森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

摘要：為了優(yōu)化森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)流程和方法，降低森林火災(zāi)帶來(lái)的隱患和損失。調(diào)研了國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域和產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)律，并且根據(jù)對(duì)應(yīng)用戶繪制了用戶旅程圖，總結(jié)了用戶的痛點(diǎn)和需求點(diǎn)，并且根據(jù)實(shí)際使用場(chǎng)景歸納了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路與原則。根據(jù)總結(jié)的設(shè)計(jì)思路與原則，進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐。探討了無(wú)人機(jī)產(chǎn)品在森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警場(chǎng)景中的設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐，對(duì)于同類型的設(shè)計(jì)研究提供參考，同時(shí)促進(jìn)了無(wú)人機(jī)在更多細(xì)分領(lǐng)域的專業(yè)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)預(yù)警；無(wú)人機(jī)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；森林消防；林火預(yù)防

中圖分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：J文章編號(hào)：1003-0069（2024）17-0100-04

Abstract：To optimize the design process and method of forest fire monitoring and early warning drone，and reduce hidden dangers and losses caused by forest fires. The development status and laws of related fields and products at home and abroad were investigated，and the user journey map was drawn according to the corresponding users，the user’s pain points and needs were summarized，and the product design ideas and principles were summarized according to the actual use scenarios. According to the summarized design ideas and principles，the corresponding design practice was carried out.The design method and practice of drone products in forest fire monitoring and early warning scenarios are discussed，which provides a reference for the same type of design research，and promotes the professional development of drone in more sub-fields.

Keywords：Monitoring and early warning；Unmanned aerial vehicles；Product design；Forest fire control；Forest fire prevention

引言

森林是地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，但受氣候、可燃物、火源等因素的影響，面臨著嚴(yán)重的火災(zāi)威脅。近年來(lái)森林火災(zāi)在全球呈現(xiàn)爆發(fā)態(tài)勢(shì)。森林火災(zāi)不僅破壞了森林資源和生態(tài)環(huán)境，也危及了人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2010年至2019年10年間，我國(guó)共發(fā)生森林火災(zāi)2.1萬(wàn)起，受害森林面積約19.3萬(wàn)公頃，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約50億元[1]。2021 年 7 月，北美、西伯利亞、亞馬遜雨林、地中海等地區(qū)爆發(fā)大規(guī)模山火，森林草原燃燒共釋放 343 Mt 碳，比2014年7月創(chuàng)下的紀(jì)錄還要高出約五分之一[2]。

森林火災(zāi)一般具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、過(guò)火面積大、環(huán)境污染強(qiáng)、滅火難度高等特點(diǎn)[3]。除了導(dǎo)致生態(tài)資源損失、人員傷亡外，森林火災(zāi)的滅火過(guò)程也常常需要消耗大量的人力、物力和財(cái)力。 傳統(tǒng)的森林防火監(jiān)測(cè)預(yù)警方式存在諸多局限性和缺陷，無(wú)法有效地發(fā)現(xiàn)和控制火情。無(wú)人機(jī)技術(shù)作為一種新型的遙感平臺(tái)，具有諸多優(yōu)勢(shì)，可搭載多種傳感器和設(shè)備，在不同的高度和角度對(duì)森林進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)隱患的快速發(fā)現(xiàn)和定位，并及時(shí)將信息傳輸給指揮中心或現(xiàn)場(chǎng)指揮人員。因此，無(wú)人機(jī)技術(shù)在森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用，是保護(hù)森林資源和生態(tài)安全的重要手段。

