消防无人机在森林防灭火中的应用研究∗

2022-03-28张文兵

森林防火 2022年1期

张文兵

（福建省森林消防总队训练大队，福建福州 650224）

无人机可搭载红外灾害评估系统，对森林大火进行巡航和数据分析，找出主要火灾点，为地面灭火人员提供及时的探测信息[1-2]。随着技术的不断发展，消防无人机在森林防灭火领域中的应用日益广泛，以费效比高、机动性强、作业面广、反馈速快等传统手段无法替代的优势，在森林防灭火工作中发挥了预警“千里眼”、扑救“急先锋”、机动“保障兵”的作用[3-8]。因此，深入探究消防无人机在森林防灭火中的应用意义重大[9-13]。

1 研究方法

以文献研究法为基础，广泛听取森林消防一线战斗单位在使用无人机灭火时的意见建议，结合消防无人机挂载水剂、保障物资、装备器材等飞行试验、消防无人机森林灭火实战应用案例，并与无人机厂家沟通，取得战术飞行相关参数进行验证分析，通过归纳总结和对比分析的方法，为消防无人机在森林防灭火中的潜能发掘提供可行性建议。

2 研究结果

2.1 消防无人机系统的机构和功能

中国民航局飞行标准司规定，无人机系统（UAS：Unmanned Aircraft System）也称远程驾驶航空器系统，是指由控制站管理的航空器，主要由无人机平台、相关控制站、所需的指令与控制数据链路以及批准型号设计规定的任何其他部件组成，消防无人机系统应在此基础上增加地面保障设备和任务载荷等部件，以实现相关功能。

2.1.1 八种任务载荷方式

八种任务载荷方式如图1所示。。

图1 八种任务载荷方式Fig.1 Eight kinds of task load mode

1）可见光成像载荷。即光学成像设备，利用太阳照射地物反射的可见光来成像，是目前种类最丰富、应用最广泛、技术最成熟的无人机成像设备，因成像直观性强，常用于火情侦查和地形勘察等场景。

2）红外成像载荷。通过红外探测器，将物体各部位不同强度的红外辐射信号转换成电信号，经系统处理，得到与物体表面热空间分布相对应的热像图传至显示屏，即红外热图像，常用于火场温度监测和人员搜救等工作。

3）激光雷达。以激光为测量介质，不依赖自然光，不受航高、阴影遮挡等限制，通过即时测距成像，快速获得地面物体的三维坐标，将现场的空间信息转化为简明图像，直观展示和还原现场的情况，常用于描绘火场态势，精准分析火情变化。

4）合成孔径雷达（SAR）。利用雷达与目标的相对运动，把尺寸较小的真实天线孔径，用数据处理的方法合成较大的等效天线孔径，可在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像。其特点是能全天候工作，分辨率高，具有穿云透雾能力，能有效地识别伪装和穿透掩盖物，常用于雾天或夜间森林火灾侦检等场景。

5）通信中继模块。搭载在无人机平台上的集群基站、宽窄带自组网、4G或5G基站，为地面通信设备提供空中信号中继，可有效扩大信号覆盖的范围，消除信号盲区、提高通信系统可靠性，常用于森林火灾现场、前指间通信作业，解决“最后一公里”的通信难题。

6）环境监测模块。能检测任务区域的气象因子，如风力、风向、温度、湿度等，也能对森林火灾可能蔓延方向上的核工作区、化工区、储油罐区等重要目标物，实施全时辐射及危害物检测，辅助灭火行动战术决策，为参战力量及时预警。

7）照明喊话模块。搭载照明射灯和大功率扬声器，通过窄带通信链路控制，可为队伍夜间行进提供照明支持；喊话器声音亮、传输远，常用于防火宣传、危险火情提示等场景。

8）物资挂载模块。无人机可通过定制挂载系统和开关控制，实现高空灭火、远程投掷灭火、物资投送等功能。

2.1.2 使用优势

1）行动反应迅速。消防无人机多为多旋翼或复合翼型，具有垂直起降、高空定点巡航等技术特点，可避开交通堵塞、陡坡沟谷、地物阻碍等情况，在空中直线到达任务区域，快速展开侦查或灭火工作。在2020年4月，四川冕宁森林火灾现场，地面分队从集结点出发、翻山越岭，用时10 h才到达直线距离5 km外的火场，而使用无人机仅需10 min即可到达火场上方开展作业。

2）装备使用便携。无人机携带方便，拥有多种操作模式，相对于大型飞机或直升机而言，非常简单，操作人员可使用遥控器或地面站来操控无人机的运动，能灵活改变飞行航线，只需通过远距离的音视频传输，就能实时掌握当前情况，以便全方位进行远程监测。

