楊麗曉 王 軍 左樹(shù)鋒

（河北霧靈山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理中心，河北 承德 067300)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，森林防火技術(shù)手段不斷更新，無(wú)人機(jī)在森林防火工作中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。無(wú)人機(jī)主要原理是通過(guò)利用無(wú)線(xiàn)的遙控裝置和自備的程序控制裝置達(dá)到操縱飛行器的目的，但是不具備載人的功能。目前市面上的無(wú)人機(jī)多種多樣，包括無(wú)人固定翼飛機(jī)、無(wú)人直升機(jī)、無(wú)人飛艇、無(wú)人傘翼機(jī)、無(wú)人多旋翼飛行器、無(wú)人垂直起降飛機(jī)等[1-7]。無(wú)人多旋翼飛行器相比較其他機(jī)型在操作上、技術(shù)上、成本上具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。在森林防火工作巡查和監(jiān)測(cè)工作中采用的主要是無(wú)人多旋翼飛行器，也稱(chēng)多旋翼無(wú)人機(jī)。河北霧靈山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)內(nèi)擁有大量森林資源，利用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)手段做好森林防火工作是保護(hù)森林資源的重要工作[8-11]，本文旨在結(jié)合霧靈山森林防火工作實(shí)際情況，概括常用機(jī)型多旋翼無(wú)人機(jī)存在問(wèn)題，為未來(lái)無(wú)人機(jī)能夠更加優(yōu)化和更好的發(fā)展提供依據(jù)，使無(wú)人機(jī)為森林防火工作提供更加便捷的工具和服務(wù)，克服森林防火工作中人工巡護(hù)和火情監(jiān)測(cè)中存在的不足。

1 河北霧靈山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)森林防火基本情況

霧靈山為燕山山脈主峰，頂峰海拔2 118 m?？偯娣e14 246.9 hm2，東西長(zhǎng)24 km，南北寬17 km，森林覆蓋率84.68%，林區(qū)山高路險(xiǎn)、地勢(shì)陡峭，森林防火任務(wù)十分繁重，森林防火工作主要依靠人工巡護(hù)、頂峰瞭望、視頻監(jiān)控、無(wú)人機(jī)巡護(hù)相結(jié)合的方式進(jìn)行。

2 多旋翼無(wú)人機(jī)在霧靈山森林防火中的應(yīng)用

目前，多旋翼無(wú)人機(jī)具有巡護(hù)靈活、監(jiān)測(cè)范圍廣、偵查火情行動(dòng)快速等優(yōu)勢(shì)，在森林防火工作中主要應(yīng)用于防火巡查、火情熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)、森林資源巡護(hù)等方面[2-4]。

2.1 巡護(hù)效率高

人工地面巡護(hù)需要耗費(fèi)大量人力資源，且森林茂密地段的人員巡護(hù)成本高，人身安全較難保證。多旋翼無(wú)人機(jī)巡查可有效的縮短巡護(hù)時(shí)間，減少人員消耗。

2.2 科學(xué)研判火情

利用多旋翼無(wú)人機(jī)可有效判斷火勢(shì)及火場(chǎng)情況，準(zhǔn)確獲取火場(chǎng)地形、地勢(shì)、風(fēng)力、風(fēng)速、植被等要素信息，為判定火場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)和走向提供依據(jù)，為撲救森林火災(zāi)提供依據(jù)。使用多旋翼無(wú)人機(jī)有助于指揮人員預(yù)估火情，爭(zhēng)取撲救火災(zāi)最寶貴的時(shí)間，科學(xué)高效的制定撲火方案，減少人員傷亡和森林資源損失。

2.3 購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用低

傳統(tǒng)森林防火工作中應(yīng)用的直升機(jī)等應(yīng)急救援裝備費(fèi)用相對(duì)較高且占地面積大，且并非所有林區(qū)防火指揮中心有條件購(gòu)買(mǎi)和使用。部分林區(qū)和市級(jí)單位共用一架直升機(jī)，使用時(shí)需提前預(yù)留申請(qǐng)和調(diào)撥時(shí)間。

