森林防火滅火中的無(wú)人機(jī)應(yīng)用探討

劉 福，秦 軍

(武警工程大學(xué)裝備與信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710086)

森林防火滅火中的無(wú)人機(jī)應(yīng)用探討

劉 福，秦 軍

(武警工程大學(xué)裝備與信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710086)

無(wú)人機(jī)在森林防火滅火中具有機(jī)動(dòng)快速、成本低廉、載荷多樣、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)全天候火情監(jiān)測(cè)、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)距離中繼通信和輔助應(yīng)急救援等功能。針對(duì)無(wú)人機(jī)在森林防火應(yīng)用中存在的諸多問題，提出從標(biāo)準(zhǔn)體系、裝備體系、保障體系3個(gè)方面對(duì)無(wú)人機(jī)力量進(jìn)行加強(qiáng)和深化的建議，為無(wú)人機(jī)在防火滅火中的應(yīng)用提供借鑒，為推進(jìn)森林部隊(duì)裝備信息化進(jìn)程提供有力支撐。

無(wú)人機(jī)；防火滅火；軍民融合；體系發(fā)展

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的平臺(tái)、鏈路、遙感、數(shù)據(jù)應(yīng)用等技術(shù)相對(duì)成熟，無(wú)人機(jī)作為一種高新技術(shù)裝備開始在森林防火滅火任務(wù)中嶄露頭角。通過空中巡邏偵察、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)回傳等途徑，無(wú)人機(jī)可為指揮員提供全面、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的火場(chǎng)信息，為正確決策和兵力部署提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支持[1]。深入研究無(wú)人機(jī)在國(guó)內(nèi)外森林防火滅火中的運(yùn)用形式、存在問題及發(fā)展對(duì)策，對(duì)于構(gòu)建無(wú)人機(jī)防火滅火作戰(zhàn)體系，推進(jìn)森林部隊(duì)裝備信息化建設(shè)進(jìn)程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無(wú)人機(jī)在森林防火滅火中的應(yīng)用現(xiàn)狀

森林火災(zāi)具有突發(fā)性、蔓延快、危害程度高等特點(diǎn)，早期監(jiān)測(cè)和及時(shí)控制成為預(yù)防火災(zāi)和有效撲救的關(guān)鍵[2]?，F(xiàn)有的森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括地面及近地面監(jiān)測(cè)、航空監(jiān)測(cè)、雷達(dá)監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感聯(lián)合地理信息系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[3]。森林滅火手段主要有直接撲打法、風(fēng)力滅火法、化學(xué)藥劑滅火法、水滅火法、爆炸滅火法等[4]。無(wú)人機(jī)作為一種新型的航空平臺(tái)，因其機(jī)動(dòng)快速、成本低廉、載荷多樣、維護(hù)操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在民用領(lǐng)域得到極大拓展，已成為現(xiàn)代林業(yè)監(jiān)測(cè)和滅火手段的有力補(bǔ)充。

1.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)外有關(guān)無(wú)人機(jī)在森林防火滅火中應(yīng)用研究的項(xiàng)目主要有歐盟的COMETS項(xiàng)目、歐洲的AWARE項(xiàng)目、美國(guó)的“牽牛星”項(xiàng)目和INFLAME項(xiàng)目[5]。其中COMETS項(xiàng)目是一個(gè)無(wú)人機(jī)多功能應(yīng)用研究項(xiàng)目，包含利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行林區(qū)火災(zāi)檢測(cè)、火場(chǎng)實(shí)時(shí)偵查等多方面的研究，通過不同攝像頭所采集的林區(qū)檢測(cè)圖像、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖等提取出重要的火災(zāi)特征，可為林區(qū)防火、滅火部隊(duì)處置險(xiǎn)情提供決策依據(jù)。歐洲的AWARE項(xiàng)目采用無(wú)人機(jī)和地面固定的煙火傳感器組成火災(zāi)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)火焰煙氣報(bào)警和林區(qū)火情實(shí)時(shí)監(jiān)控。“牽牛星”(Altair)是由美國(guó)航空航天局(NASA)和通用原子能航空公司共同研發(fā)的遠(yuǎn)程高空無(wú)人機(jī)，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測(cè)和火山觀測(cè)等[5-6]。美國(guó)航空航天局和美國(guó)林業(yè)局曾利用“牽牛星”無(wú)人機(jī)在2006年的加州森林大火上空巡航2次，使用機(jī)載紅外災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)(AIRDAS)拍攝圖像，通過圖像和數(shù)據(jù)分析找出了主要的火災(zāi)點(diǎn)，為地面滅火人員提供了及時(shí)的探測(cè)信息。國(guó)外將無(wú)人機(jī)應(yīng)用于森林防火等民用領(lǐng)域已十分普遍，整體上體現(xiàn)出無(wú)人機(jī)智能化程度高、配套設(shè)施完善、任務(wù)載荷小型多樣化、火災(zāi)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)強(qiáng)大、監(jiān)測(cè)精度高等特點(diǎn)。

