森林航空消防火場偵察系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

徐健楠,彭玲莉,趙宏江,慕曉煒,涂 瓊,姚 銳,鄒全程,3

(1.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設計院,北京 100714；2.應急管理部北方航空護林總站,哈爾濱 150027；3.東北林業(yè)大學 林學院,哈爾濱 150040)

森林火災是全球性重要森林災害之一,它分布廣、發(fā)生頻度高,破壞森林資源,干擾人民正常生活秩序,造成全球性環(huán)境污染[1]。在我國,森林火災是一種破壞性極強的嚴重自然災害[2]。森林防火工作是以保護森林資源、維護生態(tài)安全、促進社會和諧穩(wěn)定為主的一項社會公益性事業(yè),在我國生態(tài)文明建設中尤為重要[3-5]。森林航空消防火場偵察系統(tǒng)主要用于發(fā)生重、特大森林火災時,國家森林防火指揮部赴火場工作組能夠迅速到達火災發(fā)生地,及時建立起國家級撲火前指和通信中心,利用車載裝備和指揮系統(tǒng)對火場情況進行分析和研判,制定科學、有效、可行的撲救方案[6]。通信中心承擔撲火前指作戰(zhàn)指揮調(diào)度以及與國家森林防火指揮中心的語音、數(shù)據(jù)和圖像傳輸,保證指揮撲救命令和信息的順利送達[7]。

目前,我國森林航空消防火場偵察技術處于起步階段,基本上以人工操作為主,飛行觀察員靠肉眼觀察、經(jīng)驗估算、手工勾繪火場[8]。此方法缺點明顯,首先是對觀察員業(yè)務水平要求高,標繪成果共享性差,無法迅速大量地為地面指揮提供火場態(tài)勢信息,與地面撲火隊伍形成有效配合[9-12]；其次是在特殊火場環(huán)境條件下偵察技術和手段有限；第三是面對新的發(fā)展形勢,在火場應急指揮通信方面存在諸多不足[13]。北方航空護林系統(tǒng)有一個總站和17個航空護林站(點),分別設在黑龍江省的嫩江、加格達奇、塔河、黑河、伊春、牡丹江、佳木斯、幸福、東方紅；內(nèi)蒙古自治區(qū)的根河、海拉爾、扎蘭屯、烏蘭浩特、滿歸、五岔溝；吉林省的敦化、長白山(國家森林防火機構(gòu)改革前)。每年3月上旬開始春季森林航空消防工作,經(jīng)過夏航至11月上旬秋航結(jié)束,歷時250天左右[14]。主要執(zhí)行空中巡護報警、偵察火場、空中指揮撲火、機降滅火、機群航化滅火、索(滑)降滅火、空中宣傳防火、火場急救、火場調(diào)查等航空護林任務。巡護期間累計租用軍、民航飛機140余架次,巡護航線52條,2.1萬km,飛機巡護面積59萬km2,飛機巡護范圍包括大、小興安嶺和張廣才嶺、完達山、長白山、阿爾山林區(qū)[15-17]。近年來,隨著新技術、新理論的不斷發(fā)展和更新,應急管理部北方航空護林總站(原國家林業(yè)局北方航空護林總站)原有通信指揮系統(tǒng)不能滿足新形勢下對火場通信及指揮功能的要求[18],需要更新火場指揮通信系統(tǒng)。裝備更為先進的火場偵察標繪儀,圖傳等設備,以便實時將火場空中觀察的火情和前指的撲救指揮情況及時傳送到國家森防指,實現(xiàn)森林航空消防火場偵察從經(jīng)驗性向科學性的轉(zhuǎn)變[19-21]。

1 系統(tǒng)功能

1) 車輛車體功能。用于裝載和固定通信設備,同時可在車內(nèi)召開前指撲火人員和國家森林防火指揮部以及系統(tǒng)使用單位的視頻會議,協(xié)同指揮。

2) 圖像采集、傳輸、處理功能。包括車頂(內(nèi))攝像機、便攜攝像機、畫面分割器、電腦控制數(shù)字鐘、語音功放、調(diào)音臺、麥克和電話、電臺錄音卡,以及圖像采集卡等,用于對火場現(xiàn)場采集到的多路音視頻信息源進行數(shù)字化記錄便于事后分析,并可把音視頻信息源通過衛(wèi)星手段傳回,通過大屏幕顯示、回放及切換等。

