張文兵

（福建省森林消防總隊訓(xùn)練大隊，福建 福州 650224）

無人機可搭載紅外災(zāi)害評估系統(tǒng)，對森林大火進行巡航和數(shù)據(jù)分析，找出主要火災(zāi)點，為地面滅火人員提供及時的探測信息[1-2]。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，消防無人機在森林防滅火領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，以費效比高、機動性強、作業(yè)面廣、反饋速快等傳統(tǒng)手段無法替代的優(yōu)勢，在森林防滅火工作中發(fā)揮了預(yù)警“千里眼”、撲救“急先鋒”、機動“保障兵”的作用[3-8]。因此，深入探究消防無人機在森林防滅火中的應(yīng)用意義重大[9-13]。

1 研究方法

以文獻研究法為基礎(chǔ)，廣泛聽取森林消防一線戰(zhàn)斗單位在使用無人機滅火時的意見建議，結(jié)合消防無人機掛載水劑、保障物資、裝備器材等飛行試驗、消防無人機森林滅火實戰(zhàn)應(yīng)用案例，并與無人機廠家溝通，取得戰(zhàn)術(shù)飛行相關(guān)參數(shù)進行驗證分析，通過歸納總結(jié)和對比分析的方法，為消防無人機在森林防滅火中的潛能發(fā)掘提供可行性建議。

2 研究結(jié)果

2.1 消防無人機系統(tǒng)的機構(gòu)和功能

中國民航局飛行標(biāo)準(zhǔn)司規(guī)定，無人機系統(tǒng)（UAS：Unmanned Aircraft System）也稱遠程駕駛航空器系統(tǒng)，是指由控制站管理的航空器，主要由無人機平臺、相關(guān)控制站、所需的指令與控制數(shù)據(jù)鏈路以及批準(zhǔn)型號設(shè)計規(guī)定的任何其他部件組成，消防無人機系統(tǒng)應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加地面保障設(shè)備和任務(wù)載荷等部件，以實現(xiàn)相關(guān)功能。

2.1.1 八種任務(wù)載荷方式

八種任務(wù)載荷方式如圖1所示。。

圖1 八種任務(wù)載荷方式Fig.1 Eight kinds of task load mode

1）可見光成像載荷。即光學(xué)成像設(shè)備，利用太陽照射地物反射的可見光來成像，是目前種類最豐富、應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的無人機成像設(shè)備，因成像直觀性強，常用于火情偵查和地形勘察等場景。

2）紅外成像載荷。通過紅外探測器，將物體各部位不同強度的紅外輻射信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)系統(tǒng)處理，得到與物體表面熱空間分布相對應(yīng)的熱像圖傳至顯示屏，即紅外熱圖像，常用于火場溫度監(jiān)測和人員搜救等工作。

3）激光雷達。以激光為測量介質(zhì)，不依賴自然光，不受航高、陰影遮擋等限制，通過即時測距成像，快速獲得地面物體的三維坐標(biāo)，將現(xiàn)場的空間信息轉(zhuǎn)化為簡明圖像，直觀展示和還原現(xiàn)場的情況，常用于描繪火場態(tài)勢，精準(zhǔn)分析火情變化。

4）合成孔徑雷達（SAR）。利用雷達與目標(biāo)的相對運動，把尺寸較小的真實天線孔徑，用數(shù)據(jù)處理的方法合成較大的等效天線孔徑，可在能見度極低的氣象條件下得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達圖像。其特點是能全天候工作，分辨率高，具有穿云透霧能力，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物，常用于霧天或夜間森林火災(zāi)偵檢等場景。

5）通信中繼模塊。搭載在無人機平臺上的集群基站、寬窄帶自組網(wǎng)、4G或5G基站，為地面通信設(shè)備提供空中信號中繼，可有效擴大信號覆蓋的范圍，消除信號盲區(qū)、提高通信系統(tǒng)可靠性，常用于森林火災(zāi)現(xiàn)場、前指間通信作業(yè)，解決“最后一公里”的通信難題。

