無人直升機在南方林區(qū)森林防火中的應(yīng)用研究

邢建武

(浙江省航空護林管理站，浙江 杭州 310020)

無人機相對于有人機具有機動快速、使用成本低、維護操作簡單等技術(shù)特點，其可以彌補現(xiàn)階段我國航空護林有人機的許多不足，并通過搭載不同的任務(wù)載荷可以在巡護飛行、火場偵察、熱點核查、防火宣傳以及復(fù)雜天氣飛行、夜間飛行、靈活作業(yè)等方面發(fā)揮獨特優(yōu)勢，且經(jīng)濟實用。無人機應(yīng)用于森林防火是新形勢下航空護林的有益探索，是提高森林防火智能化水平的必然要求，是實現(xiàn)大規(guī)模森林防火無人機系統(tǒng)化運行的必然趨勢。

隨著我國無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機已屬于成熟的貨架產(chǎn)品，國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品在國內(nèi)外均有相關(guān)機型的應(yīng)用，具備完善的生產(chǎn)、運營、售后體系，廠家也可提供給用戶完備的無人機運行和維護服務(wù)，可確保森林防火無人機系統(tǒng)的正常運行。無論從技術(shù)成熟度、市場服務(wù)保障能力，還是航空護林場站自身條件等方面，都具備了森林防火無人機系統(tǒng)建設(shè)條件，可保證無人機應(yīng)用的順利實施。

1 無人機應(yīng)用于森林防火研究的科學(xué)意義

森林火災(zāi)是世界八大自然災(zāi)害之一，對森林資源、土質(zhì)、水質(zhì)造成巨大傷害，對野生動物、人民生命財產(chǎn)安全等構(gòu)成了威脅。全球每年平均發(fā)生森林火災(zāi)20多萬起，我國2017年共發(fā)生森林火災(zāi)3 223起，受害森林面積約2.5萬hm2；2018年共發(fā)生森林火災(zāi)2 478起，受害森林面積約1.6萬hm2，因災(zāi)造成人員傷亡39人(其中死亡23人)；2019年森林火災(zāi)已造成39人死亡。

隨著生態(tài)文明建設(shè)的快速發(fā)展，森林防火工作越來越受到重視。在我國，航空護林應(yīng)用于森林防火已有60余年，優(yōu)勢越來越明顯，有人飛機在航空護林中的優(yōu)勢作用已得到充分發(fā)揮，但受天氣條件、日落時間、飛機續(xù)航時間等因素的影響，現(xiàn)有的航空護林飛機不能全天候飛行，有效作業(yè)時間受到多方面限制。

縱觀國際航空護林的發(fā)展方向，更集中在無人機在航空護林中的應(yīng)用(圖1)，通過使用無人機加強對森林的日常巡查，可及時發(fā)現(xiàn)險情，維護防火設(shè)施，大幅減少人員在巡護和滅火過程中的實地參與，保障護林人員的安全，降低綜合成本。

圖1 航空護林無人直升機

無人機具有續(xù)航時間長、影像實時傳輸、高危地區(qū)探測、成本低、機動靈活等特點。在夜間、能見度低、火場天氣復(fù)雜等條件下，有人飛機不能起飛或不能抵達火場區(qū)域時，可發(fā)動無人機起飛抵達火場，在無人機飛行過程中攝像頭全程錄像，并將拍攝現(xiàn)場回傳到地面控制站，可以快速獲取人員難以到達位置的火場信息，替代有人飛機執(zhí)行巡邏報警、火場偵察等任務(wù)，使指揮部門及時了解現(xiàn)場的實際情況，正確做出撲火決策，可有效彌補有人飛機的短板。無人機與有人機相互配合，相互補充，將進一步提升航空護林在森林火災(zāi)預(yù)防和撲救方面的作戰(zhàn)能力。

綜上所述，森林防火無人機具有以下優(yōu)勢特點：(1)能夠獲取火情分析必要的數(shù)據(jù)，如火場范圍、風(fēng)向及發(fā)展趨勢等；(2)可實時監(jiān)控火情發(fā)展趨勢，對火線及火頭有明確識別；(3)可連續(xù)長時間、高負(fù)荷運行，避免了人員疲勞問題；(4)可以飛行到煙霧上空等危險區(qū)域進行詳情偵察、監(jiān)控；(5)可以晝夜全天候作業(yè)；(6)使用維護成本低；(7)規(guī)避了航空作業(yè)人員傷亡風(fēng)險；(8)可與有人機協(xié)同配合作業(yè)，互相補充。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

20世紀(jì)50—60年代以來，無人機在軍事方面已有了成功的應(yīng)用經(jīng)驗，隨著近年來電子技術(shù)等科技領(lǐng)域的高速發(fā)展，無人機在民用領(lǐng)域的應(yīng)用也有了跨越式的增長。無人機的構(gòu)型包括固定翼、直升機、多旋翼以及其他多種復(fù)合形式，起飛重量從數(shù)百克到數(shù)噸不等。適合森林防火應(yīng)用，具備垂直起降能力的無人機主要有直升機、多旋翼、垂直起降固定翼等機型，從載荷和巡航的綜合能力上比較，無人直升機較為突出。

