火灾现场的无人机防御系统

2026年XPrize参赛团队将继续角逐力争防控灾害于萌芽阶段。在外行人眼中眼前这架Alta X无人机要完成的似乎并不是一项特别复杂的任务。这架翼展超2米的黑色大型四旋翼无人机停在草坪上起落架两个撑脚之间挂着一个注满水的红色气球。不远处的混凝土平台上一摞木制托盘正在熊熊燃烧烈焰在狂风中翻卷。马里兰大学的一名学生将操控Alta X无人机飞行约25米后抵达火场投掷水弹灭火。不过实际操作非常复杂。无人机需悬停在约13.5米的空中气球需要按照该校消防工程系的测算在半空中的特定点位引爆以实现最优水流散布。接到指令后航空航天工程系统博士生安德烈斯·费利佩·里瓦斯·玻利瓦尔Andrés Felipe Rivas Bolivar操控Alta X飞向了火场。另一架尺寸较小、搭载热成像摄像头的无人机在上空监测时里瓦斯操纵载有水弹的无人机抵达适当位置。约半分钟后他释放了水弹。气球偏离平台坠落到地面随着“噗”的一声闷响爆裂开来。2025年10月中旬的这一天天气暖和但风很大。约20名马里兰大学师生聚集在美国马里兰州拉普拉塔市的消防与救援训练中心演示有望发展成为未来山火扑救技术的模块。他们自称“穿越火线”Crossfire团队。当天的来宾有XPrize基金会的数名官员该基金会组织了两项旨在大幅加速山火探测与扑救的竞赛。“穿越火线”团队正与其余12支团队争夺自主灭火赛道的半决赛资格。决赛将于2026年6月举行届时5支晋级团队需在XPrize划定的1000平方公里“环境条件具有挑战性”的地域内找到火源在10分钟内导航抵达并扑灭火焰。冠军将获得350万美元奖金而全球山火扑救大军则有望通过本次竞赛找到强有力的新武器。全球山火日益严重受波及的人越来越多。2018年11月坎普山火横扫美国加州北部620平方公里土地其中天堂镇大部被毁坎普山火成为该州有记录以来致命性和破坏性最强的火灾直接导致引发火灾的公用事业巨头太平洋煤气电力公司破产。XPrize总部一直位于洛杉矶地区2019年设计该竞赛时这场灾难无疑萦绕在工作人员心头。“组织内许多成员对这场灾难有着切肤之痛。”山火竞赛项目主管安德烈娅·桑蒂Andrea Santy表示。XPrize最终组织了单独的竞赛主题是用卫星探测小型火灾同样提供350万美元的奖金。桑蒂表示XPrize竞赛的设计者与该领域内的百余名专家进行了会面包括火灾科学家、机构官员和技术专家。“所有你希望参与的专家都参与了。”桑蒂指出通过整合专家观点XPrize研究人员锁定了核心问题其中最关键的问题之一是响应时间。在最理想的情况下从发现火情到扑灭通常需要1小时。XPrize的目标是大幅缩减这一时间间隔因此另设了100万美元奖金来奖励按照规则“成功实现精准、快速探测”的团队。马里兰大学消防工程系主任阿诺·图韦Arnaud Trouvé认为即便限时10分钟仍然可能来不及。“在狂风大作的红色预警日火灾初发后数十秒内就会迅速蔓延。”我们等待Alta X再次起飞时他说“因此哪怕是10分钟的响应时间也太慢。”他指出无论XPrize的成果是什么都会被采纳但这些成果更可能应用于火势蔓延较缓、能够在早期扑灭的发达地区这些区域的消防人员常常忙于疏散居民。因此这一时限要求促使多数团队包括所有晋级半决赛的团队采用了无人机方案。美国西部消防局长协会Western Fire Chiefs Association高级山火顾问鲍勃·罗珀Bob Roper指出消防部门已使用或尝试使用无人机多年但由于存在行政及其他方面的障碍无人机的主要用途仅限于搜索。罗珀表示虽然使用无人机的许多障碍已清除但目前还没有可携带足量灭火剂的独立作业无人机最小的直升机吊桶容量为270升。他说政府资助的消防机构很少有“可自由支配的资金来开发新设备”。他表示通过向初创企业和高校播撒研发资金XPrize有望促成“量子跃迁式的突破”。2023年4月XPrize启动山火竞赛后不久图韦便获知了相关信息。他与航空航天、机械工程领域的同事以及新组织xFoundry成功组队。xFoundry通过竞赛激励创业并实现学生与科技企业的对接其创始人阿米尔·安萨里Amir Ansari恰好是1994年首届XPrize的赞助人之一而他的弟妹阿努谢Anousheh现任XPrize基金会首席执行官。该团队很快勾勒出了赴拉普拉塔演示的方案框架。当天的工作从侦察无人机的测试开始。停机坪如花瓣般展开一架比Alta X小巧得多的四旋翼无人机腾空而起。本科生亚辛·塔哈Yaseen Taha手持控制器使无人机飞抵燃烧的托盘上方35米处。与“穿越火线”团队部署的所有技术一样这款侦察机是中国大疆公司的现成机型。