(jìn)行搜尋，同時(shí)機(jī)載攝像進(jìn)行4K實(shí)時(shí)影像傳遞對(duì)需要追蹤的目標(biāo)進(jìn)行有效的監(jiān)控追蹤，并且對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的重要節(jié)點(diǎn)、重要設(shè)備以及重要的火場(chǎng)情況進(jìn)行有效的監(jiān)控追蹤[4]。使用無(wú)人機(jī)能夠?qū)馂?zāi)現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)點(diǎn)實(shí)施有效監(jiān)督和管理，將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的救援信息和火場(chǎng)資訊及時(shí)準(zhǔn)確傳達(dá)給指揮人員，方便指揮人員及時(shí)制定合理的救援、滅火對(duì)策，以適應(yīng)救援、滅火工作的現(xiàn)實(shí)需要。

4 蜂群無(wú)人機(jī)集團(tuán)-分點(diǎn)式滅火作業(yè)程序

蜂群無(wú)人機(jī)作業(yè)方式見圖3，以小巧的、功能專業(yè)的“蜂”，通過(guò)大幅增加功能種類和數(shù)量規(guī)模，形成復(fù)雜的、強(qiáng)大的“群”作業(yè)效能，這便是“蜂群作業(yè)”的基本特點(diǎn)[5]。蜂群無(wú)人機(jī)在滅火中效率將遠(yuǎn)高于一般滅火無(wú)人機(jī)，經(jīng)濟(jì)效益更高。運(yùn)用AI算法處理大量信息并反饋至無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)控制中心去對(duì)成百上千的無(wú)人機(jī)內(nèi)置的微型處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖3 蜂群無(wú)人機(jī)作業(yè)模擬

在消防員難以進(jìn)入的復(fù)雜火場(chǎng)環(huán)境，蜂群無(wú)人機(jī)將展示其強(qiáng)大潛力。云計(jì)算中心根據(jù)室外無(wú)人機(jī)所搜集的火場(chǎng)信息、已有的“全息數(shù)字構(gòu)建”數(shù)據(jù)通過(guò)邊緣計(jì)算對(duì)火場(chǎng)的火勢(shì)變化進(jìn)行可靠的仿真模擬計(jì)算，并通過(guò)AI智能算法優(yōu)化得出最佳滅火方案，實(shí)現(xiàn)多機(jī)群通過(guò)5G 無(wú)人機(jī)智慧消防平臺(tái)控制蜂群無(wú)人機(jī)攜帶微型高效阻燃劑噴射裝置在火場(chǎng)對(duì)著火物表面網(wǎng)格劃分式進(jìn)行滅火作業(yè)，形成集團(tuán)作業(yè)、單點(diǎn)高效滅火，由于阻燃劑具有吸熱作用、覆蓋作用、抑止鏈反應(yīng)、不燃?xì)怏w窒息作用，滅火經(jīng)濟(jì)成本低、火勢(shì)極難復(fù)燃。室外無(wú)人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)火場(chǎng)信息采集，多輪蜂群無(wú)人機(jī)作業(yè)持續(xù)作業(yè)，直至控制火情。

5 結(jié)語(yǔ)

在信息時(shí)代的大背景下，將智能無(wú)人機(jī)應(yīng)急救援技術(shù)與基于邊緣算法的大數(shù)據(jù)平臺(tái)結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)1+1>2 的效應(yīng)，優(yōu)化閑置資源，提高整體經(jīng)濟(jì)效益，提高單個(gè)無(wú)人機(jī)的效能，適應(yīng)于社區(qū)火災(zāi)治理等應(yīng)急災(zāi)害處置的緊迫要求，對(duì)維護(hù)社會(huì)治安和維持綠色的健康生活環(huán)境有著現(xiàn)實(shí)意義。