基于固定翼飛機(jī)的森林防火巡查系統(tǒng)方案

洪雨寧 白銀剛 唐健仁

（中電科蕪湖鉆石飛機(jī)制造有限公司 安徽省蕪湖市 241100）

1 引言

“綠水青山就是金山銀山”是時(shí)任浙江省委書(shū)記習(xí)近平于2005年8月在浙江湖州安吉考察時(shí)提出的科學(xué)論斷[1]。加強(qiáng)森林資源保護(hù)，對(duì)自然環(huán)境的保護(hù)具有至關(guān)重要的意義。采用科學(xué)有效的森林防火手段，對(duì)于森林火災(zāi)預(yù)警、控制森林火災(zāi)蔓延，減輕森林火災(zāi)對(duì)森林資源造成的損失，有著現(xiàn)實(shí)意義。

森林防火預(yù)警監(jiān)測(cè)包括地面巡護(hù)、瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)、航空巡護(hù)、衛(wèi)星遙感等手段。地面巡護(hù)和瞭望臺(tái)監(jiān)測(cè)，主要通過(guò)人力或攝像頭等傳統(tǒng)的手段，雖然成本較低，但考慮森林面積、地理環(huán)境、氣候因素等制約，存在觀測(cè)死角與空白，精確度不高，加之一旦火情爆發(fā)的人員撤離風(fēng)險(xiǎn)等因素，不利于準(zhǔn)確提供大面積森林火情信息；衛(wèi)星遙感火場(chǎng)探測(cè)范圍廣，基本不受地理?xiàng)l件限制，能客觀反映火場(chǎng)變化態(tài)勢(shì)，但衛(wèi)星遙感時(shí)效性不高，空間分辨率低，且當(dāng)前資源有限，發(fā)生森林大火時(shí)較難滿足實(shí)際使用需求[2]。2019年和2020年，四川涼山地區(qū)連續(xù)兩年發(fā)生森林大火，并造成了重大人員傷亡和森林資源損失，兩次重大火災(zāi)教訓(xùn)深刻，代價(jià)慘重[3]。但是，在航空應(yīng)急救援領(lǐng)域，仍然存在著重救援、輕預(yù)防，重直升機(jī)、輕固定翼的現(xiàn)象。這不但將造成不能早期發(fā)現(xiàn)火情，以致無(wú)法將森林火災(zāi)消滅在初發(fā)階段，而且在火災(zāi)撲救行動(dòng)中可能無(wú)法及時(shí)判斷火場(chǎng)態(tài)勢(shì)，以致發(fā)生人員傷亡。這將直接影響現(xiàn)場(chǎng)指揮部滅火方案與救災(zāi)措施判斷準(zhǔn)確性。以有人固定翼飛機(jī)為平臺(tái)的森林防火航空巡護(hù)手段，具有視野寬廣，機(jī)動(dòng)性大，速度快，航程長(zhǎng)，能高效對(duì)火場(chǎng)進(jìn)行全面長(zhǎng)時(shí)間觀察等優(yōu)勢(shì)[4]。隨著我國(guó)通航產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，投入、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本不斷降低，風(fēng)險(xiǎn)承受能力不斷增強(qiáng)，受起降、航線、時(shí)間的限制也逐漸放寬，能更有效地開(kāi)展森林防火航空巡護(hù)業(yè)務(wù)。而直升機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)懸停，起降便捷，多用于灑水滅火和人員救助，但其續(xù)航能差，飛行距離短，只適用于較小范圍、近距離火場(chǎng)救援[5]。國(guó)外的航空應(yīng)急救援力量，也多采用固定翼飛機(jī)與直升機(jī)搭配，形成高效、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的機(jī)隊(duì)，可完成多種預(yù)警監(jiān)測(cè)與應(yīng)急救援工作[6]。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外航空應(yīng)急救援、森林防火巡查發(fā)展動(dòng)態(tài)以及我國(guó)國(guó)情與特色，本文介紹一種基于固定翼通用飛機(jī)平臺(tái)的森林防火巡查系統(tǒng)。同時(shí)，文中對(duì)該系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)效進(jìn)行了分析，探討了今后的改善提高途徑與手段。

