航空護(hù)林航線動態(tài)優(yōu)化問題及對策

周瑞瓊，周愛民，汪 東

（1.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南京，210042；2.南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京，210023）

航空護(hù)林航線動態(tài)優(yōu)化問題及對策

周瑞瓊1，周愛民2，汪 東2

（1.江蘇省生產(chǎn)力促進(jìn)中心，江蘇 南京，210042；2.南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京，210023）

現(xiàn)有航空護(hù)林航線難以實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理，存在飛機(jī)使用效率不高的問題。結(jié)合航空護(hù)林現(xiàn)實(shí)需求以及技術(shù)發(fā)展，提出以地面采集氣象因素、可燃物因素、火險(xiǎn)因子、火源因素等作為實(shí)時數(shù)據(jù)，發(fā)揮大數(shù)據(jù)技術(shù)的海量數(shù)據(jù)存儲、分析能力，對航空護(hù)林航線動態(tài)優(yōu)化問題進(jìn)行優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)航線的快速、科學(xué)、動態(tài)規(guī)劃，提高飛行效率。

林火管理；航空護(hù)林；航線；動態(tài)優(yōu)化；大數(shù)據(jù)

航空護(hù)林是我國森林防火工作的重要組成部分，其“快速、靈活、高效”的優(yōu)勢在監(jiān)測和撲救森林火災(zāi)中發(fā)揮著不可替代的作用。自1952年我國第一個航空護(hù)林機(jī)構(gòu)正式成立以來，航空護(hù)林力量逐漸壯大。航空護(hù)林在火情監(jiān)測、快速撲救方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用，它可依據(jù)其空中快速巡航優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)大范圍火情監(jiān)測和快速的火情信息傳達(dá)，還可快速運(yùn)送撲救隊(duì)伍至指定地點(diǎn)，另外，它直接參與滅火作戰(zhàn)，尤其是在交通不便、地面救援力量難以快速抵達(dá)的山區(qū)，航空護(hù)林是名副其實(shí)的尖兵隊(duì)伍。航空護(hù)林在保護(hù)森林生態(tài)資源和人民生命財(cái)產(chǎn)安全方面做出了巨大貢獻(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2000年以前，90%以上的火情是通過航空巡護(hù)發(fā)現(xiàn)，在2010-2011年衛(wèi)星林火監(jiān)測以及地面監(jiān)測逐步推廣的情況下，東北林區(qū)超過70%的火情仍是通過航空巡護(hù)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過衛(wèi)星及地面監(jiān)測設(shè)備的火情發(fā)現(xiàn)率，可見，航空護(hù)林在林火監(jiān)測上占據(jù)著主導(dǎo)地位。

1 航空護(hù)林現(xiàn)狀

航空護(hù)林在森林防火方面做出了巨大貢獻(xiàn)，但同時因?yàn)楹娇赵O(shè)備造價(jià)高，飛行費(fèi)用高昂，而用于航空護(hù)林的經(jīng)費(fèi)相比較需要巡護(hù)的廣袤林區(qū)而言是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足的，因此有效利用有限的飛行時間來實(shí)現(xiàn)最大化的森林防火效果，一直是行業(yè)內(nèi)關(guān)注的環(huán)節(jié)。

目前我國航空護(hù)林的航線分為火情巡查的固定航線和在林火撲救或其他特殊情況下的臨時航線。在大部分情況下飛機(jī)都是沿固定航線飛行。固定航線的規(guī)劃根據(jù)各航站巡護(hù)區(qū)域內(nèi)的森林分布、火源分布、飛機(jī)續(xù)航能力等因素，在防火期提前設(shè)定。防火期內(nèi)，根據(jù)國家氣象局發(fā)布的森林火險(xiǎn)氣象等級預(yù)報(bào)，提交第二天飛行計(jì)劃。臨時航線大部分是參與森林火災(zāi)撲救時設(shè)定，根據(jù)“集中飛機(jī)打殲滅戰(zhàn)”“打早、打小、打了”的原則，往往在火情初期采取超常規(guī)措施，加倍投入航空力量，火災(zāi)發(fā)生附近場站開辟多條臨時航線集中向火點(diǎn)飛行。

由于氣象環(huán)境處于不斷變化的過程，再加之復(fù)雜地理環(huán)境因素可能導(dǎo)致同一航線上相距十幾公里的森林處于不同的火險(xiǎn)狀況，人員活動、生產(chǎn)活動導(dǎo)致野外火源可能存在季節(jié)性或隨機(jī)性的變化，同時隨著地面林火監(jiān)測點(diǎn)的逐漸增多，如何更有效的根據(jù)氣象情況、森林可燃物情況、火源情況、火災(zāi)情況和地面監(jiān)控的情況及時對巡護(hù)航線做出調(diào)整，減少無效飛行，提升有限的飛行時間和經(jīng)費(fèi)的使用效率，成為越來越現(xiàn)實(shí)和緊迫的問題。

