劉 福，秦 軍

(武警工程大學(xué)裝備與信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710086)

森林防火滅火中的無人機(jī)應(yīng)用探討

劉 福，秦 軍

(武警工程大學(xué)裝備與信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710086)

無人機(jī)在森林防火滅火中具有機(jī)動快速、成本低廉、載荷多樣、維護(hù)操作簡單等獨(dú)特優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)全天候火情監(jiān)測、火場態(tài)勢實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)距離中繼通信和輔助應(yīng)急救援等功能。針對無人機(jī)在森林防火應(yīng)用中存在的諸多問題，提出從標(biāo)準(zhǔn)體系、裝備體系、保障體系3個方面對無人機(jī)力量進(jìn)行加強(qiáng)和深化的建議，為無人機(jī)在防火滅火中的應(yīng)用提供借鑒，為推進(jìn)森林部隊(duì)裝備信息化進(jìn)程提供有力支撐。

無人機(jī)；防火滅火；軍民融合；體系發(fā)展

近年來，隨著無人機(jī)系統(tǒng)相關(guān)的平臺、鏈路、遙感、數(shù)據(jù)應(yīng)用等技術(shù)相對成熟，無人機(jī)作為一種高新技術(shù)裝備開始在森林防火滅火任務(wù)中嶄露頭角。通過空中巡邏偵察、火場態(tài)勢實(shí)時回傳等途徑，無人機(jī)可為指揮員提供全面、實(shí)時、準(zhǔn)確的火場信息，為正確決策和兵力部署提供科學(xué)可靠的數(shù)據(jù)支持[1]。深入研究無人機(jī)在國內(nèi)外森林防火滅火中的運(yùn)用形式、存在問題及發(fā)展對策，對于構(gòu)建無人機(jī)防火滅火作戰(zhàn)體系，推進(jìn)森林部隊(duì)裝備信息化建設(shè)進(jìn)程具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 無人機(jī)在森林防火滅火中的應(yīng)用現(xiàn)狀

森林火災(zāi)具有突發(fā)性、蔓延快、危害程度高等特點(diǎn)，早期監(jiān)測和及時控制成為預(yù)防火災(zāi)和有效撲救的關(guān)鍵[2]?，F(xiàn)有的森林火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)主要包括地面及近地面監(jiān)測、航空監(jiān)測、雷達(dá)監(jiān)測、衛(wèi)星遙感聯(lián)合地理信息系統(tǒng)監(jiān)測和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[3]。森林滅火手段主要有直接撲打法、風(fēng)力滅火法、化學(xué)藥劑滅火法、水滅火法、爆炸滅火法等[4]。無人機(jī)作為一種新型的航空平臺，因其機(jī)動快速、成本低廉、載荷多樣、維護(hù)操作簡單等優(yōu)勢，近年來在民用領(lǐng)域得到極大拓展，已成為現(xiàn)代林業(yè)監(jiān)測和滅火手段的有力補(bǔ)充。

