李光星

（青島市消防救援支隊，山東青島 266000）

森林無疑是自然的“調(diào)度師”。它們不僅可以凈化水源、穩(wěn)定土壤、調(diào)節(jié)氣候，而且還為生物多樣性提供了豐富的野生動植物資源和穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境。從經(jīng)濟上來說，林業(yè)和農(nóng)牧業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)構(gòu)成了大型農(nóng)業(yè)。林業(yè)日趨產(chǎn)業(yè)化、社會化和服務(wù)化，已成為吸收農(nóng)村人力資本和學(xué)生就業(yè)的重要產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)統(tǒng)計中國每年平均發(fā)生森林火災(zāi)1 萬余次，過火面積達上百萬公頃，約占整個中國森林總面積的4～8%，同時政府耗費了巨大財力、物力、人力來撲滅這些火災(zāi)。盡管野火確實有助于形成新的森林，但很難確保不受控制的大火不會影響到脆弱的生態(tài)系統(tǒng)或者人民群眾的生命、財產(chǎn)安全。森林火災(zāi)已成為一種自然災(zāi)害，突發(fā)性強，破壞程度高，處理難度大。如何盡早地發(fā)現(xiàn)和撲滅森林大火，如何最大程度地減少因蔓延迅速和燃燒周期引起更大的損失，已成為擺在我們面前的一個迫在眉睫的問題。

1 無人機在森林防火滅火中的應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的森林火災(zāi)監(jiān)測和檢測方法是通過機械設(shè)備或人員來監(jiān)測周圍環(huán)境實現(xiàn)的，但是這些方法在所需人力資源方面既危險又昂貴。隨著電子計算機和數(shù)碼相機技術(shù)的飛速發(fā)展，使得基于計算機視覺的遙感系統(tǒng)可以為常規(guī)森林火災(zāi)監(jiān)測和探測系統(tǒng)提供有力的支持。

現(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[1]。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[2]。但是，每個系統(tǒng)軟件都有不同的技術(shù)和實際問題。地面監(jiān)控設(shè)備監(jiān)控范圍相對有限。通信衛(wèi)星系統(tǒng)軟件在路徑算法和技術(shù)升級級別上并不靈活，其空間屏幕分辨率可能無法滿足詳細的數(shù)據(jù)信息捕獲要求。載人航空監(jiān)測費用通常很昂貴。此外，飛行員的生命可能會受到火災(zāi)現(xiàn)場的不確定性以及操作員疲勞等因素的威脅。具有基于人工智能算法的遙感技術(shù)系統(tǒng)軟件的無人機正在成為越來越實用的選擇。它提供了快速、移動和低成本的解決方案，用來監(jiān)控、檢查甚至消除森林大火。此外，無人機在復(fù)雜的火災(zāi)事故環(huán)境中可長期執(zhí)行簡單且重復(fù)的日常任務(wù)，且安全系數(shù)高。

2009 年9 月，我國的無人機成功完成了數(shù)千英里的實時監(jiān)控和高清航空攝影實驗。2011 年，廈門逐漸使用無人機對林區(qū)進行火災(zāi)探測和巡航控制。2012 年6 月，森林部隊首次將無人機用于山西晉中的森林滅火行動。2013 年開始，內(nèi)蒙古自治區(qū)大興安嶺林區(qū)逐漸使用我國自行開發(fā)的Z5 無人直升機，進行定速巡航導(dǎo)航并收集消防安全數(shù)據(jù)信息。這也是我國林業(yè)消防安全系統(tǒng)軟件中使用的第一款中小型無人機。此外，中國已經(jīng)有一家商業(yè)無人機火災(zāi)事故監(jiān)測系統(tǒng)公司。桂林市航龍科迅電子設(shè)備有限公司和武漢智能鳥企業(yè)相繼開發(fā)設(shè)計了森林防火無人機系統(tǒng)軟件。國家應(yīng)急救援部門已將無人飛行器逐步納入森林防火和消防管理系統(tǒng)，以供勘探和應(yīng)用。2014 年開始，黑龍江省在評估日常執(zhí)行能力的過程，逐步使用無人機執(zhí)行日常的火災(zāi)現(xiàn)場偵察任務(wù)。2015年，國家逐步啟動了“森林火災(zāi)應(yīng)急無人機智能偵察與通信無線中繼系統(tǒng)軟件”的基礎(chǔ)建設(shè)，高效開展了森林火災(zāi)探測、通信無線中繼和災(zāi)后重建評估。和國外相比我國使用無人機進行森林火災(zāi)探測反饋尚處于萌芽階段，存在諸多不利條件，例如無人機配置低、數(shù)量少、功能不全等。