1.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)將無(wú)人機(jī)用于森林防火滅火相對(duì)滯后。2009年9月，中國(guó)無(wú)人機(jī)首次實(shí)現(xiàn)百里遠(yuǎn)程監(jiān)控航拍試驗(yàn)成功[7]，2011年珠海開始使用無(wú)人機(jī)對(duì)林區(qū)進(jìn)行空中火情探測(cè)巡航[8]，2012年6月森林部隊(duì)首次采用無(wú)人機(jī)投入到山西晉中森林火災(zāi)撲救戰(zhàn)斗中，2013年內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)開始運(yùn)用我國(guó)自主研發(fā)的Z5型無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行巡航飛行和采集防火數(shù)據(jù)，這也是我國(guó)首款應(yīng)用于林業(yè)防火系統(tǒng)的中型無(wú)人機(jī)[9]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化的無(wú)人機(jī)火災(zāi)監(jiān)測(cè)技術(shù)公司，如廣西桂林航龍科訊電子有限公司、武漢智能鳥公司相繼開發(fā)出森林防火無(wú)人機(jī)系統(tǒng)[10]。森林部隊(duì)也逐步將無(wú)人機(jī)納入到當(dāng)前的森林防火滅火作戰(zhàn)體系中探索應(yīng)用。2014年黑龍江森林總隊(duì)在遂行任務(wù)能力評(píng)估中開始運(yùn)用無(wú)人機(jī)完成火場(chǎng)偵查任務(wù)。2015年森林部隊(duì)開始著手建設(shè)“林火應(yīng)急無(wú)人機(jī)情報(bào)偵察與通信中繼系統(tǒng)”，以高效完成林火監(jiān)測(cè)、通信中繼、災(zāi)后評(píng)估等工作。相比國(guó)外，我國(guó)利用無(wú)人機(jī)系統(tǒng)對(duì)森林火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)反饋尚處于起始階段，并受到無(wú)人機(jī)性能薄弱、機(jī)源及裝備緊缺、配套設(shè)施和運(yùn)行機(jī)制不健全等不利因素的制約，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作需要。

2 無(wú)人機(jī)在森林防火滅火中的運(yùn)用形式

相比載人飛行器，無(wú)人機(jī)的固有風(fēng)險(xiǎn)較小，使用成本較低，在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在森林防火滅火中主要有全天候火情監(jiān)測(cè)、火場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)距離中繼通信、輔助應(yīng)急救援等運(yùn)用形式。

2.1 全天候火情監(jiān)測(cè)

固定翼無(wú)人機(jī)通過加載高分辨率的可見光、紅外攝像機(jī)等拍攝偵察設(shè)備，能按預(yù)定航跡執(zhí)行林區(qū)空中巡查，將獲取的影像資料實(shí)時(shí)傳回地面監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站再通過網(wǎng)絡(luò)將影像資料傳給防火值班部門。對(duì)于影像資料上的可疑點(diǎn)和區(qū)域，利用遙控指令改變無(wú)人機(jī)的飛行航跡和高度進(jìn)行詳查，再將詳查的影像資料結(jié)果實(shí)時(shí)傳回地面，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情[11]。固定翼無(wú)人機(jī)飛行速度快、飛行距離遠(yuǎn)，通?？赏ㄟ^自主導(dǎo)航方式進(jìn)行中距離火場(chǎng)偵查，但采集和傳回的圖像穩(wěn)定性較差，質(zhì)量不高。

