．消防無人機技術發展脈絡深度解析

CHRISTCHURCH FIRE ON PORT HILLS FILMED BY DRONE ! 15 Feb 2017

康橋科技 —— 白光攝影機專業廠商！

來源：航空知識

在消費級無人機吸引了無數民眾的目光，工業級無人機已在多個行業嶄露頭角的時候，專門用於消防的無人機，也開始摸索著進入了一個可以大展身手的領域。

這些無人機能夠在消防領域，扮演怎樣的角色？又將要具備怎樣的本領呢？小火箭邢強博士將就這兩個問題，與大家一起探討和剖析，消防無人機的技術發展脈絡，展望其發展前景。

反應快速優勢凸現

2015天津港「8.12」特別重大火災爆炸事故發生後，對岸的中國公安部消防局，迅速調集了北京、河北、山西、山東總隊的8架消防無人機，隨同31名通信技術人員，連夜趕往天津。這些消防無人機向救援人員，提供了大量現場高清畫面，為救援工作的順利開展，提供了有力的技術支援。

而且正因為有了它們所獲取的資訊，才使得很多消防人員，得以免於進入充滿有害氣體的現場。當救援行動正在實施時，每小時出動一次的無人機，不僅保證了現場畫面的不間斷提供，更讓救援決策人員，多了很多雙近距離，觀察現場情況的「眼睛」。

▲將來，無人機會出現在消防、公共安全等多個領域。

　　消防無人機/圖來源網路

　　消防無人機拍攝的一處民宅，發生火災的現場畫面/圖來源網路

消防無人機的這次出動，充分體現了它們反應快速，並且能夠進入，人員難以接近的危險場地的獨特優勢。而人們對消防人員的傳統認識，也將因此發生較為徹底的改變。

之前，提到消防員，大家立刻會把他們與飛馳的消防車，和噴灑水流或泡沫的消防水龍聯繫起來。而無人機的加入，使消防人員用於與火災搏鬥的武器庫中，又添了一個利器。

實際上，航空器與消防的關係，早在約100年前就開始建立了。1917年，美國林務局提出了，將飛機用於消防工作的設想，並與同年進行了帶有試驗性質的飛行任務。

他們採購了若干飛機，並使用它們在加利福尼亞州，廣袤的土地上，按照固定線路巡視飛行，監控該州的森林是否有發生火災的跡象。到了1920年，美國林務局又進行了一些飛機滅火的嘗試。

他們給飛機裝上化學滅火藥劑，準備讓其飛到火場上空，對著火地點投撒。但空投的準確性難以保證，且裝有藥劑的容器，經常有洩漏的情況。

經過幾年的摸索，雖然藥劑的容器經過了紙袋子、錫罐子和橡木桶等多種改型試驗，美國林務局還是暫時放棄了，用飛機空投滅火藥劑滅火的嘗試。

不過，在高空飛行的飛機，在監控範圍和火災現場態勢的整體把握等方面，顯示出不可替代的作用。因此在聽取了森林消防人員的建議後，美國林務局決定，重點開拓航空器在巡邏監控，和火災現場判讀方面的應用。1925年，專門用於消防的空中攝影技術開始出現。

而到了1929年，加利福尼亞州的消防人員們，已經能夠在火災發生的時候，快速收到空中投下的包裹了。這些包裹裡面，裝著剛剛洗出來的火災現場的俯瞰照片，能夠幫助消防人員制訂，有針對性的滅火方案。

　　消防無人機能夠深入到有人駕駛飛機難以到達的角落/圖來源網路

　　NASA推出的Ikhana無人機系統可以勝任防火巡邏的任務/圖來源網路

有高清航拍和圖像回傳功能的消防無人機，無疑是繼承了上世紀20年代的，有人駕駛消防飛機的空投照片的使命。

而且隨著技術的進步，消防無人機在現場勘查方面，發揮的作用，要比當年的有人駕駛飛機大得多。這些無人機上，搭載紅外線探測設備，或者彩色高分辨率面陣CCD（ChargeCoupledDevices，電荷耦合器件）設備，能夠在距離地面，500-2000米的空中，對火災現場進行即時監控。

紅外線設備可以感知到，人類肉眼難以察覺的暗火、陰燃等情況，對火場或者剛剛撲救之後的場地的瞭解，更為全面。採用特殊波段，進行探測的傳感器，還能夠透過火災現場的濃煙毒霧，感知道消防人員想要迫切瞭解的，火災中心的具體情況。

但是，在火災現場，無人機相對於有人駕駛飛機，要面臨更多的挑戰。無人機的個頭兒，通常要比有人駕駛飛機小很多，而火場附近，往往有著複雜的橫風和切變風，對無人機的姿態穩定系統，提出了更高的挑戰。

能夠進入火災現場的無人機，通常要具備在5級以上的風速中，可在1米範圍內懸停的能力，以確保現場圖像的拍攝品質，能夠滿足判讀人員的需求。

再者，雖然消防無人機能夠深入現場，但也為其帶來了更多的危險。此類無人機的結構要針對高溫、高腐蝕的飛行環境，進行特殊強化。

另外，在森林火災中應用的消防無人機，還應具備快速爬升，和在高空長時間巡航的能力。因為大面積的火災，會急劇加熱著火點上方的空氣，有時候在現場正上方1500米的高空的空氣，仍不適合無人機在其中穿越飛行。

要想獲取從上空拍攝的鳥瞰畫面，消防無人機須飛到1500米以上的高空，才能借助高性能的航拍設備，實施動態監控作業。

傳承技術突出重點

雖然消防無人機在載荷、結構、飛行性能等方面的技術，使其能夠肩負起現場監控的重要任務。但說起對火災現場的動態監控，該機並不是最早應用的平台。從火災監測傳感器，到森林巡邏飛機，到火災預警衛星，再到消防無人機，經過了多個發展階段。

