无人直升机在森林消防领域的应用

徐建辉

森林消防遂行灭火任务地域大多山高、坡陡、林密，面临挑战多、难度大。无人直升机以其独特的优势，可作为森林航空消防的增援力量，承担火情侦察、通信中继、辅助救援、日常巡护、灾后评估等多种任务，提高综合灭火效益。

森林火灾一直是世界难题，我国每年都发生森林大火，给人民的生命财产和生态环境造成重大损失。森林消防作为和平年代最危险的职业之一，受到人们广泛的关注，如何高效地完成灭火任务，减少人员伤亡，成为森林消防的重中之重。森林航空消防，具有响应速度快、机动能力强、救援范围广、救援效果好的特点，在森林火灾扑救中发挥了不可替代的作用。目前，我国装备了一批救援用直升机，包括直-8、卡-32、AC313和米-26型直升机，有效地减少了灾害损失，但数量总体较少、覆盖范围有限，往往一架直升机同时承担着林区巡护、火场侦察、兵力运送、吊桶灭火等多种任务，火情侦察与火场扑救不能同时兼顾。无人直升机具有垂直起降、低空悬停、无人员损伤、使用维护成本低等特点，在森林火灾监测及指挥救援等方面有独特的优势，能有效提高灭火效益，充分发挥森林消防空中优势。

无人直升机特点及优势

全自动、无人化

无人直升机具备一键自主起降、自动航线飞行能力，操作简单，不需飞行员持续操控，可长时间执行枯燥乏味、污染危险等恶劣飞行任务，不受人员生理条件限制，大大降低操控人员培训、使用门槛，使装备大批量部署应用提供了有利条件。在现有航空护林装备体系中，无人直升机可承担夜间作业任务，弥补一线部队夜间作业保障、火情监控的不足。

垂直起降、无起降场地限制

无人直升机不需要专用跑道和起降辅助设备设施，可在地形复杂、人迹罕至、高原等地區快速起降，执行任务。实战应用中，在森林丘陵地带，利用驻防场站、各级公路、林区直升机起降坪等，实现无人直升机的机动部署，快速形成全域覆盖的保障能力。

悬停、低速飞行

无人直升机具有持续悬停、空中凝视的能力，可在指定区域持续长时间定点、低速搜索侦察，对于偏远林火的早期发现、重大森林火灾现场的各种动态信息的实时获取、人员搜救支援等具有明显优势。

大载重、长航时

无人直升机相较多旋翼飞行器，具有明显的载重和航时优势。使同时搭载光电侦察设备、通信中继设备、支援物资、搜救设备等多种任务载荷成为可能，通过装备的合理配置，可实现全天候、不间断执行任务，有效保障灭火作战的实施。

应用场景分析

火情侦察

目前，森林灭火作战中火情信息主要依托有人机搭载空中观察员进入火场上空记录后上报，主要包括火场风力、风速、风向、火场形状、周长、过火面积等，无直观的图像、视频信息;其次，有人机受油量、气象条件、火场环境等限制，不能长时间留空，观察员无法全面、细致的掌握现场情况，尤其是夜间，更加难以保证有人机出勤率，造成火情信息获取不足，影响前方指挥决策。

无人直升机通过搭载可见光、红外侦察等设备，可昼夜实施火场侦察任务，规避人员伤亡的同时实时回传火场画面和现场数据，第一时间生成火场地理坐标、过火面积、火场蔓延趋势等火场态势信息，便于各级指挥部及时掌握动态灾害情况，从而作出快速、准确的决策，指挥有人机和地面扑火力量的空地配合，综合提高扑火效益。

通信中继

森林消防任务地域环境恶劣，公网通信资源极其匮乏，火场指挥通信主要以临时组网方式实施应急通信。目前，一线部队依托超短波、北斗、卫星电话、短波等手段，与前方指挥所组成火场内部通信网，主要以语音通信为主。受自然环境和装备限制，语音通信无法全地域覆盖，部分地区存有通信盲区，“联不上、听不清、看不见”的现象时有发生，造成火情侦察和信息传递不及时，影响了各级指挥员决策。