一、森林消防監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，世界上包括我國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家在林火監(jiān)測(cè)上主要還是采取傳統(tǒng)的地面巡護(hù)、近地面巡護(hù)和空中巡護(hù)（包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)在內(nèi)）3種方式[4]。然而，傳統(tǒng)的地面巡護(hù)存在諸多問(wèn)題：護(hù)林員在巡護(hù)過(guò)程中，需要行走在山路崎嶇、環(huán)境惡劣，存在生命安全隱患，且巡護(hù)范圍有限。而采用近地面監(jiān)測(cè)方式（以瞭望塔為主）雖然可以在一定程度上提高監(jiān)測(cè)效率，但其監(jiān)測(cè)范圍有限，并且機(jī)動(dòng)性較差?？罩斜O(jiān)測(cè)普遍采用飛機(jī)巡護(hù)，價(jià)格昂貴且駕駛員存在安全風(fēng)險(xiǎn)。衛(wèi)星監(jiān)測(cè)則時(shí)效性較低，難以及時(shí)獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警方式存在諸多局限性和缺陷，無(wú)法有效地提前發(fā)現(xiàn)和控制火情。無(wú)人機(jī)技術(shù)作為一種新型的遙感平臺(tái)，具有低成本、高效率、高時(shí)效、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，可以搭載多種傳感器和設(shè)備，在不同的高度和角度對(duì)森林進(jìn)行全方位的觀測(cè)和探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)隱患的快速發(fā)現(xiàn)和定位，并及時(shí)將信息傳輸給指揮中心或現(xiàn)場(chǎng)指揮人員。目前，市場(chǎng)上現(xiàn)有的行業(yè)無(wú)人機(jī)種類繁多，經(jīng)過(guò)搜集和整理，對(duì)多個(gè)較為熱門的應(yīng)用于森林消防監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的無(wú)人機(jī)進(jìn)行對(duì)比和分析（表1）。在森林火災(zāi)預(yù)警的情況下，多旋翼無(wú)人機(jī)使用最為廣泛。而市場(chǎng)上的多旋翼無(wú)人機(jī)主要分為消費(fèi)級(jí)、專業(yè)級(jí)和行業(yè)級(jí)，其中消費(fèi)級(jí)針對(duì)的用戶群體是一般的無(wú)人機(jī)愛(ài)好者，專業(yè)級(jí)則針對(duì)的是需要更多功能如測(cè)繪記錄等功能的用戶，而行業(yè)級(jí)無(wú)人機(jī)則是專門針對(duì)某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，如農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、消防等進(jìn)行設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)，消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)難以滿足森林火災(zāi)預(yù)警的需求，因此專業(yè)級(jí)和行業(yè)級(jí)的無(wú)人機(jī)是課題調(diào)查的重點(diǎn)。此類產(chǎn)品外觀逐漸重視和使用場(chǎng)景的適應(yīng)，同時(shí)造型趨于簡(jiǎn)約和科技化。

總結(jié)發(fā)現(xiàn)，這些產(chǎn)品普遍能夠滿足對(duì)于森林消防監(jiān)控的需求，如續(xù)航時(shí)間和基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)功能等。然而，其在森林防火監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)與環(huán)境不匹配、無(wú)人機(jī)的操作與用戶不適應(yīng)、無(wú)人機(jī)的形象與文化不協(xié)調(diào)等。這些問(wèn)題不僅影響了無(wú)人機(jī)在森林防火監(jiān)測(cè)預(yù)警中的性能和效果，也影響了無(wú)人機(jī)與環(huán)境、用戶、社會(huì)之間的關(guān)系和互動(dòng)。因此，從功能需求和美學(xué)需求兩個(gè)方面出發(fā)，綜合考慮無(wú)人機(jī)在森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警中的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)路線，設(shè)計(jì)出既能滿足實(shí)用功能又能體現(xiàn)美學(xué)價(jià)值的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，具有十分重要的價(jià)值和意義。

二、監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)趨勢(shì)

智能化無(wú)人機(jī)在森林監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用已是未來(lái)所趨。通過(guò)對(duì)搜集整理的近年來(lái)的各類監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)的橫向和縱向分析，主要總結(jié)出監(jiān)測(cè)預(yù)警類無(wú)人機(jī)的3個(gè)設(shè)計(jì)趨勢(shì)：