2.2 火場(chǎng)態(tài)勢(shì)實(shí)時(shí)監(jiān)控

多軸旋翼無(wú)人偵察機(jī)配備彩色CCD任務(wù)載荷或紅外探測(cè)器可在距地面800～2000 m高度對(duì)地面火場(chǎng)進(jìn)行懸停觀察，尤其當(dāng)車輛和人員無(wú)法及時(shí)抵達(dá)預(yù)定偵察地點(diǎn)時(shí)，可利用無(wú)人機(jī)快速飛抵火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)獲取火場(chǎng)態(tài)勢(shì)信息，為部隊(duì)提供最佳行進(jìn)路線[12]。同時(shí)可在無(wú)人機(jī)機(jī)身裝備風(fēng)向、風(fēng)速儀等設(shè)備，采集火場(chǎng)全區(qū)域圖像、大火燃燒程度、火場(chǎng)風(fēng)向和風(fēng)速等信息，輔助指揮員確定火災(zāi)范圍、發(fā)展趨勢(shì)和蔓延方向[13]。旋翼無(wú)人機(jī)主要用于近距離火場(chǎng)偵查，采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性較好，但續(xù)航時(shí)間短，飛行距離近。

2.3 遠(yuǎn)距離中繼通信

森林地理環(huán)境復(fù)雜，山高林密，信號(hào)容易被遮擋。利用無(wú)人機(jī)飛行平臺(tái)搭載中繼通信設(shè)備，可保證通信鏈路暢通[14]，利于快速搭建覆蓋任務(wù)區(qū)域的指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，既可滿足各級(jí)指揮員的火場(chǎng)信息需求，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)單兵攜帶Pad共享林火動(dòng)態(tài)信息的功能。由于目前無(wú)人機(jī)搭載能力有限，適用于無(wú)人機(jī)機(jī)載的輕小型遠(yuǎn)距離圖傳、數(shù)傳、語(yǔ)音中繼設(shè)備技術(shù)還不完善，還需進(jìn)一步研發(fā)和集成。

2.4 輔助應(yīng)急救援

通過在無(wú)人機(jī)上集成航拍測(cè)繪模塊，可對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的地形進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪，為滅火和救援提供有力支撐。同時(shí)可在無(wú)人機(jī)上集成語(yǔ)音、擴(kuò)音模塊傳達(dá)指令，在火場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)空中呼喊和指令轉(zhuǎn)達(dá)，及時(shí)通知滅火人員撤離危險(xiǎn)地區(qū)以及提供撤離路徑，并可利用無(wú)人機(jī)輔助拋繩或攜帶關(guān)鍵器材(救援繩、呼吸器等)，為救火人員開辟救生通道。

2.5 其他運(yùn)用形式

目前無(wú)人機(jī)在森林防火滅火中運(yùn)用最多的仍為火場(chǎng)偵查和情報(bào)搜集，但也有一些新的嘗試，如運(yùn)用無(wú)人機(jī)噴灑化學(xué)滅火劑形成阻火帶滅火、在指揮人員的操控下發(fā)射滅火彈輔助滅火、攜帶增雨焰條進(jìn)行人工增雨等。就當(dāng)前的技術(shù)水平和運(yùn)用手段來(lái)看，無(wú)人機(jī)與衛(wèi)星遙感、載人飛機(jī)巡護(hù)、地面瞭望塔和人工巡邏防護(hù)等監(jiān)測(cè)手段有效結(jié)合，形成空天地一體化綜合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)仍是主要的發(fā)展趨勢(shì)。

