呂昕

摘 要：使用SWOT法對多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行、混合現(xiàn)實(shí)、3D打印三種技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行分析，根據(jù)研究結(jié)果針對性提出拓展應(yīng)用建議，為火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域科技革新提供方向參考。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)調(diào)查，飛行控制，混合現(xiàn)實(shí)，3D打印

中圖分類號：X928.7

一、前言

當(dāng)下比較熱門的多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行、混合現(xiàn)實(shí)、3D打印等技術(shù)正處于創(chuàng)新發(fā)展的爆發(fā)期。在應(yīng)用領(lǐng)域取得的大量研究成果，開始影響部分行業(yè)的傳統(tǒng)運(yùn)行模式并帶來顛覆性變革，為從業(yè)人員帶來全新的思考邏輯。

他山之石可以攻玉，本文運(yùn)用SWOT分析法具體分析三種技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域應(yīng)用過程中面臨的優(yōu)勢、劣勢、機(jī)遇、威脅，論述不同技術(shù)的研究前景，為火災(zāi)調(diào)查科技革新提供方向參考。

二、運(yùn)用SWOT分析法對多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行技術(shù)的分析

多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行技術(shù)，簡稱CFF（Coordinated Formation Flight），是將具有自主控制能力的多架無人機(jī)按照預(yù)設(shè)的三維隊(duì)形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列，通過任務(wù)分配子系統(tǒng)實(shí)施協(xié)同飛行的一種飛行控制技術(shù)。多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行技術(shù)不僅能讓負(fù)責(zé)不同任務(wù)的多個無人機(jī)，在預(yù)先設(shè)計(jì)好的路線下協(xié)同完成信息收集。還可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整航線、更新任務(wù)，在保證安全性的前提下提高工作效率。

1.優(yōu)勢

火災(zāi)事故現(xiàn)場可供觀察分析的信息越多，調(diào)查的效率和準(zhǔn)確率就越高。在火災(zāi)調(diào)查的實(shí)際工作環(huán)境下，無人機(jī)編隊(duì)偵察相比調(diào)查員目視，擁有更全面、更立體的火場視野。除了傳統(tǒng)單個無人機(jī)提供的整體區(qū)域航拍，某些因建筑構(gòu)件倒塌變形而無法接近的位置，也可以利用編隊(duì)中的穿越無人機(jī)實(shí)現(xiàn)近距離、多角度觀察;無人機(jī)編隊(duì)相比單個飛行器工作效率更高。在任務(wù)分配子系統(tǒng)的規(guī)劃下，搭載不同設(shè)備的多個無人機(jī)可以在同一時(shí)間內(nèi)，對火災(zāi)現(xiàn)場不同立體區(qū)域的不同信息進(jìn)行針對性采集。此外，成熟的飛行控制系統(tǒng)可以減少甚至替代無人機(jī)駕駛員，達(dá)到節(jié)省人力的目的。

2.劣勢

火災(zāi)調(diào)查對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集大多集中在室內(nèi)，對無人機(jī)的懸停避障要求高。如果再兼顧拍攝、測量、分析等多種操作，則需要專門的分析算法和更為靈敏的傳感器。目前多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行技術(shù)的主流研究方向集中在戶外，其中非常關(guān)鍵的通信機(jī)制，由于較多使用集中式和分散式這兩種控制方式，故無法直接應(yīng)用于室內(nèi)飛行;此外，相比較駕駛員操作無人機(jī)，目前無人機(jī)的識別和飛行控制系統(tǒng)對于復(fù)雜火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)物體識別辨認(rèn)率低，特別是煙熏較重和金屬干擾較多的環(huán)境，易出現(xiàn)誤操作導(dǎo)致飛行器墜機(jī)損壞。

