無人機(jī)通信模塊在消防遠(yuǎn)程通信指揮中應(yīng)用研究

近年來，隨著飛控系統(tǒng)的開源、配套技術(shù)的進(jìn)步以及市場需求的增加，無人機(jī)在各領(lǐng)域的應(yīng)用得到快速發(fā)展。目前，無人機(jī)在各級消防救援單位均得到不同程度的配發(fā)，但其使用仍存在諸多問題：一是無人機(jī)專項培訓(xùn)較少，基層通信人員缺乏系統(tǒng)全面的無人機(jī)培訓(xùn);二是無人機(jī)的功能應(yīng)用較為狹窄，目前主要集中于航拍偵察，缺乏進(jìn)一步的深度應(yīng)用;三是通信組網(wǎng)混亂，與現(xiàn)場通信指揮車、遠(yuǎn)程通信指揮中心等通信模塊連接不暢，信息共享有待提升。結(jié)合上述無人機(jī)應(yīng)用過程中存在的問題，從理論闡釋和實證研究的角度解決相關(guān)的問題，規(guī)范現(xiàn)場無人機(jī)通信組網(wǎng)流程，從而提升無人機(jī)在滅火救援中的應(yīng)用水平，對實際操作具有一定的借鑒與參考價值。

1 無人機(jī)通信模塊應(yīng)用研究

選用的六旋翼無人機(jī)具有航時長、機(jī)身穩(wěn)固、應(yīng)用靈活的特點。鑒于通信模塊在無人機(jī)現(xiàn)場作業(yè)中占據(jù)的重要位置，按照無人機(jī)的作業(yè)順序，從先導(dǎo)偵察、圖像傳輸、擴(kuò)音喊話這三個主要功能出發(fā)，進(jìn)行功能的技術(shù)手段及應(yīng)用研討。

1.1 先導(dǎo)偵察的功能優(yōu)化

先導(dǎo)偵察是指火災(zāi)、洪澇等自然災(zāi)害發(fā)生后，消防無人機(jī)采用手動操作或自主航跡規(guī)劃的方式，先于其他的消防救援力量到達(dá)災(zāi)害現(xiàn)場進(jìn)行偵察的一種功能。然而，目前消防領(lǐng)域采用無人機(jī)出動的模式通常為“手動遙控為主，自主飛行為輔”的操作方式，即消防員到場后，使用遙控器進(jìn)行定點懸停、俯沖或下降等動作，完成災(zāi)害現(xiàn)場的初步偵察，在偵察過程中的部分階段，使用自主航跡規(guī)劃進(jìn)行偵察。

此種操作方式雖簡單易行，但存在明顯的不足。如無人機(jī)在出動時，由于人員操作的限制，只能在消防救援人員到場后方可實施，致使無人機(jī)先導(dǎo)偵察、提前預(yù)判的能力大大弱化。因此，應(yīng)將無人機(jī)的偵察功能進(jìn)一步優(yōu)化，實現(xiàn)先導(dǎo)偵察。

根據(jù)算法的基本原理和出現(xiàn)的先后時序，可以將路徑規(guī)劃算法分為四大類：傳統(tǒng)算法、圖形學(xué)方法，智能仿生學(xué)算法和其他算法。筆者采用的無人機(jī)將柵格法、A算法及遺傳算法相融合，所采用的算法如下：一是采用柵格法對飛行涵蓋的空間進(jìn)行建模，即在確定飛行目標(biāo)地點的位置坐標(biāo)后，通過谷歌地圖的道路建筑信息及構(gòu)筑物的高度信息進(jìn)行一定步長的劃分，并結(jié)合本轄區(qū)特點，選擇預(yù)先設(shè)置的幾個中繼節(jié)點作為區(qū)域目標(biāo)點;二是利用 A的 open表和 close 表格及啟發(fā)函數(shù) h（n）對飛行路線進(jìn)行約束限制，引導(dǎo)其向既定目標(biāo)點飛行;三是引入蟻群算法進(jìn)行處理。由于在上述步驟中，代價表的建立縮減了大量的無效或低效的飛行區(qū)域。因此，在少量迭代次數(shù)的情況下即可得到最終飛行路線。

此外，該無人機(jī)也可采用更為簡單的飛行方式，即采用“最低安全飛行高度”。在飛行器的地面控制終端上，由于國內(nèi)無人機(jī)的導(dǎo)航系統(tǒng)大部分采用 Google 地圖進(jìn)行GPS 定位與導(dǎo)航，可以在飛行前進(jìn)行高度設(shè)定，選取飛行領(lǐng)域中的最高點作為最低安全飛行距離，在設(shè)定了終點后實現(xiàn)自主飛行。由于消防無人機(jī)載有避障模塊，可避開高空障礙物以實現(xiàn)安全飛行。

