多無人直升機(jī)協(xié)同開展森林消防作業(yè)探究

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森林火災(zāi)往往發(fā)生在地勢崎嶇的林區(qū)，具有蔓延迅速、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大等特點(diǎn)。火場地形復(fù)雜、坡陡林密、交通不便、通信不暢，給滅火工作帶來極大的困難，火災(zāi)規(guī)模和形狀不斷變化，有的火場面積大、煙霧濃、甚至存在有毒有害氣體。森林火災(zāi)對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，甚至威脅著人類生命和財產(chǎn)安全。我國幅員遼闊，森林資源和植物種類極為豐富，也是森林火災(zāi)多發(fā)國家。森林火災(zāi)有效防治與處置一直是難題。

過去，火情蔓延信息極其匱乏，尤其是發(fā)生在植被茂密的多山地區(qū)、多煙低能見度等一系列極端環(huán)境中的森林火災(zāi)信息。森林消防部門難以持續(xù)獲得火場位置、火勢強(qiáng)度、火場地形特征和其他火場態(tài)勢信息，不僅嚴(yán)重影響滅火和應(yīng)急救援工作，也許會導(dǎo)致人員傷亡。

無人直升機(jī)機(jī)動靈活，能夠在人員、車輛難以到達(dá)的區(qū)域作業(yè)，是一種可實(shí)時收集火場信息的空中平臺，并且可以充當(dāng)通信中繼平臺，為防火、滅火作業(yè)提供有力的支援，推進(jìn)自動化、信息化森林消防建設(shè)，提升森林消防隊(duì)伍的戰(zhàn)斗力。

無人直升機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)勢

目前，國內(nèi)外大部分消防部門使用有人機(jī)在廣闊的森林上空收集信息。一旦森林發(fā)生火災(zāi)，這種方法具有人員工作強(qiáng)度大、探測效率低、夜間作業(yè)難等缺點(diǎn)。而夜間是開展森林滅火的最佳時間段，夜間無太陽輻射，氣溫相對變低，天氣條件相對穩(wěn)定。但是，出于安全方面的考慮，有人機(jī)在夜間、煙霧、復(fù)雜地形等條件下的空中作業(yè)會終止。與有人機(jī)相比，無人機(jī)具續(xù)航時間長、全天時持續(xù)作業(yè)的優(yōu)勢。

無人機(jī)配備組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以在地理坐標(biāo)系中定位自身的位置，實(shí)現(xiàn)所探測到的火場與地理坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，為消防部隊(duì)提供火場指示。與固定翼無人機(jī)相比，無人直升機(jī)具有垂直起降、對起降場地要求低等明顯優(yōu)勢，更適合在森林茂密的山區(qū)開展作業(yè)。同時，無人直升機(jī)能夠在給定目標(biāo)周圍懸?；虻退亠w行，在執(zhí)行森林消防任務(wù)時，快速獲取詳細(xì)的火場信息或充當(dāng)空中通信中繼平臺。

多無人直升機(jī)協(xié)同執(zhí)行森林消防任務(wù)的優(yōu)勢

森林火災(zāi)是一個高度復(fù)雜且無固定結(jié)構(gòu)的災(zāi)害。為更有效地開展滅火作業(yè)，消防部門需要不同位置的多種信息，以及需要準(zhǔn)確預(yù)測火勢蔓延趨勢，所以多架無人直升機(jī)應(yīng)協(xié)同作業(yè)。為了完成森林消防任務(wù)，多架無人直升機(jī)應(yīng)組成編隊(duì)，協(xié)同執(zhí)行消防任務(wù)，而不是每架無人直升機(jī)“單打獨(dú)斗”。多無人直升機(jī)協(xié)同執(zhí)行森林消防任務(wù)具有六方面優(yōu)勢。

首先，單架無人直升機(jī)的作業(yè)能力不足，多架無人直升機(jī)組成編隊(duì)可增強(qiáng)消防任務(wù)所需的作業(yè)能力。

第二，森林火災(zāi)巡查需要覆蓋大范圍區(qū)域。在森林防火例行巡查期間，多架無人直升機(jī)分區(qū)域巡查，可縮短大范圍區(qū)域巡查所需的時間。

第三，在探測火場時，多架無人直升機(jī)同時獲取多方位場景數(shù)據(jù)，地面控制站融合所有無人直升機(jī)獲取的數(shù)據(jù)，可減少不確定性因素，降低預(yù)警誤報率，實(shí)現(xiàn)更有效的火場態(tài)勢評估。

第四，在監(jiān)測火場時，多架無人直升機(jī)在大面積火場中的不同地點(diǎn)同步開展工作。地面控制站在衛(wèi)星影像圖中標(biāo)注所有無人直升機(jī)獲取的影像，形成完整的火場態(tài)勢圖。消防指揮員借助火場態(tài)勢圖，準(zhǔn)確、直觀地掌握火災(zāi)現(xiàn)場情況、火災(zāi)蔓延趨勢，以便及時制定滅火策略。