6）環(huán)境監(jiān)測模塊。能檢測任務(wù)區(qū)域的氣象因子，如風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等，也能對森林火災(zāi)可能蔓延方向上的核工作區(qū)、化工區(qū)、儲油罐區(qū)等重要目標(biāo)物，實施全時輻射及危害物檢測，輔助滅火行動戰(zhàn)術(shù)決策，為參戰(zhàn)力量及時預(yù)警。

7）照明喊話模塊。搭載照明射燈和大功率揚聲器，通過窄帶通信鏈路控制，可為隊伍夜間行進提供照明支持；喊話器聲音亮、傳輸遠，常用于防火宣傳、危險火情提示等場景。

8）物資掛載模塊。無人機可通過定制掛載系統(tǒng)和開關(guān)控制，實現(xiàn)高空滅火、遠程投擲滅火、物資投送等功能。

2.1.2 使用優(yōu)勢

1）行動反應(yīng)迅速。消防無人機多為多旋翼或復(fù)合翼型，具有垂直起降、高空定點巡航等技術(shù)特點，可避開交通堵塞、陡坡溝谷、地物阻礙等情況，在空中直線到達任務(wù)區(qū)域，快速展開偵查或滅火工作。在2020年4月，四川冕寧森林火災(zāi)現(xiàn)場，地面分隊從集結(jié)點出發(fā)、翻山越嶺，用時10 h才到達直線距離5 km外的火場，而使用無人機僅需10 min即可到達火場上方開展作業(yè)。

2）裝備使用便攜。無人機攜帶方便，擁有多種操作模式，相對于大型飛機或直升機而言，非常簡單，操作人員可使用遙控器或地面站來操控?zé)o人機的運動，能靈活改變飛行航線，只需通過遠距離的音視頻傳輸，就能實時掌握當(dāng)前情況，以便全方位進行遠程監(jiān)測。

3）偵測分辨率高。無人機偵測與人工地面?zhèn)蓽y和衛(wèi)星遙感偵測相比，優(yōu)勢明顯。人工偵測，受地形地物的影響大，存在視覺盲區(qū)，觀察范圍有限；衛(wèi)星遙感偵測，高度高，分辨率低。而無人機掛載可見光、紅外熱像儀等設(shè)備，可以從空中全面的或獨特的視角精準(zhǔn)偵測，抵近偵測。獲取森林火災(zāi)坐標(biāo)的傳統(tǒng)方法如瞭望塔監(jiān)測、飛機觀察員標(biāo)定等，基本上都是概略坐標(biāo)。在經(jīng)線上，緯度相差1'，實際距離相差1.85 km，在緯線上，經(jīng)度相差1 min，實際距離相差1.85×cosθ（km）（θ表示該緯線的緯度）。無人機能實現(xiàn)由概略定位向精確定位的跨越式轉(zhuǎn)變，為指揮員指揮決策提供強有力的支撐。

4）環(huán)境適應(yīng)性強。與載人機相比，根據(jù)不同需要，消防無人機能搭載多種任務(wù)載荷，在高危險環(huán)境中代替有人機完成作業(yè)。無人機對起降場地要求不高，在復(fù)雜多變的森林火災(zāi)現(xiàn)場，可快速起降，受濃煙、高溫、大風(fēng)等因素影響較低，既能采集有效、真實的火場數(shù)據(jù)，更能保證消防員的人身安全。

5）使用成本較低。一是制造成本較低，由于不需要考慮飛行員生命支持系統(tǒng)，無人機制造成本與有人機相比較低。目前，輕小型無人機價格大約在千元到十萬元范圍，大載重?zé)o人機價格大約為100～600萬元。二是運行成本較低，無需龐大的機務(wù)維護人員和設(shè)備提供保障，容易普及配備，飛行電耗或油耗成本低廉，可伴隨滅火行動長時間作業(yè)。三是維護成本較低，使用新型的輕質(zhì)高強度材料，不易損壞，且配件更換比較容易，使用壽命較長。

