無人機集群撲救森林火災(zāi)應(yīng)用研究

穆紹禹， 孫 輝

(中國消防救援學(xué)院，北京 102202)

1 無人機在森林防火中應(yīng)用特點

無人機是一種新型的航空平臺，近年來隨著其技術(shù)的成熟已在氣象探空、災(zāi)情監(jiān)測、環(huán)境遙感等眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。特別是質(zhì)量輕、體積小的微型無人機具有購置成本低、運行費用少、操作簡便、機動靈活等特點，能夠根據(jù)現(xiàn)場情況實時調(diào)整作業(yè)方案及載荷設(shè)備，非常適合用于森林火災(zāi)的監(jiān)測作業(yè)。

1.1 反應(yīng)靈活、操作簡單

能夠有效地滿足應(yīng)急需要；通過配置攝像機、高分辨率照相機、前視紅外儀和圖像傳輸?shù)热蝿?wù)設(shè)備，實現(xiàn)對目標區(qū)域的空中巡視，并在巡視過程中實時傳回視頻圖像或存儲高清照片供返回地面處理，其中前視紅外儀配置還可滿足夜晚巡視的要求；可采用手拋發(fā)射、傘降回收，場地要求低，可適應(yīng)各種復(fù)雜的使用環(huán)境。

1.2 成本低廉，可執(zhí)行高危作業(yè)

在森林火災(zāi)發(fā)生時火場上空能見度低，即使是載人飛機能達到火災(zāi)上空，觀察員也無法詳細觀察到地面火場情況，在這種情況下飛行又存在著安全隱患，無人機能夠克服載人飛機這一不足。通過搭載攝像設(shè)備和影像傳輸設(shè)備，可隨時執(zhí)行火警偵察和火災(zāi)探測任務(wù)，地面人員通過接收來自無人機的微波信號，隨時掌握火場動態(tài)信息。

1.3 全天候?qū)饒霰O(jiān)測

無人機可以在空中全天候地對林區(qū)進行監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)火情，報告火場位置，采取行動將火災(zāi)消滅在初期。無人機按預(yù)定航跡對林區(qū)進行空中巡查，并將空中巡查獲取的圖像數(shù)據(jù)實時傳回地面監(jiān)測站，地面監(jiān)測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。

1.4 科學(xué)撲救指揮

對已出現(xiàn)火情的地區(qū)進行空中火情態(tài)勢觀察，使撲火指揮部門迅速有效地組織、部署滅火隊伍，提高滅火作戰(zhàn)效率，及時通知消防人員撤離危險地區(qū)，并根據(jù)火場圖像資料為消防人員提供撤離路徑，防止救火人員傷亡，做到科學(xué)撲救指揮。

2 無人機在森林滅火中瓶頸分析

無人機經(jīng)過滅火實戰(zhàn)檢驗，在火場偵察中確實發(fā)揮了一定的作用，但也存在一些不足，制約著無人機在森林滅火中的應(yīng)用。一是性能有待提高，隨著無人機的興起，無人機市場琳瑯滿目，相比軍用無人機而言，民用無人機往往是“照貓畫虎”，娛樂型較多，在使用上有著天壤之別，缺少專業(yè)設(shè)計，尤其是研究專業(yè)化程度不夠，造成性能不穩(wěn)，續(xù)航里程短等。二是智能化有待改善，雖然無人機操控比較容易，但由于受飛行環(huán)境、無人機性能受影響較大，時常發(fā)生操控過程中機體墜毀情況，主要原因是忽略了以高智能化的控制技術(shù)替代人工操控。三是傳輸模式有待統(tǒng)一，由于無人機生產(chǎn)廠商不同，數(shù)據(jù)格式和通信體制各行其道，增加成本，加重了攜裝負擔，因此必須具備統(tǒng)一標準、數(shù)據(jù)格式、傳輸體制等基礎(chǔ)技術(shù)，力求達到模塊化可替代水平。四是無人機信息一體化平臺有待整合，當前無人機應(yīng)急救援服務(wù)平臺建設(shè)發(fā)展不平衡，應(yīng)用功能不完善，數(shù)據(jù)分散，各自為戰(zhàn)，信息系統(tǒng)和功能實現(xiàn)等缺乏統(tǒng)一標準，信息資源和平臺系統(tǒng)尚未有效整合，效率低下，因此亟需提高應(yīng)急效率。

