關(guān)于無人機在森林防火中應(yīng)用的探討

周 建，閆鐵錚

（國家林業(yè)局北方航空護林總站，黑龍江 哈爾濱 150027）

關(guān)于無人機在森林防火中應(yīng)用的探討

周 建，閆鐵錚

（國家林業(yè)局北方航空護林總站，黑龍江 哈爾濱 150027）

無人機可克服有人機不能全天候飛行進行火場偵察的限制。依據(jù)無人機系統(tǒng)各子系統(tǒng)的特性，對無人機在森林防火的具體應(yīng)用進行了分析和探討，為無人機在森林防火工作的應(yīng)用提供了思路。

森林防火；無人機；通信鏈路；分層次

1 概述

無人機是不搭載操作人員，采用空氣動力為飛行器提供升力，能夠自動飛行或遠程引導，可一次性或多次重復使用，攜帶各類有效載荷的有動力空中飛行器。無人機要完成相應(yīng)任務(wù)，需與任務(wù)載荷、測控與信息傳輸系統(tǒng)、地面保障系統(tǒng)、任務(wù)分析系統(tǒng)等配合工作，無人機與以上各類設(shè)備組成的完整系統(tǒng)稱為無人機系統(tǒng),包括無人機平臺、測控系統(tǒng)、有效載荷、地面系統(tǒng)。無人機系統(tǒng)可由單個無人機構(gòu)成，也可由多個同型的無人機或由多型多個無人機共同構(gòu)成。本文涉及的無人機是指無人機系統(tǒng)。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國無人機系統(tǒng)發(fā)展迅速，技術(shù)日臻成熟，在軍民領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用。無人機作為航空護林的補充手段，可用于火場偵察（測繪）、巡護等，相對于傳統(tǒng)的有人機，從使用經(jīng)濟性、安全性、維護性等方面具有顯著優(yōu)勢，在美國等發(fā)達國家已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但在我國還處于起步階段。

2.1 美國發(fā)展情況

在2013年8月，加利福尼亞州空中護衛(wèi)隊曾經(jīng)使用MQ-1型捕食者無人機，在北加州邊緣的火災(zāi)中執(zhí)行了提供全天候?qū)崟r信息的任務(wù)。在2007-2009年NASA的伊卡采平臺曾經(jīng)用于繪制突出火災(zāi)地圖。此外，美國林業(yè)局已經(jīng)測試了多種類型的無人機系統(tǒng)平臺，其中大部分是小型或中型類型（翼展小于4.88 m）。美國國家公園管理處使用掃描鷹型無人機，在森林火災(zāi)中向森林防火管理團隊提供實時數(shù)據(jù)，以及與火災(zāi)規(guī)模和蔓延趨勢相關(guān)的信息、火勢、可燃物，以及熱量聚集的區(qū)域。

2.2 國內(nèi)發(fā)展情況

目前，國內(nèi)部分林區(qū)開始嘗試采用無人機進行森林防火作業(yè)，但基本上采用小型旋翼無人機，一般控制距離10 km左右，一次升空巡護時間不大于1小時。如深圳市野生動植物保護管理處、河北承德市森林防火指揮中心、重慶市森林航空護林站等。這些地區(qū)巡護作業(yè)距離普遍較近、作業(yè)范圍小、地理環(huán)境相對較好。而諸如東北地區(qū)，護林站航護作業(yè)半徑100～300 km，且林區(qū)人煙稀少、交通不便，山區(qū)地形對無線通信遮擋問題普遍，單純采用小型旋翼無人機很難滿足大面積日常巡護要求。采用具有衛(wèi)星中繼或多機中繼通信能力的長航時無人機是實現(xiàn)大面積、遠距離無人機航空護林作業(yè)的有效手段。國家林業(yè)局為了將無人機技術(shù)引進森林航空消防，早在“十二·五”規(guī)劃中已經(jīng)進行了科學實驗的規(guī)劃，并從2014年開始在北方的根河航空護林站進行了試點，2016年在吉林航空護林中心、塔河航空護林站、幸福航空護林站進行試點，森林航空消防如何使用無人機正在探索中。

