基于无人机的三维GIS智慧消防应急救援平台研究

2017-07-04朱国庆中国矿业大学

无人机 2017年11期

朱国庆（中国矿业大学）

以消防安全重点单位为研究对象，为解决火场信息缺失、灾害信息探测手段不足、指挥决策缺少科学依据等问题，采用无人机三维GIS建模、火灾动力学模型和应急救援理论等先进技术及理论构建了三维智慧消防应急救援平台，为推动智慧消防的发展探索路径。

随着经济的快速增长，越来越多的大型公共建筑、大型厂库房、大型石化企业等高火灾危险建筑出现在城市或城市周边，增大了城市的安全风险。2015年的8.12天津港火灾爆炸事故共造成165人遇难、8人失踪、798人受伤，304幢建筑物、12428辆商品汽车、7533个集装箱受损或损坏，已核定直接经济损失68.66亿元。因此，及时准确地掌握起火单位基本信息，科学有效地预测火灾发展趋势，提出有针对性的、科学的灭火作战方案是降低城市火灾等突发事故人员伤亡及经济损失的关键。

目前，部分消防队伍已经装备一些数字化消防作战指挥工具，但使用功能和应用场景仍多基于二维GIS信息系统，缺少人、车、装备及火灾的相互信息交互，存在作战部署与力量调度不通畅等问题。基于此，笔者就消防信息集成与精准作战指挥的发展趋势提出：未来智慧消防作战指挥平台应体现4个发展趋势。

（1）基于三维GIS地理信息系统构建消防作战指挥平台。随着全国各地智慧城市的试点建设，特别是基于多旋翼无人机三维建模技术的高效化和低成本化，越来越多的三维建筑信息出现在城市地理信息平台中。因此，基于GIS三维地理系统的消防作战指挥平台也就成为未来的一个基本趋势。消防重点单位可以更加直观地展示与量测，传统的纸质消防作战图纸也将被替代。

基于无人机三维建模技术的城市三维模型。

（2）起火单位信息的高度集成与快速三维展现。随着物联网技术的发展与成熟，未来消防救援平台应能够实时展示起火单位的基本信息。以某油库为例，未来消防救援平台应能够实现对单位基本信息、消防图样、巡更记录、电动消防泵（柴油消防泵）、泡沫罐、消防水箱、消火栓等关键消防信息的高度集成和可视化快速展示。

（3）可视化地精准作战指挥。未来消防指挥平台应该是三维可视化的作战平台（或三维电子沙盘），决策者可以实时获取救援车辆与救援人员的状态信息与实时位置，准确获取灾害现场的灾情信息。决策者可以根据灾害现场的信息反馈，及时做出相应的作战部署。与此同时，决策者也可以在平台非常方便地进行三维电子沙盘推演，平台能够根据火灾的发生、发展规律，并结合数学模型的算法，提前推演出灾害演化过程，以此指导消防作战。

（4）快速远程辅助决策指挥系统。未来消防作战指挥平台应具有快速远程辅助决策指挥功能，以应对我国各地出现越来越多的重特大火灾危险源。例如城市中大型的石化企业、大型油库、大型商业综合体、大型仓储物流建筑和众多高层、超高层建筑等。上级消防机构或者灭火指挥专家能够快速地了解并推测灾害演化进程，远程与现场人员实现有效互动，准确做出决策指导，以此提高救援的科学性。

基于无人机的三维GIS智慧消防应急救援平台系统构成。

设计思路与关键技术

总体思路及系统构成

以消防安全重点单位为研究对象，为解决火场信息缺失、灾害信息探测手段不足、指挥决策缺少科学依据等问题。笔者的团队根据无人机三维GIS建模技术、火灾动力学模型、应急救援理论等先进技术及理论，开发出一套三维智慧消防应急救援系统。开发的总体思路如下：

（1）实现灾前预案的数字化与可推演。采用无人机建立消防安全重点单位的三维模型，并加入人、车、装备等可控三维封装模型。利用三维封装模型，实现灭火战术的沙盘推演，并形成动态的救援预案。

（2）构建灾害现场实时监测系统。实现消防控制室实时监测信息的对接，包括视频监控信息、火灾联动报警信息、水灭火系统装备信息；实现无人机采集灾情信息的实时传输，包括火场的温度场信息、有毒有害气体浓度分布信息等。

（3）开发三维火灾模型，实现作战力量的智能部署。开发三维虚拟火灾模型，并将其反映在三维地图中。在此基础上，融合消防作战理论，控制人、车模型进行排兵布阵，实现作战力量的智能部署。

