【应用方案】工业无人机应急救援行业应用通用方案

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1 工业无人机应急救援行业应用 通 用 方 案 2 第 1 章 背景及需求 1.1 应用背景 1.1.1 应急救援国家相关政策 为全面贯彻落实习近平总书记关于应急管理工作的一系列重要指示和党中央、国务院 决策部署，扎实做好安全生产、防灾减灾救灾等工作，积极推进应急管理体系和能力现代 化，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》 “ ” （简称 十四五 国家应急体系规划）指出，到 2025 年应急管理体系和能力现代化建设取得 重大进展，形成统一指挥、专常兼备、反应灵敏、上下联动的中国特色应急管理体制，建 成统一领导、权责一致、权威高效的国家应急能力体系，防范化解重大安全风险体制机制 不断健全，应急救援力量建设全面加强，应急管理法治水平、科技信息化水平和综合保障 能力大幅提升，安全生产、综合防灾减灾形势趋稳向好，自然灾害防御水平明显提升，全 社会防范和应对处置灾害事故能力显著增强。到 2035 年，建立与基本实现现代化相适应 的中国特色大国应急体系，全面实现依法应急、科学应急、智慧应急，形成共建共治共享 的应急管理新格局。 1.1.2 加快建设航空应急救援力量的意义 “ ” 十四五 国家应急体系规划在文件中指出，下步将加强应急力量建设，提高急难险重 任务的处置能力。具体说来，涉及用好现有资源，统筹长远发展，加快构建应急反应灵敏 功能结构合理、力量规模适度、各方积极参与的航空应急救援力量体系。在此政策下，鼓 励大型民航企业、航空货运企业建设一定规模的专业航空应急队伍，购置大型、重型航空 飞行器，提高快速运输、综合救援、高原救援等航空应急能力。可以采取直接投资、购买 服务等多种方式，完善航空应急场站布局，加强常态化航空力量部署，增加森林航空消防 飞机（直升机）机源和数量，实现森林草原防灭火重点区域基本覆盖。同时完善航空应急 救援空域保障机制和航空器跨区域救援协调机制。另外是对于航空应急救援配套专业的建 设，以及对航空应急救援专业人才培养。 1.2 客户项目背景及需求 1.2.1 项目建设目标（模版） （客户单位名称）深入贯彻落实党中央国务院及（X 省/自治州）党委、政府关于应急 管理工作的决策部署，充分利用应急部统建相关信息化系统、（所在地）已建的各类政务 信息化基础及（所在地）政务信息化其他支撑项目，对标应急管理部信息化发展战略规划 和自治区党委、政府要求，结合（所在地）应急管理工作的实际需求，按照“统筹规划、集 约建设、业务引领、安全可控”的原则，紧紧围绕应急部门主责主业，聚焦安全生产监督管 理，灾害事故应急救援等业务，覆盖政务管理、监测预警、监督管理、指挥救援四大业务 3 领域，打造应急管理综合应用平台，为主要业务开展提供全面信息化支撑。 1.2.2 项目需求分析 本期客户（XX 项目）建设，在兼顾既有成果的基础上，参照应急管理部 2019- 2022 年地方建设任务书要求，结合（所在地）应急管理厅各业务处室实际工作需求进行开展。 本期项目具体建设内容中，在业务系统中主要涉及安全生产监管、应急救援指挥、防 灾减灾等业务功能，其中： 一、需进行防灾减灾系统性监测能力建设：针对（所在地）森林火灾占比 90%以上的 雷击火，对部建自然灾害监测预警系统的集成推广，强化自然灾害预警与防范能力，进行 系统性监测能力建设。充分发挥卫星、气象、无人机、视频、巡查上报等信息的汇集处理 “ ” 能力，实现森林雷击火的 打早、打小、打了 。 