基于固定翼飞机的森林防火巡查系统方案

洪雨宁 白银刚 唐健仁

（中电科芜湖钻石飞机制造有限公司 安徽省芜湖市 241100）

1 引言

“绿水青山就是金山银山”是时任浙江省委书记习近平于2005年8月在浙江湖州安吉考察时提出的科学论断[1]。加强森林资源保护，对自然环境的保护具有至关重要的意义。采用科学有效的森林防火手段，对于森林火灾预警、控制森林火灾蔓延，减轻森林火灾对森林资源造成的损失，有着现实意义。

森林防火预警监测包括地面巡护、瞭望台监测、航空巡护、卫星遥感等手段。地面巡护和瞭望台监测，主要通过人力或摄像头等传统的手段，虽然成本较低，但考虑森林面积、地理环境、气候因素等制约，存在观测死角与空白，精确度不高，加之一旦火情爆发的人员撤离风险等因素，不利于准确提供大面积森林火情信息；卫星遥感火场探测范围广，基本不受地理条件限制，能客观反映火场变化态势，但卫星遥感时效性不高，空间分辨率低，且当前资源有限，发生森林大火时较难满足实际使用需求[2]。2019年和2020年，四川凉山地区连续两年发生森林大火，并造成了重大人员伤亡和森林资源损失，两次重大火灾教训深刻，代价惨重[3]。但是，在航空应急救援领域，仍然存在着重救援、轻预防，重直升机、轻固定翼的现象。这不但将造成不能早期发现火情，以致无法将森林火灾消灭在初发阶段，而且在火灾扑救行动中可能无法及时判断火场态势，以致发生人员伤亡。这将直接影响现场指挥部灭火方案与救灾措施判断准确性。以有人固定翼飞机为平台的森林防火航空巡护手段，具有视野宽广，机动性大，速度快，航程长，能高效对火场进行全面长时间观察等优势[4]。随着我国通航产业的快速发展，投入、运营和维护成本不断降低，风险承受能力不断增强，受起降、航线、时间的限制也逐渐放宽，能更有效地开展森林防火航空巡护业务。而直升机的优势在于可实现定点悬停，起降便捷，多用于洒水灭火和人员救助，但其续航能差，飞行距离短，只适用于较小范围、近距离火场救援[5]。国外的航空应急救援力量，也多采用固定翼飞机与直升机搭配，形成高效、优势互补的机队，可完成多种预警监测与应急救援工作[6]。

结合国内外航空应急救援、森林防火巡查发展动态以及我国国情与特色，本文介绍一种基于固定翼通用飞机平台的森林防火巡查系统。同时，文中对该系统的应用实效进行了分析，探讨了今后的改善提高途径与手段。

2 森林防火巡查系统介绍

2.1 系统原理

该系统通过飞机平台在林区上空进行巡逻，拍摄林区的红外/可见光视频，对森林着火点定位，着火面积测算，通过机载卫星通信设备将视频和火点定位信息实时回传到地面指挥中心，并通过卫星电话接受地面指挥中心指挥；可通过电脑客户端投影到地面指挥中心大屏，或通过智能手机APP观看实时回传的视频图像，为指挥决策提供科学依据。系统原理如图1所示。

2.2 系统组成

森林防火巡查系统由地面设施、空中平台两部分构成。

图1：森林防火巡查系统原理图

图2：森林防火巡查系统空中平台设备布局图

图3：光电吊舱

图4：机载卫星通信设备天线单元

地面设施部分主要是利用指挥中心原有设施和租用卫星通信服务，包括地面指挥中心显示大屏、通信卫星运营公司地面中心站，以及电脑客户端软件和手机APP。

空中平台部分由固定翼多用途飞机平台、光电吊舱、机载卫星通信设备组成。空中平台设备布局如图2所示。本文重点对空中平台进行介绍。

2.2.1 飞机平台

本文介绍的固定翼飞机是一种双发轻型多用途通用飞机，最多可以搭载4名乘员，可适应约5500米海拔高度的飞行，1000米长，35米宽以上标准的通航机场跑道。适用于较大范围多任务飞行，具备较强的转场能力。该飞机平台具有以下优势。

（1）安全性高，具备夜航能力。该多用途飞机机身几乎全部采用复合材料，采用了先进的机身设计和双翼梁设计技术，可有效保护燃油箱；采用两台高效的AE300 航煤发动机，即使单发失效，仍可安全飞行，具有与民航客运飞机相当的安全性能。配备高度集成的航空电子系统，同时具备仪表飞行、夜航、自动驾驶与转场能力，可以满足森林防火巡查系统要求24小时应对突发事件的需求，可以安全地完成夜间起降，执行夜间巡查任务，搭载红外/光电和机载卫星通信设备，执行昼夜对林区的拍摄、视频监控，并将相关信息传输至地面指挥中心。

