朱國慶（中國礦業(yè)大學）

以消防安全重點單位為研究對象，為解決火場信息缺失、災害信息探測手段不足、指揮決策缺少科學依據等問題，采用無人機三維GIS建模、火災動力學模型和應急救援理論等先進技術及理論構建了三維智慧消防應急救援平臺，為推動智慧消防的發(fā)展探索路徑。

隨著經濟的快速增長，越來越多的大型公共建筑、大型廠庫房、大型石化企業(yè)等高火災危險建筑出現在城市或城市周邊，增大了城市的安全風險。2015年的8.12天津港火災爆炸事故共造成165人遇難、8人失蹤、798人受傷，304幢建筑物、12428輛商品汽車、7533個集裝箱受損或損壞，已核定直接經濟損失68.66億元。因此，及時準確地掌握起火單位基本信息，科學有效地預測火災發(fā)展趨勢，提出有針對性的、科學的滅火作戰(zhàn)方案是降低城市火災等突發(fā)事故人員傷亡及經濟損失的關鍵。

目前，部分消防隊伍已經裝備一些數字化消防作戰(zhàn)指揮工具，但使用功能和應用場景仍多基于二維GIS信息系統(tǒng)，缺少人、車、裝備及火災的相互信息交互，存在作戰(zhàn)部署與力量調度不通暢等問題?；诖耍P者就消防信息集成與精準作戰(zhàn)指揮的發(fā)展趨勢提出：未來智慧消防作戰(zhàn)指揮平臺應體現4個發(fā)展趨勢。

（1）基于三維GIS地理信息系統(tǒng)構建消防作戰(zhàn)指揮平臺。隨著全國各地智慧城市的試點建設，特別是基于多旋翼無人機三維建模技術的高效化和低成本化，越來越多的三維建筑信息出現在城市地理信息平臺中。因此，基于GIS三維地理系統(tǒng)的消防作戰(zhàn)指揮平臺也就成為未來的一個基本趨勢。消防重點單位可以更加直觀地展示與量測，傳統(tǒng)的紙質消防作戰(zhàn)圖紙也將被替代。

基于無人機三維建模技術的城市三維模型。

（2）起火單位信息的高度集成與快速三維展現。隨著物聯網技術的發(fā)展與成熟，未來消防救援平臺應能夠實時展示起火單位的基本信息。以某油庫為例，未來消防救援平臺應能夠實現對單位基本信息、消防圖樣、巡更記錄、電動消防泵（柴油消防泵）、泡沫罐、消防水箱、消火栓等關鍵消防信息的高度集成和可視化快速展示。

（3）可視化地精準作戰(zhàn)指揮。未來消防指揮平臺應該是三維可視化的作戰(zhàn)平臺（或三維電子沙盤），決策者可以實時獲取救援車輛與救援人員的狀態(tài)信息與實時位置，準確獲取災害現場的災情信息。決策者可以根據災害現場的信息反饋，及時做出相應的作戰(zhàn)部署。與此同時，決策者也可以在平臺非常方便地進行三維電子沙盤推演，平臺能夠根據火災的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，并結合數學模型的算法，提前推演出災害演化過程，以此指導消防作戰(zhàn)。

（4）快速遠程輔助決策指揮系統(tǒng)。未來消防作戰(zhàn)指揮平臺應具有快速遠程輔助決策指揮功能，以應對我國各地出現越來越多的重特大火災危險源。例如城市中大型的石化企業(yè)、大型油庫、大型商業(yè)綜合體、大型倉儲物流建筑和眾多高層、超高層建筑等。上級消防機構或者滅火指揮專家能夠快速地了解并推測災害演化進程，遠程與現場人員實現有效互動，準確做出決策指導，以此提高救援的科學性。

基于無人機的三維GIS智慧消防應急救援平臺系統(tǒng)構成。

設計思路與關鍵技術

總體思路及系統(tǒng)構成

以消防安全重點單位為研究對象，為解決火場信息缺失、災害信息探測手段不足、指揮決策缺少科學依據等問題。筆者的團隊根據無人機三維GIS建模技術、火災動力學模型、應急救援理論等先進技術及理論，開發(fā)出一套三維智慧消防應急救援系統(tǒng)。開發(fā)的總體思路如下：