3 無人機在森林滅火中應(yīng)用方法

3.1 撲救火點與飛火

火點是指剛剛?cè)紵€沒有擴大范圍，形成一定面積的可燃物或受其他條件限制無法繼續(xù)擴大的地表火；飛火是指森林或草原在燃燒的過程中，受熱對流的影響，使正在燃燒的可燃物上升空中，并被風(fēng)吹向前方飄落而剛剛形成的火點，飛火多發(fā)生在森林。

在林火剛剛發(fā)生時，利用無人機噴灑實施化滅，火點少時可多機輪流實施，火點多時可分別實施，在滅火過程中要分清主次，堅持先重點后一般的原則。

3.2 撲救懸崖火

懸崖火是指發(fā)生在懸崖峭壁的林火，由于受地形和可燃物的影響沒有擴大范圍，形成了一個或多個火點，撲火人員無法到達火場難以實施撲救。利用無人機噴灑實施化滅或機載水槍射水滅火。

3.3 撲救單株樹冠火

單株樹冠火是指發(fā)生在樹干并沿著樹干向上蔓延燃燒至樹冠的火，由于郁閉度小只有單株樹冠進行燃燒。利用無人機集群噴灑實施化滅、空中滅火彈爆炸或機載水槍射水滅火。

3.4 撲救中低強度地表火

中低強度地表火是指發(fā)生地表面，火焰高度在1.5米左右。這里單指的是短火線。

將無人機分為若干小組(視無人機數(shù)量而定)，利用無人機集群噴灑實施化滅、空中滅火彈爆炸或機載水槍射水交替滅火。具體做法是1號無人機撲打火線，2號無人機在1號無人機前方4～5米處滅火(距離視機載滅火裝備而定)，3號無人機在2號無人機前方4～5米處滅火。每一組無人機撲滅火線后參照此法。

3.5 集群突破火線

突破火線是指利用一切能夠利用的滅火裝備在火強度低、地勢相對平坦、可燃物稀少的地段，迅速撲滅明火，然后實施滅火的方法。突破火線是滅火的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，極易發(fā)生危險，突破火線后人員迅速進入火燒跡地可有效避免傷亡，為此，使用無人機突破火線可較大降低危險。

集中所有無人機分(載水、化滅藥劑、滅火彈等)，在一點上進行滅火，使之快速出現(xiàn)一處熄滅地段，而后一點兩面實施滅火。(可配合地面滅火隊伍共同實施)。

3.6 清理火線、煙點

清理火線是指利用無人機對山高坡陡、地形特殊、可燃物載量大滅火人員無法到達的火線進行清理，重點清理煙點，確?；鹁€不復(fù)燃。實踐證明火線復(fù)燃造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失往往是難以估量的，2020年4月23發(fā)生的青島小珠山林火就是復(fù)燃火。

3.7 點燒隔離帶與火攻滅火

點燒隔離帶是指利用無人機在火頭前方利用依托(小路、小溪、無可燃物區(qū)域等)對山高坡陡、地形特殊、可燃物載量大滅火人員無法到達的火線進行點燒，如無依托可用無人機噴灑化學(xué)藥劑建立依托。利用無人機分裝載的點火設(shè)施或投放燃燒彈進行點燒。

3.8 保護重點目標安全

保護重點是指利用無人機對建立在地形復(fù)雜、山高坡陡，滅火人員無法到達的重點設(shè)施進行保護。利用無人機(載水、化滅藥劑、滅火彈等)對重點目標周圍或目標本身進行防火處置。

4 發(fā)展趨勢

在加強衛(wèi)星遙感信息引入的同時，利用無人偵察機彌補衛(wèi)星遙感經(jīng)常因云層遮擋獲取不到影像的缺點，解決傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期過長、應(yīng)急不及時等問題，是實現(xiàn)多方位掌握火場態(tài)勢，提高火情獲取能力的必要手段。2020年5月，在撲救四川森林大火期間，利用無人機在火場上空實施空中偵察，使用紅外掃描器查明了主要火災(zāi)點，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面站，大約每隔30分鐘就向地面中繼傳輸火災(zāi)圖像，幾乎實時為消防人員提供了態(tài)勢感知能力。森林部隊要達到這一層次，必須分級開展無人機建設(shè)。一是依托所屬直升機支隊，建設(shè)固定翼中型無人機。在大慶和昆明兩個直升機機場部署固定翼中型無人機，進一步補充重要林區(qū)空中巡視手段，同時統(tǒng)一地勤保障，統(tǒng)一航線協(xié)調(diào)，實現(xiàn)全天候空中巡視。為降低建設(shè)風(fēng)險，前期可通過租用方式實驗論證。二是在各總隊級單位和駐防在重要林區(qū)的支隊建設(shè)小型無人直升機。既保證飛行航程可覆蓋任務(wù)地域，又可在發(fā)現(xiàn)火點時定點偵察，同時也可用于部隊滅火作戰(zhàn)實時指揮。三是為滅火任務(wù)繁重的重點大隊建設(shè)配發(fā)多軸旋翼無人機。可利用無人機發(fā)揮高空瞭望作用，擴展指揮員視野，為部隊提供預(yù)警信息和實時火場態(tài)勢感知。另外，還可利用紅外掃描技術(shù)，對消滅明火的林區(qū)進行空中監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險，有效防止死灰復(fù)燃，完成火場全面驗收。

