張明輝

大數(shù)據(jù)時(shí)代高新技術(shù)在滅火救援工作中的應(yīng)用

張明輝

(雞西市消防支隊(duì)，黑龍江 雞西 158100)

以大數(shù)據(jù)時(shí)代科技發(fā)展為背景，分析了虛擬技術(shù)在模擬滅火救援試驗(yàn)中的應(yīng)用，無人機(jī)技術(shù)在災(zāi)情勘察、數(shù)據(jù)采集以及消防指揮調(diào)度中的作用，物聯(lián)網(wǎng)的全球定位技術(shù)在火災(zāi)救援中的應(yīng)用和ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在消防空氣呼吸器中的應(yīng)用，剖析了消防機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)以及其在高層建筑、地下建筑、地鐵隧道以及石化等高危場(chǎng)所滅火救援中的應(yīng)用，旨在提升滅火救援工作的科技化水平，提高消防部隊(duì)滅火救援戰(zhàn)斗效能。

滅火救援；數(shù)據(jù)采集；GPS定位；勘察

所謂大數(shù)據(jù)，是指收集和分析大量信息的能力，是人們獲取新認(rèn)知、創(chuàng)造新價(jià)值的源泉。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，大數(shù)據(jù)具有更大的容量、更高的多樣性、更快的生成速度。當(dāng)前，大數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)分析和預(yù)測(cè)方面展示出驚人的魅力。公安消防部隊(duì)開展大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的滅火救援能力分析研究，對(duì)全面深化部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力改革具有深遠(yuǎn)的意義。在消防工作實(shí)踐中，滅火應(yīng)急救援任務(wù)呈現(xiàn)多元化，涉及的數(shù)據(jù)海量、類型多樣，應(yīng)用科技創(chuàng)新成果，利用災(zāi)害事故特點(diǎn)、戰(zhàn)斗力量、道路交通、水源供給、物資保障、后援力量等大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息資源共享互通和有效挖掘，對(duì)于推進(jìn)滅火救援工作具有重要作用[1]。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VRT)是指利用人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)等模擬人在火災(zāi)中的聽覺、視覺、嗅覺、動(dòng)作等行為的一種新技術(shù)，主要用于滅火救援的模擬試驗(yàn)[2]。利用這種技術(shù)模擬滅火救援主要分為數(shù)據(jù)采集、三維建模、實(shí)時(shí)控制與交互以及煙火特效制作四個(gè)步驟。

1.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為兩步，一是原始數(shù)據(jù)采集，二是建模數(shù)據(jù)處理。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)救援模擬和訓(xùn)練首先應(yīng)進(jìn)行原始數(shù)據(jù)采集，主要是為了構(gòu)建火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的地形模型、交通模型以及建筑模型等。采集方法主要有實(shí)地拍照采集法、激光掃描采集法及GPS技術(shù)采集法等。對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)管線模型數(shù)據(jù)采集可以利用圖像處理方法采集，其可以清晰地構(gòu)建管線模型的紋理。建模數(shù)據(jù)處理是指利用現(xiàn)代先進(jìn)數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊處理，使火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的地形模型紋理、建筑模型紋理以及交通模型紋理盡可能保持色調(diào)協(xié)調(diào)、真實(shí)、直觀、生動(dòng)。在處理數(shù)據(jù)建模時(shí)應(yīng)盡可能減少視角、鏡頭畸變引發(fā)的模型變形，且不能存在與建模影像無關(guān)的其他影像，使建模紋理過渡自然，使模型惟妙惟肖。