（1）實現災前預案的數字化與可推演。采用無人機建立消防安全重點單位的三維模型，并加入人、車、裝備等可控三維封裝模型。利用三維封裝模型，實現滅火戰(zhàn)術的沙盤推演，并形成動態(tài)的救援預案。

（2）構建災害現場實時監(jiān)測系統(tǒng)。實現消防控制室實時監(jiān)測信息的對接，包括視頻監(jiān)控信息、火災聯動報警信息、水滅火系統(tǒng)裝備信息；實現無人機采集災情信息的實時傳輸，包括火場的溫度場信息、有毒有害氣體濃度分布信息等。

（3）開發(fā)三維火災模型，實現作戰(zhàn)力量的智能部署。開發(fā)三維虛擬火災模型，并將其反映在三維地圖中。在此基礎上，融合消防作戰(zhàn)理論，控制人、車模型進行排兵布陣，實現作戰(zhàn)力量的智能部署。

依據上述思路，提出了基于無人機的三維GIS智慧消防應急救援平臺。

該系統(tǒng)的設計原理如下：

（1）無人機搭載傾斜相機對大型建（構）筑物進行高清拍攝，利用三維GIS建模技術生成平臺可調用的三維模型基本圖層文件。對圖層文件加以3D引擎驅動，實現三維模型在軟件中的三維漫游。

（2）設計人車三維封裝模塊嵌入系統(tǒng)，實時接收位置信息與狀態(tài)信息，并做到對于人、車、裝備的實時調度部署。

（3）無人機搭載有毒有害氣體分析儀與三光吊艙，對地面災害現場進行信息采集，通過4G網絡實時傳輸到地面服務器。

（4）應急救援平臺對接事故現場消防控制室信息，實現對災害現場視頻監(jiān)控信息、聯動報警信息、主動滅火設備信息等消防物聯網信息的實時接收。

（5）優(yōu)化火災理論模型，劃定危險區(qū)域，并且實現火災理論模型在平臺中的三維展示。系統(tǒng)內嵌火災救援理論，依據所劃定危險區(qū)域，科學化部署救援力量，輔助制定救援決策。

無人機搭載傾斜相機工作示意圖。

（6）開發(fā)沙盤推演與預案演練功能模塊，反復打磨應急救援預案。既可輔助戰(zhàn)時指揮，也可用作常時訓練。

關鍵技術

（1）無人機三維GIS建模技術

無人機搭載多角度的傾斜相機和定位定向系統(tǒng)（POS），獲取地面影像信息。傾斜相機在指定點拍攝，可以一次性獲取一個正射影像和4個傾斜影像。定位定向系統(tǒng)則記錄5個相機快門觸發(fā)時無人機的GPS和高度信息，并與影像進行自動匹配。

拍攝航線設計：在航線設計軟件生成的飛行計劃文件中，包含飛行路線、各相機的曝光點位置坐標。在無人機實際飛行的過程中，各相機會自動根據對應的曝光點坐標進行曝光拍攝。

多視影像匹配：將傾斜攝影相機所獲得的高清圖片導入至Smart 3D中，軟件在多張傾斜影像上獲取同名點坐標。然后利用這些同名點坐標根據前方交會原理進而獲取地面上地物點的三維位置信息。

三維模型基本圖層生成：高清圖像的拼接采用表面紋理映射原理。利用提取后的紋理對建筑模型進行貼圖，生成三維模型基本圖層。

三維模型3D漫游：利用3D引擎對生成的三維模型基本圖層進行驅動，實現三維模型在虛擬環(huán)境下的3D漫游和距離等查詢功能。

（2）消防三維封裝模型與碰撞檢測

消防三維封裝模型由3D Max 軟件制作，將多種消防三維模型導入應急救援軟件，進行調用和操作。

（上）GIS三維模型建立流程圖。

（下）災害現場數據采集技術路線。

表1 氣體分析模塊技術指標表

為了使可移動和可操作的三維封裝模型與建（構）筑物三維地圖進行良好的交互行為，系統(tǒng)需要對模型對象間的碰撞進行及時檢測，以避免發(fā)生穿透現象等不真實的現象，保證虛擬環(huán)境的真實感和用戶的體驗感。