3.機(jī)遇

目前業(yè)界對無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)各模塊的研究分化程度很高，不同院校、機(jī)構(gòu)、企業(yè)都有自己的研究特色和深度。地質(zhì)災(zāi)害和公安已經(jīng)在適應(yīng)調(diào)查常場景的飛控應(yīng)用上探索多年，取得了不少成果。如果將這些成果和無人機(jī)編隊(duì)模塊進(jìn)行技術(shù)整合，可以大大縮短研究周期，快速建成適應(yīng)火災(zāi)調(diào)查需求的飛控系統(tǒng);此外，在飛控系統(tǒng)中引入5G通信模塊和帶學(xué)習(xí)功能的AI，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。搭載了這些技術(shù)的飛行控制系統(tǒng)可以將多種編隊(duì)控制算法和和通信機(jī)制相結(jié)合，縮小操控誤差，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)多障礙物情況下的正常飛行。

4.威脅

無人機(jī)編隊(duì)飛行控制系統(tǒng)各技術(shù)環(huán)節(jié)的研究人員屬于稀缺人材，對于眾多新興科技公司具有極強(qiáng)的吸引力。如果無法保證持續(xù)的研究投入和配套的政策扶持，可能會遇到人材、知識產(chǎn)權(quán)大量流失的威脅;此外，由于火災(zāi)現(xiàn)場特征的非重復(fù)性，多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行技術(shù)研究過程中許多測試場景會和實(shí)際火災(zāi)現(xiàn)場有明顯差距，可能會在應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)的初期遇到更多不可控問題，影響實(shí)用效果，并對后期技術(shù)的更新維護(hù)提出了更高要求。

5.SWOT分析表

優(yōu)勢S （strengths） 劣勢W （weaknesses）機(jī)遇O （opportunities） 技術(shù)的研究程度較為成熟，應(yīng)用在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域可以提升工作效率，應(yīng)用轉(zhuǎn)化具備可操作性 技術(shù)的發(fā)展方向剛好涵蓋應(yīng)用轉(zhuǎn)化過程中面對的缺陷和挑戰(zhàn)威脅T （threats） 火災(zāi)調(diào)查科技領(lǐng)域目前對技術(shù)的投入和政策待遇難以維持相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)和人才的持續(xù)研究 高昂的研究投入將一定程度影響研究周期，且實(shí)戰(zhàn)后更新維護(hù)面臨的問題較多

三、運(yùn)用SWOT分析法對混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分析

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Mix Reality，簡稱“MR”），是合并現(xiàn)實(shí)和數(shù)字虛擬世界的一種可視化環(huán)境交互方式。相比較虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，簡稱“VR”），在MR的環(huán)境里，虛擬環(huán)境的感受與真實(shí)世界差別不大，且真實(shí)的物理對象和數(shù)字模擬圖像可以共存并實(shí)施互動。

1.優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)必須由調(diào)查員親自到現(xiàn)場進(jìn)行勘察的工作模式。借助混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，火災(zāi)現(xiàn)場的聲音、溫度、氣味、光線以及各類火場物體的外形、材質(zhì)、顏色等信息都將實(shí)時(shí)傳輸?shù)接脩舳擞糜趶?fù)原虛擬現(xiàn)場。位于不同區(qū)域的調(diào)查員只需穿戴可視化設(shè)備就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程多人共同勘驗(yàn)同一現(xiàn)場;而且通過人機(jī)交互系統(tǒng)，調(diào)查員還可在虛擬的數(shù)字火場中進(jìn)行多種實(shí)景交互，在不破壞火場原貌的情況下完成多種操作，包括：修復(fù)燒損物體、疊加輔助標(biāo)識、分析鑒定痕跡等。再配合FDS、FLACS等軟件實(shí)景模擬不同參數(shù)下火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程，比對現(xiàn)場實(shí)際痕跡，可以為最終確定起火原因提供更多決策輔助。

