淺談發(fā)展無人機(jī)系統(tǒng)在黑龍江大興安嶺航空護(hù)林工作中的應(yīng)用

摘 要：多年來，航空護(hù)林在森林防火工作中發(fā)揮了不可替代的空中優(yōu)勢(shì)作用，但也存在諸多不足，隨著我國(guó)無人機(jī)技術(shù)的不斷成熟，發(fā)展無人機(jī)應(yīng)用于森林防火，是航空護(hù)林未來發(fā)展的有益探索，無人機(jī)與有人機(jī)相互配合，相互補(bǔ)充，將進(jìn)一步提升航空護(hù)林在森林火災(zāi)預(yù)防和撲救方面的能力。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)系統(tǒng)；航空護(hù)林；應(yīng)用

黑龍江大興安嶺林區(qū)位于祖國(guó)最北邊疆，總面積835萬公頃，其中林地面積680萬公頃，森林覆蓋率為82%，是國(guó)家生態(tài)安全的重要保障區(qū)和生態(tài)功能區(qū)，是祖國(guó)北方的重要生態(tài)屏障，由于森林火險(xiǎn)等級(jí)高，已被國(guó)家列為一類重點(diǎn)火險(xiǎn)區(qū)。60多年來，航空護(hù)林在黑龍江省大興安嶺林區(qū)先后開展了巡邏報(bào)警、傘降滅火、機(jī)降滅火、化學(xué)滅火、索（滑）降滅火、吊桶滅火等業(yè)務(wù)，在森林火災(zāi)的預(yù)防和撲救中發(fā)揮了不可替代的尖兵作用。近年來，隨著無人駕駛飛機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，發(fā)展無人機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用于森林防火，是航空護(hù)林未來發(fā)展的一個(gè)新的舉措。

一、 應(yīng)用無人機(jī)必要性

多年來，有人飛機(jī)在航空護(hù)林中的優(yōu)勢(shì)作用已經(jīng)得到充分發(fā)揮，但受天氣條件、日落時(shí)間、飛機(jī)續(xù)航時(shí)間等因素的影響，現(xiàn)有的航空護(hù)林飛機(jī)不能全天候飛行，有效作業(yè)時(shí)間受到了多方面的限制。而無人機(jī)具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、影像實(shí)時(shí)傳輸、高危地區(qū)探測(cè)、成本低、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。在夜間、能見度低、火場(chǎng)天氣復(fù)雜等條件，有人飛機(jī)不能起飛或不能抵達(dá)火場(chǎng)區(qū)域時(shí)，可以讓無人機(jī)飛抵火場(chǎng)，無人機(jī)在飛行過程中，攝像頭全程錄像，并將拍攝現(xiàn)場(chǎng)回傳到地面控制站，可以快速獲取人員難以達(dá)到位置的火場(chǎng)信息，替代有人飛機(jī)執(zhí)行巡邏報(bào)警、火場(chǎng)偵察等任務(wù)，讓指揮部門及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，正確做出撲火決策，可有效彌補(bǔ)現(xiàn)有有人飛機(jī)的短板。因此在森林防火中應(yīng)用無人機(jī)是新形勢(shì)下航空護(hù)林的有益探索，是提高森林防火智能化水平的必然要求，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模森林防火無人機(jī)系統(tǒng)化運(yùn)行的必然趨勢(shì)。

二、 應(yīng)用無人機(jī)可行性

美國(guó)、加拿大、俄羅斯等國(guó)家已經(jīng)應(yīng)用無人機(jī)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)加強(qiáng)森林火災(zāi)的預(yù)警監(jiān)測(cè)，我國(guó)也在測(cè)繪、海洋監(jiān)測(cè)、電力等各個(gè)領(lǐng)域開始大力推進(jìn)無人機(jī)在本領(lǐng)域的研究應(yīng)用。國(guó)家發(fā)改委、林業(yè)局出臺(tái)的《全國(guó)森林防火中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》、《全國(guó)林業(yè)信息化發(fā)展“十二五”規(guī)劃》等政策也提出開展無人機(jī)森林防火應(yīng)用，四大國(guó)有林區(qū)的根河、幸福等航空護(hù)林站也先后開展了無人機(jī)的應(yīng)用，黑龍江省大興安嶺塔河航空護(hù)林站也正在引進(jìn)無人機(jī)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于航空護(hù)林工作。