3) 通信保障功能。一是車載通信終端設備,可在公眾無線通信覆蓋的范圍內(nèi)實現(xiàn)汽車行進中和停泊中話音通信,并可進行無線數(shù)據(jù)傳真和登錄互聯(lián)網(wǎng)。二是VSAT小站衛(wèi)星通信系統(tǒng),可快速與“全國森林防火VSAT衛(wèi)星通信網(wǎng)”聯(lián)接,用于前指與國家、省防火辦之間通信?？蛇M行1路電話/傳真,1路高清視頻會議(雙向)圖像,1路高速IP數(shù)據(jù)的傳輸。利用該通信手段可將機載拍攝和地面拍攝的火災現(xiàn)場圖像通過衛(wèi)星信道準實時的傳輸?shù)絿疑址阑鹬笓]部、北方航空護林總站和撲火前指。同時,可實現(xiàn)通過主衛(wèi)星站的電話交換,直接撥打全國電話,利用衛(wèi)星無線接入互聯(lián)網(wǎng),進行數(shù)據(jù)、文件及衛(wèi)星云圖的上傳和下載等。三是海事衛(wèi)星通信終端設備與VSAT小站衛(wèi)星通信互為備份,為火場信息傳輸?shù)綋浠鹎爸?、北航總站、國家森防指提供雙重通信保障。通信車具有無線專網(wǎng)、公網(wǎng)、無線多媒體信息傳輸?shù)榷喾N通信手段(互為備份),確保在任何時間、地點以及任何惡劣環(huán)境下都能與后方指揮中心保持穩(wěn)定、可靠、實時的話音、數(shù)據(jù)和圖像聯(lián)絡。

4) 撲火前指飛行指揮功能。當發(fā)生重特大火災時,在小空域內(nèi)同時作業(yè)的飛機數(shù)量明顯增加,功能設計滿足對作業(yè)飛機實時跟蹤定位、現(xiàn)場指揮、提供氣象保障和安全告警等。

5) 現(xiàn)場辦公功能。實現(xiàn)日常圖形文字處理及打印、編輯、備份、刻錄、掃描、傳真等火災現(xiàn)場辦公功能,具備組建現(xiàn)場不少于15人局域網(wǎng)功能。配備視頻會議系統(tǒng),供指揮人員現(xiàn)場指揮和會議。

6) 輔助保障功能。包括發(fā)電機、蓄電池、UPS不間斷電源、直流電源及輔助設備等組成,支持單相供電方式。

7) 車輛安全監(jiān)控功能。車輛集中控制系統(tǒng)對整車狀態(tài)自動監(jiān)控,對車內(nèi)電流、電壓、電瓶電量實時顯示,通過能力良好,避震能力<0.5g/60km。

8) 衛(wèi)星電視接收功能。在綜合通信指揮車上配置衛(wèi)星電視接收天線和模塊,便于在火場前指及時掌握最新資訊和公眾反映。

9) 數(shù)據(jù)共享功能。綜合通信指揮車和通信車可分別使用,也可相互配合使用,兩者可通過衛(wèi)星、無線、超短波頻段等進行數(shù)據(jù)共享和傳遞。

10) 指揮功能。專為大型綜合通信指揮車設計的單機C/S架構(gòu)的移動前指輔助決策系統(tǒng)軟件,與森林防火信息系統(tǒng)(含地理信息)、國家森林防火信息系統(tǒng)(含地理信息)共享數(shù)據(jù),實現(xiàn)協(xié)同指揮。

11) 火場偵察功能。通過引進航空攝影及航空測繪應用技術,提升航護飛機的火情偵察、火場信息采集等綜合通信和空中指揮能力,提高森林航空消防效率,縮短滅火撲救時間,提升空中偵察、吊桶滅火、索滑降、機降等技戰(zhàn)術水平。

2 系統(tǒng)設計

2.1 火場偵察信息采集傳輸系統(tǒng)

對火場的整體態(tài)勢和社會特征做出展現(xiàn),既可用于小火巡護監(jiān)測,也可用作大火動態(tài)監(jiān)測,采集的火場視頻等信息實時傳輸?shù)降孛婢C合通信指揮車或通信車,可為前指和國家森防指指揮員及時制定林火撲救方案提供支撐。

該系統(tǒng)以滿足國家高清圖像采集和及時傳輸為要求,包括圖像采集傳輸系統(tǒng)(數(shù)碼攝像機、數(shù)碼照相機)、機載無線圖傳中繼系統(tǒng)(在1 600m高空,傳輸距離不小于60km)、BGAN衛(wèi)星系統(tǒng)(靜中通)、筆記本電腦、網(wǎng)絡交換機等。

2.2 地面火場指揮通信系統(tǒng)

