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灾害现场大范围远程气体侦检战术应用探讨

摘要：我国是仅次于美国的世界危化品生产和应用大国，近年来气态危化品泄漏事故不断增多，大型城市周边均存在大范围泄漏的可能性，在此类事故处置中泄漏源的定位是十分重要的环节。本文调研了消防队伍气态危化品事故处置情况，设计了一种基于多点无人机平台气体帧检系统实验方案，从算法研究、实验方案设计、实战模拟应用三个方面探讨该系统实验原理以及消防应用可行性。

关键词：无人机 气体帧检 定位

1 引言：
无人机在消防领域的应用起步比较晚，很多功能处于探索阶段，目前大部分消防支队购置了多旋翼无人机，抽选了专业人员力量组建无人机分队。2015年8月12 日，天津塘沽特大火灾爆炸后现场还遗留大量危险化学品和有毒气体，传统灾情侦查手段已无法开展。消防部门第一时间调集8架消防无人机对现场累计开展了80余次侦查飞行任务，为指挥部提供了大量的第一手详实事故现场情况和灾情动态图像，在现场决策指挥中发挥了极为重要的作用。
在帧检装备方面，消防队伍迫切需要现场可用、操作简便、快速灵敏、防爆和定量检测用的侦检装备；从应急处置的角度出发，该装备还需具备连续实时多点监测、数据存储功能、现场组网通信功能和泄漏源辅助定位功能。根据调研情况，消防中队大多只配备一至两台气体侦检仪器，当出现大面积泄漏时，现场需要调集大量器材和侦检人员进入现场。传统的地面侦检侦察方式突进复杂灾害事故现场可能遭遇的人身威胁较大、行动效率不高和区域态势掌握实时性较差等特殊情况。多旋翼无人机具有多旋翼无人机以其具有定点悬停、机动灵活等特点，无人机平台搭载帧检装备后，可实现灾害现场静态与动态监测，并能提供事故现场的整体发展态势，同时可根据危险气体泄漏模型进行泄漏源辅助定位功能，以便现场指挥人员及时有效的做出科学高效的援救策略，减少人员的伤亡与财产损失。

2 基于多点无人机平台气体帧检系统实验方案
消防员在处置气态危化品泄漏事故时，手持便携式气体侦检仪器，沿着浓度梯度上升和上风方向移动的策略来寻找气体泄漏源。这种方法在可视条件差、环境危险度高或风向多变时，可操作性较低，同时会给消防员带来一定的作业风险。因此无人机选用多旋翼搭载气体帧检装备，通过气体帧检装备进行早期危险气体探测，利用无人机的移动性或多台无人机进行多点气体帧检工作，实现的主要功能是将监测点的泄漏浓度、卫星位置数据传输至终端，在终端实现数据的存储和处理等全部功能，最终通过系统软件生成整个区域的浓度阶梯简图，辅助现场指挥进行警戒区划定和泄漏源定位等工作，详见图1。

图1系统实验示意图
我支队通过调研，从无人机载重量、气体帧检装备类型、实战可行性等多种因素考虑，最终选用了手持YTH6（一体化六合一）气体帧检装备进行搭载。YTH6气体帧检不仅质量较轻、操作简单，同时自带了数传自组网功能，可在大范围内对气体帧检信息进行无线传输。YTH6多参数气体测定器，可以检测红外甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氧气、硫化氢、二氧化氮或氢气、氨气、二氧化硫、风速、温度等，其防爆型式为本质安全兼隔爆型，防水性能不够完善，但完全可满足多点无人机平台气体帧检系统实验需求。系统实验为YTH6装备配备两种抽气管路，一种2.4米软质塑料管路，一种为0.4米硬质带腔体铝制管路，详见图2帧检装备与抽气管路。

图1帧检装备与抽气管路
卫星定位模块为无人机自带，同时无人机具有路径规划和指定点悬停功能，对模拟扩散区域多点进行气体帧检，利用气体扩散高斯模型对多点帧检数据进行自动分析和评估，算法分别采用基于组合三边测量法和质心算法获取泄漏位置信息。高斯模型理论基础是以扩散物质在空间正态分布，从统计理论出发，进而得出扩散物质的浓度分布。可以分为高斯烟羽模型和高斯烟团模型，烟羽模型适用于扩散时间较长的情况，高斯烟团模型适用于扩散时间较短的情况。算法实现的基本思路为通过扩散模型对事故进行模拟，将模型的模拟计算结果与测量值进行比较，建立目标函数，通过算法对目标函数进行最优化求解，最终找到泄漏源位置最优解，对比实际位置即所求结果，如图3所示。