3）侦测分辨率高。无人机侦测与人工地面侦测和卫星遥感侦测相比，优势明显。人工侦测，受地形地物的影响大，存在视觉盲区，观察范围有限；卫星遥感侦测，高度高，分辨率低。而无人机挂载可见光、红外热像仪等设备，可以从空中全面的或独特的视角精准侦测，抵近侦测。获取森林火灾坐标的传统方法如瞭望塔监测、飞机观察员标定等，基本上都是概略坐标。在经线上，纬度相差1'，实际距离相差1.85 km，在纬线上，经度相差1 min，实际距离相差1.85×cosθ（km）（θ表示该纬线的纬度）。无人机能实现由概略定位向精确定位的跨越式转变，为指挥员指挥决策提供强有力的支撑。

4）环境适应性强。与载人机相比，根据不同需要，消防无人机能搭载多种任务载荷，在高危险环境中代替有人机完成作业。无人机对起降场地要求不高，在复杂多变的森林火灾现场，可快速起降，受浓烟、高温、大风等因素影响较低，既能采集有效、真实的火场数据，更能保证消防员的人身安全。

5）使用成本较低。一是制造成本较低，由于不需要考虑飞行员生命支持系统，无人机制造成本与有人机相比较低。目前，轻小型无人机价格大约在千元到十万元范围，大载重无人机价格大约为100～600万元。二是运行成本较低，无需庞大的机务维护人员和设备提供保障，容易普及配备，飞行电耗或油耗成本低廉，可伴随灭火行动长时间作业。三是维护成本较低，使用新型的轻质高强度材料，不易损坏，且配件更换比较容易，使用寿命较长。

2.2 森林防灭火应用的变化与革新

2.2.1 引领森林防火思路

传统森林防火勤务[《森林消防队伍教育训练大纲》（2018.12）]的基本样式包括5类：宣传、巡护、清山、设卡检查和计划烧除，均是以人海战术并辅以越野车、骡马等运输工具的方式来覆盖勤务区域，效率低、死角大。

传统的宣传以发放传单、悬挂（张贴）标语、举办防火讲座、组织群众教育等形式开展，在人流中，只能引起部分群众注意。无人机搭载高音喇叭，声音传递范围在600 m左右，若是配合稳定云台，可实现360°的广播方向，通过语音交互设备，对声音覆盖范围内的群众进行实时宣讲；搭载宣传条幅、LED显示屏等可视化载体，借助灵活的机动能力，通过设定路线或重点地段飞行，将宣传工作变得简单高效。

传统的巡护是森林消防员、护林员，采取地面巡护、直升机空中巡护、水上巡护的方式，监控和管理野外火源的行动。其中地面巡护，体力消耗大、机动速度慢、可视区域小；直升机空中巡护，成本贵、飞行较高、空域受限，且很难发现隐蔽在密林中的用火点；水上巡护的局限性较大。无人机可远距离在林地上空抵近飞行，几乎不受空间限制，通过搭载红外成像仪，很快就能锁定林内存在的火点，若有人用火，可通过喊话设备进行驱散，利用可见光成像进行实时监控，对隐患烟点，及时投放灭火剂（弹）消灭，确保防控效果。

传统的“清山”、设卡检查勤务，都是清查非法入山人员、车辆，对火种、有无野生动植物盗猎或砍伐等情况进行检查，动用人员多，勤务死角大，有的非法人员故意抄小路避开，甚至出现车辆闯卡的问题。无人机的喊话设备可对非法入林人员发起心理攻势，迫使其停止非法行为；通过红外、可见光追踪，堵截非法人员和车辆；对闯卡车辆，无人机可在前方抛洒阻车钉，配合人员进行堵截。

传统的计划烧除主要采取人为点烧的方式，清理、烧除林内采伐剩余物及其他可燃物，以减少可燃物载量，进行时容易烧掉无关植被、浪费森林资源，控制不好还会出现“跑火”情况。无人机搭载雷达，可对区域内可燃物载量进行侦测，利用APP数据分析功能，形成可视化的可燃物载量分布图，同时标定因河流、道路、农田、雪地等地形产生的“点烧窗口”，通过集群作业可短时间、大面积精准投放燃烧弹，同时利用灭火剂，对“跑火”位置进行快速控制，全面提高计划烧除的效能。

2.2.2 更新森林灭火战术

近几年无人机灭火实验和灭火实战，验证了无人机扑打森林火灾的可行性，催生出新的灭火战术。

1）快速抵进、打击险点。无人机灭火更多不是靠量取胜，而是通过低空抵进、悬停瞄准，对悬崖、陡坡、深谷等人员一时无法到达，直升机无法靠近的火点进行的点穴式的精准打击，通过挂载水带管线或喷射掺有高分子凝胶的高效灭火剂（弹），更好地附着渗透灭火，即使没打到火点上，覆盖在周边林木上也能起到阻隔作用（附着阻燃时间8～10 h），实现打早、打小、打了的目的[14-16]。

