費洪杰

摘要：合理規(guī)劃無人機路線有助于提高消防滅火救援能力。對無人機在消防滅火救援中的具體應(yīng)用進行實驗研究，結(jié)果表明，無人機在消防滅火救援中的應(yīng)用效果較好，可準確求解出著火點三維坐標，同時規(guī)劃出3個著火點的最短路徑，成功避開障礙物，并準確到達著火點，進而實施消防滅火救援任務(wù)。

關(guān)鍵詞：無人機；消防滅火救援；應(yīng)用效果；著火點識別；路徑規(guī)劃；PID控制

火災(zāi)發(fā)生時，滅火救援的速度直接影響著人民群眾的生命財產(chǎn)安全。為此，許多學(xué)者著力研究消防滅火救援中相關(guān)的技術(shù)，如閆家偉等將智能視頻分析技術(shù)應(yīng)用在消防滅火救援中[1]，通過該技術(shù)識別出早期火災(zāi)事故并發(fā)出警報，救援管理部門可根據(jù)火災(zāi)事故視頻，及時調(diào)整滅火救援方案。李朋朋等將衛(wèi)星通信技術(shù)應(yīng)用在消防滅火救援中[2]，利用該技術(shù)可構(gòu)建消防救援網(wǎng)絡(luò)以保證消防救援通信穩(wěn)定。上述技術(shù)在火災(zāi)防控方面具有很好的應(yīng)用效果，但在消防滅火救援中，其提供的火災(zāi)事故現(xiàn)場基礎(chǔ)數(shù)據(jù)僅能起輔助作用。

無人機包括救援設(shè)備、飛機機體、飛控系統(tǒng)等。無人機搭載的攝像頭可拍攝清晰的火災(zāi)事故現(xiàn)場全景，消防救援管理部門根據(jù)采集的火災(zāi)事故數(shù)據(jù)，將無人機與消防隊員結(jié)合在一起，能夠制定出合理的救援方案。在消防滅火救援中，利用無人機可保證操作員和救援人員的安全，提升救援效率。特別是近幾年，火災(zāi)發(fā)生率逐年升高，將無人機應(yīng)用在消防滅火救援中，能夠取得較好的效果，因此對無人機在消防滅火救援中的具體應(yīng)用進行深入研究，具有積極意義[3-4]。

1 無人機在消防滅火救援中的應(yīng)用

1.1? 無人機火災(zāi)著火點定位方法

無人機通過搭載攝像頭采集城市遙感圖像，并經(jīng)無線通信網(wǎng)絡(luò)將采集的城市遙感圖像發(fā)送至控制中心。控制中心利用方向梯度直方圖提取遙感圖像的形態(tài)紋理特征后，通過支持向量機方法按照特征結(jié)果對城市遙感圖像實施分類，識別出火災(zāi)和非火災(zāi)的城市遙感圖像。當(dāng)識別出發(fā)生火災(zāi)的城市遙感圖像時，控制中心向控制器傳達停止命令，使無人機暫時懸停，計算著火點位置坐標。無人機著火點位置坐標獲取原理，見圖1。

設(shè)置無人機的攝像機、GPS接收機、微波測距儀都位于設(shè)定坐標點上。

利用微波測距儀測量著火點和儀器間的距離，其測距公式如下：

其中：傳播時間用t描述，傳播速度用v描述。

采用控制器可獲取Yu軸和攝像機水平方向OR投影的夾角a，同時獲取o（Xo，Yo，Zo）坐標系中XuYu水平面和攝像機光軸OQ的夾角β。將獲取相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸至控制中心，通過該中心可求解出著火點坐標為Q（Xq，Yq，Zq），其表達式如下：

1.2? 無人機路徑規(guī)劃方法

無人機在消防滅火救援中路徑規(guī)劃也是非常重要的環(huán)節(jié)。在明確著火點坐標后，采用改進遺傳算法合理規(guī)劃無人機在消防滅火救援中路徑，以救援路徑最短、合理規(guī)避障礙物為目標，并準確到達著火點實施救援任務(wù)。該算法的流程，見圖2。

由圖2可知，改進遺傳算法流程主要包括初始化種群、求解個體適應(yīng)度，當(dāng)個體適應(yīng)度中精英個體滿足終止條件后，得出無人機消防滅火救援路徑。當(dāng)不符合終止條件時，需要對個體實施交叉、變異、刪除等操作后求解個體適應(yīng)度，并選取精英群體中最優(yōu)精英個體，直到符合終止條件后結(jié)束。