1.2 三維建模和實(shí)時(shí)控制交互

三維建模的工具有3ds Max和Multicen Creator，其中3ds Max的作用是創(chuàng)建火災(zāi)場(chǎng)景模型，Multicen Creator軟件的作用是利用它的OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)布設(shè)DOF節(jié)點(diǎn)。三維建模必須采用統(tǒng)一命名的原則，必須統(tǒng)一單位，對(duì)模型進(jìn)行定位，創(chuàng)建模型時(shí)不能存在共面、反面以及漏面的問題，構(gòu)建的模型必須按照火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)基本細(xì)節(jié)。最后是模型簡(jiǎn)化和模型修正，要盡量突出重點(diǎn)建筑物，簡(jiǎn)化次要建筑物，對(duì)冗余的點(diǎn)、線、面等進(jìn)行刪除，對(duì)鏡頭物像進(jìn)行修改校正。實(shí)時(shí)控制與交互是指對(duì)模擬出的虛擬火災(zāi)救援試驗(yàn)要具有控制和交互虛擬場(chǎng)景實(shí)物的功能。

1.3 煙火特效制作

對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的煙火效果的制作是通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)技術(shù)提供黑煙、火、風(fēng)、雷雨、雪花等粒子特效和碰撞檢測(cè)功能，并在其中封裝開源引擎提供的粒子系統(tǒng)工具，使火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎醚堇[現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，幫助各種火災(zāi)救援方案預(yù)測(cè)實(shí)施效果。煙火特效制作的方法有Delta3D法、FUMEFX FOR 3ds Max插件制作法等，圖1為煙火特效制作對(duì)應(yīng)的輸出效果圖。

圖1 輸出效果圖

2 無人機(jī)技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用

2.1 無人機(jī)技術(shù)的工作原理及分類

無人機(jī)具有監(jiān)測(cè)精度高、靈活安全和節(jié)約成本的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)多角度拍攝勘察實(shí)時(shí)傳回火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)視頻，在消防滅火救援中起到重要的輔助作用。其工作原理是利用飛控系統(tǒng)操控機(jī)體，利用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)發(fā)送、輸出信息或指令，利用發(fā)射回收系統(tǒng)確保機(jī)體在無人駕駛的情況下成功回落安全地點(diǎn)。其核心系統(tǒng)是飛控系統(tǒng)，飛控系統(tǒng)性能的優(yōu)劣關(guān)系著無人機(jī)能否穩(wěn)定飛行以及準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)，它是確保無人機(jī)順利開展滅火救援工作的保障。無人機(jī)按動(dòng)力源可分為油動(dòng)無人機(jī)和電動(dòng)無人機(jī)，按照外形可分為多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和固定無人機(jī)，其中無人直升機(jī)因外形太大、操作復(fù)雜不適合滅火救援工作，在滅火救援工作中主要使用多旋翼無人機(jī)。

2.2 無人機(jī)在滅火救援中的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國(guó)際上先進(jìn)無人機(jī)具有多樣化的觀測(cè)系統(tǒng)，其中搭載的夜視系統(tǒng)可以在夜晚進(jìn)行快速、精確的數(shù)據(jù)采集，拍攝高清照片，可有效勘察火災(zāi)災(zāi)情、實(shí)時(shí)輸送高清火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)視頻，充分發(fā)揮無人機(jī)勘察災(zāi)情、采集數(shù)據(jù)和消防指揮調(diào)度的作用。無人機(jī)的通信設(shè)備可與衛(wèi)星等無線設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大范圍的地域拍攝，可低空飛行拍攝各個(gè)角度的照片，實(shí)現(xiàn)清晰、準(zhǔn)確、多角度航拍功能。在滅火救援中不可避免的會(huì)有消防員不能進(jìn)入的火災(zāi)區(qū)域，這時(shí)便可派遣無人機(jī)進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的勘察工作，為消防部隊(duì)提供科學(xué)、精確、有效的數(shù)據(jù)的同時(shí)還能減少消防員的傷亡[3]。無人機(jī)具備靈活便捷、安全且能動(dòng)性強(qiáng)、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在滅火救援中的應(yīng)用功能眾多。隨著數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，未來還會(huì)開發(fā)更多的無人機(jī)滅火救援功能。

2.3 無人機(jī)技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用實(shí)踐

2.3.1 勘察災(zāi)情采集數(shù)據(jù)