二、建设应急救援指挥系统：充分发挥各行业领域专业指挥的中枢、大脑、统筹协调 “ ” 的作用，实现 两委三指 各成员单位救援力量的统一调度、快速反应、有效衔接、协同作 战，在应对重大灾害时，能够做到现场情况及时了解，救援进度及时掌握，确保救援任务 的科学高效进行，最大限度减少伤亡和各类损失。 第2 章 工业无人机应急救援综合应用系统方案 2.1 总体目标及设计思路 “ ” 为全面贯彻落实 十四五 国家应急体系规划和党中央、国务院决策部署，通过加大应 急管理投入，加强风险监测预警预报、扑救和保障三大体系建设，加强基础设施和装备建 设，完善科学应急体系，全面提高应急救援防控能力。 通过建立多位一体的综合应用系统，在轻型无人机小范围巡查、中小型无人机常态化 巡护、灾情侦查、灾后勘测以及中大型无人机（直升机）应急作业处置三个层次上，构建 高频次、全天候、应用丰富的应急救援通用航空智能监测网络，并与卫星、气象、视频等 “ ” 其他监测手段融合汇聚，实现 天空地 多维度监测预警。通过智能化的防灾减灾预警手 段，让林区火点无处遁形，实现早发现早处理，确保森林资源的安全，推动森林管护工作 由单一依靠人防向人防和技防结合、以技防为主的改革，进一步减轻林区工作人员的工作 强度，提高森林管护成效。 具体设计思路如下： 灾害预警：采用轻型无人机、中小型无人机对危险山区、森林周界、化工园区、防洪 设施等进行日常小/大范围例行巡护；系统提供防涝淹没仿真分析，对被淹区域、方向、量 级进行有效预测。 灾情侦查与处置：使用中小型无人机单机或机-机中继联合作业系统，对火灾、洪涝、 地震、旱灾等各类灾害重点区域进行侦查，进行灾情现场的拍照、视频图像实时传输；同 4 时使用中大型无人机（直升机）应急作业展开一系列应急综合作业，为救援人员提供及 时、高效的处置支撑，有效辅助应急救援的高效指挥、及时处置。 灾后勘测评估：使用中小型无人机对受灾地进行应急测绘，对所在区域进行航片采集 并实时回传、快速拼图；另一方面可绘制受灾地区地形图、区域三维模型，可辅助判断受 灾情况及周边次生灾害情况，为灾后重建提供参考。 全过程闭环管理： “ 通过前端设备的预警、侦查、作业处置与动态管控，实现灾害的 灾 ” 前、灾中、灾后 全过程闭环管理。 图 2.1 系统拓扑架构示意图 工业无人机应急救援综合应用系统主要由前端感知系统、数据传输网络和无人机监控 指挥中心等组成。 前端感知系统主要由不同种类的无人机侦查、测绘、处置系统组成。无人机监测系统 主要由无人机（直升机）飞行平台、任务系统、数据链、地面站组成，根据不同的应用场 景可配置可见光+红外光电吊舱、测绘相机、激光雷达、移动基站、抛投装置等不同类型 任务系统，可实现灾害预警、灾情侦查处置、灾后勘测评估等救援各类作业； 传输网络通过运营商 4G/5G 无线网络或移动式聚合图传接入无人机设备。 无人机监控指挥中心部署应用平台服务器、流媒体服务器、存储系统，实现无人机 5 （直升飞机）的可视化监管应用。 同时本套工业无人机应急救援综合应用系统可根据客户应急救援指挥调度系统项目整 体设计与部署要求，进行模块化设计并与主系统融合互通，从而确保实时动态掌握突发事 件发生发展情况和应急处置状况，协调任务执行过程中出现的问题，实现指令任务的落 实、反馈、跟踪等全过程闭环管理。最终实现统一协调联动和各类应急资源的统一调度， 强化前方指挥中心应急协同能力，实现纵向贯通、多方协同的应急作战体系。 2.2 工业无人机应急救援应用 2.2.1 无人机灾害预警 一、日常巡护 “ ” 针对日常巡护过程中的 监控难 （野外工作面积大，交通不便、通讯环境差，信息传 “ ” 递不及时）和 效率低 （人员巡护强度大，耗时耗力、一人多职，技术能力参差不齐）痛 点，使用工业级无人机对森林、山区、河道等易发生自然灾害的地区进行巡护，可以实时 对地形及周边环境进行高空视角侦查，在短时间内提早发现异常状况或灾害隐患并及时上 报。 