2 航線動態(tài)優(yōu)化技術(shù)方案

2.1 航線動態(tài)優(yōu)化的重要性

航空護(hù)林的目的是監(jiān)測、發(fā)現(xiàn)、撲滅森林火災(zāi)。森林火災(zāi)的發(fā)生發(fā)展主要與氣象條件、可燃物分布、火險(xiǎn)因子、火源等幾個因素相關(guān)。航線的動態(tài)優(yōu)化就是在飛機(jī)性能、飛行時間、禁止飛行氣象條件等約束條件下，分析在變化的氣象空間分布、火險(xiǎn)空間分布、火源危險(xiǎn)性空間分布等環(huán)境下的最優(yōu)化問題，它對于確保撲救效果、提高撲救效率有著重要意義。

航空護(hù)林航線優(yōu)化的基礎(chǔ)是能準(zhǔn)確、及時獲取氣象、可燃物等主要因素的動態(tài)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上建立大數(shù)據(jù)分析平臺實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲和分析，在平臺上利用已成熟的最優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)航線動態(tài)規(guī)劃。

2.2 主要影響因素?cái)?shù)據(jù)來源

2.2.1 氣象因素

氣象因素包含風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度、降雨量的瞬時值以及一天、兩天、一周等等累計(jì)量，這些參量都會影響森林火災(zāi)發(fā)生概率及其發(fā)展蔓延速率。宏觀的氣象預(yù)報(bào)尺度對于林區(qū)尤其是地理?xiàng)l件復(fù)雜的林區(qū)而言，無法提供臨近不同條件（如山頂、山谷或向陽、背陽）地域的小范圍氣象因素?cái)?shù)值。因此需要更小范圍的氣象監(jiān)測手段。地方氣象局建設(shè)氣象站可提供精細(xì)氣象信息，并且目前已有部分林區(qū)建設(shè)地面氣象站，可提供實(shí)時氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，同時還可以在地面巡護(hù)過程中以手持氣象儀對上述氣象因素進(jìn)行監(jiān)測上報(bào)。

2.2.2 可燃物因素

可燃物的分布涉及林草的地面覆蓋分布、樹種、可燃物載量等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可使用人員地面調(diào)查形成的林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS對可燃物分布進(jìn)行空間標(biāo)繪。

2.2.3 火險(xiǎn)因子

火險(xiǎn)因子與可燃物本身和環(huán)境條件相關(guān)，目前我國已建設(shè)數(shù)千個森林火險(xiǎn)因子采集站，并且還在不斷建設(shè)中，因此在已建設(shè)火險(xiǎn)因子采集站的林區(qū)，可直接獲得可燃物的動態(tài)情況。

2.2.4 火源因素

火源包括人為火源以及雷擊等自然火源。人為火源通過林區(qū)管理可限定在較為固定的范圍，同時人為火源也有一些較為明顯的空間、時間規(guī)律：離定居點(diǎn)越近火源越多，燒荒季節(jié)和清明等時候人為火源多。這些因素通過地面巡護(hù)人員可動態(tài)掌握。

2.2.5 其他因素

隨著林區(qū)林火地面監(jiān)控點(diǎn)建設(shè)的發(fā)展，通常的制高點(diǎn)監(jiān)控已可覆蓋半徑5～10 km范圍內(nèi)林區(qū)情況，因此對于這些區(qū)域，可以認(rèn)為不需要設(shè)定固定航線進(jìn)行巡護(hù)。

2.3 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的航線優(yōu)化

航線優(yōu)化問題也是在各種約束條件下的最短路徑問題。在求解這一類問題上目前已有多種成熟的經(jīng)典算法，如Dijkstra算法、動態(tài)規(guī)劃算法、分支限界法等，并且隨著求解問題的復(fù)雜度提升，所需計(jì)算能力越來越高。因此也有不少學(xué)者引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模擬退火、蟻群算法、遺傳算法等優(yōu)化算法來解決這類問題，并應(yīng)用于民航航線、無人機(jī)航線規(guī)劃中，取得較好的使用效果。