3 森林防火對無人機的需求

森林防火目前使用的航空護林飛機在夜間和能見度低的條件下均不能起飛執(zhí)行火場偵察和巡護任務(wù)，不能實現(xiàn)對火場全天候?qū)嵤﹤刹?，實時掌握火場變化態(tài)勢，對衛(wèi)星監(jiān)測熱點進行核查或?qū)馂?zāi)高發(fā)區(qū)進行巡護。而恰恰在這期間比較容易發(fā)生森林火災(zāi)，同時地面各級森林防火指揮部門又急需掌握林火發(fā)展態(tài)勢，可是，又沒有相應(yīng)的手段獲得火場信息和對衛(wèi)星林火熱點的核查，只能等待滿足有人機起飛的條件下，由有人機完成，結(jié)果是貽誤戰(zhàn)機，這是森林防火亟須解決的難題之一。而無人機完全可以解決這一難題，無人機平臺通過搭載攝像設(shè)備和影像傳輸設(shè)備，可全天候隨時執(zhí)行火警偵察和巡護任務(wù)。地面人員通過接收來自無人機的無線信號，隨時掌握火場動態(tài)信息和對衛(wèi)星林火監(jiān)測熱點的核查。無人機可以全天候地在對火場進行偵察和測繪，在林區(qū)上空巡護及時發(fā)現(xiàn)火情、報告火場位置。無人機是一個集各項高科技于一體的復雜系統(tǒng)，需要數(shù)名多學科的科技人員進行操控運行，而且其能夠執(zhí)行的任務(wù)又比較單一，只能作為有人機不能起飛時的補充。

選擇合適的無人機平臺配備彩色專業(yè)CCD任務(wù)載荷和專業(yè)紅外探測任務(wù)載荷，在距地面800～3000 m飛行高度對地面火場進行實時觀察，將獲取的圖像數(shù)據(jù)實時傳回地面，為前線指揮部第一時間提供火場地理坐標（經(jīng)、緯度）、火場面積、火場邊界、火場火頭蔓延趨勢等火場態(tài)勢情報。任務(wù)分析人員繪成火場態(tài)勢圖并提供給指揮部，使前線指揮部迅速調(diào)配人員進行重點區(qū)域滅火工作，及時通知森林消防專業(yè)隊撤離危險地區(qū)，并根據(jù)火場圖像資料為消防人員提供撤離路徑。對已消滅明火的區(qū)域采用制冷紅外線設(shè)備對地面進行紅外探測，穿透煙霧遙感到地表的溫度情況，探查地下火和余火，以防止死灰復燃。

無人機配備專業(yè)的任務(wù)載荷，按預定航跡對林區(qū)進行空中巡護，并將空中獲取的圖像數(shù)據(jù)實時傳回地面測控站，地面測控站將實時圖像通過網(wǎng)絡(luò)傳給防火值班部門。對于可疑點或區(qū)域，通過遙控指令可改變無人機飛行航跡及飛行高度進行詳查，詳查圖像通過無線鏈路實時傳回地面，對已出現(xiàn)火情的地區(qū)進行空中火情態(tài)勢觀察。

4 分層次應(yīng)用方案

無人機在森林航空消防中的應(yīng)用受通信距離、航時長短、荷載能力的制約。應(yīng)根據(jù)通信距離、航時關(guān)鍵因素分層次進行應(yīng)用。

4.1 大型固定翼無人機

大型固定翼無人機具有航時長、航程遠等優(yōu)點，通過搭載通信設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星通信，適用于超遠距離（900 km以上）的火場偵察及大范圍區(qū)域的巡護。同時無人機強大的帶載能力允許其攜帶滅火物質(zhì)，在發(fā)現(xiàn)火情的第一時間開展滅火作業(yè)。該機型適用于國家級防火部門，比如北方航空護林總站適合配備該型無人機，在北方航空護林總站設(shè)無人機測控中心，通過衛(wèi)星鏈路實現(xiàn)對無人機的測控和通過衛(wèi)星通信接收火場測繪信息。對接收的火場信息經(jīng)過處理后通過寬帶有線網(wǎng)絡(luò)傳到國家森林防火指揮部。

4.2 中型固定翼無人機

中型固定翼無人機相較于大型固定翼無人機在航程、航時以及帶載能力有一定差距，但其尺寸相對較小，使用靈活，使用成本也相對較低，適用于300 km以內(nèi)的防火巡護與火情監(jiān)測。同時通過利用衛(wèi)星中繼或是雙機中繼的方式，也可開展遠距離的巡護作業(yè)。適用于省級森林防火部門。

4.3 小型固定翼無人機

對于任務(wù)范圍100 km以內(nèi)的森林防火巡護、火情重點區(qū)域巡查等長航時日常作業(yè)，可采用小型固定翼無人機開展工作。相較于大、中型固定翼無人機，小型固定翼無人機具有尺寸小、操作簡單、使用靈活、便于部署等優(yōu)點，同時相對于旋翼類無人機，其具有飛行速度快、續(xù)航時間長、飛行高度高等優(yōu)點。同時針對地形遮擋，可采用小型固定翼無人機攜帶中繼載荷登高開展中繼作業(yè)。