3 多旋翼無(wú)人機(jī)在森林防火應(yīng)用中存在的問(wèn)題

多旋翼無(wú)人機(jī)在森林防火工作應(yīng)用中具有低成本、安全性、高效性、便攜性等優(yōu)點(diǎn)[6]，以至于現(xiàn)在無(wú)人機(jī)在森林防火工作中得以廣泛應(yīng)用。為使多旋翼無(wú)人機(jī)在今后森林防火工作應(yīng)用中能更加廣泛、方便，將多旋翼無(wú)人機(jī)在森林防火工作中存在問(wèn)題闡述如下。

3.1 電池續(xù)航時(shí)間影響

多旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)型能源供給主要采用電池充電的方式，電池大都采用鋰電池[7]，鋰電池具有放電倍率大、充電時(shí)間長(zhǎng)的特性，在飛行時(shí)間上受到了較大限制。

表1 列舉了市售不同品牌不同型號(hào)之間的續(xù)航時(shí)間對(duì)比，由表1 可看出多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間大都在15～30 min之間，少數(shù)續(xù)航能力強(qiáng)的最大飛行時(shí)間也不超過(guò)1 h。因此，在林區(qū)面積大的地區(qū)飛行時(shí)，需要多次更換電池才能完成林區(qū)巡查。尤其當(dāng)發(fā)生森林火災(zāi)時(shí)，需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)火情火勢(shì)、林火走向等情況，加上來(lái)回路程上的電量耗費(fèi)，多旋翼無(wú)人機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間提供有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行火情監(jiān)測(cè)。

表1 不同品牌型號(hào)多旋翼無(wú)人機(jī)續(xù)航時(shí)間對(duì)比Tab.1 Comparison of range time of multi rotor unmanned aerial vehicles of different brands and models

因此，在森林防火應(yīng)用上的多旋翼無(wú)人機(jī)需要考慮續(xù)航時(shí)間問(wèn)題。由于林區(qū)環(huán)境多是山高路險(xiǎn)，考慮到巡查區(qū)域的面積和距離，扣除來(lái)回路程耗費(fèi)時(shí)間，多旋翼無(wú)人機(jī)到達(dá)目的地巡查時(shí)長(zhǎng)受到限制。

3.2 氣候條件因素影響

多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中需要具備良好的天氣條件，惡劣天氣條件下，多旋翼無(wú)人機(jī)將無(wú)法安全起飛和降落，如大風(fēng)天氣、雨雪天氣等，受氣候因素影響大。

森林火災(zāi)較多發(fā)生于大風(fēng)天氣，由于無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中需要周?chē)h(huán)境穩(wěn)定，大風(fēng)天氣往往無(wú)法使無(wú)人機(jī)正常起落。森林防火常用的多旋翼無(wú)人機(jī)體積較小，抗風(fēng)能力弱，螺旋槳受風(fēng)向和風(fēng)速影響[8]，在大風(fēng)天氣更是無(wú)法起飛。目前，森林防火工作中應(yīng)用的多旋翼無(wú)人機(jī)不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)向和風(fēng)速功能，無(wú)法及時(shí)預(yù)測(cè)飛行期間的氣象條件，如飛行過(guò)程中遇大風(fēng)天氣和風(fēng)向突變，易發(fā)生墜機(jī)等危險(xiǎn)事件。

3.3 地形地勢(shì)因素影響

多旋翼無(wú)人機(jī)在起飛和降落時(shí)對(duì)地形地勢(shì)要求較高，需要在平坦開(kāi)闊的地區(qū)才能夠安全起飛和平穩(wěn)降落。在山區(qū)或溝谷地區(qū)進(jìn)行飛行時(shí)，受飛行高度限制，如周?chē)狡律蠘?shù)木茂密。多旋翼無(wú)人機(jī)避障功能不能及時(shí)感應(yīng)到周?chē)鷺?shù)木遮擋，在手持遙控中對(duì)周?chē)匦尾荒芗皶r(shí)清楚掌握，多旋翼無(wú)人機(jī)在后退過(guò)程中，螺旋槳很容易掛到周?chē)狡律厦艿臉?shù)枝上，發(fā)生炸機(jī)等危險(xiǎn)事故。