2.2 森林防滅火應(yīng)用的變化與革新

2.2.1 引領(lǐng)森林防火思路

傳統(tǒng)森林防火勤務(wù)[《森林消防隊伍教育訓(xùn)練大綱》（2018.12）]的基本樣式包括5類：宣傳、巡護、清山、設(shè)卡檢查和計劃燒除，均是以人海戰(zhàn)術(shù)并輔以越野車、騾馬等運輸工具的方式來覆蓋勤務(wù)區(qū)域，效率低、死角大。

傳統(tǒng)的宣傳以發(fā)放傳單、懸掛（張貼）標(biāo)語、舉辦防火講座、組織群眾教育等形式開展，在人流中，只能引起部分群眾注意。無人機搭載高音喇叭，聲音傳遞范圍在600 m左右，若是配合穩(wěn)定云臺，可實現(xiàn)360°的廣播方向，通過語音交互設(shè)備，對聲音覆蓋范圍內(nèi)的群眾進行實時宣講；搭載宣傳條幅、LED顯示屏等可視化載體，借助靈活的機動能力，通過設(shè)定路線或重點地段飛行，將宣傳工作變得簡單高效。

傳統(tǒng)的巡護是森林消防員、護林員，采取地面巡護、直升機空中巡護、水上巡護的方式，監(jiān)控和管理野外火源的行動。其中地面巡護，體力消耗大、機動速度慢、可視區(qū)域小；直升機空中巡護，成本貴、飛行較高、空域受限，且很難發(fā)現(xiàn)隱蔽在密林中的用火點；水上巡護的局限性較大。無人機可遠距離在林地上空抵近飛行，幾乎不受空間限制，通過搭載紅外成像儀，很快就能鎖定林內(nèi)存在的火點，若有人用火，可通過喊話設(shè)備進行驅(qū)散，利用可見光成像進行實時監(jiān)控，對隱患煙點，及時投放滅火劑（彈）消滅，確保防控效果。

傳統(tǒng)的“清山”、設(shè)卡檢查勤務(wù)，都是清查非法入山人員、車輛，對火種、有無野生動植物盜獵或砍伐等情況進行檢查，動用人員多，勤務(wù)死角大，有的非法人員故意抄小路避開，甚至出現(xiàn)車輛闖卡的問題。無人機的喊話設(shè)備可對非法入林人員發(fā)起心理攻勢，迫使其停止非法行為；通過紅外、可見光追蹤，堵截非法人員和車輛；對闖卡車輛，無人機可在前方拋灑阻車釘，配合人員進行堵截。

傳統(tǒng)的計劃燒除主要采取人為點燒的方式，清理、燒除林內(nèi)采伐剩余物及其他可燃物，以減少可燃物載量，進行時容易燒掉無關(guān)植被、浪費森林資源，控制不好還會出現(xiàn)“跑火”情況。無人機搭載雷達，可對區(qū)域內(nèi)可燃物載量進行偵測，利用APP數(shù)據(jù)分析功能，形成可視化的可燃物載量分布圖，同時標(biāo)定因河流、道路、農(nóng)田、雪地等地形產(chǎn)生的“點燒窗口”，通過集群作業(yè)可短時間、大面積精準(zhǔn)投放燃燒彈，同時利用滅火劑，對“跑火”位置進行快速控制，全面提高計劃燒除的效能。

2.2.2 更新森林滅火戰(zhàn)術(shù)