2）精准遥控、远程出击。翼龙Ⅱ无人机在实际飞行任务中可跨省从贵州安顺机场飞奔至四川木里森林，进行宽带自组网通信、超短波中继通信、公网移动通信保障能力、EO和CCD航测相机（7 000 m穿云透雾）、SAR侦查测试，历时17.25 h，顺利返回安顺机场。这一操作验证了无人机能突破局域限制、昼夜限制，在峡谷陡坡、高山密林等复杂环境条件下，远程出击的真实性，使森林灭火战术超时空运用成为可能[17-19]。

3）集群合力、车轮强攻。目前已实现3 机超视距集群控制技术，测试的简便经济袋装水弹在打击火线、火点时，命中率为90%。单次投掷150 kg的水弹，有效覆盖面积大于8 m2，有效切断火线；50 kg级的高效水剂灭火弹，在距地15 m处起爆，有效覆盖面积大于28 m2，利用无人机集群快速轮番打击，减少投弹间隔，增加投弹的覆盖密度，能对地下火短时间内实施饱和覆盖，甚至能高效阻隔中高强度树冠火[20-22]。

4）扫描清理、彻底歼灭。通过快速机动、信息收集和回传，无人机能在短时间内大面积扫描火烧迹地，辅助指挥员准确识别复燃隐患，在重点区域部署兵力，实施火场清理和看守，大大降低林火复燃概率，彻底实现火场“三无”。另外，通过反复比测，结合当前灭火装备的实际水平，采取“纵列式双旋翼大载重无人机+高效水基灭火弹+协同集群作业”的无人机灭火路线较好[23-24]。

2.2.3 提升战勤保障效率

1）物资保障方面。当前森林灭火实战中，装备和物资基本都靠人力携行或运送，安全隐患较高，保障数量有限，体能消耗巨大，若电池、油料、给养、水剂补充不及时，消防人员将面临极大风险。目前，无人机的载重能力和续航时间已实现了较大提升，采用涡轮轴发动机的纵列式双旋翼无人机，在海拔4 223 m处，最大起飞重量为415 kg，有效任务载重100 kg，航时约1.5 h，在控制上也实现了一站3 机集群控制和中继跨山控制，可远距离投放装备物资，节约灭火人力，更好更快地实现灭火。

2）通信保障方面。通过固定中继和移动中继相结合的方法，根据队伍位置，灵活改变信号覆盖区域，构建空天地一体的通信网络，为指挥部与分队、分队与分队之间提供不间断的联通支持。

3）其他保障方面。无人机还可为灭火队员夜间机动提供伴随照明，还可实时监测火场区域小气候变化、火情动态变化，通过高音喊话，及时为灭火队员进行安全避险提示等。

图2 挂载4台艾可pb8010 风力灭火机的无人机Fig.2 UAV with 4 ECHO pb8010 wind extinguishers

2.3 无人机未来灭火的应用及分析

装备革新意味着战术革新，装备发展决定着应用发展，随着消防无人机装备的不断发展，其在森林灭火中的应用也将迎来大的发展[25-28]。

1）系统运行网络化。随着消防无人机配备和应用的普及，需要综合运用5G网络等先进技术，对其运行进行网络化的管理，通过可横向扩展的多服务器，将消防无人机和任务载荷的数据通过多种通信链路接入云服务系统，实现无人机远程的自主飞行与实时控制，实现多机多航线的任务规划和调度、多种无人机的网络化部署，提供飞行任务审批、禁飞区实时更新、飞行状态监控，飞行器远程操作、飞行历史查询、动态数据分析、飞控程序升级、飞行器寿命预警等服务，对无人机进行数字化管理，提供及时准确的空域及飞机状态信息，及时提醒分队对飞机进行维护保养，减少飞行事故的发生。

2）态势感知实时化。无人机影像处理的传统方法，是将相机拍摄的影像通过USB接口，传输到PC端，在PC端对影像进行处理，时效性无法满足高效灭火的需要。而通过无人机影像实时处理技术，可以实现灾情态势感知的实时化，形成实时视频融合与显示、实时可见光正射拼接、实时红外正射拼接图、三维火场图快速重建，实现现场综合态势展示、火情检测分析、灭火队伍位置标绘等，对科学制定灭火方案和指挥调度提供有力支撑。

3）实战运用主战化。目前无人机主要配给应急通信保障人员，进行火场侦测，是一种灭火的辅助手段，发挥的作用有限。随着无人机航时和载重能力的提升，通过任务载荷和战术运用，其直接灭火效果越来越凸显，可代替消防员完成危险环境下的灭火任务，发挥出主战装备的作用。

4）空地协同一体化。要在未来的灭火行动中发挥更大的作用，一定要实现无人机与有人机的协同、空中与地面的协同、前方与后方的协同。通过构建空地一体化通信网络，明确任务空域运行的规则和协调机制，建立空地影像信息共享保障和调度机制，实现无人机与有人机的位置共享、航路共享等功能，实现空中力量调度的一体化，并根据任务需要，统一协调空域和地面资源实施灭火行动，提高灭火效率。