在現代建築中生活和工作的人們，對火災監控偵測設備並不陌生。這樣的偵測設備能夠對煙霧顆粒，或者溫度場的突變產生反應，並把警告資訊傳輸給報警器，或者直接驅動屋頂的噴淋設備實施滅火行動。

這種感知溫度或者觀測煙霧的手段，可以追溯到上世紀30年代。經驗豐富的森林巡查員，搭乘小型飛機在森林上空飛行，機上的設備簡陋，但是結合巡查員的好眼力，對濃煙或者明火的感知，還是比較敏銳的。

這一時期的飛行員，可以借助機上的無線電設備，將疑似發生火災的坐標，告知附近的消防人員（如美國愛達華州的飛行巡邏隊），或者在飛到消防人員聚集的營地上空時，用航空郵筒空投巡邏簡報（如蘇聯遠東地區森林火災巡邏機隊）。

進入上世紀60年代，隨著衛星技術和遙感探測技術的發展，火災預警衛星，開始得到廣泛應用。利用火災現場的溫度，比周圍環境溫度明顯升高的原理，火災預警衛星在太空中，對地球上的重點區域，實施溫度場遙感監測，一旦發現有溫度突然升高的現象，立刻向有關部門發出預警資訊。

　　巡邏人員在地面操控中心，控制消防無人機進行巡邏/圖來源網路

▲先進探測設備，結合詳細的數位地圖，使得無人機能夠把火災情況和具體坐標，即時地回報給消防人員。

　　數位地圖/圖來源網路

目前，以德國FIRE-WATCH森林火災自動預警系統、美國護林紅外遙感火災預警系統，和加拿大衛星巡迴監測系統，為代表的衛星搭載紅外線監控系統，已經成為火災預警網路的重要組成部分。

衛星上設備要求小型化，和高可靠性的趨勢，正好給消防無人機提供了機會。而幾十年來人們對紅外線預警設備的研究，為消防無人機的探測設備，打下了良好的技術基礎。

多光譜光電吊艙、分布孔徑紅外線系統，和紅外線搜索跟蹤系統，是消防無人機的三大核心載荷。而這些載荷的技術，均離不開對以往紅外線預警技術的傳承，和針對無人機的特點，進行的創新。

不同的紅外線設備，是針對不同的波長設計的，而不同的波長，則對應著不同的輻射溫度。工業級紅外線探測設備，對3-5微米波長，和8-12微米波長紅外線的研究較為深入，而這兩個波段的探測技術，是由軍用紅外線預警技術，透過軍轉民的方式承接而來。

消防無人機在執行紅外線探測任務的時候，對紅外線波長的分段要求是更為細化，對被探測物體輻射紅外光的波長範圍，應該進行進一步地拓展。

小火箭認為，傳統的3-5微米的中波紅外線探測將，在消防無人機上使用，並且會應用在高溫火點分析的領域。鑒於該波段的紅外光與火災現場的濃煙間，有著極其微妙的關係，我認為對該波段紅外光的探測，應與煙霧成像探測相結合，以呈現出更多的現場細節。

而傳統的8-12微米的紅外波長，則應適當向較短的紅外波長方向拓展，與3-5微米的紅外線探測設備相銜接，可形成對現場周邊環境，和陰燃悶燃物體的持續監控。

在這兩個傳統波長之外，消防無人機的紅外線探測設備，還應以0.65微米為中心的波段，和以1.6微米為中心的波段探測設備的研發與應用。

與紅外線預警衛星和紅外線導引頭不同，消防無人機的紅外線探測設備，在關注火點中心位置的同時，也要對周圍環境有一個較整體性的感知。

為將周邊環境的情況，以圖形圖表的方式，直接地反應給火災指揮人員，消防無人機的探測設備應，用更短的波長（以0.65微米為中心），掃描出現場周圍的地表特徵。

而對於以植被為主要探測對象的，森林消防無人機而言，以1.6微米為中心的波段，則特別適用於對植被的探測和監控。

應用廣泛大有作為

就像有人駕駛的消防飛機，經歷了空中巡邏、目標指示，和直接滅火三個階段的發展歷程一樣，消防無人機在今後，也將執行更加多樣的任務。

目前，人們對消防無人機的認知，大多停留在平時的預警巡邏、火災現場的偵察監控，和滅火後的現場巡察這三個應用領域，也就是主要充當「空中之眼」的作用。隨著其他領域的無人機，已經不僅僅滿足於觀察和探測，消防無人機的應用領域，也將開始進行多方面的拓展。

▲無人機技術在抗風和抗高溫等方面的突破，將會給消防無人機的應用，提供有力的技術支持。

　　抗風和抗高溫/圖來源網路

▲未來的消防無人機能夠擔任更加多樣化的任務。

　　擔任多樣化任務/圖來源網路

儘管消防無人機目前尚不能做到軍用無人機的「察打一體」那樣乾脆直接地介入到應用領域，但是它仍在投遞關鍵載荷與應急廣播方面還是有不少的潛能等待開發。在高層建築發生火災的時候，消防人員面臨的一大難題就是救援困難。

目前的消防雲梯的高度，大多為50米或80米，100米以上的雲梯還未普及。但建築設計和土木工程的進步，則遠遠地走到了前面。

在中國，40層以上的樓房比比皆是，已經突破了雲梯的作業高度極限。在出現高層建築火警的時候，如果消防無人機能夠攜帶繩索上升到制高點，並在建築物上，構造一個高空吊載支點的話，將會給高層建築的被困人員，提供一個寶貴的逃生機會。