2.劣勢

MR技術(shù)的應(yīng)用，需要多類型傳感器檢測、高速數(shù)據(jù)傳輸處理、復(fù)雜環(huán)境復(fù)原算法等技術(shù)的支撐。目前比較成熟MR產(chǎn)品只有微軟公司的Hololens，曾經(jīng)大火的谷歌眼鏡也在諸多技術(shù)問題無法解決的情況下慘淡收場。所以制約MR技術(shù)與火災(zāi)調(diào)查融合的關(guān)鍵難點(diǎn)是多種技術(shù)的有機(jī)整合。但目前整合技術(shù)面臨資金投入大、研究周期長、成果產(chǎn)出比低等問題。這對于科研資源相對匱乏的消防火調(diào)領(lǐng)域，是難以承擔(dān)的研究成本。而且當(dāng)前火調(diào)科研領(lǐng)域能為相關(guān)技術(shù)人員的提供的政策和平臺還不成熟，較難吸引掌握成熟技術(shù)的團(tuán)隊(duì)和人才加入。

3.機(jī)遇

在接受度方面，各調(diào)查領(lǐng)域均對人機(jī)交互技術(shù)抱有極大興趣，渴望不再局限于簡單的VR授課培訓(xùn)，而是直接使用MR來實(shí)現(xiàn)實(shí)景互動，開辟一種全新的調(diào)查方式。上海公安刑偵目前正在研發(fā)一套刑事案件現(xiàn)場還原系統(tǒng)，工作原理就是利用MR來實(shí)施遠(yuǎn)程偵察和分析，輔助指導(dǎo)現(xiàn)場刑警破案。雖然該產(chǎn)品本身還存在諸多不成熟，但他們在數(shù)據(jù)采集和環(huán)境建模等方面已經(jīng)取得了不少研究成果，對于開發(fā)火災(zāi)調(diào)查相關(guān)MR有非常強(qiáng)的借鑒意義;在技術(shù)研究方面，MR屬于熱門研究領(lǐng)域，微軟、谷歌、蘋果、高通等世界超一流公司和頂尖科研院校都有專門的團(tuán)隊(duì)開展研究。特別是知名產(chǎn)品創(chuàng)業(yè)公司Magic Leap，在2018年8月開放MR技術(shù)場景訂購，讓更多對MR有興趣的行業(yè)和個人有機(jī)會參與到這一技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)中;此外，5G傳輸、量子計(jì)算等技術(shù)也在不斷升級完善，一系列視覺、聽覺、觸覺、體感甚至嗅覺傳感器的突破性研究也都將推動MR技術(shù)快速完成自我升級、拓展接入端口、降低應(yīng)用成本，最終實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

4.威脅

MR應(yīng)用在調(diào)查領(lǐng)域所面臨的最大的威脅來自于：使用此類調(diào)查方法取得的相關(guān)數(shù)據(jù)能否被認(rèn)定為有法律效力的證據(jù)，并用于民事和刑事訴訟當(dāng)中。目前我國僅在《刑事訴訟法》中把電子證據(jù)和試聽材料放在一起，并稱為一個證據(jù)類型。而《民事訴訟法》雖將電子數(shù)據(jù)單列出一個證據(jù)種類，但對于電子證據(jù)的證明力和可采性沒有非常清晰的指導(dǎo)意見，而MR這種帶有一定數(shù)據(jù)加工的調(diào)查數(shù)據(jù)在目前的司法體系下，較難取得直接采信。此外，界定MR對現(xiàn)場的還原是否準(zhǔn)確、數(shù)據(jù)傳輸過程中是否存在遺漏等問題也都需要相關(guān)行業(yè)出臺配套的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。

5.SWOT分析表

優(yōu)勢S （strengths） 劣勢W （weaknesses）

機(jī)遇O （opportunities） 引入MR將徹底顛覆火災(zāi)調(diào)查的工作模式，開創(chuàng)全新的調(diào)查思路和理念 多項(xiàng)技術(shù)的快速發(fā)展將拓展MR應(yīng)用場景的適應(yīng)面，便于與火災(zāi)調(diào)查實(shí)現(xiàn)融合

威脅T （threats） 如果沒有取得司法認(rèn)可，MR在火災(zāi)調(diào)查應(yīng)用僅能起到提升模擬實(shí)驗(yàn)真實(shí)度的效果 火災(zāi)調(diào)查科技研發(fā)單位難以承擔(dān)高昂的研究投入和較低的研究產(chǎn)出