3.4 飛行技術(shù)因素影響

森林防火主要應(yīng)用的多旋翼無(wú)人機(jī)是通過(guò)利用機(jī)身上的多個(gè)旋翼螺旋槳旋轉(zhuǎn)向下排空氣，產(chǎn)生升力，協(xié)調(diào)多個(gè)旋翼相互配合提供動(dòng)力，進(jìn)行飛行。林區(qū)復(fù)雜多變的山區(qū)路況，隨著海拔的升高，空氣密度逐漸降低，多旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中產(chǎn)生的升力也會(huì)受到限制，因此無(wú)多旋翼無(wú)人機(jī)經(jīng)常受到飛行技術(shù)上高度因素的限制。

3.5 通信技術(shù)條件影響

森林地處山區(qū)，地形復(fù)雜，山高林密，一般通信條件差，GPS定位系統(tǒng)信號(hào)差。在林區(qū)巡查過(guò)程中，若林區(qū)樹(shù)木茂密，或有山體遮擋時(shí)，遙控器會(huì)提示信號(hào)較弱，即使未到達(dá)指定區(qū)域也得被迫返航。森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，火災(zāi)上空會(huì)形成帶電氣團(tuán)[9]，產(chǎn)生電磁干擾，影響遙控器與飛行器之間的通信信號(hào)，從而不能高效判斷和預(yù)估火情火勢(shì)，存在安全隱患。目前，普遍的市售無(wú)人機(jī)還無(wú)法應(yīng)對(duì)電磁信號(hào)干擾問(wèn)題，通信信號(hào)的暢通與否直接影響無(wú)人機(jī)的使用和控制效果。

3.6 有效荷載量影響

多旋翼無(wú)人機(jī)具有搭載防滅火儀器、設(shè)備等的功能，作為搭載平臺(tái)，可攜帶滅火彈、水桶、宣傳廣播、救生物資等設(shè)備，但受到各種因素的限制，多旋翼無(wú)人機(jī)的荷載量極其有限，常常無(wú)法滿(mǎn)足森林防滅火工作的需要[11-15]。因此，增強(qiáng)多旋翼無(wú)人機(jī)的有效荷載量可使其在防滅火工作中發(fā)揮更大作用。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)地域遼闊，森林資源豐富，科學(xué)和高效森林防火技術(shù)手段顯得尤為重要。深入分析多旋翼無(wú)人機(jī)在森林防火工作中的應(yīng)用現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，對(duì)相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行改良，可使得多旋翼無(wú)人機(jī)能有效地對(duì)森林資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高森林防滅火工作效率，減少森林火災(zāi)隱患和損失。對(duì)于多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用于未來(lái)森林防火工作，需考慮以下幾個(gè)問(wèn)題：1）提高續(xù)航時(shí)間，尋找更加便捷充電方式，保證多旋翼無(wú)人機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行任務(wù)，為森林火災(zāi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供更有力的保障?？蓜?chuàng)新使用太陽(yáng)能電池，既能確保無(wú)人機(jī)全天候執(zhí)行森林防火巡查任務(wù)，又節(jié)能環(huán)保。2）降低大風(fēng)天氣對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行穩(wěn)定性影響，確保即便氣候條件惡劣環(huán)境下，多旋翼無(wú)人機(jī)也可為森林巡查和火情監(jiān)測(cè)提供幫助。3）增加多旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)周?chē)系K物的感應(yīng)，強(qiáng)化避障功能，降低地形地勢(shì)因素對(duì)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行影響。4）提高飛行技術(shù)同時(shí)，可在多旋翼無(wú)人機(jī)上搭載滅火裝置，通過(guò)視頻監(jiān)控確定著火點(diǎn)后，在人員無(wú)法到達(dá)的著火點(diǎn)，投放滅火或阻燃裝置。此外加強(qiáng)實(shí)地操作演練，提高多旋翼無(wú)人機(jī)飛控師的飛行操作技術(shù)水平。5）通過(guò)遙控器與多旋翼無(wú)人機(jī)裝置之間的連接，增強(qiáng)對(duì)電磁等信號(hào)抗干擾能力，保障GPS信號(hào)穩(wěn)定。