浅谈无人机建模及数字孪生技术在应急消防救援领域的运用

摘要：无人机建模和数字孪生技术结合，正促进应急消防救援模式革新。无人机能够对火场进行三维建模和快速获取信息，并对灾害环境进行直观和实时数据支撑；数字孪生技术是通过模拟推演、设备的实时监控以及多种数据源的整合，来创建一个动态的态势感知系统。两者相结合构成智能化调度、可视化指挥的系统，既促进救援的高效、安全，又为预案优化、风险评估等提供科学依据。文章就无人机建模和数字孪生在消防救援领域的具体运用及发展趋势进行论述，以期对构建智能应急体系有所借鉴。

关键词：无人机建模；数字孪生；应急消防救援；态势感知

引言

应急消防救援往往面临着火情突发、环境复杂、信息滞后等挑战，而传统的人工勘查及单一的信息渠道已经很难适应高效救援的需要。无人机以其机动灵活、获取数据速度快等特点在救援实践中得到了广泛应用，并通过对火场的建模来进行三维重建从而对指挥起到直观的支持作用。同时数字孪生技术可以构建一个和真实环境同步进行的虚拟模型来促进火场推演，设备监测以及多维数据的整合。这两种技术的融合不仅补偿了信息不对称，而且给指挥决策和协同作战带来了智能化手段，是消防救援中一个重要的发展方向。

一、无人机建模在应急消防救援中的应用价值

（一）三维场景重建与灾害环境模拟

无人机建模技术用于应急消防救援，首先表现为三维场景重建。传统火灾现场信息采集通常依靠人工勘查且效率低、安全风险大，无人机能够快速采集多角度影像数据并建模产生准确三维火场环境。所建立的虚拟模型既可以直观地展现建筑结构，火源分布和蔓延趋势等信息，又可以模拟灾害的演化过程，给救援人员一个动态的环境认知。该虚拟环境模拟可以在实战之前预演数次，增强指挥决策的科学性和针对性、降低盲目性。在高精度空间信息的辅助下，消防人员可以对危险区域以及安全通道进行更加精确的评价，提高了整体救援的效率。

（二）火场信息快速采集与实时传输

在火灾救援过程中，无人机可以配备各种传感器，例如红外成像、激光雷达和气体探测设备，以迅速获取温度分布、有害气体浓度和人员位置等关键信息。相较于传统方式，无人机可以在高温，浓烟以及复杂环境中平稳工作，打破了人力难以达到的壁垒。通过高速无线传输可以将采集到的数据实时回传给指挥中心以保证现场和后方对火情动态的同步控制。对实时数据进行采集并发送，既减少了信息的滞后性，又为应急指挥系统的建立提供准确的依据，使得调度方案更具有时效性和针对性。迅速而持续的数据流动大大提高了信息的透明度，从而避免了由于信息不充分而造成救援延误以及二次损伤。

（三）辅助决策与应急指挥的可视化支持

无人机建模与可视化技术相结合，对指挥决策进行直观辅助。复杂火灾环境下，简单的文字和语音汇报通常很难体现现场全貌，基于三维建模设计的可视化界面可以把火场地形、火势扩散和受困人员所在位置等因素通过动态图像的形式展现。指挥员可以通过直观界面迅速了解形势的变化情况，并制定出更加符合实际情况的救援策略。同时可视化数据也可以与地理信息系统、智能调度平台等集成在一起，构成一体化指挥系统。该多维度呈现方式在提升决策效率的同时，还有利于各层级救援力量间信息共享和协同作战，以达到快速高效应急响应目的。

二、数字孪生技术赋能消防救援

（一）虚拟火场推演与应急预案优化

数字孪生技术可以对真实火场进行虚拟化处理，并通过构建与实际同步进行的数字模型来进行火灾演化推演。模拟环境下指挥人员可通过设置风向，温湿度以及建筑结构等不同的变量来检验火势扩散以及人员疏散路径等情况，进而对应急预案进行验证和优化。相对于传统的纸质预案，虚拟推演既具有直观性、动态性的特点，又能够不断地更新和迭代，使得预案更加符合实际需求。数字孪生还能实现灾前多场景演练，增强救援人员应变能力和协同水平。通过这一虚拟和现实深度结合，预案将不再拘泥于静态的文本，而是变成了一个动态的，可以实施的应急方案。

（二）设备运行状态监测与预测性维护

消防救援期间，装备的平稳运行是关键。数字孪生技术与传感器相结合可以实现消防车辆、无人机和供水系统等重要设备的实时状态监控。该系统可对设备运行数据进行自动采集和虚拟模型内同步更新，如果检测到温度过高，电量不足或者关键部件磨损，则可以进行预警提示。该预测性维护机制可以在设备发生故障之前介入，降低由于突发损坏造成救援中断。

（三）多源数据融合下的动态态势感知

火灾现场的信息源比较复杂，主要有无人机影像、传感器探测、气象数据和社会监控。数字孪生技术可以把多源数据集成到一个统一虚拟模型中，从而实现火场态势动态感知。区别于单一数据源的限制，该融合系统能够展现更全面和立体的火场全貌并且能够在实时更新的基础上自动产生预测模型来推断火势走向和人员风险区域。该动态态势感知既有助于指挥中心迅速把握大局，又能对前线救援力量进行准确定位与作战借鉴。通过全局化，实时化融合认知，消防救援科学性，前瞻性显著增强，应急响应效果进一步增强。

三、无人机建模与数字孪生的融合发展趋势

（一）基于人工智能的智能化调度与协同作业

在人工智能算法持续进步的背景下，无人机建模和数字孪生融合给救援行动提供了一种智能化调度的新方式。通过建立火场环境动态模型，AI能够实时分析火势发展态势，依据任务要求自动指派无人机完成巡查，监控或者物资投送等任务。不同平台之间的协同作业以算法为支撑，可以组建分工清晰，快速响应的作战网络并显着降低人工指令的时延。

（二）低延时通信与5G技术在救援中的支撑作用

应急救援场景下，数据传输的快慢直接决定了指挥决策是否准确和及时。5G技术具有高带宽、低延时、大连接等优点，使得无人机和数字孪生系统可以在毫秒量级上进行数据交互。火场影像、传感器参数和态势模型都能瞬间返回，保证指挥中心对全局的同步性把握。支持低延时通信，不但增强了远程控制稳定性，而且为多机协作、实时模拟等提供了可靠保证。

（三）构建智能应急救援体系的未来展望

无人机建模和数字孪生深度融合，为智能应急救援体系建设提供了一条切实可行的途径。未来救援体系不只依靠单一技术，更要做到无人机、数字孪生、人工智能、大数据等技术全面联动。火场信息会经由统一数据平台进行高度整合和实时演绎以准确支持决策。同时智能化体系也可以促进资源配置优化和跨部门协同发展，形成灾前预警、灾中处理、灾后评估全链条闭环管理。

结论

将无人机建模和数字孪生技术结合运用于应急消防救援显示出了空前高效和精准。无人机破解灾害信息快速获取和动态更新困境，数字孪生通过虚拟推演、实时监测等手段进行科学决策、预案优化。两者协同工作，使救援过程更直观，更智能，更有效，不仅增强了突发火灾处置能力，而且为今后构建智能应急体系提供了一条可行途径。随着人工智能、5G、多源数据等技术的进一步融合，该技术模式必将对智慧消防，城市安全治理等领域起到更大的促进作用。

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