图3实验流程图

3 系统实验
本次试验于历时3天，在利用旋翼无人机平台，搭载摄像机、高分辨率光学相机和复合气体检测仪，获取3*3公里内湿地无人区内多点目标区域上空（15-50 m）的气体浓度数据、高分辨率光学影像及高清视频数据的同时，利用复合气体检测仪、GPS、气象站等仪器设备开展地面实验，最终利用无人机监测区域的地面及不同高度的气体浓度数据，对对湿地无人区模拟气体泄漏的分布及扩散进行分析。
3.1
复杂低空飞行的自主避险功能不成熟
复杂低空飞行自主避险是指多个飞行器基于对复杂低空空域环境的感知，生成与共享空域安全态势，通过对飞行行为的协同控制，在无地面集中式指挥控制系统的条件下实现对空域内碰撞威胁的自主规避是解决航空应急救援中低空安全飞行问题的核心手段，但其理论尚处于初步探索阶段。本次实验涉及无人机三台，即使无人机配备了自动路径规划和指定点悬停功能，但是在实验中还是多次发生无人机出现碰撞危险，多台无人机协同作战功能目前还不够完善，实验中还是需要配备多个无人机熟练操作人员。以高压电线为例，无人机避障功能多为超声波、红外、激光和图像等传感器实现。其中超声波、红外和激光传感器需要反射回波测试后计算障碍物距离，由于高压线形状细长，回波反射回传感器的概率较低，形成了避障盲区。图像识别避障受环境可见度影响较大，实验中发现及时可见度较高，由于摄像头正对阳光致使摄像头产生了日盲现象，也会出现碰撞现象。因此如果无人机系统复杂低空飞行的自主避险功能不成熟时，会严重加大现
场操作复杂度，致使消防现场应用失去实战意义，如图4所示。

图4 高压线与无人机避障
3.2 气流扰动与气体帧检
本实验中搭载在无人机平台中的获取危险气体浓度值载荷，为复合气体检测仪，该设备是泵吸式多气体检测设备，能再一定程度上克服气流干扰、机身震动等因素造成的仪器数据不准确问题。由于飞机螺旋桨转动造成空气扰动，会影响气体监测的结果，因此，设定飞行航线间距为40-80m，且飞行单向逆风采集数据，在航向上气体检测仪每间隔50m进行一次气体采样检测，航线设计及飞行作业方
案如图5所示。

图5 实验采样方案

首先应急救援现场的风向和风力并不都是始终不变，风向不变只是一种暂时的现象。逆转风在应急救援现场并不少见，有些应急救援现场还会出现火场风和火旋风。风向的变动增加了泄漏源辅助定位算法的难度，同时飞机螺旋桨转动造成空气扰动降低了气体帧检精准度，实验中分别采用了系统实验为YTH6装备配备两种抽气管路，一种2.4米软质塑料管路，一种为0.4米硬质带腔体铝制管路。软质塑料管路下垂布置，可较大程度上减少空气扰动带来的影响，但是给无人机避障带来一定的难度。后期采用铝制管横放实验方案，采气点尽量远离气流扰动区，但是帧检精度还是不够理想。

3.3 实验采样高度
危险气体扩散可以分为水平和垂直两个梯度上的运动，根据帧检需要尽量靠近地面模拟源，但是受各种因素影响，实验中采样点最低为15米。为了建立垂直和水平2个方向的危险气体三维空间分布，一次实验中3*3公里区域内4台无人机共取样76次。实验中发现，在风向不变的情况下，模拟泄漏源释放量较大时，采样点危险气体浓度在20-80米之间，随高度递减趋势不明显。气体不同垂直梯度体现不同的扩散特征，CO、NO和SO2在垂直梯度扩散特征均不相同，SO2随高度不断稀释的规律明显。
4 结论
危险气体帧检是有效预防与应对突发性泄漏事故的重要基础。基于无人机平台的消防现场危险气体帧检系统，作业效率高，机动灵活，使用方便、监测范围广，为突发性泄漏事故监测提供了一种新的技术平台与工具选择，也为无人机的应用开辟了一个全新的领域。特别是在较大范围的危险气体泄漏现场，气体监测精度要求不高或者以定性监测为目的的情况下，采用该旋翼无人机平台开展气体检测具有较好的灵活性和机动性。基于多点无人机平台气体帧检系统，有望成为现有应急监测体系的一个重要补充，并与现行的应急监测体系一体化集成。目前，国内相关系统的构建尚处于研究阶段，部分研究已基本具备业务试运行能力，但在实际作业能力和效益、成本评估还有待进一步的试验。

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-全文完-