1.2.1? 初始化種群

將無人機應(yīng)用在消防滅火救援中，可提高消防滅火救援能力，無人機利用攝像頭采集城市環(huán)境信息的實時數(shù)據(jù)后，采用改進遺傳算法合理規(guī)劃無人機消防滅火救援路徑。在路徑規(guī)劃中，用1個個體描述每個從起點到終點的無碰撞路徑，各個體里包含1條染色體。通過將全部個體集合構(gòu)建無碰撞路徑種群。初始化種群過程為：

設(shè)置無人機的消防滅火救援路徑用Qj描述，其公式如下：

其中：第j段路徑用（qj-1，qj）描述，起點用q0描述，終點用qgoal描述，路徑用節(jié)點序號用j描述，第j個路徑節(jié)點用qj描述，當(dāng)無人機位于qj點時，以救援路徑最短為目標，選取合適路徑點qj+1，其公式如下：

其中：終點x軸、y軸坐標分別用qxgoal、qygoal描述，qj點x軸、y軸坐標分別用qxj、qyj描述，qj+1點x軸、y軸坐標分別用qxj+1、qyj+1描述。

qj+1點y坐標、x坐標的公式為：

上述過程可提高無人機接近終點的速度。

1.2.2? 個體適應(yīng)度函數(shù)

通過求解個體適應(yīng)度函數(shù)選出最優(yōu)精英個體，滿足路徑最短的目標，提高無人機避障能力。個體適應(yīng)度函數(shù)求解流程為：

種群內(nèi)包含N個個體，Qj個體適應(yīng)度函數(shù)用Fitness（Qj）描述，其公式如下：

其中：采樣點函數(shù)數(shù)量用Number（Qj）描述，第二部Number（Qj）分在整體所占比重用m2描述，在路徑的總長度函數(shù)用Length（Qj）描述，第一部分Length（Qj）在整體所占比重用m1描述。

Number（Qj）表達式為：

其中：正整數(shù)用θ描述。

在路徑Qj上選取用qk表示路徑點，該點離障礙點Bar距離Lqk_Bar如下式：

其中：障礙點Bar的x坐標、y坐標分別用Bxar、Byar描述，路徑點qk的x坐標、y坐標分別用qxk、qyk描述。

如果：

則令

其中：路徑Qj上采樣點中符合條件的采樣點函數(shù)數(shù)量Number（Qj）大于無人機半徑定值用描述。

經(jīng)分析可知適應(yīng)度函數(shù)包括Length（Qj）和Number（Qj），當(dāng)函數(shù)值越小表示為精英個體，其路徑性能越高。

當(dāng)不符合終止條件時，需要在種群中路徑的交點處實施大概率交叉操作，提高個體更新速度，保證路徑連續(xù)性。再通過隨機變異選取最優(yōu)路徑，采用刪除冗余節(jié)點可縮短路徑長度，最后求解個體適應(yīng)度函數(shù)，挑選出各代種群內(nèi)精英子種群，并從中選出用minFitness（Qj）表示函數(shù)值最小個體精英，最優(yōu)路徑用Qoptimal path描述，若下一代個體函數(shù)值低于則需要更新路徑，若不是繼續(xù)保留，作為最優(yōu)無人機消防滅火救援路徑。

1.3? 無人機消防救援噴灑的定量控制方法

在采用改進遺傳算法合理規(guī)劃無人機在消防滅火救援中路徑后，無人機到達消防滅火救援地點實施消防滅火救援任務(wù)。無人機自帶消防滅火救援設(shè)備，救援設(shè)備明細，見表1。

由表1可知，無人機消防滅火救援設(shè)備主要包括探測裝置、滅火裝置、輔助救援裝置。其中滅火裝置中噴灑裝置按照火災(zāi)類型和火勢大小實施噴灑任務(wù)。在進行消防滅火救援噴灑任務(wù)時，無人機消防滅火劑噴灑量的控制至關(guān)重要，因此采用PID控制方法針對不同火災(zāi)具體情況控制無人機滅火劑噴灑量，可提高滅火效率，縮短滅火救援時間。滅火劑噴灑量PID控制流程見圖3。

由圖3可知無人機的滅火劑噴灑量PID控制流程，通過控制器實現(xiàn)對無人機的滅火劑噴灑量，設(shè)置用表示滅火噴灑裝置噴頭滅火劑的壓力，反饋值用描述。噴滅火劑的壓力傳遞函數(shù)表達式如下：