依据上述思路，提出了基于无人机的三维GIS智慧消防应急救援平台。

该系统的设计原理如下：

（1）无人机搭载倾斜相机对大型建（构）筑物进行高清拍摄，利用三维GIS建模技术生成平台可调用的三维模型基本图层文件。对图层文件加以3D引擎驱动，实现三维模型在软件中的三维漫游。

（2）设计人车三维封装模块嵌入系统，实时接收位置信息与状态信息，并做到对于人、车、装备的实时调度部署。

（3）无人机搭载有毒有害气体分析仪与三光吊舱，对地面灾害现场进行信息采集，通过4G网络实时传输到地面服务器。

（4）应急救援平台对接事故现场消防控制室信息，实现对灾害现场视频监控信息、联动报警信息、主动灭火设备信息等消防物联网信息的实时接收。

（5）优化火灾理论模型，划定危险区域，并且实现火灾理论模型在平台中的三维展示。系统内嵌火灾救援理论，依据所划定危险区域，科学化部署救援力量，辅助制定救援决策。

无人机搭载倾斜相机工作示意图。

（6）开发沙盘推演与预案演练功能模块，反复打磨应急救援预案。既可辅助战时指挥，也可用作常时训练。

关键技术

（1）无人机三维GIS建模技术

无人机搭载多角度的倾斜相机和定位定向系统（POS），获取地面影像信息。倾斜相机在指定点拍摄，可以一次性获取一个正射影像和4个倾斜影像。定位定向系统则记录5个相机快门触发时无人机的GPS和高度信息，并与影像进行自动匹配。

拍摄航线设计：在航线设计软件生成的飞行计划文件中，包含飞行路线、各相机的曝光点位置坐标。在无人机实际飞行的过程中，各相机会自动根据对应的曝光点坐标进行曝光拍摄。

多视影像匹配：将倾斜摄影相机所获得的高清图片导入至Smart 3D中，软件在多张倾斜影像上获取同名点坐标。然后利用这些同名点坐标根据前方交会原理进而获取地面上地物点的三维位置信息。

三维模型基本图层生成：高清图像的拼接采用表面纹理映射原理。利用提取后的纹理对建筑模型进行贴图，生成三维模型基本图层。

三维模型3D漫游：利用3D引擎对生成的三维模型基本图层进行驱动，实现三维模型在虚拟环境下的3D漫游和距离等查询功能。

（2）消防三维封装模型与碰撞检测

消防三维封装模型由3D Max 软件制作，将多种消防三维模型导入应急救援软件，进行调用和操作。

（上）GIS三维模型建立流程图。

（下）灾害现场数据采集技术路线。

表1 气体分析模块技术指标表

为了使可移动和可操作的三维封装模型与建（构）筑物三维地图进行良好的交互行为，系统需要对模型对象间的碰撞进行及时检测，以避免发生穿透现象等不真实的现象，保证虚拟环境的真实感和用户的体验感。

（3）灾害现场数据采集

由无人机搭载三光吊舱、气体分析仪等模块在空中检测与采集数据。三光吊舱能够采集昼夜间影像信息，监测火场温度；气体分析仪可对火场烟气或泄漏气体实时监测。采集到的火场数据实时传输至所研发的智慧消防应急救援平台，预判灾害的蔓延趋势，为确定灾害危险区域提供基础资料，为高效救灾、指挥人员疏散等提供科学的指导依据。

无人机（六轴飞行器）主要由飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统和动力系统等部分构成。其动力由六个旋翼式的飞行引擎提供，可进行垂直运动、俯仰运动、滚转运动、偏航运动等。

火场气体的探测依赖于气体分析仪及其传输系统。通过使用无人机携带气体检测仪，采用无线输出技术，解决了消防员无法进入现场实地勘测的问题；通过机载GPS模块可实时传输相应地理位置的气体浓度数据，使无人机可以快速地对现场数据进行采集，提高了采集效率；多组分气体分析仪包含多组分气体传感器，可同时监测6种不同类型的气体，且传感器的响应速度快，可以提高采集频率，完善现场数据，提高危险区域的测量精度。