包括大型綜合通信指揮車、小型通信車各1輛,兩者既可單獨建立火場前指信息采集傳輸體系,又可以聯(lián)合組建,互為補充,實現(xiàn)發(fā)生重、特大森林火災時,赴火場工作組能迅速奔赴火災發(fā)生地區(qū)。在火場與國家森防指之間迅速搭建起穩(wěn)定的語音、數(shù)據(jù)和圖像傳輸通信網(wǎng)絡,實現(xiàn)撲火前指和后方指揮中心的一體化,確保國家森防指及時獲取火場最新信息,保證森林火災撲救工作順利開展。

1) 綜合通信指揮車。綜合通信指揮車設計核心是火場通信和指揮撲救的綜合應用,要求衛(wèi)星通信系統(tǒng)、火場信息采集及顯示系統(tǒng)、中控系統(tǒng)、音響系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)(辦公及會議)、輔助保障(配電、照明、警示燈)、車輛改裝等均圍繞此展開。

車輛構(gòu)成共分5部分:一是通信系統(tǒng),包括VSAT衛(wèi)星車載站、海事衛(wèi)星系統(tǒng)(動中通)、北斗/GPS定位導航系統(tǒng)、銥星電話、車載媒體指揮調(diào)度平臺、GC網(wǎng)一體終端、航空短波電臺、北斗飛行跟蹤系統(tǒng)(指揮機及機載終端)、航空調(diào)度及火場前指輔助決策系統(tǒng)、航空超短波電臺、數(shù)字超短波中繼臺、數(shù)字超短波車載臺、數(shù)字超短波手持機、手持航空對講機、頻譜儀、無線集團電話、12m氣動升降桿。二是火場信息采集及傳輸處理系統(tǒng),包括車頂高清攝像機、車內(nèi)高清攝像機、云臺(包括控制器)、單兵圖像采集設備、高清無線圖像傳輸系統(tǒng)(含1個單兵發(fā)射、1個機載發(fā)射及1套雙路圖像接收系統(tǒng))、公共衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)、六要素氣象儀等；三是撲火指揮系統(tǒng)；四是運行保障系統(tǒng)；五是車輛改裝。

2) 通信車。通信車是火場重要指揮人員或火場應急工作小組外出時了解和掌握火場實時發(fā)展狀況、進行應急決策和指揮的重要平臺。具備以下功能:一是衛(wèi)星通訊,快速建立火災現(xiàn)場與后方指揮中心的鏈路聯(lián)系,保證現(xiàn)場圖像、視頻等實時傳遞；二是通過蜂窩移動通信或海事衛(wèi)星通信與相關應急平臺連通,具備接收和發(fā)送信息功能；三是使用多種設備采集和上傳火災現(xiàn)場圖片、音視頻等信息；四是多現(xiàn)場采集的多媒體信息進行分類、編輯并生成報告,上傳至指揮中心；五是接收飛機圖傳系統(tǒng)傳輸?shù)幕饒鲂畔?；六是具備航管指揮、氣象保障、定位服務能力,以及無線通話和調(diào)度,并能作為移動中繼。

2.3 火場態(tài)勢圖制作

滿足實時、準確勾繪火場態(tài)勢圖,為各級指揮員決策提供依據(jù),裝載最新國家標準比例地形圖的火場態(tài)勢圖處理設備,結(jié)合成圖、成像軟件升級。包括筆記本電腦、便攜式打印機、大幅面打印機、應用軟件等。配套遠距離高清無線圖像傳輸系統(tǒng),實現(xiàn)航護飛機與地面以及通信指揮車之間的高清視頻圖像傳輸,同時具有雙向語音調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸功能,便于后方指揮中心以及通信指揮車、森林航空消防飛機的可視調(diào)度。

2.4 火情偵察綜合系統(tǒng)升級

該系統(tǒng)是飛行觀察員必備工具,升級后的航空偵察標繪系統(tǒng)依托移動平臺,利用硬件設備提供的多種功能(如移動通信網(wǎng)絡、全球定位傳感器等),以觸摸為主要輸入方式,兼顧輕便、穩(wěn)定,提供繪制火場態(tài)勢信息,火場拍照、火場錄像、火場定位等主要功能(圖1)。包括航空偵察標繪升級、火情偵察綜合系統(tǒng)升級、火情偵察綜合信息處理工作站等。

圖1 火情偵察綜合系統(tǒng)功能示意圖Fig.1 Function diagram of fire reconnaissance integrated system

2.5 基地衛(wèi)星接收系統(tǒng)