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 h。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。

2011年3月31日在廣東省仁化縣紅山鎮(zhèn)竹坑利用小型旋翼無人機所拍攝的實時影像數(shù)據(jù)能直觀反映林火發(fā)生發(fā)展過程中的火強度，蔓延方向和過火面積，結(jié)合對山地環(huán)境地表可燃物和氣象因子的調(diào)查數(shù)據(jù)能為撲火方案提供輔助決策，為災(zāi)后評估提供有力的技術(shù)支撐(圖2)。

圖2 無人機火場監(jiān)控

2016年在吉林省航空護林中心、塔河航空護林站、幸福航空護林站進行無人機巡護試點，主要探索的是針對東北大面積林區(qū)使用的大型固定翼無人機。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資，在發(fā)現(xiàn)火情的第一時間開展滅火作業(yè)。

國外方面，無人機應(yīng)用于森林消防起步較早，圖3為針對森林滅火中關(guān)于無人機多時間、多空間高分辨率信息獲取的研究。尤其是美國，由于其無人機起步早、發(fā)展快，在無人機護林方面也較早地獲得了成功應(yīng)用。圖4是由美國著有起重機之稱K-MAX直升機改裝的無人駕駛直升機，在博伊西東部吊水進行滅火。圖5是西班牙公司Nitrofirex研發(fā)的用于森林消防的無人機。

圖3 無人機多時間、多空間高分辨率信息獲取

圖4 無人機K-MAX吊桶灑水滅火

圖5 Nitrofirex研發(fā)的森林消防無人機

3 無人直升機在南方森林防火中的主要應(yīng)用場景

南方林區(qū)多山地的地形地貌特點更適合無人直升機開展森林防火工作。相較于無人固定翼飛機，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。

3.1 巡護飛行

常規(guī)的巡護飛行是航空護林站的日常主要工作。傳統(tǒng)的地面巡護由于林區(qū)地形復(fù)雜，道路交通不便，效率較低；衛(wèi)星監(jiān)測分辨率低、時效性不足；有人機受天氣影響大，難以實現(xiàn)實時動態(tài)監(jiān)測。無人直升機系統(tǒng)不僅具有能夠快速到達目標(biāo)區(qū)域的特點，而且起飛前的準(zhǔn)備時間短，反應(yīng)速度快，巡護效率高。

3.2 火情監(jiān)測

森林火災(zāi)發(fā)生后，掌握準(zhǔn)確的火場信息是科學(xué)指揮撲救林火的前提條件。采用無人直升機平臺搭載可見光相機(攝像機)、紅外成像儀等設(shè)備載荷，無論白天還是夜間均可飛抵火場上空，對火場實施不間斷的動態(tài)監(jiān)測，進行火場定位、確定火場范圍、監(jiān)控火場蔓延等操作，并通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)將視頻數(shù)據(jù)回傳至指揮中心，地面指揮中心既可以看到火場的實時圖像，同時也可以利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將實時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，對災(zāi)情進行全面掌控。

3.3 應(yīng)急通訊

森林火災(zāi)發(fā)生地一般地處通訊不暢的偏遠地區(qū)，會對火災(zāi)撲救信息指令的傳達造成障礙，容易貽誤撲火戰(zhàn)機，甚至給地面撲火人員造成不必要的傷害。在火災(zāi)撲救中，可用無人直升機搭載短波、超短波等通信中繼設(shè)備，在火場上空延固定航線飛行、盤旋或懸停，建立臨時通訊網(wǎng)絡(luò)，保證現(xiàn)場救災(zāi)人員和后方指揮人員之間的實時通訊。

3.4 災(zāi)情評估

無人直升機常規(guī)巡護時可將檢測到的植被等情況進行儲存和更新，火災(zāi)發(fā)生后，可以準(zhǔn)確查清火災(zāi)面積，定量評估損失程度，同時與常規(guī)航空巡護中同一區(qū)域的林木生長情況進行對比分析，使評估結(jié)果獨立、客觀、公正，再配合人員調(diào)查，可有效減少評估過程中發(fā)生的糾紛。

4 應(yīng)用研究內(nèi)容

4.1 總體研究思路

充分調(diào)研并學(xué)習(xí)國內(nèi)外研究成果和成功經(jīng)驗，重點解決目前無人機在南方林區(qū)森林防火應(yīng)用中的通信問題，實現(xiàn)有人機與無人機協(xié)調(diào)作業(yè)模式，著重探索、發(fā)現(xiàn)和解決實際應(yīng)用中的具體問題，在應(yīng)用實踐中開拓創(chuàng)新。

4.2 總體研究方案

無人直升機在南方林區(qū)森林防火中應(yīng)用的總體研究方案如圖6所示。

圖6 無人直升機應(yīng)用于南方林區(qū)森林防火的總體研究方案

4.3 總體研究技術(shù)路線

總體研究技術(shù)路線是通過解決無人直升機在南方山地林區(qū)森林防火應(yīng)用的通信問題、有人機對無人直升機操控問題以及有人機與無人直升機的協(xié)同航路規(guī)劃等，按照南方森林防火需求對無人直升機進行選型，并集成無人直升機防火作業(yè)系統(tǒng)，驗證無人直升機系統(tǒng)在森林防火中應(yīng)用上述技術(shù)的可行性并探索應(yīng)用模式。