2 森林防火巡查系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)通過(guò)飛機(jī)平臺(tái)在林區(qū)上空進(jìn)行巡邏，拍攝林區(qū)的紅外/可見(jiàn)光視頻，對(duì)森林著火點(diǎn)定位，著火面積測(cè)算，通過(guò)機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備將視頻和火點(diǎn)定位信息實(shí)時(shí)回傳到地面指揮中心，并通過(guò)衛(wèi)星電話接受地面指揮中心指揮；可通過(guò)電腦客戶端投影到地面指揮中心大屏，或通過(guò)智能手機(jī)APP觀看實(shí)時(shí)回傳的視頻圖像，為指揮決策提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)組成

森林防火巡查系統(tǒng)由地面設(shè)施、空中平臺(tái)兩部分構(gòu)成。

圖1：森林防火巡查系統(tǒng)原理圖

圖2：森林防火巡查系統(tǒng)空中平臺(tái)設(shè)備布局圖

圖3：光電吊艙

圖4：機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備天線單元

地面設(shè)施部分主要是利用指揮中心原有設(shè)施和租用衛(wèi)星通信服務(wù)，包括地面指揮中心顯示大屏、通信衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)公司地面中心站，以及電腦客戶端軟件和手機(jī)APP。

空中平臺(tái)部分由固定翼多用途飛機(jī)平臺(tái)、光電吊艙、機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備組成?？罩衅脚_(tái)設(shè)備布局如圖2所示。本文重點(diǎn)對(duì)空中平臺(tái)進(jìn)行介紹。

2.2.1 飛機(jī)平臺(tái)

本文介紹的固定翼飛機(jī)是一種雙發(fā)輕型多用途通用飛機(jī)，最多可以搭載4名乘員，可適應(yīng)約5500米海拔高度的飛行，1000米長(zhǎng)，35米寬以上標(biāo)準(zhǔn)的通航機(jī)場(chǎng)跑道。適用于較大范圍多任務(wù)飛行，具備較強(qiáng)的轉(zhuǎn)場(chǎng)能力。該飛機(jī)平臺(tái)具有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）安全性高，具備夜航能力。該多用途飛機(jī)機(jī)身幾乎全部采用復(fù)合材料，采用了先進(jìn)的機(jī)身設(shè)計(jì)和雙翼梁設(shè)計(jì)技術(shù)，可有效保護(hù)燃油箱；采用兩臺(tái)高效的AE300 航煤發(fā)動(dòng)機(jī)，即使單發(fā)失效，仍可安全飛行，具有與民航客運(yùn)飛機(jī)相當(dāng)?shù)陌踩阅?。配備高度集成的航空電子系統(tǒng)，同時(shí)具備儀表飛行、夜航、自動(dòng)駕駛與轉(zhuǎn)場(chǎng)能力，可以滿足森林防火巡查系統(tǒng)要求24小時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的需求，可以安全地完成夜間起降，執(zhí)行夜間巡查任務(wù)，搭載紅外/光電和機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備，執(zhí)行晝夜對(duì)林區(qū)的拍攝、視頻監(jiān)控，并將相關(guān)信息傳輸至地面指揮中心。

（2）有效載荷大，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性。該多用途飛機(jī)有效載荷約700Kg，采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化設(shè)計(jì)，是經(jīng)過(guò)EASA和CAAC認(rèn)證的多任務(wù)特種飛機(jī)平臺(tái)，無(wú)需額外改裝即可實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備、傳感器和任務(wù)系統(tǒng)的快速換裝；無(wú)需經(jīng)過(guò)二次適航認(rèn)證，即可根據(jù)飛行任務(wù)需求，可在機(jī)頭、機(jī)腹、機(jī)背等處安裝光電吊艙，航測(cè)相機(jī)、激光雷達(dá)/合成孔徑雷達(dá)等遙感遙測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)偵察巡邏、航空測(cè)繪等任務(wù)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展性[2]。

（3）續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本低。該多用途飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)使用國(guó)際通用的航空煤油，在民航干支線、通航機(jī)場(chǎng)均可方便地實(shí)現(xiàn)油料補(bǔ)充，同時(shí)兼具強(qiáng)大動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性；經(jīng)濟(jì)巡航速度300公里/小時(shí)，航時(shí)達(dá)7-8小時(shí)，最大航程2300公里，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大范圍作業(yè)；該飛機(jī)的基本型已在國(guó)內(nèi)141航校大范圍應(yīng)用，具有大量熟練飛行員及機(jī)務(wù)維修人員，可大大降低該多用途飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)、推廣應(yīng)用成本。