第五，多架無人直升機(jī)組成編隊(duì)，執(zhí)行通信中繼任務(wù)，可破解無人直升機(jī)因山體等遮擋無法進(jìn)行視距通信的難題，擴(kuò)大無人直升機(jī)的作業(yè)范圍。

第六，無人直升機(jī)編隊(duì)在火場的不同位置測量氣象數(shù)據(jù)，獲取火災(zāi)現(xiàn)場的詳細(xì)氣象信息，輔助消防部門進(jìn)行科學(xué)有效的指揮和決策。

組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈

無人直升機(jī)常規(guī)視距數(shù)據(jù)鏈在多山、丘陵地區(qū)等環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)，通信信號通常被遮擋，從而影響無人直升機(jī)控制和作業(yè)范圍。多架無人直升機(jī)利用組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，擺脫了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈點(diǎn)對點(diǎn)通信的制約，構(gòu)建無中心、自組織通信網(wǎng)絡(luò)。通信中繼節(jié)點(diǎn)為任務(wù)節(jié)點(diǎn)提供通信中繼服務(wù)，解決無人直升機(jī)數(shù)據(jù)鏈因山體遮擋而無法傳輸數(shù)據(jù)的問題，有效提高無人直升機(jī)在作業(yè)區(qū)域的通信穩(wěn)定性。

用于森林消防的任務(wù)載荷

光電/紅外吊艙

在執(zhí)行森林消防任務(wù)時，無人直升機(jī)系統(tǒng)主要使用光電/紅外吊艙獲取火場態(tài)勢信息，可見光攝像機(jī)和紅外熱成像儀發(fā)揮了互補(bǔ)作用。

可見光攝像機(jī)在沒有煙霧遮擋的白天拍攝火場，消防人員可以在可見光影像中觀察火焰，獲得火情基礎(chǔ)測量數(shù)據(jù)和火焰測量數(shù)據(jù)。

紅外熱成像儀適用于夜間作業(yè)，而且不受煙霧遮擋的影響，執(zhí)行火場探測任務(wù)具有明顯的優(yōu)勢，能夠迅速找到發(fā)熱源的位置，即使在火焰可能被煙霧遮擋的場景，也能發(fā)揮作用。

機(jī)載通信中繼設(shè)備

實(shí)際作業(yè)場景通常山高林密，通信網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋，限制了一線消防人員、設(shè)備與前方指揮中心進(jìn)行無線通信，大范圍火災(zāi)現(xiàn)場的通信無法得到保障。無人直升機(jī)攜帶超短波通信中繼、寬帶自組網(wǎng)等機(jī)載通信中繼設(shè)備，為前方指揮中心與一線消防人員搭建信息傳輸?shù)钠脚_，建立無線通信指揮系統(tǒng)，一線消防人員進(jìn)而能共享前方指揮中心的命令和調(diào)度方案。另外，無人直升機(jī)不間斷回傳火場態(tài)勢、消防人員位置等信息，協(xié)助前方揮中心快速在關(guān)鍵區(qū)域部署消防人員，及時通知消防人員撤離危險區(qū)域，并為消防人員提供最佳疏散路線。空中與地面力量實(shí)現(xiàn)了協(xié)同作戰(zhàn)。

氣象傳感器

空中氣象數(shù)據(jù)測量能夠補(bǔ)充地面氣象數(shù)據(jù)庫的信息，為火情蔓延趨勢預(yù)測提供支持。但是，消防裝備需要在火災(zāi)上方的特定空域測量氣象數(shù)據(jù)，會遇到火災(zāi)引起的風(fēng)切變和不穩(wěn)定的上升下降氣流。為保障作業(yè)人員的安全，有人機(jī)可能無法在特定高度作業(yè)。而多無人直升機(jī)掛載氣象傳感器，可在火災(zāi)周圍的特定高度協(xié)同收集氣象數(shù)據(jù)。

消防救援物資

無人直升機(jī)具有掛裝消防救援物資的能力，在執(zhí)行應(yīng)急救援任務(wù)時，可將呼吸面具、防煙罩、食品、水、藥品等補(bǔ)給物資投送到指定區(qū)域，協(xié)助一線消防人員開展救援和滅火工作。

任務(wù)剖面

多無人直升機(jī)協(xié)同開展森林消防作業(yè)，包括日常巡查、火場探測、火災(zāi)監(jiān)測、滅火、通信中繼、輔助救援、災(zāi)后評估等多種任務(wù)。