1.1 國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外有關(guān)無人機(jī)在森林防火滅火中應(yīng)用研究的項(xiàng)目主要有歐盟的COMETS項(xiàng)目、歐洲的AWARE項(xiàng)目、美國的“牽牛星”項(xiàng)目和INFLAME項(xiàng)目[5]。其中COMETS項(xiàng)目是一個無人機(jī)多功能應(yīng)用研究項(xiàng)目，包含利用無人機(jī)進(jìn)行林區(qū)火災(zāi)檢測、火場實(shí)時偵查等多方面的研究，通過不同攝像頭所采集的林區(qū)檢測圖像、火場態(tài)勢圖等提取出重要的火災(zāi)特征，可為林區(qū)防火、滅火部隊(duì)處置險(xiǎn)情提供決策依據(jù)。歐洲的AWARE項(xiàng)目采用無人機(jī)和地面固定的煙火傳感器組成火災(zāi)預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)火焰煙氣報(bào)警和林區(qū)火情實(shí)時監(jiān)控?！盃颗Ｐ恰?Altair)是由美國航空航天局(NASA)和通用原子能航空公司共同研發(fā)的遠(yuǎn)程高空無人機(jī)，可用來實(shí)現(xiàn)火災(zāi)探測和火山觀測等[5-6]。美國航空航天局和美國林業(yè)局曾利用“牽牛星”無人機(jī)在2006年的加州森林大火上空巡航2次，使用機(jī)載紅外災(zāi)害評估系統(tǒng)(AIRDAS)拍攝圖像，通過圖像和數(shù)據(jù)分析找出了主要的火災(zāi)點(diǎn)，為地面滅火人員提供了及時的探測信息。國外將無人機(jī)應(yīng)用于森林防火等民用領(lǐng)域已十分普遍，整體上體現(xiàn)出無人機(jī)智能化程度高、配套設(shè)施完善、任務(wù)載荷小型多樣化、火災(zāi)數(shù)據(jù)分析平臺強(qiáng)大、監(jiān)測精度高等特點(diǎn)。

1.2 國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)將無人機(jī)用于森林防火滅火相對滯后。2009年9月，中國無人機(jī)首次實(shí)現(xiàn)百里遠(yuǎn)程監(jiān)控航拍試驗(yàn)成功[7]，2011年珠海開始使用無人機(jī)對林區(qū)進(jìn)行空中火情探測巡航[8]，2012年6月森林部隊(duì)首次采用無人機(jī)投入到山西晉中森林火災(zāi)撲救戰(zhàn)斗中，2013年內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)開始運(yùn)用我國自主研發(fā)的Z5型無人直升機(jī)進(jìn)行巡航飛行和采集防火數(shù)據(jù)，這也是我國首款應(yīng)用于林業(yè)防火系統(tǒng)的中型無人機(jī)[9]。同時，國內(nèi)也已經(jīng)出現(xiàn)商業(yè)化的無人機(jī)火災(zāi)監(jiān)測技術(shù)公司，如廣西桂林航龍科訊電子有限公司、武漢智能鳥公司相繼開發(fā)出森林防火無人機(jī)系統(tǒng)[10]。森林部隊(duì)也逐步將無人機(jī)納入到當(dāng)前的森林防火滅火作戰(zhàn)體系中探索應(yīng)用。2014年黑龍江森林總隊(duì)在遂行任務(wù)能力評估中開始運(yùn)用無人機(jī)完成火場偵查任務(wù)。2015年森林部隊(duì)開始著手建設(shè)“林火應(yīng)急無人機(jī)情報(bào)偵察與通信中繼系統(tǒng)”，以高效完成林火監(jiān)測、通信中繼、災(zāi)后評估等工作。相比國外，我國利用無人機(jī)系統(tǒng)對森林火情進(jìn)行監(jiān)測反饋尚處于起始階段，并受到無人機(jī)性能薄弱、機(jī)源及裝備緊缺、配套設(shè)施和運(yùn)行機(jī)制不健全等不利因素的制約，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際工作需要。

2 無人機(jī)在森林防火滅火中的運(yùn)用形式

相比載人飛行器，無人機(jī)的固有風(fēng)險(xiǎn)較小，使用成本較低，在民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在森林防火滅火中主要有全天候火情監(jiān)測、火場態(tài)勢實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)距離中繼通信、輔助應(yīng)急救援等運(yùn)用形式。

2.1 全天候火情監(jiān)測

固定翼無人機(jī)通過加載高分辨率的可見光、紅外攝像機(jī)等拍攝偵察設(shè)備，能按預(yù)定航跡執(zhí)行林區(qū)空中巡查，將獲取的影像資料實(shí)時傳回地面監(jiān)測站，監(jiān)測站再通過網(wǎng)絡(luò)將影像資料傳給防火值班部門。對于影像資料上的可疑點(diǎn)和區(qū)域，利用遙控指令改變無人機(jī)的飛行航跡和高度進(jìn)行詳查，再將詳查的影像資料結(jié)果實(shí)時傳回地面，便于及時發(fā)現(xiàn)火情[11]。固定翼無人機(jī)飛行速度快、飛行距離遠(yuǎn)，通常可通過自主導(dǎo)航方式進(jìn)行中距離火場偵查，但采集和傳回的圖像穩(wěn)定性較差，質(zhì)量不高。