2 無人機在森林防火滅火中的技術(shù)需求

無人機對一般森林火災(zāi)的監(jiān)視和戰(zhàn)斗系統(tǒng)的基本要素，包括用于查找潛在火災(zāi)監(jiān)視功能，觸發(fā)警報后通知消防人員以及初步評判和提供處置預(yù)案的檢測功能，確定火災(zāi)的位置和范圍并跟蹤其變化的診斷功能，根據(jù)風(fēng)向和滅火撲救實際情況預(yù)測火災(zāi)的未來發(fā)展的推算功能。這些功能是基于單個無人機或帶有不同類型傳感器的多個無人機以及地面控制站的協(xié)同配合來實現(xiàn)的。目標是使用無人機來追蹤火勢，為在現(xiàn)場滅火的消防人員提供實時信息，預(yù)測其演變趨勢或者使用無人機進行滅火。

無人機森林滅火任務(wù)通常可分為火災(zāi)搜索，火災(zāi)確認和火災(zāi)觀察三個階段。在火災(zāi)搜索階段，地面控制站會根據(jù)火災(zāi)的實際情況和不同無人機的功能將每個無人機的任務(wù)進行劃分。之后，部署無人機沿各自的計劃路徑巡邏監(jiān)視區(qū)域。同時，通過使用包括實時視頻和紅外攝像機在內(nèi)的火情檢測傳感器來自動識別火情。在此過程中隨即轉(zhuǎn)入確認階段，地面控制站命令搜索無人機懸停在安全距離處。如果確認火情真實，則進入火情觀察階段；否則，恢復(fù)到火災(zāi)搜索階段。在火災(zāi)觀察階段，無人機將不斷獲取有關(guān)火災(zāi)的各種信息。以同步圖像、數(shù)據(jù)參數(shù)等各種數(shù)據(jù)形式傳送給地面操作員和現(xiàn)場滅火戰(zhàn)斗員，以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場滅火工作。

整個過程的實現(xiàn)基于無人機森林火災(zāi)監(jiān)測、檢測、診斷和預(yù)測相關(guān)系統(tǒng)。通常包括以下內(nèi)容：（1）各種傳感器，包括全球定位系統(tǒng)，慣性測量單元和攝像頭；（2）用于火災(zāi)監(jiān)控、檢測、診斷和推算的特定算法和策略；（3）用于單個或多個無人機的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)；（4）無人機機隊的協(xié)作定位，部署和控制系統(tǒng)，以最佳地覆蓋火區(qū)（此類系統(tǒng)基于白天和夜間的實時信息監(jiān)視傳感器及其相關(guān)的圖像和信號處理算法）；（5）地面控制站，包括通訊信數(shù)據(jù)接受處理設(shè)備。

除上述基本要素外，應(yīng)急救援部門還對無人機有特殊技術(shù)要求。為了應(yīng)對大規(guī)模的山區(qū)森林火災(zāi)現(xiàn)場，應(yīng)用場景更加復(fù)雜，并且需要考慮各種環(huán)境因素，例如風(fēng)、煙、溫度和濕度。因此，無人偵察機必須首先能夠當(dāng)場滿足極端自然環(huán)境的應(yīng)用標準。第一是抗風(fēng)性能方面。在火場附近航行時，瞬時風(fēng)速可能接近6 級，因此其抗風(fēng)性必須高于6 級。第二是防煙能力。由于火場上有大量的煙霧，因此規(guī)定無人偵察機要具有很強的防水和防煙能力。第三是紅外測溫功能。由于無法預(yù)測災(zāi)難發(fā)生的時間和自然環(huán)境，因此應(yīng)配備具有紅外攝像機功能的監(jiān)視攝像機，并建議配備輔助光源。第四是可操作性。以恒定速度下18km/h 的無人機平均巡航速度計算，其可巡邏工作范圍為2 公里之內(nèi)，且耗時半小時。規(guī)定30min 的耐久性能要高于單組充電電池的平均值，并且可以不間斷地完成航道檢查規(guī)定。一般達到兩次檢查之間的間隔不到15min；另外，根據(jù)調(diào)查，在飛機飛行高度上，300m 以下飛機的飛行高度應(yīng)能夠滿足日?，F(xiàn)場偵察的要求。第五是兼容模式。當(dāng)無人機用于消防部隊時，它必須完成許多擴展功能，并且必須具有出色的集成和兼容模式。因此，在滿負荷的水平上，考慮到日常訓(xùn)練和應(yīng)用設(shè)備的操縱規(guī)則，無人偵察機需要攜帶或隨消防車到達現(xiàn)場周圍，單個滅火救援人員現(xiàn)場進行機動部署，并在緊急情況下擴展設(shè)備。因此，規(guī)定整個系統(tǒng)軟件的凈重不應(yīng)超過50kg；此外，除了完成大信息量傳輸外，如果有必要完成其他功能（例如視頻和語音，激光測距，溫度測量等）的集成和傳輸，還必須表明無人機具有出色的集成和兼容性模式。第六，系統(tǒng)性。如果配備了無人機，則必須對實際操作人員進行專門的教育和培訓(xùn)。因此，必須建立無人機培訓(xùn)和評估體系，以及無人機的日常管理方法和應(yīng)用系統(tǒng)。每臺無人機必須指定操作者。內(nèi)部實際操作人員、外部技術(shù)人員以及產(chǎn)品研發(fā)和制造方必須建立一套完整的售后服務(wù)維護系統(tǒng)，以確保無人機保持穩(wěn)定的應(yīng)用和規(guī)范化；無人機的使用必須滿足民航管理系統(tǒng)的要求。