多無人直升機(jī)協(xié)同探測火場

火場探測主要包括災(zāi)前火情巡查和災(zāi)后余火探測。在火災(zāi)發(fā)生前，無人直升機(jī)主要執(zhí)行火災(zāi)預(yù)防任務(wù)。火情巡查是指無人直升機(jī)在森林火災(zāi)例行巡查中，探測潛在火點(diǎn)、疑似熱點(diǎn)，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，從而避免火災(zāi)燒毀大面積植被。當(dāng)火災(zāi)被撲滅之后，消防部門需要開展災(zāi)后損失評估、余火探測等工作。無人直升機(jī)攜帶紅外熱成像儀，能夠準(zhǔn)確識別隱藏的熱源、余火隱患，防止火災(zāi)再次發(fā)生。

多架無人直升機(jī)組成編隊(duì)，在給定區(qū)域內(nèi)的不同小區(qū)域協(xié)同執(zhí)行火場探測、識別和定位任務(wù)。一旦探測到火源，無人直升機(jī)將火源及其地理坐標(biāo)信息傳回地面控制站。地面控制站利用信息融合技術(shù)，處理無人直升機(jī)提供的信息，以確認(rèn)火災(zāi)警情，并盡可能降低誤報率，提高火場的定位精度。在確認(rèn)火災(zāi)警情后，地面控制站將火場位置信息標(biāo)注在地理信息系統(tǒng)（GIS）上，并通過通信系統(tǒng)將火場信息傳輸?shù)疆?dāng)?shù)叵啦块T。無人直升機(jī)獲取的詳細(xì)信息可為當(dāng)?shù)叵啦块T的指揮決策提供支撐，以便消防部門及時向目標(biāo)區(qū)域部署消防力量，提高滅火效率。

多無人直升機(jī)協(xié)同監(jiān)測火災(zāi)

在火災(zāi)發(fā)生后，無人直升機(jī)主要開展森林火災(zāi)監(jiān)視測量作業(yè)，這是最關(guān)鍵的任務(wù)。一旦火災(zāi)被確認(rèn)，消防部門需要實(shí)時掌握火場態(tài)勢信息和消防人員的位置信息，從而高效統(tǒng)籌全局，快速而科學(xué)地指揮滅火行動。如果消防部門缺乏火場態(tài)勢信息，森林消防滅火工作易引發(fā)事故。

消防部門立即出動無人直升機(jī)編隊(duì)，測量過火區(qū)域的火線形狀、位置、火情蔓延方向、火焰的最大高度等火場態(tài)勢數(shù)據(jù)，實(shí)時獲取火災(zāi)動態(tài)信息。多架無人直升機(jī)在不同區(qū)域、不同高度、不同角度協(xié)同拍攝火災(zāi)現(xiàn)場、一線消防人員所處的位置，將采集的信息實(shí)時回傳地面控制站。

地面控制站處理每架無人直升機(jī)回傳的監(jiān)視數(shù)據(jù)，提取與火線發(fā)展有關(guān)的特征，應(yīng)用多源信息融合技術(shù)，將不同無人直升機(jī)收集的所有信息進(jìn)行統(tǒng)一處理，生成火線綜合態(tài)勢圖、消防人員實(shí)時位置圖、行動路線圖，從而實(shí)現(xiàn)整體火情發(fā)展趨勢預(yù)判。地面控制站在地理信息系統(tǒng)（GIS）上標(biāo)注火場態(tài)勢、人員實(shí)時位置等信息，并將處理后的信息發(fā)送至前方指揮中心。

無人直升機(jī)采集的火場態(tài)勢、消防人員行動軌跡以及目標(biāo)任務(wù)方向等信息為前方指揮中心全局統(tǒng)籌、研判火情等工作提供了支持。前方指揮中心及時、準(zhǔn)確、全面掌握滅火進(jìn)展、滅火效果以及消防人員部署，開展消防規(guī)劃，確定滅火最佳位置。根據(jù)消防規(guī)劃，地面控制站的工作人員相應(yīng)調(diào)整重點(diǎn)區(qū)域的詳細(xì)監(jiān)視航線。前方指揮中心通過無人直升機(jī)搭建的無線通信指揮系統(tǒng)，指揮一線消防人員有序開展滅火工作，實(shí)現(xiàn)高效、安全、科學(xué)的滅火指揮行動。

結(jié)論

森林火災(zāi)將對社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，每年都會造成人員傷亡，消防滅火是一項(xiàng)危險任務(wù)。無人直升機(jī)是一種潛力大、功能強(qiáng)的森林消防工具，可搭載不同任務(wù)載荷執(zhí)行火情巡查、火災(zāi)監(jiān)測、災(zāi)后評估、通信中繼等消防任務(wù)。消防部門充分利用無人直升機(jī)的優(yōu)勢和無人直升機(jī)收集的信息，實(shí)現(xiàn)了消防部隊(duì)的合理調(diào)度、有效的滅火作戰(zhàn)指揮，減少了消防隊(duì)員的出動數(shù)量。