1.2 圖像傳輸?shù)墓δ軆?yōu)化

在消防無人機(jī)的通信系統(tǒng)中，一般包含圖傳、數(shù)傳等無線電傳輸設(shè)備。其中，無人機(jī)通過搭載圖像傳輸模塊進(jìn)行現(xiàn)場圖像的實時回傳，則是無人機(jī)完成現(xiàn)場偵察、指揮輔助決策功能的最重要的環(huán)節(jié)。結(jié)合消防部門通信裝備配備現(xiàn)狀，3G/4G 圖像傳輸與微波圖像傳輸是目前可行性強(qiáng)、傳輸穩(wěn)定的傳輸方式。

（1）3G/4G 圖像傳輸。在消防的實際應(yīng)用中，3G/4G圖像傳輸可以理解為使用 4G 設(shè)備進(jìn)行 3G 圖像傳輸，其現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸路徑，如圖 1 所示。圖中的 1～5 分別為無人機(jī)、無人機(jī)地面終端、3G 公網(wǎng)基站、服務(wù)器和指揮中心。一是無人機(jī)承載的高清攝像機(jī)實時攝錄現(xiàn)場影像，將數(shù)據(jù)傳遞到無人機(jī)的地面終端上;二是地面終端引出一條HDMI 的高清接口，向地面的 3G 公網(wǎng)基站發(fā)射信息;三是通過訪問通信指揮中心登錄 IP 地址，連接服務(wù)器，即可獲取基站轉(zhuǎn)接的數(shù)據(jù)信息。

（2）微波圖像傳輸。微波圖像傳輸是指消防通信人員將無人機(jī)拍攝到的視頻數(shù)據(jù)通過便攜式等發(fā)射終端，以微波的形式將信息發(fā)送至現(xiàn)場的通信指揮車上的車載接收機(jī)，經(jīng)過車載發(fā)射機(jī)再次發(fā)射后，即可在通信指揮中心看到實時視頻資料，實現(xiàn)“現(xiàn)場-指揮車-指揮中心”同步觀看。具體傳輸流程如圖 2 所示。在圖 2 中，1～4 分別為無人機(jī)、背負(fù)式微波傳輸設(shè)備、現(xiàn)場指揮車的接收端與輸出端、指揮中心。

1.3 擴(kuò)音喊話的功能優(yōu)化

目前，擴(kuò)音系統(tǒng)在消防通信中的應(yīng)用大部分停留在地面喊話的階段。然而，在高層建筑輕生現(xiàn)場以及引導(dǎo)人員疏散等救援現(xiàn)場，經(jīng)常由于地面人車擁擠，聲音嘈雜，致使擴(kuò)音設(shè)備的效用大為降低。因此，使用無人機(jī)可以實現(xiàn)消防救援現(xiàn)場的高空喊話，增強(qiáng)被救助者在等待救援時的信心。結(jié)合目前消防救援實際情況，可采用如下方式：無人機(jī)搭載無線接收設(shè)備，地面救援人員在到達(dá)現(xiàn)場后，立即使用手臺進(jìn)行喊話，通過無線傳輸方式傳輸?shù)綗o人機(jī)的接收設(shè)備后，通過擴(kuò)音器將聲音傳出。

2 實證研究

2.1 先導(dǎo)偵察實驗研究

選取某消防部門訓(xùn)練基地為實驗對象，對溫度、風(fēng)向、天氣等基本情況作出記錄后，設(shè)定無人機(jī)的初始地點及事故想定點。使用 Google 地圖進(jìn)行定位，確定飛行初始點與終點，實施一鍵飛行，得到的部分飛行畫面如圖 3、圖 4所示。從圖中可以看出，接到出動指令后，無人機(jī)先于消防車出發(fā)，并在飛行途中不間斷地將圖像傳回指揮員手中的無人機(jī)地面終端;到達(dá)現(xiàn)場后，能夠清晰、準(zhǔn)確地顯示出事故地點泄漏源的擴(kuò)散程度、周邊道路情況及人員被困情況，為途中指揮決策提供重要來源。

通過實驗可以看出，通過高清攝像機(jī)傳回地面終端的圖像清晰，畫面穩(wěn)定，符合消防部隊對于先導(dǎo)偵察的基本要求，證明采用防抖動平臺及高清攝像機(jī)的六旋翼無人機(jī)可以實現(xiàn)該功能。

2.2 圖像傳輸實驗研究

（1）3G/4G 圖像傳輸實驗研究。本實驗選取訓(xùn)練場化工裝置訓(xùn)練區(qū)作為事故現(xiàn)場，將指揮演練中心設(shè)定為支隊指揮中心，實驗的成功標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為：消防人員到場后能否將無人機(jī)采集到的圖像穩(wěn)定清晰地傳回指揮中心顯示屏上且時差小于 1 s。實驗開始后，無人機(jī)在現(xiàn)場消防人員的操作下，迅速起飛，待飛行平穩(wěn)后開始記錄其傳輸畫面。得到的現(xiàn)場部分的地面終端截圖及指揮中心截圖，如 圖 5、圖 6 所示。