3 無人機在我國森林防火滅火應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題

盡管無人機在森林保護和滅火戰(zhàn)斗中的優(yōu)勢很突出，但在實際戰(zhàn)斗中仍有許多問題不能忽視。

3.1 技術(shù)標準不完善

一是我國還沒有建立無人機產(chǎn)品的權(quán)威研發(fā)和生產(chǎn)標準。在這一階段，我國的無人機制造公司都在按照不同的規(guī)格進行生產(chǎn)和制造。數(shù)據(jù)類型和通信系統(tǒng)在專業(yè)化、模塊化設(shè)計和低互換性方面有所不同。其次，應(yīng)急救援部門還沒有建立用于無人機作戰(zhàn)的技術(shù)評估指標體系來專業(yè)解決森林火災(zāi)，開發(fā)和研究缺乏數(shù)據(jù)支撐。森林火災(zāi)的復(fù)雜自然環(huán)境顯然對無人機的耐熱性、適航性和低可探測性等特性提出了很高的要求。如今，適用于消防安全和消防日常任務(wù)的無人機類型相對有限，遠未達到“日常任務(wù)”的要求。

3.2 品種少，體系缺失

一是單個負載不能為系統(tǒng)應(yīng)用程序提供支持點。在這一階段，由于負荷能力和通信能力的限制，無人機承擔(dān)的日常任務(wù)負荷相對有限。其次，單一機型與多樣化的日常任務(wù)的需求存在矛盾。如今，中型、小型和微型無人機在消防預(yù)防和滅火中的應(yīng)用以微小型無人機為主導(dǎo)。中小型無人機的總數(shù)非常小，無法在飛機的飛行高度、飛行速度和航行距離上滿足實際的戰(zhàn)斗演習(xí)要求。第三，不完善的管理機制不能為配套設(shè)施的系統(tǒng)應(yīng)用提供完整的系統(tǒng)保證。無人駕駛飛機的應(yīng)用涉及緊急救援出動，飛行區(qū)域調(diào)度，航路的協(xié)調(diào)和指揮，風(fēng)險評估，專業(yè)資格認證等諸多要素。在任務(wù)管理和協(xié)作方面還存在許多困難。

3.3 相對缺乏技術(shù)實力

一是物理性能差。例如技術(shù)不平穩(wěn)，抗風(fēng)性差，耐久性差，負載能力有限等問題，嚴重限制了其作戰(zhàn)。第二是智能化程度差。當(dāng)前，無人飛行器產(chǎn)品過于關(guān)注手動操縱，對實時自然環(huán)境數(shù)據(jù)參數(shù)搜集處理以及自動導(dǎo)航姿態(tài)控制方面的研究不深入，解決常見故障的能力不強，穩(wěn)定性差。第三是數(shù)據(jù)運算速度慢。無人機獲取大量圖像數(shù)據(jù)信息后的關(guān)鍵任務(wù)是數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理。如何系統(tǒng)快速地處理圖像，提高分辨率，以及進行立體建模等方面，有待于進一步加強。

4 解決途徑及建議

在我國，無人機在森林防火和滅火中的應(yīng)用相對較晚，與歐美國家有很大的不同。結(jié)合對現(xiàn)有裝備現(xiàn)狀和無人機作戰(zhàn)實際情況的調(diào)查研究，認為應(yīng)從以下三個方面著手，以改善和促進森林滅火實戰(zhàn)中無人機的應(yīng)用。