1.功能多樣化：隨著無(wú)人機(jī)在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域的應(yīng)用，人們對(duì)無(wú)人機(jī)的功能要求越來(lái)越多，從最基礎(chǔ)的飛行和攝像，自主導(dǎo)航，智能識(shí)別，到運(yùn)輸功能，消防監(jiān)測(cè)功能，大數(shù)據(jù)傳遞功能，測(cè)繪功能等，行業(yè)上使用的無(wú)人機(jī)必須滿足行業(yè)所需要的功能。針對(duì)森林消防場(chǎng)景，無(wú)人機(jī)需要具備以下功能：（1）能夠在復(fù)雜的地形和氣象條件下穩(wěn)定飛行，具有較強(qiáng)的抗干擾和抗風(fēng)能力；（2）能夠?qū)崟r(shí)傳輸高清視頻和圖像，為火情判斷和撲火方案提供依據(jù)；（3）能夠攜帶不同載荷以滿足不同的任務(wù)需求（如可見(jiàn)光傳感器、紅外傳感器等），對(duì)火災(zāi)進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和一定的控制；（4）能夠與其他無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，形成無(wú)人機(jī)集群，提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性、安全性和穩(wěn)定性。

2.多端協(xié)同化：無(wú)人機(jī)在偵查測(cè)繪領(lǐng)域的應(yīng)用，使得無(wú)人機(jī)所帶來(lái)的數(shù)據(jù)和信息越來(lái)越多，越來(lái)越雜。為了使信息盡可能地簡(jiǎn)潔直觀，方便用戶接收查看，要求無(wú)人機(jī)有著對(duì)數(shù)據(jù)多端協(xié)同化的處理能力。針對(duì)森林消防場(chǎng)景，無(wú)人機(jī)要能夠與基層林業(yè)人員、數(shù)據(jù)處理中心、指揮中心等多個(gè)部門和平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互和協(xié)作?；鶎恿謽I(yè)人員可以通過(guò)App或者客戶端應(yīng)用控制和修改監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)的巡航路線；無(wú)人機(jī)能夠?qū)⑴臄z的視頻和圖像及時(shí)傳送到數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行智能分析，識(shí)別出火源位置、火勢(shì)大小、火勢(shì)蔓延方向等關(guān)鍵信息，并以圖形或文字的方式標(biāo)注出來(lái)，同步到監(jiān)測(cè)人員的顯示頁(yè)面；數(shù)據(jù)處理中心要能夠?qū)⑹占臄?shù)據(jù)和信息與地理信息系統(tǒng)（GIS）相結(jié)合，生成動(dòng)態(tài)的火情地圖，并實(shí)時(shí)更新；指揮中心要能夠?qū)⑸傻幕鹎榈貓D與撲火方案相結(jié)合，展示出撲火力量的部署、行動(dòng)路線、任務(wù)分工等信息，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。多端協(xié)同化的無(wú)人機(jī)可以提高森林防火監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的質(zhì)量和水平，提供更有效的決策支持。

3.場(chǎng)景定制化：無(wú)人機(jī)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，其工作的場(chǎng)景也各不相同，為了能更好地適應(yīng)其工作環(huán)境，更好地完成工作，無(wú)人機(jī)不斷地向著其工作領(lǐng)域定制化發(fā)展，有著不同的針對(duì)性以滿足對(duì)不同場(chǎng)景的適應(yīng)。同時(shí)，靈活配置和模塊化設(shè)計(jì)也使其滿足于更多元和更專業(yè)的場(chǎng)景。針對(duì)森林消防場(chǎng)景，無(wú)人機(jī)需要具備以下場(chǎng)景化特點(diǎn)：（1）能夠根據(jù)不同類型的森林和不同季節(jié)的植被變化，調(diào)整無(wú)人機(jī)的外觀、顏色和紋理，以達(dá)到防護(hù)、隱蔽或警示的效果；（2）能夠根據(jù)不同的火災(zāi)等級(jí)和不同的監(jiān)測(cè)任務(wù)，選擇不同類型和規(guī)模的無(wú)人機(jī)，以適應(yīng)不同的工作需求；（3）能夠根據(jù)不同的天氣狀況（如晴天、雨天、霧天等）和不同的光照條件（如白天、黑夜等），選擇合適的傳感器和照明設(shè)備，以保證無(wú)人機(jī)的正常工作。