3 無(wú)人機(jī)在我國(guó)森林防火滅火中存在的主要問題

雖然無(wú)人機(jī)在森林防火滅火領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)凸顯，但在實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中，仍有很多問題不容忽視。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全

一是國(guó)家尚未建立權(quán)威的無(wú)人機(jī)研發(fā)和制造標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)缺乏規(guī)范設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)都是依據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，數(shù)據(jù)格式和通信體制各異，系統(tǒng)化、模塊化、可替換化水平低；二是林業(yè)部門和森林部隊(duì)尚未形成專門應(yīng)對(duì)森林火災(zāi)的無(wú)人機(jī)戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)體系，無(wú)人機(jī)研發(fā)定制缺乏依據(jù)。森林火災(zāi)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)無(wú)人機(jī)的抗熱性、適航性、低可探測(cè)性等性能提出了極高的要求，當(dāng)前適合防火滅火任務(wù)的無(wú)人機(jī)種類有限，遠(yuǎn)不能滿足任務(wù)需求。

3.2 應(yīng)用體系不完善

一是載荷單一，難以為體系化運(yùn)用提供支撐。目前受載重能力、通信能力的限制，無(wú)人機(jī)攜帶的任務(wù)載荷有限，難以實(shí)現(xiàn)載荷多樣、功能融合；二是機(jī)型單一，難以滿足多樣化任務(wù)需求。當(dāng)前在防火滅火中以微小型無(wú)人機(jī)運(yùn)用為主，中型無(wú)人機(jī)數(shù)量很少，在飛行高度、飛行速度、飛行距離等方面難以滿足實(shí)戰(zhàn)要求；三是運(yùn)行機(jī)制不健全，難以為體系化運(yùn)用提供配套齊全的制度保障。無(wú)人機(jī)大量運(yùn)用涉及應(yīng)急申請(qǐng)出動(dòng)、空域申報(bào)協(xié)調(diào)和組織指揮、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、資格認(rèn)證等諸多因素，在任務(wù)管理和協(xié)同配合等方面，還面臨著許多困難。

3.3 技術(shù)水平比較薄弱

一是機(jī)械性能差。升降技術(shù)粗糙、抗風(fēng)性能差、續(xù)航時(shí)間短、載荷能力有限等缺陷嚴(yán)重制約其運(yùn)用推廣；二是智能化水平低?，F(xiàn)有無(wú)人機(jī)產(chǎn)品過多強(qiáng)調(diào)人工操控，對(duì)實(shí)時(shí)環(huán)境感知技術(shù)和飛行姿態(tài)自動(dòng)控制算法研究不深，自身處理故障能力不強(qiáng)，可靠性差；三是數(shù)據(jù)處理能力弱。無(wú)人機(jī)在獲取大量影像數(shù)據(jù)后的主要工作就是數(shù)據(jù)分析和處理，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的影像快速拼接、空三加密、三維場(chǎng)景重建等功能還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 提高森林部隊(duì)無(wú)人機(jī)防火滅火能力的幾點(diǎn)對(duì)策

我國(guó)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)在森林防火滅火方面的應(yīng)用起步較晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。結(jié)合對(duì)森林部隊(duì)裝備建設(shè)現(xiàn)狀和無(wú)人機(jī)實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用情況的調(diào)研，認(rèn)為加強(qiáng)和深化森林部隊(duì)無(wú)人機(jī)防火滅火力量建設(shè)應(yīng)做好以下3點(diǎn)。

4.1 建立具有森林部隊(duì)特色的標(biāo)準(zhǔn)體系

一要注重需求牽引。應(yīng)聚焦森林部隊(duì)防火滅火的職能任務(wù)，針對(duì)不同任務(wù)類型、任務(wù)區(qū)域和任務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行全面細(xì)致的需求分析，重點(diǎn)在續(xù)航時(shí)間、飛行高度、低可探測(cè)性、耐熱性等指標(biāo)上把關(guān)論證，做到需求明確、指標(biāo)清晰、評(píng)估科學(xué)；二要強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)。重點(diǎn)從基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、遙感飛行平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)傳鏈路標(biāo)準(zhǔn)、地面站標(biāo)準(zhǔn)、遙感任務(wù)載荷標(biāo)準(zhǔn)、綜合保障標(biāo)準(zhǔn)、遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、安全運(yùn)行管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、空域協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、遙感無(wú)人機(jī)人員培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)10個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，逐步形成軍民通用并具有森林部隊(duì)特色的無(wú)人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系。