近幾年無人機滅火實驗和滅火實戰(zhàn)，驗證了無人機撲打森林火災(zāi)的可行性，催生出新的滅火戰(zhàn)術(shù)。

1）快速抵進、打擊險點。無人機滅火更多不是靠量取勝，而是通過低空抵進、懸停瞄準(zhǔn)，對懸崖、陡坡、深谷等人員一時無法到達，直升機無法靠近的火點進行的點穴式的精準(zhǔn)打擊，通過掛載水帶管線或噴射摻有高分子凝膠的高效滅火劑（彈），更好地附著滲透滅火，即使沒打到火點上，覆蓋在周邊林木上也能起到阻隔作用（附著阻燃時間8～10 h），實現(xiàn)打早、打小、打了的目的[14-16]。

2）精準(zhǔn)遙控、遠程出擊。翼龍Ⅱ無人機在實際飛行任務(wù)中可跨省從貴州安順機場飛奔至四川木里森林，進行寬帶自組網(wǎng)通信、超短波中繼通信、公網(wǎng)移動通信保障能力、EO和CCD航測相機（7 000 m穿云透霧）、SAR偵查測試，歷時17.25 h，順利返回安順機場。這一操作驗證了無人機能突破局域限制、晝夜限制，在峽谷陡坡、高山密林等復(fù)雜環(huán)境條件下，遠程出擊的真實性，使森林滅火戰(zhàn)術(shù)超時空運用成為可能[17-19]。

3）集群合力、車輪強攻。目前已實現(xiàn)3 機超視距集群控制技術(shù)，測試的簡便經(jīng)濟袋裝水彈在打擊火線、火點時，命中率為90%。單次投擲150 kg的水彈，有效覆蓋面積大于8 m2，有效切斷火線；50 kg級的高效水劑滅火彈，在距地15 m處起爆，有效覆蓋面積大于28 m2，利用無人機集群快速輪番打擊，減少投彈間隔，增加投彈的覆蓋密度，能對地下火短時間內(nèi)實施飽和覆蓋，甚至能高效阻隔中高強度樹冠火[20-22]。

4）掃描清理、徹底殲滅。通過快速機動、信息收集和回傳，無人機能在短時間內(nèi)大面積掃描火燒跡地，輔助指揮員準(zhǔn)確識別復(fù)燃隱患，在重點區(qū)域部署兵力，實施火場清理和看守，大大降低林火復(fù)燃概率，徹底實現(xiàn)火場“三無”。另外，通過反復(fù)比測，結(jié)合當(dāng)前滅火裝備的實際水平，采取“縱列式雙旋翼大載重?zé)o人機+高效水基滅火彈+協(xié)同集群作業(yè)”的無人機滅火路線較好[23-24]。

2.2.3 提升戰(zhàn)勤保障效率

1）物資保障方面。當(dāng)前森林滅火實戰(zhàn)中，裝備和物資基本都靠人力攜行或運送，安全隱患較高，保障數(shù)量有限，體能消耗巨大，若電池、油料、給養(yǎng)、水劑補充不及時，消防人員將面臨極大風(fēng)險。目前，無人機的載重能力和續(xù)航時間已實現(xiàn)了較大提升，采用渦輪軸發(fā)動機的縱列式雙旋翼無人機，在海拔4 223 m處，最大起飛重量為415 kg，有效任務(wù)載重100 kg，航時約1.5 h，在控制上也實現(xiàn)了一站3 機集群控制和中繼跨山控制，可遠距離投放裝備物資，節(jié)約滅火人力，更好更快地實現(xiàn)滅火。

2）通信保障方面。通過固定中繼和移動中繼相結(jié)合的方法，根據(jù)隊伍位置，靈活改變信號覆蓋區(qū)域，構(gòu)建空天地一體的通信網(wǎng)絡(luò)，為指揮部與分隊、分隊與分隊之間提供不間斷的聯(lián)通支持。

3）其他保障方面。無人機還可為滅火隊員夜間機動提供伴隨照明，還可實時監(jiān)測火場區(qū)域小氣候變化、火情動態(tài)變化，通過高音喊話，及時為滅火隊員進行安全避險提示等。