三、森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警產(chǎn)品的需求分析

（一）產(chǎn)品主要用戶群體

森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警產(chǎn)品的主要用戶群體為基層林業(yè)巡護(hù)人員和森林消防部門工作人員，也包括部分負(fù)責(zé)后臺(tái)數(shù)據(jù)分析以及監(jiān)測(cè)的工作人員等?；鶎由盅沧o(hù)人員的主要職責(zé)是了解管護(hù)區(qū)域內(nèi)林草資源狀況，開(kāi)展日常巡護(hù)，做好巡護(hù)記錄，報(bào)告管護(hù)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)；協(xié)助管理野外用火，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理火災(zāi)隱患和報(bào)告火情，并協(xié)助有關(guān)機(jī)關(guān)調(diào)查森林草原火災(zāi)案件；及時(shí)發(fā)現(xiàn)和報(bào)告管護(hù)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的有害生物危害情況、破壞林草資源的情況、亂捕濫獵野生動(dòng)物及野生動(dòng)物異常死亡等情況，并進(jìn)行勸阻；宣傳林草資源保護(hù)的有關(guān)法律法規(guī)、政策等。他們對(duì)大自然和野生動(dòng)物有著深厚的感情和認(rèn)同感，有較強(qiáng)的野外生存技能和應(yīng)變能力，能夠適應(yīng)艱苦的工作環(huán)境和條件。他們的痛點(diǎn)主要是工資待遇低，工作風(fēng)險(xiǎn)高，缺乏專業(yè)培訓(xùn)和技術(shù)支持等。

森林消防部門工作人員是指在國(guó)家森林消防局或者地方森林消防機(jī)構(gòu)中從事森林消防指揮、執(zhí)法、救援等工作的專業(yè)人員。他們的主要職責(zé)是貫徹執(zhí)行國(guó)家森林消防法律法規(guī)和政策措施，組織實(shí)施森林消防預(yù)防、監(jiān)督檢查、執(zhí)法監(jiān)察、應(yīng)急救援等工作、提高森林火災(zāi)綜合防控能力等。他們一般具有相關(guān)專業(yè)學(xué)歷或者經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)合格，具備良好的政治素質(zhì)和職業(yè)道德，具備必要的森林消防專業(yè)知識(shí)和技能，具備較強(qiáng)的指揮、協(xié)調(diào)、組織、管理能力。他們的主要痛點(diǎn)是工作強(qiáng)度大，工作時(shí)間長(zhǎng)，工作環(huán)境惡劣，工作風(fēng)險(xiǎn)高，面臨生命危險(xiǎn)和身體傷害的可能性大，心理壓力重等。

（二）用戶群體任務(wù)場(chǎng)景需求總結(jié)

針對(duì)基層林業(yè)工作人員的日常巡林行為，其巡林流程主要為：接受巡林任務(wù)-規(guī)劃巡林路線-開(kāi)始巡林-（發(fā)現(xiàn)異常情況-判斷安全隱患-聯(lián)系消防部門處理-消滅安全隱患）-巡林結(jié)束-撰寫巡林工作記錄（如圖1）。護(hù)林員在巡護(hù)過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間處于山路崎嶇、環(huán)境惡劣的情況下，普遍存在生命安全隱患。同時(shí)，巡林員對(duì)于災(zāi)情的判斷多出于經(jīng)驗(yàn)考慮，其準(zhǔn)確性有待商榷；并且人工巡護(hù)的巡護(hù)范圍有限，僅能夠監(jiān)測(cè)到部分地區(qū)的情況。因此，基層林業(yè)工作人員的需求主要集中于降低工作風(fēng)險(xiǎn)、提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性以及完善監(jiān)測(cè)范圍3個(gè)方面。