（2）有效载荷大，具有较强的系统扩展性。该多用途飞机有效载荷约700Kg，采用标准化、系列化、模块化设计，是经过EASA和CAAC认证的多任务特种飞机平台，无需额外改装即可实现多种设备、传感器和任务系统的快速换装；无需经过二次适航认证，即可根据飞行任务需求，可在机头、机腹、机背等处安装光电吊舱，航测相机、激光雷达/合成孔径雷达等遥感遥测设备，实现侦察巡逻、航空测绘等任务，具有较强的系统扩展性[2]。

（3）续航时间长，运营维护成本低。该多用途飞机发动机使用国际通用的航空煤油，在民航干支线、通航机场均可方便地实现油料补充，同时兼具强大动力和经济性；经济巡航速度300公里/小时，航时达7-8小时，最大航程2300公里，可实现远距离大范围作业；该飞机的基本型已在国内141航校大范围应用，具有大量熟练飞行员及机务维修人员，可大大降低该多用途飞机的运营维护、推广应用成本。

2.2.2 光电吊舱

该系统采用的光电吊舱具备红外、高清可见光成像能力，具备红外伪彩色图像，能够发现、识别、定位观察目标（火点），可测定可疑目标温度，输出可见光/红外图像的视频信号，跟踪及锁定目标。显控计算机除完成对吊舱的状态、显示、控制等任务外，还可实现森林火场巡察任务规划等系统功能。

（1）主要构成。光电吊舱外形如图3所示。其主要组成为：光电吊舱本体、光电操控手柄、GPS天线、显控计算机。

（2）主要功能。

1.手动搜索。操作员根据工作需要，设置进入手动搜索模式，通过光电操控手柄，对目标的搜索和识别。在大视场模式下观测时，操作员可在发现可疑目标时，选择进入小视场模式，实现更远的探测距离和更好的分辨能力，从而对可疑目标的细致探察与识别。

2.自动搜索。操作员可操控光电吊舱按系统设定的运动方式在方位上实现往复扫描，而在俯仰上手动控制运动方向，实现对目标的自动搜索，根据图像判断是否存在可疑目标。

3.自动跟踪与火点定位。在吊舱搜索并锁定目标后，利用稳定平台实现对红外/可见光传感器的稳定，后者将搜索视场中的目标转为标准视频图像。图像跟踪器捕获目标后，分析目标图像并提取其特征，处理变换。根据目标特性，选取相应的跟踪算法，解析目标在视场中移动偏差，并反馈至伺服控制系统予以纠正，实现稳定控制闭环，锁定光标始终指向被跟踪目标。进而，在系统中输出目标位置，实现火点定位。

4.显示与控制。显控系统支持各类目标信息/回传信息传输接口的转换功能以及各类任务吊舱控制指令；具备目标信息存储读出/显示功能，负责光电吊舱信息的分配与管理、指令输入；以及用于工作状态、显示控制、巡查任务规划等。

（3）主要技术指标。

光电吊舱主要技术指标如表1所示。

2.2.3 机载卫星通信设备

图5：森林防火巡查可见光图像

图6：森林防火巡查红外图像

图7：长江汛期空中巡查时拍摄的图片

（1）主要构成。卫星通信设备外形如图4所示。其主要组成为：天线单元，功放，调制解调器，编码器，天线控制单元，数据/电源/射频线缆等。

（2）主要功能。

1.视频回传。可实现机载光电吊舱拍摄的红外/可见光视频图像单向实时回传至地面指挥中心。

2.数据双向业务。提供飞机平台与地面指挥中心数据双向业务，并实现IP电话双向语音通话功能。

3.云数据信息提供卫星通信系统实时记录的飞机飞行姿态，可以形成云数据信息。

（3）主要技术指标。

卫星通信设备主要技术指标如表2所示。

2.3 系统主要技术指标

该系统总体的主要技术指标如表3所示。

表1：光电吊舱主要技术指标

表2：卫星通信设备主要技术指标

表3：森林防火巡查系统主要技术指标

3 森林防火巡查系统应用

2020年以来，基于固定翼飞机的森林防火巡查系统常态化执行安徽省某市范围林区的航空巡护和火场侦察任务，累积发现20余处初发火情，为市（县）区两级森林草原防灭火指挥部以及应急管理部门提供了一手、及时信息，助力消防部门迅速扑灭火情，真正做到“打早”、“打小”、“打了”，受到有关方面的一致好评。