6 图 2.2 无人机日常巡护 二、洪涝淹没分析预警 针对洪涝灾害发生突然、态势变化复杂，指挥调度存在信息滞后，快速准确判断难度 大、挑战高的痛点，利用无人机遥感影像采集，可提前对城市/山区风险区域进行洪涝淹没 仿真分析。一方面以三维全息影像动态推演灾情变化，模拟后续洪水淹没程度，快速、定 量、精确完成灾情评估；另一方面根据灾情模拟指引，提前对隐患区域进行针对性预防部 署，降低财产损失。 7 图 2.3 洪涝淹没分析预警 2.2.2 无人机灾害侦查 针对灾害高危，常规侦查手段受限、灾情区域交通不畅，车辆、人员救援困难以及灾 区通讯、电力中断，难以有效与外界互通的痛点，工业级无人机可利用自身垂直起降，摆 脱场地限制，同时快速展开系统，高效实施侦查。过程中以高空视角实时传回现场视频画 面，全面具象反映灾情。 图 2.4-1 抵近地震震中侦查灾情 8 图 2.4-2 决堤河道快速定位、实时状态巡检 图 2.4-3 森林草原火情监控 9 2.2.3 无人机应急作业 一、通信覆盖 针对常规数据链受环境遮挡导致遥控遥测中断和受灾地区断电断网，无法与外界救援 信息互通的痛点，使用卫星通信数据链，可避免中断问题，且指控距离不受限制。同时搭 配运营商通讯移动基站，可提供应急通信网络覆盖，地面人员可短时恢复正常通话及网络 应用。 图 2.5 无人机通信覆盖 二、人员搜救 针对夜间能见度低，实施人员搜救困难的痛点，使用可见光+热红外光电吊舱，并支 持多种红外伪彩效果切换显示，昼夜均可实施人员搜救，无惧夜晚能见度低造成的影响。 图 2.6 无人机实施人员搜救 10 三、物资抛投 针对受灾地区交通中断，外界救援补给难以深入的痛点，携带应急物资，快速精准空 投运输至被困人员，提高被困人员生存概率，争取更多救援时间。 图 2.7 无人机实施物资抛投与运输 四、灭火处置 针对林区明火火场，无人机携带灭火弹可通过抛投或制导发射方式从高空进行灭火打 击，与空中的直升机及地面救援部队形成联动配合，从而对火情进行高效处置。 图 2.8 无人机实施物资抛投与运输 11 2.2.4 无人机灾害勘测评估 针对自然环境面积大、地形复杂，难以快速精确获取地表信息以及人员传统测绘手段 效率低，且实施风险较高的痛点，通过无人机实施应急测绘任务，可绘制受灾地区地形 图，便于现场判断受灾情况及周边次生灾害情况；同时，通过航片采集并实时生成灾区影 像，便于快速进行灾区重点标记、灾情要素统计，从而合理分配救援力量，确定救灾方 案；另一方面，可建立受灾区域三维模型，通过电子沙盘协助对受灾地区、房屋进行测 量。 图 2.8-1 正射影像成果图 图 2.8-2 倾斜影像成果图 图 2.8-3 激光点云成果图 12 2.3 工业无人机（直升机）应急救援解决方案 2.3.1 系统拓扑架构 无人机监测系统由飞行平台搭载不同的挂载进行灾害预警、灾情侦查处置或灾后勘测 评估。现场的图像和数据信息可以实时通过无线传输链路（通信数据链、机-机联合作业系 统、卫星通信数据链）传到地面站。 小型飞行器主要通过地面站进行手动操控，中型及中大型无人机主要通过地面站软件 设置航线、动作和其他操作，并自动进行飞行任务。此外飞行平台可支持多种挂载，如侦 查类、测绘类、灭火弹、移动通信基站、抛投装置等作业类载荷，可以通过灵活搭配满足 应急救援日常巡查、灾情侦查等不同应用需求。 无人机一般采用两种使用方式将采集到的视频监控及飞行信息传输到指挥中心。第一 种方式主要依靠地面站自身携带的无线网络模块以及移动运营商的 4G/5G 作为传输链路， 通过无人机监控指挥云平台传输；第二种方式依靠移动式聚合图传以及移动运营商的 4G/ 5G 作为传输链路将信息传输到指挥中心。 