5 結(jié)論

從國際上看，發(fā)達國家近年來積極利用空間信息技術(shù)，提高災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警水平，加強新一代遙感遙測技術(shù)的研究與開發(fā)，發(fā)展高性能計算技術(shù)，不斷提高數(shù)據(jù)處理和監(jiān)測預(yù)報水平等。我國已經(jīng)將應(yīng)急救援裝備、空間信息技術(shù)等列為軍、民高新技術(shù)和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大規(guī)劃。在《國家2010-2020年科技發(fā)展綱要》中高分辨率對地觀測、衛(wèi)星導(dǎo)航是我國信息領(lǐng)域中要重點發(fā)展的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，同時也列入國家16個重大科技專項。我國空間信息應(yīng)用和應(yīng)急救援領(lǐng)域政產(chǎn)學(xué)研用有效結(jié)合以及軍地商三方的協(xié)同優(yōu)勢，為項目實施奠定了較好的保障條件，有利于整合軍警地各方優(yōu)勢資源。項目的實施將提高國家應(yīng)急處置救援能力，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟社會效益。

雖然我國應(yīng)急救援空間信息一體化平臺建設(shè)有了一定基礎(chǔ)，但在實際工作中，空間技術(shù)應(yīng)急救援服務(wù)平臺建設(shè)發(fā)展仍不平衡，應(yīng)用功能不夠完善，信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺、接口協(xié)議、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和功能實現(xiàn)等方面缺乏統(tǒng)一標準，基礎(chǔ)信息存在割裂，突發(fā)事件發(fā)生時難以迅速匯集、匯總和分析各類有關(guān)信息，信息資源和平臺系統(tǒng)尚未有效整合，各自分散的數(shù)據(jù)因為條塊分割的傳統(tǒng)管理方式難以整合。亟需提高應(yīng)急效率，獲取災(zāi)情分析實時數(shù)據(jù)和信息，梳理應(yīng)急、災(zāi)情上報工作，利用圖文方式上報相關(guān)部門。在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，前方指揮車通過無人機組、三維激光掃描儀、災(zāi)情速報終端等，第一時間獲得了災(zāi)區(qū)不同范圍、不同尺度的地形數(shù)據(jù)，災(zāi)害點三維模型數(shù)據(jù)和災(zāi)害點實地調(diào)查數(shù)據(jù)、相關(guān)視頻、音頻等。這些數(shù)據(jù)對于位于后方的應(yīng)急指揮指揮部決策至關(guān)重要，并為應(yīng)急救災(zāi)決策提供了有力的支持。

當前無人機的運用已經(jīng)在各個領(lǐng)域全面開花，運用起來各有所長，特別是在應(yīng)急救援中獨具優(yōu)勢，例如加強衛(wèi)星遙感信息引入，利用無人偵察機彌補衛(wèi)星遙感獲取不到的影像，解決傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感重訪周期過長等問題。森林滅火中實現(xiàn)多方位掌握火場態(tài)勢，實時為應(yīng)急人員提供了態(tài)勢感知能力。無人機使用已經(jīng)是不可或缺的必要手段，未來無人機將在森林滅火、搶險救援、災(zāi)害預(yù)警等發(fā)揮不可替代的作用。

除了上述領(lǐng)域之外，森林滅火作戰(zhàn)還應(yīng)研究大型無人機滅火、無人機集群滅火、無人機撲救特殊林火的等方法，尤其是對小、散、遠林區(qū)，完成急、難、險、重任務(wù)，努力實現(xiàn)打早打小打了這一森林滅火目標，具有很強的現(xiàn)實意義。