气体分析模块技术指标如表1所示。气体传感器产生与目标气体浓度成正比的电信号。电信号为一串加有通信协议的二进制数字，不同传感器的通信协议不同。

气体分析软件将数据编译成浓度信息，并将浓度信息实时反映在系统操作界面中。

三光吊舱是集成高清数字摄像头、夜视镜头、红外镜头为一体的图像采集装置。该高清数字摄像仪可实现20倍光学变焦，满足昼夜不同光线条件下的拍摄任务，并可利用红外热像机芯精确测量物体温度，捕捉显示画面中温度最高点，实时测绘出火灾现场温度场信息。三光吊舱同时提供俯仰和旋转的全角度控制，水平横滚自稳模式，方便多方位的图像采集。

（4）三维虚拟火灾模型的开发

以石油库为例研究三维虚拟火灾模型的开发。石油储罐一旦发生火灾，火焰产生的热通量会直接影响到周围储罐，极易导致火势的蔓延，也给救援人员和设备的安全带来威胁。油池火火焰的热通量主要分为对流热通量与辐射热通量，随着池火半径的增大，火焰热通量中的辐射通量逐渐占据主导地位。因此，从工程应用的角度分析，选择火焰热辐射模型作为划定油库火灾危险区域的理论基础能够保证工程上需要的精度。

根据火灾理论模型的选定，笔者所在团队将火灾理论模型编写成程序。

（5）消防作战力量智能部署的设计

仍以石油库为例研究消防作战力量智能部署设计。依据已确定的危险区域范围，可分别计算出扑灭油罐火灾所需泡沫消防车和油罐冷却所需泡沫消防车数量，从而更加合理地调配救援力量，以满足灭火救援的需要。

三维智慧消防应急救援平台开发

笔者所在团队开发了一种三维智慧消防应急救援平台，能够在三维的视角下很好的解决救援力量调度困难、灾情侦测不足、辅助决策手段匮乏等问题。平台关键功能模块主要有接警模块、出警模块以及救援模块。

（上）作战力量部署示意图。

（中）资料调取处理流程。

（下）调度方案生成流程。

接警模块

（1）定位火警地点，快速调取火情单位基本资料

三维GIS系统快速定位火警发生地点坐标，点击地点坐标，随即向服务器发送调取消防安全重点单位资料的命令。远程服务器向客户端发送数据，通过算法解码展现在软件界面内。平台将消防安全重点单位划分为：人员密集类、石油化工类、高层建筑类以及其他类，帮助救援人员能够快速查询到发生灾情的消防安全重点单位的类别。确定灾情单位后，客户端通过局域网向数据库服务器调取单位基本情况信息和消防基本信息。

（2）调度周边消防力量

进入救援力量模块，客户端向服务器发送请求命令。服务器接收到命令后，向外部中队管理系统调取信息，包括车辆状态和人员状态。根据系统事先确定的灾情单位属性，服务器后台经计算确定调度方案，并通过前台展现。

出警模块

（1）实时规划救援路线

确定调度方案之后，指战员点击进入作战指挥功能模块。系统会自动向公共网络地图服务器发出调用请求，借助现有外网地图软件去规划救援路径，并反映在平台界面，单独形成小窗口显示。

（2）调取现场实时信息

前往火场途中，指战员点击火场信息捕集功能模块。平台向服务器发出调取请求，服务器连接火场单位消防控制室消息，将包括视频信息、消防联动信息等在内的消防物联网信息解码传输至应急救援系统平台前端。另一路连接无人机地面站，调取地面站信息包括集成视频信息、多组分气体浓度数据。

救援模块

（1）现场测量

在平台界面点击测量分析功能模块。光标变成测量模式，在GIS平台上选中测量基点。平台后台读取点坐标，调用空间测量算法，计算结果在前台显示。

（上）实时规划救援路线。

（中上）现场精确分析。

（中下）沙盘推演。

（下）预案演练流程。

（2）沙盘推演

点击沙盘推演模块，平台界面上显示多种三维封装模型按钮，包括指挥部、消防员、火焰、消防车等。点击某个三维模块按钮，触发命令，在平台后台调用预设的三维封装模型。光标在GIS平台上点击某点作为三维模型的位置，触发矢量模型在GIS平台上加载的命令，光标选中点即为加载模型基点。矢量模型加载的同时，客户端向服务器调用三维封装模型状态信息，并在窗口显示。

（3）预案演练

预案演练是对整个操作系统的管理，功能模块主要包括录制开始、录制结束、录制暂停、预案回放等按钮。点击录制开始，系统自动生成时间轴。指战员可以在平台中正常操作，时间轴记录操作的每一条命令信息并存储。操作完成后点击录制结束，时间轴随即暂停。