2.2.2 光電吊艙

該系統(tǒng)采用的光電吊艙具備紅外、高清可見(jiàn)光成像能力，具備紅外偽彩色圖像，能夠發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、定位觀察目標(biāo)（火點(diǎn)），可測(cè)定可疑目標(biāo)溫度，輸出可見(jiàn)光/紅外圖像的視頻信號(hào)，跟蹤及鎖定目標(biāo)。顯控計(jì)算機(jī)除完成對(duì)吊艙的狀態(tài)、顯示、控制等任務(wù)外，還可實(shí)現(xiàn)森林火場(chǎng)巡察任務(wù)規(guī)劃等系統(tǒng)功能。

（1）主要構(gòu)成。光電吊艙外形如圖3所示。其主要組成為：光電吊艙本體、光電操控手柄、GPS天線、顯控計(jì)算機(jī)。

（2）主要功能。

1.手動(dòng)搜索。操作員根據(jù)工作需要，設(shè)置進(jìn)入手動(dòng)搜索模式，通過(guò)光電操控手柄，對(duì)目標(biāo)的搜索和識(shí)別。在大視場(chǎng)模式下觀測(cè)時(shí)，操作員可在發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)時(shí)，選擇進(jìn)入小視場(chǎng)模式，實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測(cè)距離和更好的分辨能力，從而對(duì)可疑目標(biāo)的細(xì)致探察與識(shí)別。

2.自動(dòng)搜索。操作員可操控光電吊艙按系統(tǒng)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)方式在方位上實(shí)現(xiàn)往復(fù)掃描，而在俯仰上手動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)搜索，根據(jù)圖像判斷是否存在可疑目標(biāo)。

3.自動(dòng)跟蹤與火點(diǎn)定位。在吊艙搜索并鎖定目標(biāo)后，利用穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外/可見(jiàn)光傳感器的穩(wěn)定，后者將搜索視場(chǎng)中的目標(biāo)轉(zhuǎn)為標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像。圖像跟蹤器捕獲目標(biāo)后，分析目標(biāo)圖像并提取其特征，處理變換。根據(jù)目標(biāo)特性，選取相應(yīng)的跟蹤算法，解析目標(biāo)在視場(chǎng)中移動(dòng)偏差，并反饋至伺服控制系統(tǒng)予以糾正，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制閉環(huán)，鎖定光標(biāo)始終指向被跟蹤目標(biāo)。進(jìn)而，在系統(tǒng)中輸出目標(biāo)位置，實(shí)現(xiàn)火點(diǎn)定位。

4.顯示與控制。顯控系統(tǒng)支持各類目標(biāo)信息/回傳信息傳輸接口的轉(zhuǎn)換功能以及各類任務(wù)吊艙控制指令；具備目標(biāo)信息存儲(chǔ)讀出/顯示功能，負(fù)責(zé)光電吊艙信息的分配與管理、指令輸入；以及用于工作狀態(tài)、顯示控制、巡查任務(wù)規(guī)劃等。

（3）主要技術(shù)指標(biāo)。

光電吊艙主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2.2.3 機(jī)載衛(wèi)星通信設(shè)備

圖5：森林防火巡查可見(jiàn)光圖像

圖6：森林防火巡查紅外圖像

圖7：長(zhǎng)江汛期空中巡查時(shí)拍攝的圖片

（1）主要構(gòu)成。衛(wèi)星通信設(shè)備外形如圖4所示。其主要組成為：天線單元，功放，調(diào)制解調(diào)器，編碼器，天線控制單元，數(shù)據(jù)/電源/射頻線纜等。

（2）主要功能。

1.視頻回傳?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)載光電吊艙拍攝的紅外/可見(jiàn)光視頻圖像單向?qū)崟r(shí)回傳至地面指揮中心。

2.數(shù)據(jù)雙向業(yè)務(wù)。提供飛機(jī)平臺(tái)與地面指揮中心數(shù)據(jù)雙向業(yè)務(wù)，并實(shí)現(xiàn)IP電話雙向語(yǔ)音通話功能。

