森林滅火實戰中無人機技術的應用

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“調度師”。它們不僅可以凈化水源、穩定土壤、調節氣候，而且還為生物多樣性提供了豐富的野生動植物資源和穩定的生態環境。從經濟上來說，林業和農牧業、水產養殖業構成了大型農業。林業日趨產業化、社會化和服務化，已成為吸收農村人力資本和學生就業的重要產業鏈。據統計中國每年平均發生森林火災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。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系統或者人民群眾的生命、財產安全。森林火災已成為一種自然災害，突發性強，破壞程度高，處理難度大。如何盡早地發現和撲滅森林大火，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用現狀

傳統的森林火災監測和檢測方法是通過機械設備或人員來監測周圍環境實現的，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碼相機技術的飛速發展，使得基于計算機視覺的遙感系統可以為常規森林火災監測和探測系統提供有力的支持。

現有的森林火災監測技術主要包括地面及近地面監測、航空監測、雷達監測、衛星遙感聯合地理信息系統監測和無線傳感器網絡技術等[1]。森林滅火手段主要有直接撲打法、風力滅火法、化學藥劑滅火法、水滅火法、爆炸滅火法等[2]。但是，每個系統軟件都有不同的技術和實際問題。地面監控設備監控范圍相對有限。通信衛星系統軟件在路徑算法和技術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據信息捕獲要求。載人航空監測費用通常很昂貴。此外，飛行員的生命可能會受到火災現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系統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，用來監控、檢查甚至消除森林大火。此外，無人機在復雜的火災事故環境中可長期執行簡單且重復的日常任務，且安全系數高。

2009 年9 月，我國的無人機成功完成了數千英里的實時監控和高清航空攝影實驗。2011 年，廈門逐漸使用無人機對林區進行火災探測和巡航控制。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，內蒙古自治區大興安嶺林區逐漸使用我國自行開發的Z5 無人直升機，進行定速巡航導航并收集消防安全數據信息。這也是我國林業消防安全系統軟件中使用的第一款中小型無人機。此外，中國已經有一家商業無人機火災事故監測系統公司。桂林市航龍科迅電子設備有限公司和武漢智能鳥企業相繼開發設計了森林防火無人機系統軟件。國家應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，以供勘探和應用。2014 年開始，黑龍江省在評估日常執行能力的過程，逐步使用無人機執行日常的火災現場偵察任務。2015年，國家逐步啟動了“森林火災應急無人機智能偵察與通信無線中繼系統軟件”的基礎建設，高效開展了森林火災探測、通信無線中繼和災后重建評估。和國外相比我國使用無人機進行森林火災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、數量少、功能不全等。

2 無人機在森林防火滅火中的技術需求

無人機對一般森林火災的監視和戰斗系統的基本要素，包括用于查找潛在火災監視功能，觸發警報后通知消防人員以及初步評判和提供處置預案的檢測功能，確定火災的位置和范圍并跟蹤其變化的診斷功能，根據風向和滅火撲救實際情況預測火災的未來發展的推算功能。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同配合來實現的。目標是使用無人機來追蹤火勢，為在現場滅火的消防人員提供實時信息，預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通常可分為火災搜索，火災確認和火災觀察三個階段。在火災搜索階段，地面控制站會根據火災的實際情況和不同無人機的功能將每個無人機的任務進行劃分。之后，部署無人機沿各自的計劃路徑巡邏監視區域。同時，通過使用包括實時視頻和紅外攝像機在內的火情檢測傳感器來自動識別火情。在此過程中隨即轉入確認階段，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，恢復到火災搜索階段。在火災觀察階段，無人機將不斷獲取有關火災的各種信息。以同步圖像、數據參數等各種數據形式傳送給地面操作員和現場滅火戰斗員，以更好地指導現場滅火工作。

整個過程的實現基于無人機森林火災監測、檢測、診斷和預測相關系統。通常包括以下內容：（1）各種傳感器，包括全球定位系統，慣性測量單元和攝像頭；（2）用于火災監控、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、導航與控制系統；（4）無人機機隊的協作定位，部署和控制系統，以最佳地覆蓋火區（此類系統基于白天和夜間的實時信息監視傳感器及其相關的圖像和信號處理算法）；（5）地面控制站，包括通訊信數據接受處理設備。

除上述基本要素外，應急救援部門還對無人機有特殊技術要求。為了應對大規模的山區森林火災現場，應用場景更加復雜，并且需要考慮各種環境因素，例如風、煙、溫度和濕度。因此，無人偵察機必須首先能夠當場滿足極端自然環境的應用標準。第一是抗風性能方面。在火場附近航行時，瞬時風速可能接近6 級，因此其抗風性必須高于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。由于無法預測災難發生的時間和自然環境，因此應配備具有紅外攝像機功能的監視攝像機，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，且耗時半小時。規定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定。一般達到兩次檢查之間的間隔不到15min；另外，根據調查，在飛機飛行高度上，300m 以下飛機的飛行高度應能夠滿足日常現場偵察的要求。第五是兼容模式。當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，考慮到日常訓練和應用設備的操縱規則，無人偵察機需要攜帶或隨消防車到達現場周圍，單個滅火救援人員現場進行機動部署，并在緊急情況下擴展設備。因此，規定整個系統軟件的凈重不應超過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。因此，必須建立無人機培訓和評估體系，以及無人機的日常管理方法和應用系統。每臺無人機必須指定操作者。內部實際操作人員、外部技術人員以及產品研發和制造方必須建立一套完整的售后服務維護系統，以確保無人機保持穩定的應用和規范化；無人機的使用必須滿足民航管理系統的要求。