无人机监测系统架构图如下： 图 2.9 无人机监测系统架构图 2.3.2 系统组成 如图 2.9 架构所示，并根据图 2.1（系统拓扑架构）将各种类无人机监测系统及网络传 输设备进行介绍。 2.3.2.3 单旋翼重载无人直升机 13 表 2.10 单旋翼重载无人直升机技术指标 巡航速度 90Km/h 最大爬升率 6m/s 最大飞行速度 110Km/h 最大作业高度 海拔 3200m 续航时间 100 分钟@100kg 载荷 起降方式 遥控起降或自主起降全自主起降 最大抗风能力 定点悬停状态下最大 7 级风（风速 17.2m/s） 机体重量 263kg（不含燃油） 最大起飞重量 422KG 最大任务载荷 120kg（海平面） 机载电源形式 磷酸铁锂电池（Li-Fe）7000mah 电压 12V 机载发电机功率 12V 600W 发动机形式 活塞式发动机 气缸数、形式 四缸，水平对置 燃油形式 汽油 95# 冷却方式 液冷 起动方式 机载电起动 铰接旋翼形式 自由摆动或成锥形、平面内刚性连接 桨叶数 2 旋翼直径 6090 毫米 桨叶弦长 2695 毫米 桨叶扭转角 0° 定速转速 1300 转/分 无人直升机，是一种单旋翼，带尾桨、单发动机、平直尾梁装水平翼面型无人直升 14 机，该机设计最大起飞重量 422kg，空机重量 263kg（不含燃油）。基本结构采用航空级 金属材料制成，装有撬式起落架。机身的基本结构为航空级铝材制造，机体一体化整流装 置用玻璃钢和复合材料制成。航电、飞控舱可实现模块化快拆以便检查控制系统和其他电 气部件。其一体化整流罩，可快速拆卸，供维修人员或飞手进行飞行前或定期维保检查。 主旋翼与尾桨为全复合材料桨叶，有各自的锥形铰与桨毂联接，桨毂和摆动铰一起安 装在垂直轴上，位置在锥形铰之上，旋翼桨叶的前缘用金属材料制成可减少恶劣天气造成 的腐蚀和沙尘的磨损。 驱动系统为一个 V 型皮带轮直接固定在发动机输出轴上，V 型皮带将动力传输到上皮 带。桨毂减速器内有 1 只超断离合器，离合器内轴将动力向前传到旋翼，向后作用到尾 翼，旋翼减速器齿轮箱输入轴和尾桨驱动长轴两端都装有挠性联轴器。其主齿轮箱， 包含 单机螺旋伞齿轮装置，均为密封散热润滑设计。 动力装置为一台 4 缸四冲程水平对置液冷式发动机，配有湿式强制润滑系统，动力系 统装有起动机，发电机、屏蔽点火系统，磁电机，消音器，润滑油散热器和进气过滤器， 发动机输出轴上设计了一套直接驱动的强制冷却风扇向气缸和润滑油散热器提供强制散热 空气。 一、综合任务系统（光电吊舱） 本机型配备的光学吊舱，具有 400 万有效像素，支持 10 倍光学自动对焦功能，高清 1080p 录像。内部两路视频流，一路 1080P 30FPS 本地 H.264 压缩，存储在设备内，另 一路 1080P 60FPS 格式的 HDMI 信号。 图 2.20 光电吊舱产品图 15 表 2.11 光电吊舱主要性能指标 像素 1/3 英寸，400 万像素 输出分辨率 1920*1080P/60 帧 变焦倍率 10 倍 变焦焦距 F=4.9~49mm 光阑口径 φ12.0 对焦时间 1s ≤ 温度工作范围 -10℃至 55℃ 串口协议控制 支持 水平观测范围 53.2°（近焦）至 5.65°（远焦） 垂直观测范围 39.8°（近焦）至 4.20°（远焦） 对焦观测范围 66.6°（近焦）至 7.20°（远焦） 目标跟踪功能 有 偏差像素更新速率 50hz 偏差像素输出延迟 13ms 目标最小对比度 5% 最小信噪比 4 跟踪速度 32 像素/帧 噪声的均方根 0.4 像素 重量 900g 控制方式 支持 PWM 控制和串口命令 存储 128g 频段 1.4G 标准频段（1430-1444MHz） 16 二、综合任务系统（喊话照明） 本机型采用的高空喊话装置（含高空照明设备），有效可控距离 5 公里，有效照射距 离≤200 米。 