3.云數(shù)據(jù)信息提供衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄的飛機(jī)飛行姿態(tài)，可以形成云數(shù)據(jù)信息。

（3）主要技術(shù)指標(biāo)。

衛(wèi)星通信設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

2.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

該系統(tǒng)總體的主要技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表1：光電吊艙主要技術(shù)指標(biāo)

表2：衛(wèi)星通信設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)

表3：森林防火巡查系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3 森林防火巡查系統(tǒng)應(yīng)用

2020年以來(lái)，基于固定翼飛機(jī)的森林防火巡查系統(tǒng)常態(tài)化執(zhí)行安徽省某市范圍林區(qū)的航空巡護(hù)和火場(chǎng)偵察任務(wù)，累積發(fā)現(xiàn)20余處初發(fā)火情，為市（縣）區(qū)兩級(jí)森林草原防滅火指揮部以及應(yīng)急管理部門(mén)提供了一手、及時(shí)信息，助力消防部門(mén)迅速撲滅火情，真正做到“打早”、“打小”、“打了”，受到有關(guān)方面的一致好評(píng)。

2020年10月，安徽省某市舉辦了森林火災(zāi)應(yīng)急演練，該系統(tǒng)全程參與了演練，率先發(fā)現(xiàn)火情，并持續(xù)進(jìn)行空中火場(chǎng)偵察，實(shí)時(shí)將火場(chǎng)態(tài)勢(shì)回傳地面指揮中心，并為演練提供了應(yīng)急通信、指揮調(diào)度技術(shù)保障，系統(tǒng)展示了較強(qiáng)的專業(yè)性，受到演練指揮部的表?yè)P(yáng)。如圖5和圖6所示。

隨著該系統(tǒng)的應(yīng)用，越來(lái)越多的部門(mén)、專家和領(lǐng)導(dǎo)，對(duì)森林草原航空巡護(hù)、空中火場(chǎng)偵察工作的重要性有了更加深刻的認(rèn)知。

如圖7所示，森林防火巡查方面的應(yīng)用，該系統(tǒng)還參加了安徽省某市長(zhǎng)江汛期的水情探查，長(zhǎng)江十年禁漁的“清江行動(dòng)”，長(zhǎng)江海事巡查等任務(wù)。在水情探查任務(wù)中，該系統(tǒng)既為防災(zāi)救災(zāi)部門(mén)提供了水災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)場(chǎng)景，以供救災(zāi)指揮調(diào)度參考，又留下了寶貴的檔案記錄，為災(zāi)后分析、改進(jìn)提高救援方案所用；在清江行動(dòng)任務(wù)中，該系統(tǒng)不但提供了高效便捷的解決方案，增加了政府行政執(zhí)法的手段，為進(jìn)一步加速政府行政治理能力跨越式轉(zhuǎn)變，開(kāi)辟了新途徑，提供了新思路。

4 該系統(tǒng)今后的改進(jìn)方向

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)有關(guān)森林防火機(jī)構(gòu)專家的調(diào)研、討論交流，資料收集，經(jīng)過(guò)上述實(shí)際應(yīng)用與實(shí)戰(zhàn)演練，以及與其他應(yīng)用需求部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)、專家溝通座談，我們發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)還有許多方面需要升級(jí)改進(jìn)，方可滿足用戶的實(shí)際需求。如森林火場(chǎng)態(tài)勢(shì)分析與發(fā)展趨勢(shì)預(yù)判、余燼的探測(cè)與確定、現(xiàn)場(chǎng)撲救人員的指揮調(diào)度與安全把控，森林火災(zāi)的災(zāi)后評(píng)估等，都值得進(jìn)一步探討、完善與提升。

圖8：森林防火三級(jí)指揮示意圖

4.1 從系統(tǒng)本身完善發(fā)展的角度

從系統(tǒng)本身完善發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)下一步研制方向有以下幾點(diǎn)：