無人機(jī)擁有安全靈活、快速的優(yōu)點(diǎn)，可在第一時(shí)間趕到火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施救援工作，它擁有拍攝高清照片自動(dòng)生成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)地形數(shù)據(jù)圖的功能，為火災(zāi)災(zāi)害評(píng)估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。我國(guó)消防部隊(duì)通常使用小型的無人多旋翼機(jī)，它的重量不超過十幾千克，通常需要2～3名專業(yè)操控人員，利用小型遙控器、臺(tái)式電腦或者筆記本電腦都可控制無人機(jī)正常運(yùn)行。在實(shí)際滅火救援工作中，無人機(jī)一旦到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，便可進(jìn)行簡(jiǎn)略勘察，勘察內(nèi)容包括測(cè)量火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、溫度、空氣濕度以及火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)是否存在易燃易爆等危險(xiǎn)化學(xué)品、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)可以用的滅火救援資源等，為消防人員提供現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情、救援情況、可利用救援資源等信息。此外無人機(jī)的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信視頻傳回功能可與通信衛(wèi)星和地面接收站結(jié)合，為消防人員提供下一步滅火救援行動(dòng)方向。

2.3.2 消防指揮調(diào)度

一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)波及很多方面，若消防部隊(duì)不及時(shí)采取滅火救援措施會(huì)造成嚴(yán)重后果。無人機(jī)的飛控系統(tǒng)具有監(jiān)控火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生事件、精確傳輸數(shù)據(jù)等功能，可以不受地勢(shì)、空間條件的限制，對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)傳達(dá)指令、傳輸精確數(shù)據(jù)，在滅火救援中可被用于消防指揮調(diào)度。在實(shí)際滅火救援中可利用通信設(shè)備進(jìn)行火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)精確數(shù)據(jù)的傳輸，并對(duì)火災(zāi)內(nèi)部情況進(jìn)行分析判斷，可充分發(fā)揮指揮調(diào)控能力。此外火災(zāi)地區(qū)的消防部指揮中心可以通過無人機(jī)的高清拍攝技術(shù)和3G、4G圖像傳輸獲取火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)視頻，通過視頻了解火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，為高層決策人員會(huì)商滅火救援策略提供依據(jù)，輔助滅火救援的指揮調(diào)度[4-5]，輔助制定科學(xué)、合理的滅火救援方案。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)(Web of Things)在滅火救援中是通過各種信息傳感設(shè)備、多種全球定位技術(shù)、激光掃描儀以及紅外線感應(yīng)器等對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的聲音、光度、熱度、電力以及力學(xué)等方面的信息，實(shí)現(xiàn)滅火救援工作現(xiàn)場(chǎng)與消防員以及消防指揮中心的連接、互動(dòng)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)的定位技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用

目前國(guó)際上比較流行的物聯(lián)網(wǎng)全球定位技術(shù)有射頻識(shí)別定位技術(shù)以及GPS定位技術(shù)等，其中射頻識(shí)別定位技術(shù)又稱RFID定位，它在滅火救援中的工作原理是利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)各種物體、人，并對(duì)其進(jìn)行精確定位。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)各種物體、人等的定位精確到厘米的級(jí)別，而且可在幾毫秒內(nèi)完成定位。它的缺點(diǎn)是識(shí)別、定位距離短，很難在滅火救援工作中進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍識(shí)別、定位。GPS定位技術(shù)又稱衛(wèi)星定位技術(shù)，它是利用衛(wèi)星對(duì)某物體進(jìn)行精確定位。在滅火救援實(shí)際工作中，這種技術(shù)可以實(shí)時(shí)定位火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的任何物體、人以及危險(xiǎn)化學(xué)品，且其導(dǎo)航系統(tǒng)可以為消防員提供到達(dá)目的地的精確路線，可以輔助消防員或者消防無人機(jī)等設(shè)備準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)地，可以將鎖定的火災(zāi)目標(biāo)自動(dòng)生成火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)電子地圖，具有偵查火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)以及偵查災(zāi)情的作用。此外這種功能可安裝在手機(jī)用戶端，火災(zāi)中的幸存者只需開啟手機(jī)GPS定位功能，消防員便可準(zhǔn)確、快速鎖定幸存者，及時(shí)采取救援措施，減少人員傷亡[6]。但是這種定位技術(shù)太過依賴基站的分布和基站信號(hào)的覆蓋范圍，不適用在山區(qū)、原始森林等偏遠(yuǎn)地區(qū)的滅火救援。