隨著我國(guó)無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無人機(jī)已經(jīng)屬于成熟的貨架產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)機(jī)型的應(yīng)用，具備完善的生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、售后體系，廠家也可提供給用戶完備的無人機(jī)運(yùn)行和維護(hù)服務(wù)，可確保森林防火無人機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。無論從技術(shù)成熟度、市場(chǎng)服務(wù)保障能力，還是航空護(hù)林場(chǎng)站自身?xiàng)l件等方面，都具備了森林防火無人機(jī)系統(tǒng)建設(shè)的條件，可保證無人機(jī)應(yīng)用的順利實(shí)施。

三、 航空護(hù)林無人機(jī)選型

1.無人機(jī)系統(tǒng)。無人機(jī)系統(tǒng)由無人機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷、測(cè)控?cái)?shù)據(jù)鏈、地面測(cè)控站、綜合保障等部分組成。

2.無人機(jī)分類。無人機(jī)有固定翼無人機(jī)和直升機(jī)無人機(jī)。

按大小和質(zhì)量分類，可分為大型、小型和微型無人機(jī)。

按航程分類，可分為近程、短程、中程和遠(yuǎn)程無人機(jī)。

3.航空護(hù)林無人機(jī)選型原則。所選擇的無人機(jī)既要有中遠(yuǎn)程的機(jī)型，可在機(jī)場(chǎng)起降，又要有短程的機(jī)型，可在火場(chǎng)直接起降，機(jī)型應(yīng)符合民航空管要求、滿足航空護(hù)林作業(yè)需求、性能穩(wěn)定可靠、使用管理方便、價(jià)格經(jīng)濟(jì)合理。

4.航空護(hù)林無人機(jī)主要性能指標(biāo)。航空護(hù)林無人機(jī)機(jī)型的選擇應(yīng)以滿足森林防火業(yè)務(wù)需求為第一標(biāo)準(zhǔn)，這里主要談一下，能在機(jī)場(chǎng)起降的中空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)要求：任務(wù)載荷能力不低于150kg，滿載巡航半徑大于800km，滿載續(xù)航時(shí)間大于12小時(shí)，具備超視距視頻實(shí)時(shí)回傳能力，并且要具有夜航飛行及一定的抗電磁干擾能力等性能。

（1） 飛行高度。大興安嶺林區(qū)的山峰高度在500m至1500m，火情巡查監(jiān)測(cè)時(shí)，需要無人機(jī)具有較高的監(jiān)視效率，也就是能夠看的范圍盡可能大，在發(fā)現(xiàn)火情的情況下要看的盡可能的清晰，這涉及載荷指標(biāo)與平臺(tái)作業(yè)高度，要求飛機(jī)既能在3000m至5000m高空實(shí)現(xiàn)護(hù)林大范圍巡航作業(yè)要求，還要滿足1000m以下低空高清晰搜尋、定位、偵查火情的要求。

（2） 巡航速度。飛行速度應(yīng)達(dá)到一定要求?？紤]到現(xiàn)階段無人機(jī)飛行速度，實(shí)際作業(yè)過程中的準(zhǔn)備（系統(tǒng)展開）時(shí)間，無人機(jī)巡航速度需在150km/h以上，考慮到一定的天氣條件及安全冗余度，所選機(jī)型要具備最大180km/h以上飛行速度能力。

（3） 續(xù)航能力。大興安嶺護(hù)林機(jī)場(chǎng)間距離在200km左右，飛機(jī)護(hù)林巡護(hù)飛行作業(yè)半徑一般是200km-300km，考慮到一個(gè)或多個(gè)火場(chǎng)偵查時(shí)現(xiàn)場(chǎng)盤旋作業(yè)時(shí)間以及天氣情況影響，加上一定的安全冗余度，機(jī)型的巡航作業(yè)半徑應(yīng)能達(dá)到500km-800km。若以150km/h速度飛行，至少需要15h的續(xù)航時(shí)間，2000km的續(xù)航能力，

（4） 實(shí)用載荷能力。無人機(jī)的載荷能力包括搭載可見光攝像（照相）機(jī)、紅外成像儀、高光譜成像儀、激光雷達(dá)等設(shè)備，以及后續(xù)擴(kuò)展設(shè)備，因此，所需機(jī)型應(yīng)具備120kg以上的載荷能力。