其中：實際滅火噴灑裝置噴頭滅火劑壓力系數(shù)，常量用h表示。

當(dāng)無人機電壓穩(wěn)定在0～10V時，滅火裝置噴頭最大壓力為6MPa，則PID反饋值系數(shù)如下：

傳遞延遲函數(shù)表達式如下：

其中：實際和期望噴灑量偏差用描述，比例系數(shù)用描述，噴灑量系數(shù)用描述。

經(jīng)PID壓力反應(yīng)后得出下式：

其中：實際滅火劑噴灑量用w（x）描述，頻率用f描述；噴灑距離用描述。

綜上所述，在求出PID各項控制參數(shù)值后，按照無人機滅火噴灑裝置噴頭的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)，依據(jù)實際和期望噴灑量偏差分析噴灑滅火劑噴灑量，通過PID反應(yīng)壓力機制調(diào)節(jié)無人機滅火劑噴灑量，完成精準滅火劑噴灑任務(wù)，提高無人機消防救援效率。

2 實驗與結(jié)果分析

無人機在正常巡檢過程中，可通過無人機攝像頭拍攝到試驗對象發(fā)生的城市火災(zāi)事故圖像，并將城市發(fā)生火災(zāi)事故圖像及時傳輸至城市消防管理部門系統(tǒng)。

無人機拍攝的城市發(fā)生火災(zāi)事故圖像清晰，經(jīng)無人機控制中心利用方向梯度直方圖提取遙感圖像的形態(tài)紋理特征后，通過支持向量機方法按照特征結(jié)果對城市遙感圖像實施分類，識別出火災(zāi)和非火災(zāi)的城市火災(zāi)事故圖像，并標記出該試驗對象區(qū)域存在三處著火點，并將城市發(fā)生火災(zāi)事故圖像及時傳輸至城市消防管理部門系統(tǒng)。

按照圖像從左至右順序，依次為著火點1、著火點2、著火點3，采用本文方法對三處著火點實施定位。著火點定位結(jié)果，見表2。

分析表2數(shù)據(jù)可知，在應(yīng)用本文方法進行3個著火點定位時，無人機測量著火點實際三維坐標與實際值非常接近，僅有著火點1的X、Y坐標和火點2的X坐標與其實際坐標存在微小偏差，偏差數(shù)值較小，平均誤差約0.03m。上述結(jié)果說明：本文方法具備較為準確的城市著火點定位能力，可滿足城市火災(zāi)監(jiān)測要求。

在明確3個著火點坐標后，采用改進遺傳算法合理規(guī)劃無人機在消防滅火救援中路徑，以救援路徑最短為目標，規(guī)避障礙物，并準確到達城市著火點實施救援任務(wù)。

改進遺傳算法的無人機在城市消防滅火救援路徑規(guī)劃結(jié)果，見圖4。

采用改進遺傳算法的無人機在城市消防滅火救援中路徑規(guī)劃效果較好，能夠成功避開障礙物，分別規(guī)劃出到達3個著火點的最短路徑，并準確到達城市著火點，節(jié)省城市消防滅火救援的時間。

3 結(jié)論

針對消防滅火救援存在裝備技術(shù)落后的問題，本文提出將無人機技術(shù)應(yīng)用在消防滅火救援中，并分析其應(yīng)用效果。實驗結(jié)果表明，無人機采集城市圖像，可迅速識別出城市火情，獲取城市火災(zāi)情況，并將識別結(jié)果發(fā)送至指揮部門，指揮部門安排無人機進行城市消防滅火救援，在應(yīng)用本文方法進行3個著火點定位時，無人機測量的火點實際三維坐標與實際值非常接近，平均誤差約0.03m。本文方法具備較為準確的城市著火點定位能力，可滿足林火監(jiān)測要求，并在合理規(guī)劃路線后，實施噴灑消防干粉滅火劑任務(wù)，成功撲滅城市火災(zāi)，保護住宅區(qū)的人員安全。

參考文獻：

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[4]李鴻一，陳錦濤，任鴻儒，等.基于隨機采樣的高層消防無人機協(xié)同搜索規(guī)劃[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2022，52（9）：1610-1626.

The application of drones in firefighting and rescue

Fei Hongjie

（Tianjin Jinan District Fire and Rescue Division，Tianjin 300000）

Abstract： Reasonable planning of UAV routes helps improve firefighting and rescue capabilities. The specific application of UAV in firefighting and rescue is experimentally studied， and the results show that the UAV has a good application effect in firefighting and rescue， which can accurately solve the three-dimensional coordinates of the fire point， while planning the shortest path to three fire points， successfully avoiding obstacles and accurately reaching the fire point， and then implementing firefighting and rescue tasks.

Keywords： UAV; firefighting and rescue; application effect; fire identification; path planning; PID control