針對(duì)森林消防部門工作人員的消防應(yīng)急救險(xiǎn)行為，其消防應(yīng)急救險(xiǎn)流程主要為：接收火情報(bào)告-調(diào)集救險(xiǎn)力量-規(guī)劃救險(xiǎn)方案-到達(dá)火場(chǎng)-執(zhí)行救險(xiǎn)任務(wù)-（遇到復(fù)雜情況-調(diào)整救險(xiǎn)方案-增援救險(xiǎn)力量）-控制火勢(shì)-撲滅火災(zāi)-撰寫救險(xiǎn)工作總結(jié)。消防員在撲火過(guò)程中，需要面對(duì)高溫、濃煙、易燃物等危險(xiǎn)因素，存在生命安全隱患。同時(shí)，消防員對(duì)于火情的判斷多依賴于現(xiàn)場(chǎng)觀察，難以及時(shí)掌握火勢(shì)變化和蔓延趨勢(shì)；并且撲火力量有限，難以應(yīng)對(duì)大面積或多點(diǎn)同時(shí)發(fā)生的火災(zāi)。因此，森林消防部門工作人員的需求主要集中于提高火情判斷速度和準(zhǔn)確性以及增強(qiáng)應(yīng)急能力兩個(gè)方面。

四、森林監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)踐

針對(duì)森林消防場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)和實(shí)踐主要按照設(shè)計(jì)思路與原則、設(shè)計(jì)需求與功能轉(zhuǎn)化和設(shè)計(jì)方案展示的順序展開(kāi)。

（一）設(shè)計(jì)思路與原則

無(wú)人機(jī)作為森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的重要輔助手段，可以有效提高森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警工作的效率和效果，保護(hù)森林資源和生態(tài)安全。同時(shí)，將無(wú)人機(jī)與森林環(huán)境、用戶需求、社會(huì)文化等多個(gè)因素相結(jié)合，設(shè)計(jì)出既能滿足實(shí)用功能又能體現(xiàn)美學(xué)價(jià)值的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品，是文章設(shè)計(jì)實(shí)踐的主要目標(biāo)。

通過(guò)前期調(diào)研和分析，對(duì)設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)要素進(jìn)行分析，從而明確了設(shè)計(jì)產(chǎn)品的使用人群，使用方式，使用時(shí)間和使用場(chǎng)所等各項(xiàng)要素。此處具體借助5W2H的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，見(jiàn)圖2。

同時(shí)，根據(jù)前文的設(shè)計(jì)趨勢(shì)和需求分析，綜合使用人群和場(chǎng)景，此處提出森林監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)的3項(xiàng)設(shè)計(jì)原則：

1.安全性原則：無(wú)人機(jī)在森林消防場(chǎng)景中要保證自身和他人的安全，避免發(fā)生碰撞、墜落、失控等事故，同時(shí)要遵守相關(guān)法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尊重他人隱私和權(quán)益。為此，無(wú)人機(jī)要具備自主避障和返航保護(hù)的功能，能夠在飛行過(guò)程中識(shí)別并規(guī)避障礙物，如樹木、鳥類等，同時(shí)對(duì)旋翼作出一定的保護(hù)設(shè)計(jì)，并能在遇到低電量、信號(hào)丟失等異常情況時(shí)自動(dòng)返回起飛點(diǎn)或安全區(qū)域。無(wú)人機(jī)還要具備數(shù)據(jù)加密和身份認(rèn)證的功能，能夠?qū)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，防止數(shù)據(jù)泄露或篡改，并能對(duì)接入的用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，防止非法操作或惡意攻擊。

2.高效性原則：無(wú)人機(jī)在森林消防場(chǎng)景中要提高工作效率，縮短響應(yīng)時(shí)間，減少誤報(bào)率，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警和預(yù)警。為此，無(wú)人機(jī)要具備多源融合和智能分析的功能，能夠?qū)⑿l(wèi)星遙感、航空遙感、地面巡護(hù)等多種手段獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地整合和分析，并能利用機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像處理等技術(shù)，對(duì)拍攝的視頻和圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，識(shí)別出火源、煙霧等目標(biāo)，并進(jìn)行相應(yīng)的處理或反饋。無(wú)人機(jī)還要具備自適應(yīng)調(diào)度和協(xié)同作戰(zhàn)的功能，能夠根據(jù)不同的任務(wù)需求、環(huán)境條件、資源狀態(tài)等因素，自動(dòng)調(diào)整飛行參數(shù)、航線規(guī)劃、任務(wù)分配等，并能與其他無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，形成無(wú)人機(jī)集群。