3 無人機在我國森林防火滅火應用中存在的關鍵問題

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

3.1 技術標準不完善

一是我國還沒有建立無人機產品的權威研發和生產標準。在這一階段，我國的無人機制造公司都在按照不同的規格進行生產和制造。數據類型和通信系統在專業化、模塊化設計和低互換性方面有所不同。其次，應急救援部門還沒有建立用于無人機作戰的技術評估指標體系來專業解決森林火災，開發和研究缺乏數據支撐。森林火災的復雜自然環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的無人機類型相對有限，遠未達到“日常任務”的要求。

3.2 品種少，體系缺失

一是單個負載不能為系統應用程序提供支持點。在這一階段，由于負荷能力和通信能力的限制，無人機承擔的日常任務負荷相對有限。其次，單一機型與多樣化的日常任務的需求存在矛盾。如今，中型、小型和微型無人機在消防預防和滅火中的應用以微小型無人機為主導。中小型無人機的總數非常小，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斗演習要求。第三，不完善的管理機制不能為配套設施的系統應用提供完整的系統保證。無人駕駛飛機的應用涉及緊急救援出動，飛行區域調度，航路的協調和指揮，風險評估，專業資格認證等諸多要素。在任務管理和協作方面還存在許多困難。

3.3 相對缺乏技術實力

一是物理性能差。例如技術不平穩，抗風性差，耐久性差，負載能力有限等問題，嚴重限制了其作戰。第二是智能化程度差。當前，無人飛行器產品過于關注手動操縱，對實時自然環境數據參數搜集處理以及自動導航姿態控制方面的研究不深入，解決常見故障的能力不強，穩定性差。第三是數據運算速度慢。無人機獲取大量圖像數據信息后的關鍵任務是數據統計分析和數據處理。如何系統快速地處理圖像，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用相對較晚，與歐美國家有很大的不同。結合對現有裝備現狀和無人機作戰實際情況的調查研究，認為應從以下三個方面著手，以改善和促進森林滅火實戰中無人機的應用。

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。重點應放在應急救援部門森林火災預防及火災撲救上。針對不同類型的日常任務、日常任務區域和日常任務特征，執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域等關鍵參數，對耐溫、抗風、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評估。其次，加強總體規劃。可以從基礎標準，遙感技術導航服務平臺標準，數據傳輸鏈路標準，地面控制站標準，遙感技術日常任務負荷標準，日常維護標準，遙感技術數據處理系統標準，安全運行智能管理系統標準，智能管理系統標準，遙感技術無人機人員管理標準十個層次進行協調和完善，逐步形成既普遍適用并具有森林火災撲救特點無人機體系。

4.2 建立一個有利的實用的設備綜合體系

第一，根據森林火災戰斗特點需要配備多種機型。在編制無人機配置系統時，應基于日常任務的特點和地區差異。從機型的選擇和配置中綜合考慮任務區地形和地貌、環境危害、氣候條件和其他因素，科學地配備固定翼、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斗的需要。應根據實戰情況和實戰需求，建立具備各種光學/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以及集成相對應的數據服務平臺，以便適應復雜多變情況下的探測任務要求，評估數據要求，并提高滅火實戰中數據處理的效率。

4.3 建立協作機制，吸收社會力量

必須擺脫單一一個部門的保障辦法，建立具有水平聯動和集中調配的綜合資源利用系統，不斷加強社會應急力量建設。按照“培育、發展、規范、提高”的社會應急力量、健康有序的發展理念，構建國家綜合救援隊、專業救援隊、社會應急力量相互補充，力量與實力相結合，資源共享、協調發展的應急救援體系。其次，必須在人才隊伍建設上進行自主創新。優秀的無人機操作人才是充分發揮無人機裝備效能的首要條件。應采取工廠自主培訓和學校規范化培訓的方式。充分利用專業無人機培訓機構對相關人員機器操作，數據處理及應用和日常維護等方面進行系統培訓。進一步完善人才培養吸引、流動和激勵保障機制，特別是在吸引人才、留住人才、人才發展等方面建立長效機制，形成技術過硬的無人機操控人才隊伍。

5 結束語

森林在人們賴以生存的自然環境中發揮著非常關鍵的作用，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。森林安全保護是我國基礎設施建設中建立生態文明的關鍵，與可持續發展戰略密切相關。目前，我國的無人機技術已經具備了快速的發展趨勢，具有十分廣闊的應用前景。在森林火災撲救中，無人機起著非常關鍵的作用，在很大程度上提高了森林火災事故的滅火和預防能力。盡管我國森林資源的總產量豐富多樣，但人均低，種類少，森林火災有著地形崎嶇復雜、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，易于實際操作的優勢。在森林火災事故的檢查和操作層面，無人機發揮了積極的作用。但是，由于技術推廣相對較晚，并且受到各種不利因素的限制，因此沒有形成相應的規模和標準規范。從技術上講，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。只有在各方面提高應用水平，才能加強無人機技術的應用和推廣。隨著技術的深入發展，無人機最終將取代傳統的滅火方法，并為中國可持續發展做出不可替代的貢獻。