4.4 小型多旋翼無人機

小型多旋翼無人機用于實現(xiàn)半徑10～20 km范圍內(nèi)的森林火情巡查與監(jiān)視。無人機具有攜帶方便、操作簡便、能執(zhí)行高危險性任務(wù)等優(yōu)勢，用于森林防火能第一時間進行火場偵察，實時傳輸火場信息，可為研判火場發(fā)展態(tài)勢、科學制定撲救方案提供第一手資料。相較于固定翼無人機，多旋翼無人機不需要固定跑道，并能夠?qū)崿F(xiàn)垂直起降。相較于同為旋翼類的無人直升機，多旋翼無人機具有體積小、便于攜帶，準備時間短，可實現(xiàn)緊急情況下的快速反應(yīng)。同時多旋翼類無人機不需額外的運輸裝備，飛行安全性也更高。該類機型適合于基層撲火隊配備。

4.5 無人直升機

無人直升機用于實現(xiàn)半徑100～150 km以內(nèi)的區(qū)域性森林火情巡查與監(jiān)視。相較于固定翼飛機，無人直升機最大的優(yōu)點在于可以垂直起降，不需要專用的跑道，部署更加靈活。同時無人直升機彌補了多旋翼無人機航程小、航時短、帶載弱的缺點，可實現(xiàn)區(qū)域固定航線巡查與監(jiān)視等功能。應(yīng)用于森林防火的無人直升機，使用半徑一般150 km左右，具備沿林區(qū)設(shè)定航線勘查的能力。對于可疑著火點或區(qū)域，能通過遙控指令改變無人機飛行航跡及飛行高度進行詳查，完成火情區(qū)域精確定位，并實現(xiàn)實時視頻回傳，協(xié)助開展火情判斷。該類機型適合于市、縣級森林防火部門。

5 通信鏈路的建立

無人機系統(tǒng)需要建立穩(wěn)定可靠的通信鏈路，才能實現(xiàn)地面站對無人機的操控、偵察信息傳輸、信息綜合顯示等業(yè)務(wù)功能。穩(wěn)定可靠的通信鏈路決定著無人機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和無人機平臺的可遙控性，關(guān)系到無人機在森林防火中的應(yīng)用方式和范圍。

由于地形遮擋、地球曲率影響，超視距通信需采用衛(wèi)星中繼或無人機自身中繼方式。而對于較近距離作業(yè)，可直接采用數(shù)據(jù)鏈直傳通信，但對于有遮擋情況仍需采用中繼方式。通信方式的選擇應(yīng)根據(jù)無人機平臺的載荷能力進行選擇。大型、中型無人機載荷能力較強，可安裝衛(wèi)星通信設(shè)備。但小型無人機載荷能力有限，國內(nèi)普通衛(wèi)星通信天線直徑大于0.5 m，因此小型無人機較難裝載衛(wèi)星通信天線，應(yīng)采用其他通信中繼的方式（如飛機、基站等）。

無人機地面站采用數(shù)據(jù)鏈和衛(wèi)星通信兩種通信鏈路實現(xiàn)對不同類型無人機的測控信息傳輸。對于大型、中型固定翼無人機采用衛(wèi)星鏈路和數(shù)據(jù)鏈兩種通信手段，無人機與地面站通視條件下優(yōu)先選用數(shù)據(jù)鏈通信。對于小型無人機和無人直升機采用數(shù)據(jù)鏈通信，在有遮擋地形條件作業(yè)可采用中繼方式。無人機地面站間通信，如果地面站部署于機場附近，可直接采用有線網(wǎng)絡(luò)通信或3G/4G移動通信；如果地面站前出部署于林區(qū)腹地，有移動基站信號則優(yōu)先采用3G/4G移動通信，如沒有移動基站信號采用衛(wèi)星通信方式。

6 任務(wù)載荷

根據(jù)森林防火的需要，搭載森林防火專用任務(wù)載荷才能成為森林防火專業(yè)無人機。當前情況下，無人機應(yīng)用到森林防火中，其中專業(yè)的任務(wù)載荷是應(yīng)用過程中需要克服的技術(shù)難點之一，需要從國外引進或自主研發(fā)。

無人機在森林防火中的應(yīng)用需要搭載可見光成像任務(wù)載荷和紅外成像任務(wù)載荷?？梢姽廨d荷可以把火場的實況拍成彩色視頻或數(shù)碼照片傳回地面測控站，可達到新聞直播的效果，看到的是濃煙滾滾和火場相鄰關(guān)系，看不到準確的火線和火頭的位置。在火場偵察中主要是掌握火線和火頭的位置，使之落到地形圖上，達到測繪的效果，以便準確掌握火場的發(fā)展變化態(tài)勢。紅外線成像任務(wù)載荷能夠透過煙霧遙測到地面火點的溫度和火線的準確位置，其采集的火場信息傳回地面后通過專門圖像處理軟件和成圖軟件處理，可以形成供各級森林防火部門的領(lǐng)導和指揮員使用的火場態(tài)勢圖。