3.適應(yīng)性原則：無(wú)人機(jī)在森林消防場(chǎng)景中要針對(duì)不同的環(huán)境條件和任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)靈活配置、模塊化設(shè)計(jì)等功能，提高工作適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。為此，無(wú)人機(jī)外觀上應(yīng)和當(dāng)?shù)丨h(huán)境或文化相適應(yīng)，可以考慮采用仿生設(shè)計(jì)[9]，同時(shí)要具備多模態(tài)感知和多載荷搭載的功能，能夠根據(jù)不同的天氣狀況和不同的光照條件，選擇不同的傳感器（如可見(jiàn)光、紅外、激光雷達(dá)等）進(jìn)行多模態(tài)感知，并能根據(jù)不同的任務(wù)需求（如監(jiān)測(cè)預(yù)警、滅火控制、救援支援等），搭載不同的任務(wù)載荷（如攝像頭、滅火裝置、救援物資等）。

（二）設(shè)計(jì)需求與功能轉(zhuǎn)化

1.目標(biāo)用戶與市場(chǎng)需求：森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)的目標(biāo)用戶主要是基層林業(yè)工作人員和消防部門。這些用戶的需求主要集中在降低工作風(fēng)險(xiǎn)、提高監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度和效率，以及完善監(jiān)測(cè)范圍。特別是對(duì)于需要在崎嶇、環(huán)境惡劣的山路上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間巡邏的基層林業(yè)工作人員，以及需要面對(duì)火場(chǎng)中的高溫、濃煙、易燃物等危險(xiǎn)因素的消防部門來(lái)說(shuō)，這些需求更為迫切。

2.設(shè)計(jì)需求與功能轉(zhuǎn)化

為了滿足這些用戶的需求，森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)需要具備以下功能：

（1）在功能方面，無(wú)人機(jī)需要具備穩(wěn)定的飛行能力，能在復(fù)雜的地形和氣象條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，還需要具備強(qiáng)大的抗干擾和抗風(fēng)能力，以確保在極端環(huán)境下的正常運(yùn)行。此外，無(wú)人機(jī)還需要能夠?qū)崟r(shí)傳輸高清視頻和圖像，以便為火情判斷和撲火方案提供準(zhǔn)確依據(jù)。最后，無(wú)人機(jī)還需要能夠與其他無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)，形成無(wú)人機(jī)集群，以提高監(jiān)測(cè)效率和準(zhǔn)確性。（2）在結(jié)構(gòu)方面，森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)需要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以適應(yīng)森林環(huán)境的挑戰(zhàn)。這可能包括對(duì)無(wú)人機(jī)的機(jī)身材料、外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面的改進(jìn)，以確保無(wú)人機(jī)在森林中的可靠性和適應(yīng)性。（3）在外觀方面，無(wú)人機(jī)需要考慮與當(dāng)?shù)匚幕褪褂脠?chǎng)景的協(xié)調(diào)性。這可能涉及無(wú)人機(jī)的顏色、造型、標(biāo)志等方面，以反映當(dāng)?shù)氐奈幕厣蛯?shí)際使用需求。（4）在感知方面，無(wú)人機(jī)需及時(shí)將監(jiān)測(cè)信息與森林消防數(shù)據(jù)處理中心傳輸對(duì)接。這意味著無(wú)人機(jī)需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和傳輸能力，能夠?qū)⑹占降男畔?shí)時(shí)傳輸給用戶，并建立起無(wú)人機(jī)與環(huán)境、用戶和社會(huì)之間的緊密聯(lián)系。