（3）災害現場數據采集

由無人機搭載三光吊艙、氣體分析儀等模塊在空中檢測與采集數據。三光吊艙能夠采集晝夜間影像信息，監(jiān)測火場溫度；氣體分析儀可對火場煙氣或泄漏氣體實時監(jiān)測。采集到的火場數據實時傳輸至所研發(fā)的智慧消防應急救援平臺，預判災害的蔓延趨勢，為確定災害危險區(qū)域提供基礎資料，為高效救災、指揮人員疏散等提供科學的指導依據。

無人機（六軸飛行器）主要由飛機機體、飛控系統(tǒng)、數據鏈系統(tǒng)、發(fā)射回收系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分構成。其動力由六個旋翼式的飛行引擎提供，可進行垂直運動、俯仰運動、滾轉運動、偏航運動等。

火場氣體的探測依賴于氣體分析儀及其傳輸系統(tǒng)。通過使用無人機攜帶氣體檢測儀，采用無線輸出技術，解決了消防員無法進入現場實地勘測的問題；通過機載GPS模塊可實時傳輸相應地理位置的氣體濃度數據，使無人機可以快速地對現場數據進行采集，提高了采集效率；多組分氣體分析儀包含多組分氣體傳感器，可同時監(jiān)測6種不同類型的氣體，且傳感器的響應速度快，可以提高采集頻率，完善現場數據，提高危險區(qū)域的測量精度。

氣體分析模塊技術指標如表1所示。氣體傳感器產生與目標氣體濃度成正比的電信號。電信號為一串加有通信協(xié)議的二進制數字，不同傳感器的通信協(xié)議不同。

氣體分析軟件將數據編譯成濃度信息，并將濃度信息實時反映在系統(tǒng)操作界面中。

三光吊艙是集成高清數字攝像頭、夜視鏡頭、紅外鏡頭為一體的圖像采集裝置。該高清數字攝像儀可實現20倍光學變焦，滿足晝夜不同光線條件下的拍攝任務，并可利用紅外熱像機芯精確測量物體溫度，捕捉顯示畫面中溫度最高點，實時測繪出火災現場溫度場信息。三光吊艙同時提供俯仰和旋轉的全角度控制，水平橫滾自穩(wěn)模式，方便多方位的圖像采集。

（4）三維虛擬火災模型的開發(fā)

以石油庫為例研究三維虛擬火災模型的開發(fā)。石油儲罐一旦發(fā)生火災，火焰產生的熱通量會直接影響到周圍儲罐，極易導致火勢的蔓延，也給救援人員和設備的安全帶來威脅。油池火火焰的熱通量主要分為對流熱通量與輻射熱通量，隨著池火半徑的增大，火焰熱通量中的輻射通量逐漸占據主導地位。因此，從工程應用的角度分析，選擇火焰熱輻射模型作為劃定油庫火災危險區(qū)域的理論基礎能夠保證工程上需要的精度。

根據火災理論模型的選定，筆者所在團隊將火災理論模型編寫成程序。

（5）消防作戰(zhàn)力量智能部署的設計

仍以石油庫為例研究消防作戰(zhàn)力量智能部署設計。依據已確定的危險區(qū)域范圍，可分別計算出撲滅油罐火災所需泡沫消防車和油罐冷卻所需泡沫消防車數量，從而更加合理地調配救援力量，以滿足滅火救援的需要。

三維智慧消防應急救援平臺開發(fā)

筆者所在團隊開發(fā)了一種三維智慧消防應急救援平臺，能夠在三維的視角下很好的解決救援力量調度困難、災情偵測不足、輔助決策手段匱乏等問題。平臺關鍵功能模塊主要有接警模塊、出警模塊以及救援模塊。