（1）除具備提供著火點(diǎn)的地理位置信息、火災(zāi)區(qū)域面積計(jì)算，引導(dǎo)滅火直升機(jī)、地面撲救力量外，還應(yīng)具備融合林區(qū)氣象信息（通過(guò)地面獲取或空投探空儀獲取）能力，預(yù)測(cè)火場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)能力，以及余燼的探測(cè)能力，為指揮中心指揮調(diào)度與部署救援行動(dòng)提供科學(xué)依據(jù)。利用對(duì)吊艙可見(jiàn)光圖像的拼接處理，或換裝航測(cè)相機(jī)、合成孔徑雷達(dá)等探測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)火區(qū)域進(jìn)行災(zāi)后評(píng)估。

（2）將負(fù)責(zé)吊艙顯控的計(jì)算機(jī)軟硬件升級(jí)換代，成為整個(gè)系統(tǒng)任務(wù)處理機(jī)，并賦予更多的功能，擔(dān)負(fù)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)與多任務(wù)執(zhí)行，調(diào)度和管控多種載荷的狀態(tài)、發(fā)布指令、信息傳輸?shù)热蝿?wù)，成為一種通用性很強(qiáng)的多任務(wù)計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，各軟件任務(wù)模塊采用模塊化、積木式設(shè)計(jì)架構(gòu)，具備很強(qiáng)的靈活性、通用性、可移植性。采用自適應(yīng)匹配設(shè)計(jì)技術(shù)，自動(dòng)適配外接任務(wù)載荷設(shè)備，進(jìn)行協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性和易操作性[7]。

（3）隨著國(guó)內(nèi)外電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，功能更強(qiáng)大、性能更加高、體積重量更小的載荷不斷涌現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)引入運(yùn)用。而這幾年國(guó)產(chǎn)的北斗系統(tǒng)不斷發(fā)展，功能更強(qiáng)大，應(yīng)用更廣泛；民航局更是在不久前召開(kāi)會(huì)議，推動(dòng)北斗通航應(yīng)用[8][9]。密切關(guān)注高通量衛(wèi)星通信技術(shù)進(jìn)展，及時(shí)引入使用，以便提供更高質(zhì)量的視頻圖像和更豐富的數(shù)據(jù)信息[10]。

4.2 從航空應(yīng)急救援系統(tǒng)角度

通過(guò)在固定翼飛機(jī)平臺(tái)、滅火（救援）直升機(jī)、地面巡邏車輛、指揮中心等加裝自組網(wǎng)通信設(shè)備，形成災(zāi)害一線、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)指揮部、遠(yuǎn)程指揮中心三級(jí)指揮體系（如圖8所示）；固定翼飛機(jī)平臺(tái)在高空長(zhǎng)時(shí)間盤(pán)旋飛行，可作為空中通信中繼平臺(tái)；直升機(jī)可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享的火場(chǎng)位置信息、人員信息，實(shí)施空中滅火、人員救援；護(hù)林員、消防員等可通過(guò)配備的手持自組網(wǎng)終端，把其實(shí)際位置、現(xiàn)場(chǎng)錄制視頻回傳；指揮員可綜合火情發(fā)展態(tài)勢(shì)，通過(guò)自組網(wǎng)指揮消防人員重新布防、滅火、建隔離帶，或及時(shí)安排轉(zhuǎn)移、撤離。

未來(lái)的森林防火巡查系統(tǒng)，必然是網(wǎng)絡(luò)化、多信息感知手段融合、高度集成的系統(tǒng)，通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，把天基衛(wèi)星、空基航空器、地面車輛人員、指揮中心，有機(jī)聯(lián)系起來(lái)，形成一個(gè)巨大的信息共享集群，在通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的有效處理，成為天、空、地一體化綜合森林火災(zāi)應(yīng)急救援通信指揮體系[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

由以上論述可以看出，該固定翼森林防火巡查系統(tǒng)所用技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，經(jīng)實(shí)踐證明，可以廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)應(yīng)急救援領(lǐng)域。經(jīng)改造升級(jí)后，還可快速?gòu)?fù)制應(yīng)用于其他類似固定翼飛機(jī)平臺(tái)。此外，通過(guò)搭載不同的任務(wù)載荷，還可將該平臺(tái)應(yīng)用于應(yīng)急通信、應(yīng)急測(cè)繪，邊境巡邏，海事巡查、空中偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，將為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防事業(yè)做出更多、更大的貢獻(xiàn)。