（5）通信鏈路性能。為保證飛機(jī)巡護(hù)過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)火情、以及突發(fā)狀況進(jìn)行及時(shí)處理，要求森林巡護(hù)無人機(jī)系統(tǒng)具備影像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳的能力。對(duì)于中遠(yuǎn)程大范圍作業(yè)的無人機(jī)，視距測(cè)控鏈路傳輸距離在150 km；由于山區(qū)海拔高，超過200km的遠(yuǎn)距離作業(yè)，需要借助衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路子系統(tǒng)來達(dá)到實(shí)施傳輸?shù)囊?，獲取的高清圖像、視頻信息，下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路具備2-4Mbps傳輸速率要求。為確保安全飛行不受影響，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)具備一定的抗電磁干擾能力。

（6）氣候條件。大興安嶺林區(qū)氣候條件復(fù)雜、變化無常，無人機(jī)要具備一定的高低溫適應(yīng)能力，能在-40℃～+45℃的溫度下正常工作；具備一定的抗風(fēng)能力，能在6級(jí)風(fēng)條件安全飛行，能在4級(jí)側(cè)風(fēng)條件下順利起降；具備一定的抗雨雪能力，能在中雨（雪）條件下安全飛行。

四、無人機(jī)在航空護(hù)林工作中的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

黑龍江省大興安嶺林業(yè)管理局與中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院合作，將無人機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)用于航空護(hù)林工作，通過無人機(jī)視距通訊鏈路、衛(wèi)星通訊鏈路實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳，進(jìn)行火源智能檢測(cè)和火源位置實(shí)時(shí)報(bào)告，以此實(shí)現(xiàn)森林火災(zāi)的快速探測(cè)定位和綜合指揮調(diào)度。2017年5月7日，黑龍江省大興安嶺塔河航空護(hù)林站實(shí)驗(yàn)應(yīng)用彩虹-4型中空長(zhǎng)航時(shí)固定翼無人飛機(jī)在漠河機(jī)場(chǎng)首飛成功，試驗(yàn)完成無人機(jī)系統(tǒng)超視距測(cè)控、地面目標(biāo)定位、火場(chǎng)偵察圖像信息傳輸、夜航飛行等任務(wù)。

1.常規(guī)巡邏預(yù)警。常規(guī)的航空巡邏預(yù)警是航空護(hù)林站的日常主要工作。傳統(tǒng)的地面巡護(hù)由于林區(qū)地形復(fù)雜，道路交通不便，效率較低；衛(wèi)星監(jiān)測(cè)分辨率低、時(shí)效性不足、受天氣影響大，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。無人機(jī)系統(tǒng)不僅具有能夠快速到達(dá)目標(biāo)區(qū)域的特點(diǎn)，而且起飛前的準(zhǔn)備時(shí)間短，反應(yīng)速度快，監(jiān)測(cè)效率高。此外，由于無人機(jī)配備了數(shù)據(jù)鏈設(shè)備，監(jiān)測(cè)圖像可以實(shí)時(shí)傳輸給后方指揮部，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。無人機(jī)系統(tǒng)配備了著火點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，在自動(dòng)識(shí)別火情的同時(shí)還可以對(duì)著火點(diǎn)定位，從而進(jìn)一步提高了森林火災(zāi)預(yù)警和響應(yīng)的速度。

2.火情偵查監(jiān)控。森林火災(zāi)發(fā)生后，掌握準(zhǔn)確的火場(chǎng)信息是科學(xué)指揮撲救林火的前提條件。采用無人機(jī)平臺(tái)搭載可見光相機(jī)（攝像機(jī)）、紅外成像儀、等任務(wù)載荷，無論白天還是夜間，飛抵火場(chǎng)上空，對(duì)火場(chǎng)實(shí)施不間斷的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行火場(chǎng)定位、確定火場(chǎng)范圍、監(jiān)控火場(chǎng)蔓延等，將視頻數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)回傳至指揮中心，地面指揮中心既可以看到火場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像，同時(shí)也可以利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集的圖像與地理信息系統(tǒng)疊加處理，構(gòu)建三維地形圖，對(duì)災(zāi)情進(jìn)行全面掌控，為地面撲救人員提供實(shí)時(shí)的影像支持和三維地形圖支持，為火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)撲救提供詳實(shí)依據(jù)，特別是夜間，有人飛機(jī)不能起飛偵查火情的情況下，無人飛機(jī)更能突出夜間飛行偵查火場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)有人飛機(jī)的不足。