4.1 建立有針對性的標準體系

首先，必須緊貼實際滅火需要。重點應(yīng)放在應(yīng)急救援部門森林火災(zāi)預(yù)防及火災(zāi)撲救上。針對不同類型的日常任務(wù)、日常任務(wù)區(qū)域和日常任務(wù)特征，執(zhí)行全面而詳細的需求分析報告。比如電池壽命、飛機飛行高度和探測區(qū)域等關(guān)鍵參數(shù)，對耐溫、抗風(fēng)、防水性等指標值進行討論，以確保滿足需求，明確指標值并進行科學(xué)評估。其次，加強總體規(guī)劃?？梢詮幕A(chǔ)標準，遙感技術(shù)導(dǎo)航服務(wù)平臺標準，數(shù)據(jù)傳輸鏈路標準，地面控制站標準，遙感技術(shù)日常任務(wù)負荷標準，日常維護標準，遙感技術(shù)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)標準，安全運行智能管理系統(tǒng)標準，智能管理系統(tǒng)標準，遙感技術(shù)無人機人員管理標準十個層次進行協(xié)調(diào)和完善，逐步形成既普遍適用并具有森林火災(zāi)撲救特點無人機體系。

4.2 建立一個有利的實用的設(shè)備綜合體系

第一，根據(jù)森林火災(zāi)戰(zhàn)斗特點需要配備多種機型。在編制無人機配置系統(tǒng)時，應(yīng)基于日常任務(wù)的特點和地區(qū)差異。從機型的選擇和配置中綜合考慮任務(wù)區(qū)地形和地貌、環(huán)境危害、氣候條件和其他因素，科學(xué)地配備固定翼、多旋翼機型，以及油動力、電動無人機機型。第二，我們必須著眼于實際滅火戰(zhàn)斗的需要。應(yīng)根據(jù)實戰(zhàn)情況和實戰(zhàn)需求，建立具備各種光學(xué)/紅外，多光譜儀，雷達探測，通信無線中繼，地貌測繪，磁探測等多項功能系統(tǒng)以及集成相對應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，以便適應(yīng)復(fù)雜多變情況下的探測任務(wù)要求，評估數(shù)據(jù)要求，并提高滅火實戰(zhàn)中數(shù)據(jù)處理的效率。

4.3 建立協(xié)作機制，吸收社會力量

必須擺脫單一一個部門的保障辦法，建立具有水平聯(lián)動和集中調(diào)配的綜合資源利用系統(tǒng)，不斷加強社會應(yīng)急力量建設(shè)。按照“培育、發(fā)展、規(guī)范、提高”的社會應(yīng)急力量、健康有序的發(fā)展理念，構(gòu)建國家綜合救援隊、專業(yè)救援隊、社會應(yīng)急力量相互補充，力量與實力相結(jié)合，資源共享、協(xié)調(diào)發(fā)展的應(yīng)急救援體系。其次，必須在人才隊伍建設(shè)上進行自主創(chuàng)新。優(yōu)秀的無人機操作人才是充分發(fā)揮無人機裝備效能的首要條件。應(yīng)采取工廠自主培訓(xùn)和學(xué)校規(guī)范化培訓(xùn)的方式。充分利用專業(yè)無人機培訓(xùn)機構(gòu)對相關(guān)人員機器操作，數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用和日常維護等方面進行系統(tǒng)培訓(xùn)。進一步完善人才培養(yǎng)吸引、流動和激勵保障機制，特別是在吸引人才、留住人才、人才發(fā)展等方面建立長效機制，形成技術(shù)過硬的無人機操控人才隊伍。

5 結(jié)束語

森林在人們賴以生存的自然環(huán)境中發(fā)揮著非常關(guān)鍵的作用，十八大以來，中國完成造林5.08 億畝，森林面積達到31.2 億畝，森林覆蓋率達到21.66%，森林蓄積量達到151.37億立方米，是同期全球森林資源增幅最大的地區(qū)。森林安全保護是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中建立生態(tài)文明的關(guān)鍵，與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略密切相關(guān)。目前，我國的無人機技術(shù)已經(jīng)具備了快速的發(fā)展趨勢，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。在森林火災(zāi)撲救中，無人機起著非常關(guān)鍵的作用，在很大程度上提高了森林火災(zāi)事故的滅火和預(yù)防能力。盡管我國森林資源的總產(chǎn)量豐富多樣，但人均低，種類少，森林火災(zāi)有著地形崎嶇復(fù)雜、氣象條件惡劣多變、著火原因多種多樣等諸多特點且無法預(yù)測。低空飛行檢查中的無人機具有機動性強，成本低，易于實際操作的優(yōu)勢。在森林火災(zāi)事故的檢查和操作層面，無人機發(fā)揮了積極的作用。但是，由于技術(shù)推廣相對較晚，并且受到各種不利因素的限制，因此沒有形成相應(yīng)的規(guī)模和標準規(guī)范。從技術(shù)上講，還需進一步加強無人機的特性，個性化操作以及遙感圖像的后處理技術(shù)。只有在各方面提高應(yīng)用水平，才能加強無人機技術(shù)的應(yīng)用和推廣。隨著技術(shù)的深入發(fā)展，無人機最終將取代傳統(tǒng)的滅火方法，并為中國可持續(xù)發(fā)展做出不可替代的貢獻。