無人機平臺搭載紅外線成像任務(wù)載荷應(yīng)用到森林防火中，能夠晝夜24 h隨時起飛執(zhí)行火場偵察任務(wù)，克服了有人機受日落日出時間、能見度、夜間等因素的限制而不能隨時起飛執(zhí)行任務(wù)的困難。比如，無人機對白天和夜間沒有分別，對能見度的大小也沒有分別，除了大風和降雨外能夠全天候起飛作業(yè)。

7 系統(tǒng)使用

7.1 大型無人機基于衛(wèi)星通信遠距離機動執(zhí)行任務(wù)

地面控制站部署于城市中，無人機部署在任務(wù)區(qū)機場。地面測控站與機場航管建立通信聯(lián)系，在機場測控無人機在機場跑道起降，在機場起飛后與衛(wèi)星建立通信后交由地面測控站控制，無人機按規(guī)劃航路巡航飛抵作業(yè)區(qū)域進行執(zhí)行任務(wù)。執(zhí)行任務(wù)過程中，實時將圖像信息回傳到地面控制站，地面站基于衛(wèi)星鏈路實時接收偵察圖像并實時顯示，地面專業(yè)人員基于圖像進行處理、判斷，一旦發(fā)現(xiàn)火情，將火勢和著火位置，通過地面通信系統(tǒng)上報到森林防火管理部門。

7.2 中小型固定翼無人機中繼通信在固定區(qū)域作業(yè)

地面控制站部署于航空護林站機場附近，并與機場航管建立通信聯(lián)系。每次作業(yè)，首先放飛中繼無人機，之后起飛作業(yè)無人機。由中繼無人機在高空盤旋作為數(shù)據(jù)鏈中繼平臺，實現(xiàn)作業(yè)無人機和地面站間連續(xù)測控與圖像傳輸通信。

中繼無人機按規(guī)劃航路飛行到中繼區(qū)高空盤旋，作業(yè)無人機按規(guī)劃航路巡航飛行到作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，實時將圖像信息通過中繼無人機回傳到地面控制站，地面控制實時顯示、處理、判斷火情；一旦發(fā)現(xiàn)火情，將火勢和著火位置，通過地面通信系統(tǒng)上報到護林站航護部門。

7.3 小型無人機系統(tǒng)前置部署進行火場偵察

針對已發(fā)生火災(zāi)林區(qū)，地面控制站、小型旋翼無人機、無人直升機隨運輸保障車輛機動部署到火場附近，利用無人機抵近進行火情偵察，輔助現(xiàn)場指揮人員火情判斷、滅火指揮調(diào)度。小型旋翼無人機對視距內(nèi)近距離火情進行偵察；無人直升機對視距內(nèi)中距離火情進行偵察。無人機按規(guī)劃航路飛行到火場區(qū)域，進行火情勘察作業(yè)，實時將圖像信息回傳到地面和現(xiàn)場指揮員，指揮員根據(jù)掌握的火場實時情況進行指揮撲火，并把掌握的新情況上報上級指揮部門。

8 大型無人機應(yīng)用進展

根據(jù)國家林業(yè)局領(lǐng)導的批示，北航總站由專人負責開展了無人機應(yīng)用在火場偵察監(jiān)測作業(yè)的調(diào)研工作。通過調(diào)研了解到，軍方使用的無人機具有航時長、視距和超視距通信的綜合能力，技術(shù)成熟度高，安全性可靠，該類無人機比較適合于北方的實際情況。北航總站先后對航天十一院的彩虹4型和彩虹101無人機、成都飛機公司的翼龍無人機和貴州飛機公司的鷂鷹無人機進行了深入的調(diào)研。經(jīng)過對性能、技術(shù)參數(shù)等各項指標的綜合對比分析，認為鷂鷹無人機和彩虹4型無人機比較適合用于北方在火場偵察監(jiān)測作業(yè)。航天十一院正在試飛的彩虹101無人機有著更加廣泛的應(yīng)用前景，該款無人機介于直升機和固定翼機之間，以螺旋槳升力托舉下滑行起飛，滑行距離很短，起飛后以固定翼方式飛行，可搭載衛(wèi)星通信設(shè)備，其使用方式更加靈活，限制因素少，減少了應(yīng)用的難度。

無人機應(yīng)用在森林防火中還有許多工作有待加強。火場上空空氣湍流、帶點氣團對無人機安全飛行的影響不清楚，特別是對旋翼型無人機的影響，需要專門研究；還沒有用于火場偵察專門的任務(wù)載荷，需要在明確需求的基礎(chǔ)上，定制集成制造；建立無人機在森林防火中應(yīng)用的標準，使得應(yīng)用到森林防火中的無人機系統(tǒng)相互兼容，增強無人機在各地區(qū)應(yīng)用的機動性和靈活性。

（責任編輯：韓煥金）

S762.6

A

2017-01-13