依托无人直升机搭载宽带自组网、超短波语音中继等通信设备，作为空中信息节点，在大区域范围、复杂地形、恶劣自然环境条件下有效拓展任务部队的通信距离，大幅度减少通信盲区，确保一线作战部队与前方指挥所的音视频互通，打通自下而上的指挥通信链路。

辅助救援

无人直升机通过灵活配置关键器材装备，能够为多种情况下救援提供帮助。一是携带雷达、生命探测仪、GPS定位等搜救设备，在道路阻断、能见度差等恶劣条件下，执行大范围失踪人员搜索、救援目标确认等;二是搭载投送装置，精准抛投救生绳、呼吸罩、急救药品等支援物资，帮助被困人员进行自救或快速逃离现场;三是配备照明设备，在夜间为地面人员作业提供照明保障、位置引导。

日常巡护

森林火灾因地理位置分散偏僻，发生之初通常很难发现，若能及时监测到林火的发生，将火灾扼杀在萌芽状态，抢占灭火先机，就能大大降低损失，因此，森林日常巡护意义重大。无人直升机通过携带可见光、红外侦察设备，可进行大范围的日常巡护任务，取代原本有人直升机或几组地面人员的工作，降低使用成本。

灾后评估

火灾扑灭后，利用无人直升机集成航摄仪、激光雷达、多光谱相机等，可对灾害区域进行空中高精度航测，为灾后评估提供实时准确的信息，及时发现存在暗火，有效防止火灾复燃，提高应急救援效率。

关键技术

自主控制技术

无人直升机系统主要依靠系统自身的感知、处理和运行能力实现自主控制，主要包括自适应高带宽控制、自适应状态反馈控制、伪控制Hedging自适应控制、输出反馈自适应控制及智能控制技术等。其中，智能控制技术通过智能化手段完成森林消防作业中的信息融合、数据处理、任务计划和任务控制等，能够大幅度降低人机交互负荷和作战保障需求，提高无人直升机系统对复杂森林环境的主动适应能力，是旋翼无人机飞行控制技术发展的重要方向。

复杂条件高适应性设计技术

森林灭火地处山岳、高原、雨林等复杂地形，根据既定任务，结合环境限制与飞行约束条件，快速生成最优参考路径，为灭火指挥作战及救援争取时间尤为关键。其次，根据飞行过程中遇到的突发情况，如地形、气象变化、未知限飞因素等，局部动态地调整飞行路径或指点飞行、指点盘旋等动作任务，保证飞行安全。针对着火林场上空的紊乱气流，需要考虑如何增强无人直升机在突变气流下的抗风扰动控制，重点研究内环控制律以及从风的高/中/低频特性角度开展控制器设计。

多机协同测控技术

森林防护方面，为减小森林大面积侦察搜索和灭火时间、实时侦测火势信息、减小山体通信遮挡影响、降低运营成本，可采用一站多机、多机协同作战模式，其中涉及到协同搜索、协同定位、有人/无人协同等关键技术，其需要多机保持一定的位置关系，并且需要一定的时间约束，如每架机到达防护区域的时间控制等。这些应用需要在地面控制站或有人机载控制站进行精确和快速的任务规划，并进行冲突检测和任务推演，实现有人/无人协同控制，多机任务规划是一个多约束多目标优化问题，求解问题模型的建立和算法关系到问题的快速和优化解决，是多机应用的关键。结语

无人直升机在森林消防应用优势明显，可作为航空消防力量的有力补充，弥补现森林航空装备数量少、机种单一等不足。随着人工智能、大数据与5G通信等先进技术在无人直升机上的应用，国家应急救援体系的完善，无人直升机在林业火灾的监测、扑救、灾后评估等领域的重要性将愈加凸显，产业前景广阔。