2.2 火場態(tài)勢實(shí)時監(jiān)控

多軸旋翼無人偵察機(jī)配備彩色CCD任務(wù)載荷或紅外探測器可在距地面800～2000 m高度對地面火場進(jìn)行懸停觀察，尤其當(dāng)車輛和人員無法及時抵達(dá)預(yù)定偵察地點(diǎn)時，可利用無人機(jī)快速飛抵火災(zāi)現(xiàn)場，實(shí)時獲取火場態(tài)勢信息，為部隊(duì)提供最佳行進(jìn)路線[12]。同時可在無人機(jī)機(jī)身裝備風(fēng)向、風(fēng)速儀等設(shè)備，采集火場全區(qū)域圖像、大火燃燒程度、火場風(fēng)向和風(fēng)速等信息，輔助指揮員確定火災(zāi)范圍、發(fā)展趨勢和蔓延方向[13]。旋翼無人機(jī)主要用于近距離火場偵查，采集和傳輸?shù)姆€(wěn)定性較好，但續(xù)航時間短，飛行距離近。

2.3 遠(yuǎn)距離中繼通信

森林地理環(huán)境復(fù)雜，山高林密，信號容易被遮擋。利用無人機(jī)飛行平臺搭載中繼通信設(shè)備，可保證通信鏈路暢通[14]，利于快速搭建覆蓋任務(wù)區(qū)域的指揮系統(tǒng)和通信系統(tǒng)，既可滿足各級指揮員的火場信息需求，也可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場單兵攜帶Pad共享林火動態(tài)信息的功能。由于目前無人機(jī)搭載能力有限，適用于無人機(jī)機(jī)載的輕小型遠(yuǎn)距離圖傳、數(shù)傳、語音中繼設(shè)備技術(shù)還不完善，還需進(jìn)一步研發(fā)和集成。

2.4 輔助應(yīng)急救援

通過在無人機(jī)上集成航拍測繪模塊，可對火災(zāi)現(xiàn)場的地形進(jìn)行應(yīng)急測繪，為滅火和救援提供有力支撐。同時可在無人機(jī)上集成語音、擴(kuò)音模塊傳達(dá)指令，在火場復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)空中呼喊和指令轉(zhuǎn)達(dá)，及時通知滅火人員撤離危險(xiǎn)地區(qū)以及提供撤離路徑，并可利用無人機(jī)輔助拋繩或攜帶關(guān)鍵器材(救援繩、呼吸器等)，為救火人員開辟救生通道。

2.5 其他運(yùn)用形式

目前無人機(jī)在森林防火滅火中運(yùn)用最多的仍為火場偵查和情報(bào)搜集，但也有一些新的嘗試，如運(yùn)用無人機(jī)噴灑化學(xué)滅火劑形成阻火帶滅火、在指揮人員的操控下發(fā)射滅火彈輔助滅火、攜帶增雨焰條進(jìn)行人工增雨等。就當(dāng)前的技術(shù)水平和運(yùn)用手段來看，無人機(jī)與衛(wèi)星遙感、載人飛機(jī)巡護(hù)、地面瞭望塔和人工巡邏防護(hù)等監(jiān)測手段有效結(jié)合，形成空天地一體化綜合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)仍是主要的發(fā)展趨勢。

3 無人機(jī)在我國森林防火滅火中存在的主要問題

雖然無人機(jī)在森林防火滅火領(lǐng)域優(yōu)勢凸顯，但在實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中，仍有很多問題不容忽視。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不健全