4.2 建立先進(jìn)適用、系統(tǒng)集成的裝備體系

一要豐富機(jī)型，按編配齊。在無(wú)人機(jī)力量體系編成中，應(yīng)根據(jù)任務(wù)性質(zhì)和區(qū)域不同，結(jié)合任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)地勢(shì)地形、環(huán)境影響、氣候條件等因素，從選型和配備上構(gòu)建“低、中、高空與近、中、遠(yuǎn)程科學(xué)搭配，固定翼、多旋翼與油動(dòng)、電動(dòng)合理編成”的無(wú)人機(jī)裝備體系；二要聚焦實(shí)戰(zhàn)，體系運(yùn)用。應(yīng)根據(jù)實(shí)戰(zhàn)要求，基于通用化飛行平臺(tái)，建立光電/紅外、多光譜、雷達(dá)、通信中繼、地形測(cè)繪、磁力探測(cè)等任務(wù)設(shè)備的多樣任務(wù)載荷體系，以適應(yīng)多條件下的探測(cè)任務(wù)需求，并不斷在常態(tài)化實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中檢驗(yàn)性能、評(píng)估數(shù)據(jù)、反饋需求、提高效能。

4.3 建立軍地一體、綜合配套的保障體系

一要在保障方式上有突破。應(yīng)打破軍隊(duì)、地方條塊式的單一保障模式，建立起橫向聯(lián)動(dòng)、系統(tǒng)整合的資源開發(fā)利用機(jī)制，根據(jù)“平時(shí)共建、戰(zhàn)時(shí)共保、資源共享、互促共贏”的原則，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)裝備器材一體化聯(lián)勤保障；二要在人才隊(duì)伍培養(yǎng)上有創(chuàng)新。飛控人才是發(fā)揮無(wú)人機(jī)裝備效能的關(guān)鍵因素，要逐漸擺脫單獨(dú)依靠廠家培訓(xùn)指導(dǎo)的培養(yǎng)模式，走院校正規(guī)化培訓(xùn)的路子?？芍攸c(diǎn)依托警種學(xué)院無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室和訓(xùn)練基地對(duì)操控手、數(shù)據(jù)處理、日常維護(hù)等相關(guān)人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)，并綜合運(yùn)用送出去學(xué)、請(qǐng)進(jìn)來(lái)教、接裝時(shí)訓(xùn)、崗位上練、比武中激等多種方式提高技能水平，逐步形成適應(yīng)任務(wù)、專業(yè)過硬、形成梯次的飛控師人才隊(duì)伍。

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Application Research of UAV in the Forest Fire Prevention

LIU Fu，QIN Jun

(EngineeringUniversityofCAPF，Xi′an710086，Shanxi，China)

The UAV has some unique advantages such as low cost，load diversity，simple maintenance operations in the forest fire prevention.The UAV can achieve all-weather fire monitoring，fire situation real-time monitoring，long-distance relay communication and auxiliary functions such as emergency rescue.But in actual combat，there are still many defects including unreasonable standards，imperfect application system，and weak technical level and so on.The article proposed to strengthen and deepen the UAV force building from standard system，equipment system and security system，in order to promote forest troop and equipment information process to provide strong support.

UAV；fire prevention；forces and civilian integration；system development

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.04.047

2016-02-29

國(guó)家社科基金軍事學(xué)項(xiàng)目(15GJ003-290)

劉福(1987—)，男，山東鄒平人，武警工程大學(xué)裝備與信息技術(shù)研究所碩士，從事裝備信息化研究。E-mail：718259778@qq.com。

S762.6

A

1002-7351(2016)04-0220-04