森林灭火救援中无人机的运用分析与建议

夏睿

据统计，我国历年平均出现森林火灾数千次，过火面积多达上百万公顷，大约占我国整个森林总量的4%-8%，政府花费了大量资金、物力、人力来扑救这些大火。虽然利用野火也可以建立新的森林，但是很难保证火灾不会威胁到脆弱的生态系统和人民群众的生活、生产安全。森林火灾突发性强、危害范围广、处置难度大，怎样及时地发现并扑救森林火灾，以及怎样最大限度地降低因传播迅速性而带来更多的伤害，已是摆在人们眼前的一项迫切课题。

1 无人机在森林消防扑救中的使用现状

常规的森林火灾控制与监测技术是利用机器或人来控制周围环境实现的，不过这种技术在所需人力资源上既危险又高昂。随着电子计算机和数码相机技术的飞速发展，使得基于计算机视觉的遥感系统可以为常规森林火灾监测和探测系统提供有力的支持[1]。目前的森林火灾监测技术一般分为地面和近地面监控、飞机监视、雷达监控、卫星遥感联合地理信息系统监控，以及无线介质传感器网络信息技术等。

森林消防技术手段一般有垂直扑打法、风力灭火法、化工药物灭火器法、深水灭火法、爆破灭火法等。不过，由于各种信息系统都有不同的关键技术和现实问题。因此地面监测设施监控范围也比较受限。而通信卫星控制系统在路径计算和信息技术更新的层次上也不够敏捷，其太空画面清晰度不足以达到更详尽的数据信号捕获条件。而且载人飞行监测费用也通常很高昂[2]。另外，飞行员的个人生活也可能会遭受火场救援的风险和操作者疲惫因素的影响。拥有采用人工智能算法的遥感技术系统软件的无人机飞行，正逐渐变成更加实际的选项，它提供了高速、移动和低成本的解决方案，用于监测、检测甚至消除森林火灾[3]。而且，无人机飞行在更复杂的火灾事故环境中可以更长时间进行单一而复杂的日常任务，且安全系数也最高。

截至2009年9月，中国的无人机已经进行了数千公里的现场监测和高清电视航拍摄影测试；2011年，厦门采用了无人机技术对森林实施了火灾监测和巡逻管理；2012年6月，我国救援队第一次将无人机用于山西晋中的森林消防作战；2013年以来，在内蒙古自治区大兴安岭的森林部队逐渐采用了中国自主研制的Z 五型无人直升机，以实现定速巡航导航和获取消防安全数据等资料，这是在中国林业消防安全系统中应用的首个中小型无人机。另外，国内也已经有了商用无人机火灾事故监控系统公司，他们先后研究设计了森林消防无人机系统。目前我国的紧急救灾部门，已把无人航空器逐步引入森林防火和消防系统中，以供进一步探索和使用。2014年起，黑龙江省在考核日常执法情况的同时，逐步采用无人机技术进行日常的火灾现场侦查工作。2015年，国家逐步开展了“森林火灾应急无人机智能侦察与通信无线中继系统软件”的基地建设，并成功实施了森林火灾侦察、通讯无线中继系统的灾后重建工作。目前，我国利用无人机开展的森林火灾监测反馈工作还处在发展时期，并面临着无人机配置较少、规模小、系统功能不全等一些不利条件。

2 无人机在森林防火灭火中的技术需求

针对应急救援队伍面对灾害事故现场实际情况，无人机在应急救援队伍的运用需要达到一定的技术要求。

2.1 可靠性

应急救援队伍面对的各种灾害现场，特别是火灾现场，应用环境更为复杂，需考虑风速、烟雾、温度以及防水等各种环境因素，因此，无人侦察机首先要能满足现场的恶劣坏境使用条件。一是抗风能力方面，在火场附近飞行时，由于瞬时的风力可以接近6 级，所以其抗风性也必须超过6 级；二是高温防爆能力，要具备红外线监测温度功能，重大灾害出现的时机和自然环境人类无法预知，所以应安装带有红外线摄象机功能的监视照相机，并建议安装辅助灯光；三是防水抗烟能力，因为火场上有巨大的浓烟，所以无人侦察机要具备强大的防水性和防烟能力。