滿足火場接收綜合指揮通信車和通信車傳輸?shù)幕饒鲂畔?衛(wèi)星應急通信系統(tǒng)主要由1個固定站和1個(或多個)移動站組成,其中固定站作為總站通信中心。固定站可以與地面火場指揮通信系統(tǒng)實時互聯(lián),以及由固定站進入森林防火衛(wèi)星應急專網(wǎng),固定站和通信車也可作為已有地面鏈路備份鏈路。采用星狀網(wǎng)方式,借用覆蓋中國大陸全境的亞洲四號衛(wèi)星服務平臺使本網(wǎng)系統(tǒng)建設投入最小,建設時間最短,費用最低。系統(tǒng)傳輸平臺選用DVB-RCS兼容系統(tǒng),衛(wèi)星固定站和移動車載站,通過空間衛(wèi)星鏈路組建基于IP的雙向?qū)拵ЬW(wǎng)絡。

3 系統(tǒng)應用試驗

作為森林航空消防火場偵察系統(tǒng)的使用單位北方航空護林總站,于2017年3月對系統(tǒng)中最為重要的綜合通信指揮車和通信車進行了正式投入使用后的首次火場綜合通信實戰(zhàn)演練。其中,僅2017年綜合通信指揮車行駛里程近2萬km,在黑龍江沾河、伊春、漠河完成了3次測試演練,并于內(nèi)蒙古畢拉河林業(yè)局“5·02”和陳巴爾虎旗那吉林場“5·17”2起特大森林火災中,在火場一線,與國家森防指建立衛(wèi)星通信鏈路,進行實時高清視頻通信,搭建多媒體辦公平臺,實現(xiàn)了撲火前指和后方指揮中心的一體化[22]。

4 結(jié)語

由于我國東北重點林區(qū)地處偏遠,公共通信網(wǎng)難以覆蓋,目前超短波通信網(wǎng)標準不統(tǒng)一,尚未實現(xiàn)互聯(lián)互通。加之各地方普遍缺乏通信指揮車,火場機動通信保障能力不強,難以滿足撲火工作需要,也制約了森林航空消防作用的充分發(fā)揮。森林航空消防火場偵察系統(tǒng)的設計其在功能集成上實現(xiàn)多項突破,但綜合應急處置能力仍有待提升。

1) 分布式調(diào)度指揮。依托于衛(wèi)星網(wǎng)絡,兩型通信車、后方指揮中心通過分布式部署單獨的指揮調(diào)度系統(tǒng),任何一輛車單獨工作或相互間及與指揮中心三者的協(xié)同使用均互不影響,有效避免單點故障失效而造成整體系統(tǒng)崩潰的隱患,可靠性高、統(tǒng)一管理性強。利用衛(wèi)星通信專用飛機進行空中偵察,并向綜合通信指揮車及后方指揮中樞實時傳輸火場實況,有效提高應急指揮調(diào)度效率。

2) 飛機跟蹤定位和遠距離高清圖傳?？裳杆俳⑵鹎爸概c國家森林防火指揮中心、林草專網(wǎng)、總站調(diào)度指揮室的視頻聯(lián)系,利用北斗衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)對指揮機進行實時定位,通過無線圖像傳輸系統(tǒng)實時回傳火場圖像、語音,實現(xiàn)了多方視頻會議會商、實時圖像數(shù)據(jù)傳輸、飛機跟蹤定位等。

3) 新型融合調(diào)度指揮平臺。具有語音通信、衛(wèi)星視頻會議、火災現(xiàn)場信息采集、通信中繼、現(xiàn)場指揮、火情偵察、圖像傳輸?shù)裙δ?并且機動靈活,能及時到達重、特大森林火災現(xiàn)場。

4) 綜合應急處置能力有待提升。通過本系統(tǒng)建設,北方航空護林系統(tǒng)航空消防機動滅火能力、火場偵查能力和綜合保障能力得到提高,有效提升了綜合協(xié)調(diào)、保障和服務水平,但還存在航空護林覆蓋范圍不夠、地面保障能力不強等問題。下一步工作重點是對機載火場信息采集傳輸系統(tǒng)、火場態(tài)勢圖制作設備和圖像采集設備進行更新,對空中火情偵查標繪儀、基地衛(wèi)星接收系統(tǒng)等進行升級改造,進一步完善操作、管理及維護規(guī)范。逐步實現(xiàn)運行機制由防救分治向防中有救、救中有防轉(zhuǎn)變；工作重心由重救輕防向關口前移、源頭管控轉(zhuǎn)變；治理方式由簡單粗放向科技引領、依法嚴管轉(zhuǎn)變；防控手段由傳統(tǒng)模式向信息主導、多維并舉轉(zhuǎn)變；撲救行動由人力為主向空地一體、立體作戰(zhàn)轉(zhuǎn)變。