3.火場(chǎng)應(yīng)急通訊。森林火災(zāi)發(fā)生地一般地處偏遠(yuǎn)通訊不暢，會(huì)給火災(zāi)撲救的信息指令的傳達(dá)造成障礙，很容易貽誤撲火戰(zhàn)機(jī)，甚至給地面撲火人員造成不必要的傷害。在火災(zāi)撲救中，可用無人機(jī)搭載3G4G、短波、超短波等通信中繼設(shè)備，在火場(chǎng)上空延固定航線行飛行或盤旋，建立臨時(shí)通訊網(wǎng)絡(luò)，保證現(xiàn)場(chǎng)救災(zāi)人員和后方指揮人員之間的實(shí)時(shí)通訊。

4.火災(zāi)災(zāi)情評(píng)估。森林火災(zāi)損失評(píng)估能正確反映災(zāi)情損失的嚴(yán)重程度，評(píng)估火災(zāi)的經(jīng)濟(jì)損失及生態(tài)損失，并可作為救災(zāi)規(guī)劃、執(zhí)法量刑等的科學(xué)依據(jù)。無人機(jī)常規(guī)巡邏時(shí)可將檢測(cè)到的植被等情況進(jìn)行儲(chǔ)存和更新，火災(zāi)發(fā)生后，可以準(zhǔn)確查清火災(zāi)面積，定量評(píng)估損失程度，同時(shí)與常規(guī)航空巡邏中同一區(qū)域的林木生長(zhǎng)情況進(jìn)行對(duì)比分析，使評(píng)估結(jié)果獨(dú)立、客觀、公正，配合人員的調(diào)查，可以有效減少評(píng)估過程中發(fā)生的糾紛。

五、無人機(jī)的運(yùn)行管理

無人機(jī)的運(yùn)行管理可以全托管模式、帶員托管模式、自主運(yùn)行管理模式。由于無人機(jī)系統(tǒng)在森林防火中的應(yīng)用剛起步，沒有相關(guān)的運(yùn)行管理隊(duì)伍和經(jīng)驗(yàn)，因此無人機(jī)系統(tǒng)引進(jìn)后，實(shí)行帶員托管，依托現(xiàn)有的航空護(hù)林機(jī)場(chǎng)，由無人機(jī)廠家或具有相關(guān)運(yùn)行維護(hù)資質(zhì)的公司提供技術(shù)支持，協(xié)同航空護(hù)林站管理無人機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)，待場(chǎng)站運(yùn)管隊(duì)伍建設(shè)完成，由航空護(hù)林站對(duì)森林防火無人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行管理。

六、 結(jié)語

十八大以來，黨和國(guó)家把生態(tài)文明建設(shè)提升到了新的戰(zhàn)略高度，林業(yè)是生態(tài)建設(shè)的主體，國(guó)家林業(yè)主管部門在四大國(guó)有林區(qū)開展無人機(jī)在航空護(hù)林中實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，是對(duì)生態(tài)保護(hù)的重視，也是對(duì)新時(shí)期航空森林發(fā)展方向的探索，發(fā)展無人機(jī)應(yīng)用于森林防火符合國(guó)家林業(yè)建設(shè)和生態(tài)保護(hù)的要求，標(biāo)志林業(yè)建設(shè)發(fā)展的進(jìn)步，也將促進(jìn)森林消防能力的提升，發(fā)展無人機(jī)與有人機(jī)相互配合，相互補(bǔ)充，是不斷研究航空護(hù)林新方法、新技術(shù)、新手段在實(shí)際領(lǐng)域中的應(yīng)用，前景關(guān)闊，是符合我國(guó)國(guó)情的現(xiàn)代化航空護(hù)林發(fā)展有益探索。

作者簡(jiǎn)介：徐松澤（1975-），男，本科學(xué)歷，森林防火工程師，現(xiàn)任塔河航空護(hù)林站業(yè)務(wù)科科長(zhǎng)。