一是國家尚未建立權(quán)威的無人機(jī)研發(fā)和制造標(biāo)準(zhǔn)，無人機(jī)缺乏規(guī)范設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。目前國內(nèi)無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)都是依據(jù)各自的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，數(shù)據(jù)格式和通信體制各異，系統(tǒng)化、模塊化、可替換化水平低；二是林業(yè)部門和森林部隊(duì)尚未形成專門應(yīng)對森林火災(zāi)的無人機(jī)戰(zhàn)技術(shù)指標(biāo)體系，無人機(jī)研發(fā)定制缺乏依據(jù)。森林火災(zāi)環(huán)境復(fù)雜，對無人機(jī)的抗熱性、適航性、低可探測性等性能提出了極高的要求，當(dāng)前適合防火滅火任務(wù)的無人機(jī)種類有限，遠(yuǎn)不能滿足任務(wù)需求。

3.2 應(yīng)用體系不完善

一是載荷單一，難以為體系化運(yùn)用提供支撐。目前受載重能力、通信能力的限制，無人機(jī)攜帶的任務(wù)載荷有限，難以實(shí)現(xiàn)載荷多樣、功能融合；二是機(jī)型單一，難以滿足多樣化任務(wù)需求。當(dāng)前在防火滅火中以微小型無人機(jī)運(yùn)用為主，中型無人機(jī)數(shù)量很少，在飛行高度、飛行速度、飛行距離等方面難以滿足實(shí)戰(zhàn)要求；三是運(yùn)行機(jī)制不健全，難以為體系化運(yùn)用提供配套齊全的制度保障。無人機(jī)大量運(yùn)用涉及應(yīng)急申請出動、空域申報(bào)協(xié)調(diào)和組織指揮、風(fēng)險(xiǎn)評估、資格認(rèn)證等諸多因素，在任務(wù)管理和協(xié)同配合等方面，還面臨著許多困難。

3.3 技術(shù)水平比較薄弱

一是機(jī)械性能差。升降技術(shù)粗糙、抗風(fēng)性能差、續(xù)航時間短、載荷能力有限等缺陷嚴(yán)重制約其運(yùn)用推廣；二是智能化水平低?，F(xiàn)有無人機(jī)產(chǎn)品過多強(qiáng)調(diào)人工操控，對實(shí)時環(huán)境感知技術(shù)和飛行姿態(tài)自動控制算法研究不深，自身處理故障能力不強(qiáng)，可靠性差；三是數(shù)據(jù)處理能力弱。無人機(jī)在獲取大量影像數(shù)據(jù)后的主要工作就是數(shù)據(jù)分析和處理，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的影像快速拼接、空三加密、三維場景重建等功能還需進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 提高森林部隊(duì)無人機(jī)防火滅火能力的幾點(diǎn)對策

我國無人機(jī)系統(tǒng)在森林防火滅火方面的應(yīng)用起步較晚，與發(fā)達(dá)國家還有很大差距。結(jié)合對森林部隊(duì)裝備建設(shè)現(xiàn)狀和無人機(jī)實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用情況的調(diào)研，認(rèn)為加強(qiáng)和深化森林部隊(duì)無人機(jī)防火滅火力量建設(shè)應(yīng)做好以下3點(diǎn)。

4.1 建立具有森林部隊(duì)特色的標(biāo)準(zhǔn)體系

一要注重需求牽引。應(yīng)聚焦森林部隊(duì)防火滅火的職能任務(wù)，針對不同任務(wù)類型、任務(wù)區(qū)域和任務(wù)特點(diǎn)，進(jìn)行全面細(xì)致的需求分析，重點(diǎn)在續(xù)航時間、飛行高度、低可探測性、耐熱性等指標(biāo)上把關(guān)論證，做到需求明確、指標(biāo)清晰、評估科學(xué)；二要強(qiáng)化頂層設(shè)計(jì)。重點(diǎn)從基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、遙感飛行平臺標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)傳鏈路標(biāo)準(zhǔn)、地面站標(biāo)準(zhǔn)、遙感任務(wù)載荷標(biāo)準(zhǔn)、綜合保障標(biāo)準(zhǔn)、遙感數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、安全運(yùn)行管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、空域協(xié)調(diào)管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、遙感無人機(jī)人員培訓(xùn)標(biāo)準(zhǔn)10個方面進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，逐步形成軍民通用并具有森林部隊(duì)特色的無人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)體系。