2.2 操控性

以18km/h 无人机巡航平均速度计算，其可巡视范围在2km 工作半径内，续航能力要求达到单组电池平均30min 以上，航线巡查要求能够实现不间断监控，两次巡查准备间隙少于15min；另外，飞行高度方面，根据调研，灾害事故现场多数飞行高度在200m 以下，考虑到高层建筑最高高度，达到300m 飞行高度应可满足日常现场侦查需要。

2.3 稳定性

无人机的图像传输应当力求清晰、连续，因而对图像的无线收发均有较高的要求；通过无线传输易出现干扰，因而要求无人机必须有一定的抗干扰能力，从而达到在使用过程中图像能够不间断。

2.4 集成兼容性

无人机在应急救援队伍的应用中要实现很多扩展功能，必须拥有良好的集成和兼容性，因此，在满载重量方面，考虑日常训练及使用配备的机动要求，无人侦察机需能便携或车载到达现场附近，单兵进入现场机动部署，紧急情况下拓展携带器材，因此，要求整套系统携带重量不超过50kg，此外，在实现视频传输外，如果要实现其他辅助功能的集成和传输（如语音、测距、测温等），同样要求无人机拥有良好的集成和兼容性。

3 无人机在我国森林防火灭火应用中存在的问题

森林火灾具有突发性强、破坏性大、危害面积广、火势迅猛及扑救困难等特点，一旦发生森林火灾，受地形等多重因素影响，常规地面消防救援装备很难迅速抵达火灾现场，很容易错过最佳灭火时机。此外，传统的人海战救火对应急队员的人身安全也构成严重威胁。虽然无人机在森林保护与消防技术上的优越性非常明显，但在具体技术上还是有很多困难不可忽略。

3.1 技术标准不完善

一是国家还未形成对无人机设备生产的权威设计和制造规范。世界各地的无人机设备生产企业都是根据不同的标准开展生产和建造。在数据类型和通信设备的专业化、模块化技术，以及低互换度方面也各有不同。其次，目前紧急救灾系统中还未能形成基于无人机飞行作战能力的技术评价指标体系来专门处理森林大火，发展和应用也缺少数据基础。而森林大火的复杂自然环境，显然也对无人机飞行的高耐热性、适航力，以及低可探测度的特点提出了更高的需求。目前应用于消防安全等灭火日常工作中的无人机飞行种类比较少，远远还未满足“日常工作”的需要。

3.2 品种少，体系缺失

一是单个载荷无法为整个系统应用程序提供支撑点。在应急处置阶段，由于受到载荷能量和通信能力的制约，无人机所担负的日常任务载荷范围比较局限，无法满足行动需求。二是单个机型的局限性和多样化的日常任务的要求产生冲突。目前中、小型和微型无人机在灭火预警和灭火任务中的使用主要以微小型无人机为主体。小型无人机的数量非常少，因此无法在飞机的飞行高度、最大飞行速度和飞行距离上达到实际的作战机动需要。三是机制的不健全也无法为配套设备的系统使用提供全面的系统保障，而无人驾驶飞行器的系统使用应包括应急救护出动、飞行区域调度、航路的协调与指导、风险评估以及专业资质验证等一系列内容，目前在任务管理与协调方面还不成熟。

3.3 技术实力有差距

一是物理性能差。如技术条件不稳定、抗风性较差、耐久性差、载荷能力受限等问题，都严重影响了作战能力。二是自动化程度较差。当前，无人航空器生产过分注重自动控制，对真实大气环境统计参数收集管理和自行航行姿势管理等相关方面的科学研究还不够深，解决常见环境故障的能力不足，且稳定性较差。三是数据处理计算速度较慢。在无人机上获得了大量图形与数据信号之后的重要任务就是数据统计分析与信息处理。在如何系统迅速地数据处理图形，并增加分辨率，以实现立体模型等技术方面，还有待于进一步完善。