（上）作戰(zhàn)力量部署示意圖。

（中）資料調取處理流程。

（下）調度方案生成流程。

接警模塊

（1）定位火警地點，快速調取火情單位基本資料

三維GIS系統(tǒng)快速定位火警發(fā)生地點坐標，點擊地點坐標，隨即向服務器發(fā)送調取消防安全重點單位資料的命令。遠程服務器向客戶端發(fā)送數據，通過算法解碼展現在軟件界面內。平臺將消防安全重點單位劃分為：人員密集類、石油化工類、高層建筑類以及其他類，幫助救援人員能夠快速查詢到發(fā)生災情的消防安全重點單位的類別。確定災情單位后，客戶端通過局域網向數據庫服務器調取單位基本情況信息和消防基本信息。

（2）調度周邊消防力量

進入救援力量模塊，客戶端向服務器發(fā)送請求命令。服務器接收到命令后，向外部中隊管理系統(tǒng)調取信息，包括車輛狀態(tài)和人員狀態(tài)。根據系統(tǒng)事先確定的災情單位屬性，服務器后臺經計算確定調度方案，并通過前臺展現。

出警模塊

（1）實時規(guī)劃救援路線

確定調度方案之后，指戰(zhàn)員點擊進入作戰(zhàn)指揮功能模塊。系統(tǒng)會自動向公共網絡地圖服務器發(fā)出調用請求，借助現有外網地圖軟件去規(guī)劃救援路徑，并反映在平臺界面，單獨形成小窗口顯示。

（2）調取現場實時信息

前往火場途中，指戰(zhàn)員點擊火場信息捕集功能模塊。平臺向服務器發(fā)出調取請求，服務器連接火場單位消防控制室消息，將包括視頻信息、消防聯動信息等在內的消防物聯網信息解碼傳輸至應急救援系統(tǒng)平臺前端。另一路連接無人機地面站，調取地面站信息包括集成視頻信息、多組分氣體濃度數據。

救援模塊

（1）現場測量

在平臺界面點擊測量分析功能模塊。光標變成測量模式，在GIS平臺上選中測量基點。平臺后臺讀取點坐標，調用空間測量算法，計算結果在前臺顯示。

（上）實時規(guī)劃救援路線。

（中上）現場精確分析。

（中下）沙盤推演。

（下）預案演練流程。

（2）沙盤推演

點擊沙盤推演模塊，平臺界面上顯示多種三維封裝模型按鈕，包括指揮部、消防員、火焰、消防車等。點擊某個三維模塊按鈕，觸發(fā)命令，在平臺后臺調用預設的三維封裝模型。光標在GIS平臺上點擊某點作為三維模型的位置，觸發(fā)矢量模型在GIS平臺上加載的命令，光標選中點即為加載模型基點。矢量模型加載的同時，客戶端向服務器調用三維封裝模型狀態(tài)信息，并在窗口顯示。

（3）預案演練

預案演練是對整個操作系統(tǒng)的管理，功能模塊主要包括錄制開始、錄制結束、錄制暫停、預案回放等按鈕。點擊錄制開始，系統(tǒng)自動生成時間軸。指戰(zhàn)員可以在平臺中正常操作，時間軸記錄操作的每一條命令信息并存儲。操作完成后點擊錄制結束，時間軸隨即暫停。

總結

(1) 針對國家的消防應急救援現狀和消防信息化、智能化的重大需求，采用無人機三維建模技術設計并開發(fā)一種適用于消防安全重點單位的三維智慧消防應急救援平臺，以實現建（構）筑物信息的及時獲取，火場信息的實時監(jiān)測及救援決策的科學性，致力于提高消防隊的應急救援能力。

(2) 應用三維GIS建模技術，實現消防安全重點單位建（構）筑物及其周邊環(huán)境的三維可視化，同時設計了三維封裝模型，實現可視化的力量部署，沙盤演練，制作數字化救援預案等功能。

(3) 集成創(chuàng)新了多功能消防無人機搭載多功能模塊，實現多種火場信息的實時監(jiān)測，可繪制火災溫度場和有毒有害氣體濃度曲線。

(4) 實現在三維地圖上劃分危險區(qū)域，為救援力量的部署和人員疏散提供科學指導。

(5) 本系統(tǒng)可接入當前國家正在大力試點的智慧城市平臺，結合消防員、消防車、消防裝備和單位相關設備的物聯網化，可實現智慧消防的初步功能，有助于消防部隊戰(zhàn)斗力的提升。 ■