四、運(yùn)用SWOT分析法對火場3D打印技術(shù)的分析

3D打印技術(shù)（3Dprinting，簡稱“3DP”）即快速成型技術(shù)的一種，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用金屬粉末、塑料、尼龍等可粘合材料，通過專門噴頭打印機(jī)逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。目前3DP已經(jīng)在設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育、等多種領(lǐng)域應(yīng)用。

1.優(yōu)勢

火場3D打印技術(shù)是集成了數(shù)據(jù)掃描采集、即時(shí)建模、多材質(zhì)打印三種功能的復(fù)原技術(shù)，是在調(diào)查現(xiàn)場快速建造等比例模型的有效方法。此項(xiàng)技術(shù)的打印范圍很廣，既涵蓋整個火災(zāi)現(xiàn)場的立體部局，也包括單一物體的外表特征。由于依托數(shù)據(jù)掃描和AI建模，該項(xiàng)復(fù)原技術(shù)簡化了拍照、畫圖、手動建模、傳輸打印等傳統(tǒng)現(xiàn)場復(fù)原流程，縮短了建模打印時(shí)間，讓調(diào)查過程甚至滅火過程中恢復(fù)災(zāi)害現(xiàn)場成為可能。

2.劣勢

目前3D打印設(shè)備大多為單一噴頭，無法實(shí)現(xiàn)多材質(zhì)混合打印，且耗材價(jià)格昂貴，造成打印成本過高。同時(shí)火災(zāi)現(xiàn)場的破損物受高溫影響，理化性質(zhì)發(fā)生變化，直接打印必然造成誤差過大，影響復(fù)原程度。此外，3D打印仍有一定的技術(shù)門檻和操作要求，非專業(yè)人士無法直接上手使用，對技術(shù)的應(yīng)用普及有一定影響。

3.機(jī)遇

3D打印技術(shù)經(jīng)過30多年的發(fā)展應(yīng)用，目前已實(shí)現(xiàn)較為成熟的拓展接口和豐富的市場供給。特別是部分3D打印技術(shù)公司近年來開始承接醫(yī)療、建設(shè)、考古等領(lǐng)域的實(shí)物復(fù)原業(yè)務(wù)，累積了較多關(guān)于破碎、損壞、變形物體的精確化復(fù)原經(jīng)驗(yàn)。此外，國家工業(yè)和信息化部專門制定了《3D打印技術(shù)發(fā)展路線圖》和《國家增材制造發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》，明確了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向和政策扶持。在此契機(jī)下，無數(shù)3D打印創(chuàng)業(yè)者急需尋找合作單位開展應(yīng)用業(yè)務(wù)。而火災(zāi)調(diào)查正好可以充當(dāng)載體，嘗試通過技術(shù)合作來研發(fā)火場3D打印技術(shù)，并在短時(shí)間內(nèi)取得突破性發(fā)展。

4.威脅

3D打印市場雖然正在興起，但由于時(shí)間積淀不足，造成從業(yè)公司質(zhì)量良莠不齊。有些公司提供的服務(wù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到市場化的程度，更不用說能適應(yīng)消防火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域特殊需求的對口技術(shù)了。同時(shí)，由于國內(nèi)3D打印行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，缺少法令條例和規(guī)定要求，可能會在技術(shù)研發(fā)過程中遇到知識產(chǎn)權(quán)、標(biāo)準(zhǔn)界定等問題，帶來未知的研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

5.SWOT分析表

優(yōu)勢S （strengths） 劣勢W （weaknesses）

機(jī)遇O （opportunities） 技術(shù)發(fā)展成熟，市場服務(wù)選擇面廣，可以直接實(shí)施成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，研發(fā)周期短 在技術(shù)發(fā)展和國家扶持下，研究成本的持續(xù)下降會讓產(chǎn)品的使用成本下降