4 加强森林灭火救援中无人机运用的建议

4.1 建立有针对性的标准体系

一是紧贴现场消防需求。森林大火防控和火灾事故扑救工作中，根据不同种类的日常目标、日常工作范围和日常工作性质，进行完整和细致的需求研究报告，包括电池寿命、航空器飞行高度和监测范围等重要数据，就抗温、抗风、防水性能等指标值展开讨论，以保证满足要求，确定评价指标值并做出合理评价。二是做好总体规划。按照基础规范，遥感技术的应用导航平台系统规范，通信链路规范，现场控制台规范，遥感技术的应用日常工作设备规范，日常维修规范，遥感技术数据处理系统规范，安全运行智能管理规范，智能管理规范和遥感技术的应用无人机系统管理规范十个方面加以调整与细化，逐步形成具有广泛应用的具备森林大火紧急扑救的无人驾驶飞机系统。

4.2 创建有效实用的计算机综合系统

第一，针对森林火灾战斗特点必须装备的各种机型，在制定无人机配置系统上，要根据平时工作的性质和地域不同，在飞机的选用与配备时应统筹考虑任务区地形条件和地貌、环境危害、气象情况以及其他各种因素，并科学合理地设置固定翼、多旋翼机种以及原油动力、电动等无人机机型。第二，更加注重现场消防作战的信息需求。要针对现场实战情况与实战需要，建设具有包括光学/红外、多光谱学、雷达探测、通信无线中继、地形测量、磁探等多种智能技术并与之相对应的信息服务平台，从而满足在复杂多变情况下的侦察目标需要、分析与数据处理需要，从而提升消防实战能力和信息处理服务的质量。

4.3 建立协作机制，吸收社会力量

首先，应当打破单一部门的资源保障方式，建设具有高水平联合管理和集中调度能力的国家综合资源运用体系，并不断加强应急救援能力建设。遵循"培育、发展、规范、提高"的应急救援能力、健康有序的发展宗旨，努力形成以国家综合救援队、地方专业救援队、社会应急救援能力互为补充，力量和实力相结合，资源共享、统筹发展的紧急救助体制。其次，应当在人才队伍建设上实现自主创新。人才是发挥无人机装备效能的先决条件，应当通过厂家自主培养和专门院校规范化培养的方法、充分利用专业无人机技术训练机构，对有关人员在机器操纵、信息处理以及设备使用和日常保养等方面开展系统训练，进一步完善培养引进、流动与奖励的保障制度，尤其是在留住人才、吸引人才、专业技术培养与发展等方面建设长效机制，逐渐建立技术过硬的无人机操控人才队伍。

5 结语

目前，中国的无人机科技发展相当迅速，并有着非常广泛的使用前景。在中国森林火灾事故扑救中，无人机发挥了十分重要的作用，在极大程度上增强了中国森林火灾事故的扑救能力与防控力量。虽然中国森林资源的总产量丰富多样，但人均少、数量小，森林火灾具有山势起伏复杂、气象条件恶劣多样、起火成因多样的一系列特征且不可预知。低空飞行检测用的无人机具备操控性好、成本低、便于实际操作的优点。在森林火灾事故的检查和管理方面，无人机也起到了积极的作用。不过，由于技术推广相对较晚，而且受各种不良影响的制约，并未产生一定的市场规模和标准规范。从技术上来讲，还需要逐步完善无人机的特性，个性化操控和遥感图像的后处理技术。唯有从各方面提升应用技术水平，才能做好无人机关键技术的运用与普及。随着科技的进一步完善，无人机也会替代以往的传统灭火方式，从而对可持续发展作出贡献。