3.2 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在空氣呼吸器中的應(yīng)用

傳統(tǒng)滅火救援的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有導(dǎo)線型數(shù)據(jù)傳輸和對(duì)講機(jī)無線通信數(shù)據(jù)傳輸。導(dǎo)線型數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)可靠性會(huì)隨著傳輸距離的增大而降低，在實(shí)際滅火救援工作中風(fēng)險(xiǎn)比較大，不適合滅火救援工作。對(duì)講機(jī)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)需要消防員與指揮員進(jìn)行不定時(shí)對(duì)話溝通滅火救援工作各種情況，受噪音等外界環(huán)境的干擾比較大，這種技術(shù)不但不能實(shí)時(shí)監(jiān)控還會(huì)明顯降低救援人員的作戰(zhàn)效率，也不是滅火救援工作的最佳選擇[7]。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)滅火救援實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可滿足消防員在滅火救援工作中空氣呼吸器壓力數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。ZigBee是一種低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，它適用于自動(dòng)遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。在滅火救援工作中不僅降低設(shè)備成本，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，降低消防員的傷亡概率。因此，可在消防員以及其帶入火場(chǎng)中的空氣呼吸器中加裝壓力監(jiān)控裝置，利用壓力傳感器對(duì)消防員以及幸存者的空氣呼吸器的剩余氧氣進(jìn)行監(jiān)控，然后利用ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)主機(jī)輸送進(jìn)空氣呼吸器的報(bào)警裝置，實(shí)時(shí)監(jiān)控消防員的空氣呼吸器的剩余氧氣量，消防員可根據(jù)氧氣剩余量的監(jiān)控情況進(jìn)行滅火救援工作。一旦空氣呼吸器的氧氣將消耗殆盡時(shí)，快速撤離滅火救援現(xiàn)場(chǎng)更換新的空氣呼吸器后再開展滅火救援工作。這種技術(shù)的應(yīng)用，可有效減少消防員在滅火救援中的傷亡，確保消防員的生命安全。

4 消防機(jī)器人技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用

消防機(jī)器人最早誕生于20世紀(jì)80年代的日本，我國(guó)對(duì)消防機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)70年代，到90年代后才正式開始大規(guī)模的研發(fā)，當(dāng)時(shí)具有代表性的消防機(jī)器人是自行消防水炮。如今，我國(guó)的消防機(jī)器人已經(jīng)具有行走、跨越障礙、語音、爬坡以及滅火等功能，還可以在消防機(jī)器人中加裝各種傳感器以及GPS定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)情勘察、數(shù)據(jù)采集和精確定位、導(dǎo)航等功能。

4.1 消防機(jī)器人在滅火救援中應(yīng)用的優(yōu)缺點(diǎn)

在實(shí)際滅火救援工作中，消防機(jī)器人作為一種非生命載體可以進(jìn)入高溫、濃煙、有毒以及放射性等危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)，可以代替消防員進(jìn)行滅火救援工作，降低消防員的傷亡概率。目前我國(guó)消防機(jī)器人在設(shè)計(jì)上整合了智能化、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、通信等多種高新技術(shù)，使其具有數(shù)據(jù)采集、分析和反饋、使用滅火器滅火等多種功能。在滅火救援工作中可以自動(dòng)判斷火災(zāi)危險(xiǎn)源，明顯提高了救援工作效率。但需要注意的是，消防員需要對(duì)其進(jìn)行精心維護(hù)和保養(yǎng)，確保其可以長(zhǎng)期使用，以充分發(fā)揮其在滅火救援工作中的作用。