從圖像中可以看出，采用 3G/4G 圖像傳輸?shù)姆绞侥軌蜃龅綄崟r傳輸，實現(xiàn)“現(xiàn)場-地面終端-指揮中心”的視頻同步。但在指揮中心的頁面中，由于受到公網(wǎng)基站的影響，指揮中心服務(wù)器訪問得到的畫面像素大幅度降低，但整體畫質(zhì)并不影響指揮中心的視頻觀看與分析研判，符合災(zāi)害現(xiàn)場視頻傳輸要求。

（3）微波圖像傳輸實驗研究。為防止單一傳輸手段在現(xiàn)場出現(xiàn)故障后導(dǎo)致圖傳中斷，在采用 3G/4G 圖像傳輸?shù)幕A(chǔ)上，進(jìn)行對比試驗，即使用微波圖像傳輸方式，使用單兵背負(fù)式微波傳輸設(shè)備進(jìn)行圖像傳輸，相關(guān)通信設(shè)備如圖 7 所示，圖中分別為現(xiàn)場通信指揮車、消防無人機(jī)、微波傳輸設(shè)備、地面接收端。

選取高層建筑模擬演練區(qū)作為事故地點。事故人員到場后，迅速攜帶單兵背負(fù)式微波傳輸設(shè)備，在確保通信指揮車的輸入端與視頻輸出接口連接完整的情況下，操縱遙控設(shè)備對無人機(jī)進(jìn)行起飛操作。飛離至預(yù)定高度后定點懸停，開始傳輸視頻圖像。在畫面穩(wěn)定后，選取某一時刻的地面終端圖像及指揮中心圖像進(jìn)行記錄和對比，從圖8、圖 9 可以看出，在起飛后 2 分 47 秒后，截取同一時間高清攝像機(jī)影像及指揮中心圖像，經(jīng)過通信指揮車傳輸回指揮中心的圖像與無人機(jī)在高空拍攝的圖像相比，雖然畫質(zhì)在一定程度上降低，但整體的畫質(zhì)清晰度及同步性較為良好，符合現(xiàn)場偵察及指揮中心對于災(zāi)害現(xiàn)場的畫面要求。

通過對比兩種偵察方式傳輸?shù)囊曨l畫面，可以看出：從整體畫面效果、時延情況以及傳輸穩(wěn)定性的角度，二者均能達(dá)到預(yù)期的效果。在指揮救援現(xiàn)場，一旦其中某種指揮手段因外部環(huán)境干擾被迫中止時，可迅速采用第二種方式進(jìn)行視頻傳輸。

2.3 擴(kuò)音喊話功能實驗研究

設(shè)定災(zāi)害情景為：高層建筑起火樓層上方有人員被困，為防止被困人員盲目跳樓，決定啟用無人機(jī)進(jìn)行喊話安撫。消防人員到場后，選擇擴(kuò)音模塊并將其載荷到無人機(jī)的云臺上，將手臺頻率調(diào)制 350 MHz，擴(kuò)音模塊接收端也調(diào)至 350 MHz，通過無人機(jī)上的微型喇叭將聲音擴(kuò)散出去。由于微型喇叭采用小型鋰離子電池作電源，設(shè)備輕巧，對無人機(jī)的載荷要求較低?，F(xiàn)場試驗情況如圖 10、圖11 所示。

在實驗現(xiàn)場對電臺進(jìn)行喊話后，聲音立即從無人機(jī)上的擴(kuò)音模塊傳出，且音量適中，在高層建筑中的被困人員可以清晰地聽到擴(kuò)音器的喊話內(nèi)容。證明該通信模塊及通信方式可以滿足滅火救援現(xiàn)場對擴(kuò)音功能的要求。

3 結(jié)束語

立足當(dāng)前消防無人機(jī)在滅火救援現(xiàn)場急需改進(jìn)的應(yīng)用功能，提出了相應(yīng)的通信技術(shù)路徑及實現(xiàn)手段，闡述了其中包含的技術(shù)原理，最后通過實地檢驗的方式，對技術(shù)路徑進(jìn)行了實際論證。實驗證明：采用自主研發(fā)的六旋翼長航時無人機(jī)可以完全實現(xiàn)本文提出的先導(dǎo)偵察、圖像傳輸及擴(kuò)音喊話功能，為今后消防部門在使用無人機(jī)的相應(yīng)功能時提供了一定的參考價值。但該無人機(jī)仍存在荷載分散、視頻傳輸質(zhì)量差等問題。下一步將從通信模塊集成整合、數(shù)據(jù)處理等角度繼續(xù)進(jìn)行探索。隨著飛控設(shè)備、通信鏈路技術(shù)的不斷更新與發(fā)展，消防無人機(jī)的先導(dǎo)偵察、圖像傳輸?shù)裙δ軐⒌玫竭M(jìn)一步的優(yōu)化，并向通信設(shè)備信息融合、通信輔助決策平臺等發(fā)展方向靠攏，為“智慧消防”的建設(shè)注入新的活力。

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