4.3.1飛行高度

浙江省地勢自西南向東北呈階梯狀傾斜。西南多為千米以上的群山盤結(jié)，其中位于龍泉市境內(nèi)的黃茅尖海拔1 929 m，為全省最高峰。地形以丘陵山地為主，占全省總面積的70.4%，林區(qū)山峰高度為500～2 000 m，火情巡查監(jiān)測時，需要無人直升機具有較高的監(jiān)視效率，也就是能夠監(jiān)測的范圍盡可能大，在發(fā)現(xiàn)火情時要盡可能地觀察清晰，這涉及載荷指標(biāo)與平臺作業(yè)高度，要求飛機既能在3 000 m高空實現(xiàn)護林大范圍巡航作業(yè)要求，又能滿足1 000 m以下低空高清晰搜尋、定位、偵查火情的要求。

4.3.2巡航速度

飛行速度應(yīng)達到一定要求。考慮到現(xiàn)階段無人直升機飛行速度以及實際作業(yè)過程中的準(zhǔn)備(系統(tǒng)展開)時間，確定無人直升機巡航速度需在120 km/h以上，考慮到一定的天氣條件及安全冗余度，所選機型要具備最大150 km/h以上飛行速度能力。 同時考慮到實際作業(yè)需要，無人直升機應(yīng)具備不低于1 h的連續(xù)懸停能力。

4.3.3續(xù)航能力

飛機護林巡護飛行作業(yè)半徑一般為200～300 km，若以120 km/h的速度飛行，至少需要5 h的續(xù)航時間，600 km的續(xù)航能力。

4.3.4實用載荷能力

無人直升機的載荷能力包括搭載可見光攝像(照相)機、紅外成像儀、高光譜成像儀、激光雷達等設(shè)備，以及后續(xù)擴展設(shè)備。因此，所需機型應(yīng)具備120 kg以上的載荷能力。

4.3.5通信鏈路性能

為保證飛機巡護過程中及時發(fā)現(xiàn)火情以及對突發(fā)狀況進行及時處理，要求森林巡護無人直升機系統(tǒng)具備影像數(shù)據(jù)實時回傳能力。對于中遠程大范圍作業(yè)的無人直升機，視距測控鏈路傳輸距離需達到150 km；由于山區(qū)海拔高，超過200 km的遠距離作業(yè)，需要借助衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路子系統(tǒng)來達到實施傳輸?shù)囊?，以獲取高清圖像、視頻信息，下行數(shù)據(jù)傳輸鏈路具備2～4 Mbps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。

4.3.6氣候條件適應(yīng)能力

浙江省林區(qū)氣候條件復(fù)雜、變化無常，無人直升機要具備一定的高低溫適應(yīng)能力，能在-10～40 ℃溫度范圍內(nèi)正常工作；具備一定的抗風(fēng)能力，能在6級風(fēng)條件下安全飛行，在4級側(cè)風(fēng)條件下順利起降；具備一定的抗雨能力，能在中雨條件下安全飛行；具備夜航飛行能力。

4.4 試驗測試

4.4.1地面測試

集成系統(tǒng)在地面進行基本飛行操控功能測試、通信能力測試、規(guī)劃能力測試。

4.4.2平臺能力測試

在試驗場測試無人直升機飛行能力指標(biāo)包括飛行高度、速度、載重能力、航時、航程等。

4.4.3通信能力測試

在南方林區(qū)測試無人直升機的山區(qū)地形、風(fēng)場等環(huán)境適應(yīng)能力、飛行穩(wěn)定性以及山地林區(qū)有遮擋情況下的通信能力。

4.4.4任務(wù)演示飛行測試

遵循由近及遠逐漸拓展范圍的原則，先進行100 km以內(nèi)任務(wù)演練飛行，測試有人機對無人機的操控能力，以及有人機/無人機的動態(tài)航路規(guī)劃和遠距離下無人機與地面站的通信能力測試。

5 結(jié)語

將無人直升機應(yīng)用于南方森林林區(qū)防火符合國家林業(yè)建設(shè)和生態(tài)保護要求，標(biāo)志著林業(yè)建設(shè)的發(fā)展進步，也將促進森林航空消防能力的提升，加強對無人直升機與有人機相互配合、相互補充研究，不斷探索航空護林新方法、新技術(shù)、新手段在實際領(lǐng)域中的應(yīng)用，前景廣闊，是符合我國國情的現(xiàn)代化航空護林事業(yè)發(fā)展的有益探索。隨著無人直升機在南方森林防火中的應(yīng)用和推廣，將進一步發(fā)揮航空護林優(yōu)勢，增強森林火災(zāi)的應(yīng)急處理和森林防火的快速反應(yīng)能力，全面提升南方林區(qū)預(yù)防和控制森林火災(zāi)的綜合能力和現(xiàn)代化水平。