2020年10月，安徽省某市举办了森林火灾应急演练，该系统全程参与了演练，率先发现火情，并持续进行空中火场侦察，实时将火场态势回传地面指挥中心，并为演练提供了应急通信、指挥调度技术保障，系统展示了较强的专业性，受到演练指挥部的表扬。如图5和图6所示。

随着该系统的应用，越来越多的部门、专家和领导，对森林草原航空巡护、空中火场侦察工作的重要性有了更加深刻的认知。

如图7所示，森林防火巡查方面的应用，该系统还参加了安徽省某市长江汛期的水情探查，长江十年禁渔的“清江行动”，长江海事巡查等任务。在水情探查任务中，该系统既为防灾救灾部门提供了水灾现场的实时场景，以供救灾指挥调度参考，又留下了宝贵的档案记录，为灾后分析、改进提高救援方案所用；在清江行动任务中，该系统不但提供了高效便捷的解决方案，增加了政府行政执法的手段，为进一步加速政府行政治理能力跨越式转变，开辟了新途径，提供了新思路。

4 该系统今后的改进方向

通过对国内有关森林防火机构专家的调研、讨论交流，资料收集，经过上述实际应用与实战演练，以及与其他应用需求部门的领导、专家沟通座谈，我们发现，该系统还有许多方面需要升级改进，方可满足用户的实际需求。如森林火场态势分析与发展趋势预判、余烬的探测与确定、现场扑救人员的指挥调度与安全把控，森林火灾的灾后评估等，都值得进一步探讨、完善与提升。

图8：森林防火三级指挥示意图

4.1 从系统本身完善发展的角度

从系统本身完善发展的角度来说，系统下一步研制方向有以下几点：

（1）除具备提供着火点的地理位置信息、火灾区域面积计算，引导灭火直升机、地面扑救力量外，还应具备融合林区气象信息（通过地面获取或空投探空仪获取）能力，预测火场发展趋势能力，以及余烬的探测能力，为指挥中心指挥调度与部署救援行动提供科学依据。利用对吊舱可见光图像的拼接处理，或换装航测相机、合成孔径雷达等探测装置，实现对过火区域进行灾后评估。

（2）将负责吊舱显控的计算机软硬件升级换代，成为整个系统任务处理机，并赋予更多的功能，担负系统运营与多任务执行，调度和管控多种载荷的状态、发布指令、信息传输等任务，成为一种通用性很强的多任务计算机管理系统，各软件任务模块采用模块化、积木式设计架构，具备很强的灵活性、通用性、可移植性。采用自适应匹配设计技术，自动适配外接任务载荷设备，进行协同管理，实现系统的灵活性和易操作性[7]。

（3）随着国内外电子信息产业的高速发展，功能更强大、性能更加高、体积重量更小的载荷不断涌现，应当及时引入运用。而这几年国产的北斗系统不断发展，功能更强大，应用更广泛；民航局更是在不久前召开会议，推动北斗通航应用[8][9]。密切关注高通量卫星通信技术进展，及时引入使用，以便提供更高质量的视频图像和更丰富的数据信息[10]。

4.2 从航空应急救援系统角度

通过在固定翼飞机平台、灭火（救援）直升机、地面巡逻车辆、指挥中心等加装自组网通信设备，形成灾害一线、灾害现场指挥部、远程指挥中心三级指挥体系（如图8所示）；固定翼飞机平台在高空长时间盘旋飞行，可作为空中通信中继平台；直升机可以根据网络共享的火场位置信息、人员信息，实施空中灭火、人员救援；护林员、消防员等可通过配备的手持自组网终端，把其实际位置、现场录制视频回传；指挥员可综合火情发展态势，通过自组网指挥消防人员重新布防、灭火、建隔离带，或及时安排转移、撤离。

未来的森林防火巡查系统，必然是网络化、多信息感知手段融合、高度集成的系统，通过先进的网络和通信技术，把天基卫星、空基航空器、地面车辆人员、指挥中心，有机联系起来，形成一个巨大的信息共享集群，在通过对数据的有效处理，成为天、空、地一体化综合森林火灾应急救援通信指挥体系[11]。

5 结束语

由以上论述可以看出，该固定翼森林防火巡查系统所用技术优势明显，经实践证明，可以广泛应用于森林火灾应急救援领域。经改造升级后，还可快速复制应用于其他类似固定翼飞机平台。此外，通过搭载不同的任务载荷，还可将该平台应用于应急通信、应急测绘，边境巡逻，海事巡查、空中侦察、环境监测等领域，将为我国的国民经济建设和国防事业做出更多、更大的贡献。