（三）方案設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)在造型上借鑒了鳥類的飛翔姿態(tài)（如圖3），保證了其產(chǎn)品美學(xué)與功能的一致性與協(xié)調(diào)性。黑色作為主要顏色，體現(xiàn)了其作為森林消防監(jiān)測(cè)者的專業(yè)性。無(wú)人機(jī)旋翼藏身于機(jī)身內(nèi)部，以適應(yīng)森林錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境。機(jī)身尾部增加了信號(hào)增強(qiáng)天線（如圖3），保證了無(wú)人機(jī)在森林信號(hào)干擾強(qiáng)的環(huán)境中能夠保持正常的通信需求。該產(chǎn)品采用了模塊化設(shè)計(jì)，視覺(jué)系統(tǒng)易于更換，適應(yīng)更多的監(jiān)測(cè)需求和監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。與此同時(shí)，產(chǎn)品取消了充電接口，采用磁吸無(wú)線充電的解決方案，保證了產(chǎn)品的防塵防水性能，有利于面對(duì)惡劣多變的森林天氣環(huán)境。

為有效優(yōu)化森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警的效率和性能，改善有關(guān)工作人員的工作條件，方案對(duì)傳統(tǒng)的森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu)，組建了一套以智能森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警無(wú)人機(jī)（后文簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī)）為核心，瞭望塔式無(wú)人機(jī)供電站（后文簡(jiǎn)稱供電站）為輔助、智能森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)（后文簡(jiǎn)稱服務(wù)系統(tǒng)）為平臺(tái)的新型森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警架構(gòu)?；鶎恿謽I(yè)工作人員針對(duì)不同監(jiān)測(cè)場(chǎng)景，操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行點(diǎn)位式巡航、區(qū)域式巡航以及路徑規(guī)劃巡航，既能增加森林消防監(jiān)測(cè)范圍，同時(shí)降低了基層林業(yè)工作人員的工作風(fēng)險(xiǎn)；在巡護(hù)過(guò)程中，無(wú)人機(jī)從供電站出發(fā)，通過(guò)服務(wù)系統(tǒng)與地面指揮中心進(jìn)行協(xié)同工作，以便及時(shí)掌握巡護(hù)進(jìn)展情況，在完成監(jiān)測(cè)任務(wù)后回到供電站進(jìn)行充電。無(wú)人機(jī)的定期巡護(hù)會(huì)監(jiān)測(cè)森林各區(qū)域的溫度、濕度等相關(guān)數(shù)值，判斷火災(zāi)發(fā)生概率，并為林業(yè)工作人員規(guī)劃監(jiān)測(cè)路徑做出建議；在監(jiān)測(cè)到火災(zāi)跡象后，無(wú)人機(jī)通過(guò)自身傳感器迅速分析和確認(rèn)火災(zāi)形勢(shì)和規(guī)模，并通過(guò)服務(wù)系統(tǒng)上報(bào)給監(jiān)測(cè)人員和消防部門。在消防部門前往滅火時(shí)，多臺(tái)無(wú)人機(jī)可以同時(shí)在各方位監(jiān)測(cè)火災(zāi)的具體數(shù)據(jù)，并通過(guò)服務(wù)系統(tǒng)相互聯(lián)系和統(tǒng)籌，協(xié)助消防部門的滅火工作（具體流程如圖4）。

結(jié)論

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)行業(yè)蓬勃發(fā)展，在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但與一般產(chǎn)品不同，在不同領(lǐng)域中對(duì)于無(wú)人機(jī)的需求各有差異。文章以森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域?yàn)楸尘?，探討了無(wú)人機(jī)產(chǎn)品在森林消防監(jiān)測(cè)預(yù)警場(chǎng)景中的設(shè)計(jì)方法和實(shí)踐。該思路和方法對(duì)于同類型的設(shè)計(jì)研究有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)也可以促進(jìn)無(wú)人機(jī)在更多細(xì)分領(lǐng)域的專業(yè)化發(fā)展。

基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助（2023-YS-A1-02；2002VI003-04）

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