消防機(jī)器人在滅火救援中應(yīng)用的缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是制造成本高，研制出的產(chǎn)品比較少，市場(chǎng)價(jià)格昂貴；二是消防機(jī)器人的維護(hù)和保養(yǎng)比較復(fù)雜，對(duì)維保人員的專業(yè)要求高，維修和保養(yǎng)難度大。這些缺點(diǎn)明顯降低了其在滅火救援工作中的應(yīng)用普及率。

4.2 消防機(jī)器人在滅火救援中的實(shí)際應(yīng)用

在我國(guó)消防機(jī)器人主要被用于高層建筑、地下建筑、地鐵隧道以及石化企業(yè)等滅火救援的高危場(chǎng)所。在高層建筑中一旦發(fā)生火災(zāi)會(huì)迅速蔓延，會(huì)產(chǎn)生大量有毒濃煙，現(xiàn)場(chǎng)能見度低，消防人員難以接近高層著火點(diǎn)，而消防車舉高高度有限，不能滿足高層建筑的滅火救援要求。在這些情況下應(yīng)用消防機(jī)器人可以有效解決以上難題，明顯提高滅火救援的工作效率。在地下建筑中由于建筑封閉性比較大，一旦發(fā)生火災(zāi)，煙霧濃度和空氣溫度會(huì)迅猛上升，消防員和消防設(shè)備很難進(jìn)入開展滅火救援工作，應(yīng)用消防機(jī)器人可以解決以上難題，明顯降低消防人員在滅火救援中的傷亡風(fēng)險(xiǎn)。在地鐵隧道中應(yīng)用攀爬消防機(jī)器人，可以迅速、有效的滅火。石化企業(yè)等高危場(chǎng)所一旦發(fā)生火災(zāi)，不可避免會(huì)伴隨爆炸、有毒氣體大量釋放等現(xiàn)象，其引發(fā)的后續(xù)災(zāi)難無法想象。這種高危場(chǎng)所消防員很難接近著火點(diǎn)，利用消防機(jī)器人可有效實(shí)施滅火救援。

5 結(jié)束語

近年來我國(guó)各地火災(zāi)頻發(fā)，國(guó)家對(duì)高新技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用越來越重視。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，滅火救援應(yīng)用的數(shù)據(jù)技術(shù)有無人機(jī)勘察技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3D圖像傳輸技術(shù)等。此外還有消防機(jī)器人技術(shù)，但這種技術(shù)在我國(guó)尚不成熟在滅火救援中應(yīng)用還未普及。本文主要分析了無人機(jī)勘察技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和消防機(jī)器人技術(shù)在滅火救援中的應(yīng)用，目的是為大數(shù)據(jù)時(shí)代下的滅火救援工作提供有益參考。

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(責(zé)任編輯 陳 華)

Research on Applying Science and Technology Innovation to Firefighting and Rescue in the Era of Big Data

ZHANG Minghui

(JixiMunicipalFireBrigade,HeilongjiangProvince158100,China)

This paper not only analyzes the application of virtual technology to fire rescue simulation, the role of UAV technology in disaster investigation and data collection and fire-control command, the application of IOT GPS positioning technology to fire rescue, and the application of ZigBee data transmission technology to firefighting breathing apparatus in the era of big data, but also elaborates the advantages and disadvantages of the fire robot, and its application to the firefighting and rescue operations of high-risk places, such as high-rise buildings, underground buildings, subway tunnel and petrochemical storage, aiming at applying high technology to firefighting and rescue operations and improving the capacity and efficiency of firefighting and rescue operations.

firefighting and rescue; data collection; GPS positioning; reconnaissance

2017-01-18

張明輝(1977— )，男(滿族)，河北圍場(chǎng)人，工程師。

D631.6

A

1008-2077(2017)04-0032-04