据xFoundry产品与风险部门负责人菲利普·阿尔瓦雷斯Phillip Alvarez介绍该机型具备许多重要功能包括障碍规避和激光雷达等且价格仅为2.5万美元。“我们以较低的价格获得了精良成熟的系统因此可以将剩余研发资源集中用于攻克难点。”他解释道“穿越火线”团队总共投入约30万美元其中大部分来自马里兰大学的捐赠者。大屏显示器会显示来自无人机的两个摄像头的实时画面清晰呈现这一过程的难点。右侧是红外热成像信号其中带有“Fire”火焰标签的红色方框锁定了正在燃烧的托盘该方框右上方还有一个较小的红色火源标识那是附近容器内的一堆余烬。这些物品旨在模拟山火因为竞赛要求系统区分具有破坏性的火灾与没有威胁的“诱饵”火源。“穿越火线”团队的系统可利用识别图像的开源深度学习模型YOLOYou Only Look Once即“只看一次”依据无人机的彩色视频内容进行判别。为了训练模型马里兰大学学生向其中输入了4万张火灾照片其中约1200张照片的火源位置是手动标注的。结果非常有效程序在处理无人机的彩色视频内容时能判定托盘堆为火源在屏幕上用蓝框标出同时忽略容器中的余烬。至此两个摄像头均确认了同一位置的火情显示器弹出红色警告“FIRE DETECTED”探测到火源。就像美洲鹫从高空俯视一样无人机从更高处再次识别出了火源随后调整摄像头角度最终沿着预设路线往返飞行其空中轨迹宛如割草机作业路径。一辆前舱敞开的电动福特F-150皮卡停在一侧为操控两架无人机的计算机组供电。在实际应用中它还会处理安装在森林中监控杆上的摄像头的影像流这套早期检测系统将触发侦察无人机行动。该设计出自生物物理学博士阿尔瓦雷斯之手采用了2025年刚开发的新版图像识别人工智能。桑蒂指出所有团队的方案大体相似都是在地面、一架或多架无人机上部署传感器和摄像头其中之一或二者兼有再由人工智能解读数据。但各团队接近火场的方式受法规制约。美国联邦航空管理局FAA对超过25千克55磅重的无人机和自主投掷系统有严格限制因此里瓦斯必须手动操控Alta X。“部分团队在研究如何在遵守现行法规的前提下解决问题尝试将重量控制在55磅以内。”桑蒂表示。另一些团队则在设计需要有新法规支持才能部署的系统主要采用的是小型无人机机群或单台重型无人机。要在决赛中使用重型无人机的团队需获得美国联邦航空管理局的竞赛特批“穿越火线”团队如果想让Alta X自主作业也需要特批。耐人寻味的是XPrize似乎未能激发有关灭火方式的太多创新。多数团队都采用水来灭火只是投掷方式各不相同。桑蒂表示这是一个逐步发展的过程“各团队正深入思考在狂风、无人机位移以及近火环境等挑战下的可行方案。”“穿越火线”团队采用了在空中引爆水弹的方案待申请专利因此团队并未详细介绍可能最终改变灭火所需剂量的计算逻辑。图韦指出通常情况下飞机会在高空喷洒大量水但大部分水并未接触燃烧物。“在低空区域正对燃烧物释放水体可大幅减少用水量。”他说。为Alta X换上新水球后团队第二次尝试灭火。这次里瓦斯花了几分钟调整无人机位置后才投掷水球在水球下落过程中引爆部分水球并喷出了水。水球直到撞上平台才完全爆裂水溅得到处都是产生了浓重的蒸汽。但烟雾散尽后火依旧在燃烧。该团队后来发现其引爆器的适用温度高于当天的温度。“我们曾做过大约20次不同的测验每一次都成功了只有这一次例外。”阿尔瓦雷斯惋惜地说。数小时后第三次尝试终于成功了。里瓦斯操控Alta X掠过火场塔哈在火场另一侧确认位置并示意投弹。水球在无人机下方数米处爆裂产生的水幕笼罩了火焰。侦察无人机的热成像摄像头确认火已熄灭现场响起了克制的欢呼声和零星的掌声。无论能否晋级2026年决赛“穿越火线”团队的目光都已超越竞赛。航空航天工程领域的教授德里克·帕利Derek Paley与塔哈一起为团队研发的系统接洽了约40个潜在客户主要是消防部门和政府机构。目前他不确定机构是否有足够的意愿采用该技术以实现其商业化。但他表示到目前为止“推广略显艰难但我们希望借助XPrize提升对这一问题的关注度”入围决赛的势头以及若能获奖的奖金“足以构建有吸引力的商业模式”。美国西部消防长官协会的罗珀承认现有载人航空机队的“政治考量”将阻挠向无人机的转型。但他也指出无人机可以在载人飞机无法作业的时段例如夜间和区域获得立足之地。要推动消防部门采购无人机仍需多家企业实现技术的商业化。即使到了那时“可能也仍需在联邦或州级层面率先应用再渗透至地方消防部门。”他说。帕利表示如果此路不通“我们的技术同样适用于执法和其他公共安全领域。问题只在于我们要创办山火防控公司还是机器人公司。”作者Robb Mandelbaum欢迎加入智能交通技术群扫码进入。点击文后阅读原文可获得下载资料的方法。联系方式微信号18515441838