图 2.21 喊话照明装置产品图 表 2.12 喊话照明装置主要性能指标 技术参数 音频传输距离 5Km 设备质量 0.8K g 扩音器功率 100 W 灯头功率 12W 机载端电压 12V 17 三、综合任务系统（切割抛投模块） 通过切断挂绳，实现精准抛投。挂绳穿过切割器孔位，接收到通电指令后切断挂绳， 具备多次抛投能力，承载大重量，操作便捷，成功率高。 四、地面系统 图 2.22 地面系统产品图 无人机地面站是无人直升机飞行平台定制开发的地面站系统，主要针对农业质保、 航空物探、电网巡线、森林消防等行业应用。除支持传统串口接入无人机数据链外，还支 持蓝牙接入。 2.3.2.4 小型多旋翼无人机（M30T） 经纬 M30T 飞行器集成 DJI 先进的多冗余飞控系统、六向感知避障系统、高性能多相 机负载和夜视 FPV 摄像头。多相机负载使用高精度三轴云台实现增稳，配合 DJI Pilot 2 App 可实时查看多相机的观测画面和数据。同时飞行器配备双电池系统，飞行时长达到 41 分钟，并且提升了整体的飞行安全系数。 在整机设计上，飞行器达到 IP55（参照 IEC60529 标准）防护等级，可有力保障全天 候作业。机臂折叠并带束桨的设计，方便日常收纳及运输；机臂展开自锁的设计，可有效 缩短起飞前的准备时间，并提升安全性。在机身顶部设计有 PSDK 接口，可满足不同的扩 展需求。 18 在飞行安全方面，飞行器内置的 DJI AirSense，可监测载人航空器飞行状态，并在 DJI Pilot 2 App 进行提示，以便快速进行安全操作，防止发生碰撞。同时在机身配备了上下夜 航灯，可在空中快速识别飞行器位置；并在飞行器底部配备了补光灯，以便在夜间或弱光 下获得更好的视觉定位效果，提升飞行器起降和飞行安全性。飞行器上搭载了 RTK 模块， 可实现高精度准确定位，以满足高精度作业需求及安全性。 DJI RC Plus 智能遥控器采用 O3 图传行业版技术，可稳定传输高清流畅画面至遥控器 显示屏实时观看。遥控器搭载的功能按键可便捷完成飞行器飞行作业及相机操作。 遥控器防护等级可达 IP54（参照 IEC 60529 标准）集成 702 英寸分辨率 1920×1200 高亮触摸屏，最高亮度达 1200 cd/m²。采用 Android 系统，具备卫星定位、W-Fi 和蓝牙 等功能。遥控器支持 65W 快充充电，内置电池最长工作时间约为 3.3 小时；加装外置 WB37 智能电池可提升至约 6 小时。 图 2.22 M30T 产品图 19 图 2.23 M30 机场产品图 20 产品特性： · 无人值守：整套系统安装部署后，现场无需人员值守，通过远程即能完成作业。 · 全自动化：通过云端平台首次配置后，大疆机场可定时定点，自动完成巡视工作 ·轻量化设计：相较于其他市面产品，大疆机场更加小巧，占地面积不足 1 平方米。展 开状态：长 1675 mm，宽 895 mm，高 530mm（不含气象站）；闭合状态：长 805 mm，宽 895 mm，高 840 mm（不含气象站）重量：仅 90kg。 ·一体化设计：产品采用一体化设计，高度集成了超广角监控相机、一体化气象站、内 置图传模块、RTK 模块、4G Dongle 接口和边缘计算模块接口，简化施工布署难度，仅需 地面固定、接入电源和网络，并通过 DJI RC Plus 遥控器快速配置，即可完成布署。 表 2.13 M30 机场产品技术参数 21 2.3.2.5 移动指控车 移动指控车根据通过综合布局及合理设备选型保证车辆使用舒适性、安全性、人员易