4.2 建立先進(jìn)適用、系統(tǒng)集成的裝備體系

一要豐富機(jī)型，按編配齊。在無人機(jī)力量體系編成中，應(yīng)根據(jù)任務(wù)性質(zhì)和區(qū)域不同，結(jié)合任務(wù)現(xiàn)場地勢地形、環(huán)境影響、氣候條件等因素，從選型和配備上構(gòu)建“低、中、高空與近、中、遠(yuǎn)程科學(xué)搭配，固定翼、多旋翼與油動、電動合理編成”的無人機(jī)裝備體系；二要聚焦實(shí)戰(zhàn)，體系運(yùn)用。應(yīng)根據(jù)實(shí)戰(zhàn)要求，基于通用化飛行平臺，建立光電/紅外、多光譜、雷達(dá)、通信中繼、地形測繪、磁力探測等任務(wù)設(shè)備的多樣任務(wù)載荷體系，以適應(yīng)多條件下的探測任務(wù)需求，并不斷在常態(tài)化實(shí)戰(zhàn)運(yùn)用中檢驗(yàn)性能、評估數(shù)據(jù)、反饋需求、提高效能。

4.3 建立軍地一體、綜合配套的保障體系

一要在保障方式上有突破。應(yīng)打破軍隊(duì)、地方條塊式的單一保障模式，建立起橫向聯(lián)動、系統(tǒng)整合的資源開發(fā)利用機(jī)制，根據(jù)“平時共建、戰(zhàn)時共保、資源共享、互促共贏”的原則，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)裝備器材一體化聯(lián)勤保障；二要在人才隊(duì)伍培養(yǎng)上有創(chuàng)新。飛控人才是發(fā)揮無人機(jī)裝備效能的關(guān)鍵因素，要逐漸擺脫單獨(dú)依靠廠家培訓(xùn)指導(dǎo)的培養(yǎng)模式，走院校正規(guī)化培訓(xùn)的路子?？芍攸c(diǎn)依托警種學(xué)院無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室和訓(xùn)練基地對操控手、數(shù)據(jù)處理、日常維護(hù)等相關(guān)人員進(jìn)行系統(tǒng)培訓(xùn)，并綜合運(yùn)用送出去學(xué)、請進(jìn)來教、接裝時訓(xùn)、崗位上練、比武中激等多種方式提高技能水平，逐步形成適應(yīng)任務(wù)、專業(yè)過硬、形成梯次的飛控師人才隊(duì)伍。

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Application Research of UAV in the Forest Fire Prevention

LIU Fu，QIN Jun

(EngineeringUniversityofCAPF，Xi′an710086，Shanxi，China)

The UAV has some unique advantages such as low cost，load diversity，simple maintenance operations in the forest fire prevention.The UAV can achieve all-weather fire monitoring，fire situation real-time monitoring，long-distance relay communication and auxiliary functions such as emergency rescue.But in actual combat，there are still many defects including unreasonable standards，imperfect application system，and weak technical level and so on.The article proposed to strengthen and deepen the UAV force building from standard system，equipment system and security system，in order to promote forest troop and equipment information process to provide strong support.

UAV；fire prevention；forces and civilian integration；system development

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.04.047

2016-02-29

國家社科基金軍事學(xué)項(xiàng)目(15GJ003-290)

劉福(1987—)，男，山東鄒平人，武警工程大學(xué)裝備與信息技術(shù)研究所碩士，從事裝備信息化研究。E-mail：718259778@qq.com。

S762.6

A

1002-7351(2016)04-0220-04