從上面分析可知，森林防火航空巡護(hù)相比民航和無人機(jī)的航線規(guī)劃，涉及氣象、可燃物、地理環(huán)境、人員活動等等復(fù)雜的條件，來源眾多，數(shù)據(jù)繁雜，涉及林業(yè)里面的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)。要實(shí)現(xiàn)航線動態(tài)優(yōu)化，必須具有海量數(shù)據(jù)處理能力以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)挖掘能力，因此必須引入大數(shù)據(jù)技術(shù)。

2.3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

與以往數(shù)據(jù)分析相比，氣象、可燃物、火源、地理空間信息等不同類型、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)數(shù)量龐大、格式不一，并且數(shù)據(jù)質(zhì)量良莠不齊，這就要求數(shù)據(jù)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)一方面要規(guī)范格式，便于后續(xù)存儲管理，另一方面要在盡可能保留原有語義的情況下去粗取精、消除噪聲。因此進(jìn)行存儲和處理之前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理體系中稱為ETL（Extracting，Transforming，Loading）過程[1]。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲與管理環(huán)節(jié)

動態(tài)的林業(yè)數(shù)據(jù)量以超高的速度增長，存儲技術(shù)的成本和性能面臨非常大的壓力。大數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)不僅需要以極低的成本存儲海量數(shù)據(jù)，還要適應(yīng)多樣化的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理需求，具備數(shù)據(jù)格式上的可擴(kuò)展性[1]。

2.3.3 計(jì)算處理環(huán)節(jié)

航線優(yōu)化中涉及數(shù)十條航線，在復(fù)雜約束條件下的海量數(shù)據(jù)處理要消耗大量的計(jì)算資源，因此需要使用分布式計(jì)算架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)低成本可持續(xù)的大規(guī)模計(jì)算能力。

2.3.4 數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)

航線的最優(yōu)化本質(zhì)上是從所有可能的航線中挖掘最短航線的參數(shù)，由于涉及氣象、森林資源等等各種類型的空間、時間分布的非結(jié)構(gòu)化、多源異構(gòu)的大數(shù)據(jù)集，需要采用機(jī)器學(xué)習(xí)等更加智能的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[2]。

2.3.5 可視化環(huán)節(jié)

大數(shù)據(jù)航線優(yōu)化決策結(jié)果，以可視化、直觀的方式將分析結(jié)果呈現(xiàn)給用戶，精確直觀、圖文并茂地描述研究對象的位置布置、空間分布等地理信息，也靈活形象地描述研究對象所處的環(huán)境信息，便于林火指揮人員對航線的分析、理解和使用，增強(qiáng)了溝通與解釋。

3 航線動態(tài)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)途徑

3.1 建立數(shù)據(jù)共享機(jī)制

航線動態(tài)優(yōu)化的基礎(chǔ)是森林防火相關(guān)因素的動態(tài)數(shù)據(jù)。因此首先需要與地方林業(yè)局、氣象局等建立所需數(shù)據(jù)的共享通道，實(shí)現(xiàn)氣象、可燃物、火源等各種參量數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取。

3.2 建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺

航線動態(tài)優(yōu)化是一種基于數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化決策過程，也是數(shù)據(jù)處理過程，其實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)就是大數(shù)據(jù)平臺，包括采集、預(yù)處理、存儲、計(jì)算、輸出等環(huán)節(jié)。

3.3 使用-反饋機(jī)制

航線優(yōu)化除了考慮上述主要的影響因素外還要考慮天然林巡護(hù)級別高于人工林，交通不便的林區(qū)對航空巡護(hù)的需求高于靠近公路的林區(qū)等等次要因素，因此在航線優(yōu)化初期，大數(shù)據(jù)平臺計(jì)算出的航線會與需求有一定偏差，這需要人工干預(yù)，將航線優(yōu)化結(jié)果的不合理處反饋到大數(shù)據(jù)分析模型中，不斷對模型進(jìn)行反饋糾偏，直至其航線滿足實(shí)際需求。

4 結(jié)論

航空護(hù)林現(xiàn)有航線規(guī)劃形式因缺乏更多森林防火相關(guān)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析手段支撐，往往采取固定航線的形式飛行，一定程度上存在無效飛行的情況。以氣象、可燃物、火源等多種數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以成熟的優(yōu)化算法對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，可實(shí)現(xiàn)航空護(hù)林航線動態(tài)優(yōu)化，提高巡護(hù)效率，節(jié)約人力物力，更好地保護(hù)森林資源。

[1]工信部電信研究院.大數(shù)據(jù)白皮書[R].北京：2014.

[2]何廷潤.當(dāng)前大數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展的局限性分析[J].移動通信，2014，(14)：29-32.

（責(zé)任編輯：陳小華）

S762.3

A

2017-02-19

南京森林警察學(xué)院預(yù)研項(xiàng)目（LGY201507）