圖2 掛載4臺艾可pb8010 風(fēng)力滅火機的無人機Fig.2 UAV with 4 ECHO pb8010 wind extinguishers

2.3 無人機未來滅火的應(yīng)用及分析

裝備革新意味著戰(zhàn)術(shù)革新，裝備發(fā)展決定著應(yīng)用發(fā)展，隨著消防無人機裝備的不斷發(fā)展，其在森林滅火中的應(yīng)用也將迎來大的發(fā)展[25-28]。

1）系統(tǒng)運行網(wǎng)絡(luò)化。隨著消防無人機配備和應(yīng)用的普及，需要綜合運用5G網(wǎng)絡(luò)等先進技術(shù)，對其運行進行網(wǎng)絡(luò)化的管理，通過可橫向擴展的多服務(wù)器，將消防無人機和任務(wù)載荷的數(shù)據(jù)通過多種通信鏈路接入云服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)無人機遠程的自主飛行與實時控制，實現(xiàn)多機多航線的任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度、多種無人機的網(wǎng)絡(luò)化部署，提供飛行任務(wù)審批、禁飛區(qū)實時更新、飛行狀態(tài)監(jiān)控，飛行器遠程操作、飛行歷史查詢、動態(tài)數(shù)據(jù)分析、飛控程序升級、飛行器壽命預(yù)警等服務(wù)，對無人機進行數(shù)字化管理，提供及時準(zhǔn)確的空域及飛機狀態(tài)信息，及時提醒分隊對飛機進行維護保養(yǎng)，減少飛行事故的發(fā)生。

2）態(tài)勢感知實時化。無人機影像處理的傳統(tǒng)方法，是將相機拍攝的影像通過USB接口，傳輸?shù)絇C端，在PC端對影像進行處理，時效性無法滿足高效滅火的需要。而通過無人機影像實時處理技術(shù)，可以實現(xiàn)災(zāi)情態(tài)勢感知的實時化，形成實時視頻融合與顯示、實時可見光正射拼接、實時紅外正射拼接圖、三維火場圖快速重建，實現(xiàn)現(xiàn)場綜合態(tài)勢展示、火情檢測分析、滅火隊伍位置標(biāo)繪等，對科學(xué)制定滅火方案和指揮調(diào)度提供有力支撐。

3）實戰(zhàn)運用主戰(zhàn)化。目前無人機主要配給應(yīng)急通信保障人員，進行火場偵測，是一種滅火的輔助手段，發(fā)揮的作用有限。隨著無人機航時和載重能力的提升，通過任務(wù)載荷和戰(zhàn)術(shù)運用，其直接滅火效果越來越凸顯，可代替消防員完成危險環(huán)境下的滅火任務(wù)，發(fā)揮出主戰(zhàn)裝備的作用。

4）空地協(xié)同一體化。要在未來的滅火行動中發(fā)揮更大的作用，一定要實現(xiàn)無人機與有人機的協(xié)同、空中與地面的協(xié)同、前方與后方的協(xié)同。通過構(gòu)建空地一體化通信網(wǎng)絡(luò)，明確任務(wù)空域運行的規(guī)則和協(xié)調(diào)機制，建立空地影像信息共享保障和調(diào)度機制，實現(xiàn)無人機與有人機的位置共享、航路共享等功能，實現(xiàn)空中力量調(diào)度的一體化，并根據(jù)任務(wù)需要，統(tǒng)一協(xié)調(diào)空域和地面資源實施滅火行動，提高滅火效率。

3 結(jié)語

隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，無人機系統(tǒng)也將與森林防火、滅火工作充分結(jié)合。為更好地運用無人機這項科學(xué)技術(shù)，在今后的研究中，可持續(xù)推進實戰(zhàn)測試研究，經(jīng)過科研院所、裝備廠家、消防應(yīng)急等有關(guān)部門聯(lián)合科研與實踐，消防無人機將成為森林防火、滅火的重要設(shè)備，讓森林防火與滅火救援更科學(xué)、更安全、更高效。