威脅T （threats） 國家對行業(yè)的發(fā)展規(guī)劃可以有效降低技術(shù)研發(fā)過程中遇到的風(fēng)險(xiǎn) 技術(shù)服務(wù)商水平參差不齊，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不夠統(tǒng)一，成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用過程中可能遇到市場風(fēng)險(xiǎn)

五、結(jié)論與建議

1.結(jié)論

（1）無人機(jī)編隊(duì)飛控技術(shù)的應(yīng)用前景

無人機(jī)編隊(duì)飛控技術(shù)的優(yōu)勢大于劣勢，面臨的機(jī)遇與威脅接近，技術(shù)與火災(zāi)調(diào)查的融合度較高，說明無人機(jī)編隊(duì)飛控技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域具備一定的發(fā)展?jié)摿εc活力，前景明朗。

（2）混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用前景

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢與劣勢接近，面臨的機(jī)遇遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于威脅，技術(shù)與火災(zāi)調(diào)查的融合度偏低，說明混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域具備研究潛力，前景廣闊。

（3）3D打印技術(shù)的應(yīng)用前景

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢遠(yuǎn)超劣勢，面臨的機(jī)遇大于威脅，技術(shù)與火災(zāi)調(diào)查的融合度偏低，說明3D打印技術(shù)在火災(zāi)調(diào)查領(lǐng)域具備較高的發(fā)展?jié)摿?，成果轉(zhuǎn)化率高、可實(shí)施性強(qiáng)。

2.研究建議

從火災(zāi)調(diào)查學(xué)科長期發(fā)展的趨勢看，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)更具有變革性，技術(shù)能最終實(shí)現(xiàn)的是改變調(diào)查勘驗(yàn)方式的跨越式發(fā)展，也是次時(shí)代智能輔助與調(diào)查勘驗(yàn)的融合的必然趨勢。但由于該項(xiàng)技術(shù)投入的成本過大、周期過長，當(dāng)前應(yīng)可優(yōu)先在理論層面研究交互方式與調(diào)查過程的關(guān)系，拓展空間識別、火場復(fù)原、數(shù)據(jù)采集等技術(shù)的延伸方式，整合優(yōu)化疊加技術(shù)，傳輸技術(shù)、處理技術(shù)，通過成體系的理論基礎(chǔ)引導(dǎo)技術(shù)不斷向成熟發(fā)展。

無人機(jī)編隊(duì)飛控技術(shù)的實(shí)用性很強(qiáng)，而且已經(jīng)有近似成果供參考，研究路徑相對清晰。當(dāng)前的研究方向主要是串聯(lián)整合各類技術(shù)資源，完成系統(tǒng)搭建。同時(shí)積極借鑒穿梭機(jī)的飛行模式和圖形識別算法，研制出適應(yīng)多障礙、多干擾環(huán)境下的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，完善飛行器的識別、穩(wěn)定、規(guī)劃能力，在短期內(nèi)完成原型機(jī)的設(shè)計(jì)和使用，不斷更新技術(shù)。

3D打印技術(shù)的服務(wù)市場目前較為成熟，可以充分借助服務(wù)供應(yīng)商的成型平臺搭建針對性需求，諸如在耗材上解決混合打印問題、在設(shè)備上解決噴頭快速更換問題，在模型切片上解決支撐合理性問題。此外，還要重點(diǎn)研究火場物證經(jīng)受高溫火燒后，如何設(shè)置修正參數(shù)和修復(fù)曲線，需要建立科學(xué)的計(jì)算公式和驗(yàn)證模型。

火災(zāi)調(diào)查是一門綜合學(xué)科，除了要在痕跡、證據(jù)、燃燒動力學(xué)科不斷深入發(fā)展，還需要積極跨界開展交叉研究，三種新技術(shù)的應(yīng)用拓展只是火災(zāi)調(diào)查發(fā)展過程中的一個技術(shù)分支，未來還會有更多新的突破推進(jìn)學(xué)科完成蛻變升級。

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（青浦區(qū)消防救援支隊(duì) 上海 201700）