多无人直升机协同开展森林消防作业探究

张云川

森林火灾往往发生在地势崎岖的林区，具有蔓延迅速、突发性强、破坏力大等特点。火场地形复杂、坡陡林密、交通不便、通信不畅，给灭火工作带来极大的困难，火灾规模和形状不断变化，有的火场面积大、烟雾浓、甚至存在有毒有害气体。森林火灾对生态环境造成了严重破坏，甚至威胁着人类生命和财产安全。我国幅员辽阔，森林资源和植物种类极为丰富，也是森林火灾多发国家。森林火灾有效防治与处置一直是难题。

过去，火情蔓延信息极其匮乏，尤其是发生在植被茂密的多山地区、多烟低能见度等一系列极端环境中的森林火灾信息。森林消防部门难以持续获得火场位置、火势强度、火场地形特征和其他火场态势信息，不仅严重影响灭火和应急救援工作，也许会导致人员伤亡。

无人直升机机动灵活，能够在人员、车辆难以到达的区域作业，是一种可实时收集火场信息的空中平台，并且可以充当通信中继平台，为防火、灭火作业提供有力的支援，推进自动化、信息化森林消防建设，提升森林消防队伍的战斗力。

无人直升机系统的优势

目前，国内外大部分消防部门使用有人机在广阔的森林上空收集信息。一旦森林发生火灾，这种方法具有人员工作强度大、探测效率低、夜间作业难等缺点。而夜间是开展森林灭火的最佳时间段，夜间无太阳辐射，气温相对变低，天气条件相对稳定。但是，出于安全方面的考虑，有人机在夜间、烟雾、复杂地形等条件下的空中作业会终止。与有人机相比，无人机具续航时间长、全天时持续作业的优势。

无人机配备组合导航系统，可以在地理坐标系中定位自身的位置，实现所探测到的火场与地理坐标相关联，为消防部队提供火场指示。与固定翼无人机相比，无人直升机具有垂直起降、对起降场地要求低等明显优势，更适合在森林茂密的山区开展作业。同时，无人直升机能够在给定目标周围悬停或低速飞行，在执行森林消防任务时，快速获取详细的火场信息或充当空中通信中继平台。

多无人直升机协同执行森林消防任务的优势

森林火灾是一个高度复杂且无固定结构的灾害。为更有效地开展灭火作业，消防部门需要不同位置的多种信息，以及需要准确预测火势蔓延趋势，所以多架无人直升机应协同作业。为了完成森林消防任务，多架无人直升机应组成编队，协同执行消防任务，而不是每架无人直升机“单打独斗”。多无人直升机协同执行森林消防任务具有六方面优势。

首先，单架无人直升机的作业能力不足，多架無人直升机组成编队可增强消防任务所需的作业能力。

第二，森林火灾巡查需要覆盖大范围区域。在森林防火例行巡查期间，多架无人直升机分区域巡查，可缩短大范围区域巡查所需的时间。

第三，在探测火场时，多架无人直升机同时获取多方位场景数据，地面控制站融合所有无人直升机获取的数据，可减少不确定性因素，降低预警误报率，实现更有效的火场态势评估。

第四，在监测火场时，多架无人直升机在大面积火场中的不同地点同步开展工作。地面控制站在卫星影像图中标注所有无人直升机获取的影像，形成完整的火场态势图。消防指挥员借助火场态势图，准确、直观地掌握火灾现场情况、火灾蔓延趋势，以便及时制定灭火策略。

第五，多架无人直升机组成编队，执行通信中继任务，可破解无人直升机因山体等遮挡无法进行视距通信的难题，扩大无人直升机的作业范围。

第六，无人直升机编队在火场的不同位置测量气象数据，获取火灾现场的详细气象信息，辅助消防部门进行科学有效的指挥和决策。

组网数据链

无人直升机常规视距数据链在多山、丘陵地区等环境中传输数据，通信信号通常被遮挡，从而影响无人直升机控制和作业范围。多架无人直升机利用组网数据链技术，摆脱了传统数据链点对点通信的制约，构建无中心、自组织通信网络。通信中继节点为任务节点提供通信中继服务，解决无人直升机数据链因山体遮挡而无法传输数据的问题，有效提高无人直升机在作业区域的通信稳定性。

用于森林消防的任务载荷

光电/红外吊舱

在执行森林消防任务时，无人直升机系统主要使用光电/红外吊舱获取火场态势信息，可见光摄像机和红外热成像仪发挥了互补作用。

可见光摄像机在没有烟雾遮挡的白天拍摄火场，消防人员可以在可见光影像中观察火焰，获得火情基础测量数据和火焰测量数据。

红外热成像仪适用于夜间作业，而且不受烟雾遮挡的影响，执行火场探测任务具有明显的优势，能够迅速找到发热源的位置，即使在火焰可能被烟雾遮挡的场景，也能发挥作用。

机载通信中继设备

实际作业场景通常山高林密，通信网络难以覆盖，限制了一线消防人员、设备与前方指挥中心进行无线通信，大范围火灾现场的通信无法得到保障。无人直升机携带超短波通信中继、宽带自组网等机载通信中继设备，为前方指挥中心与一线消防人员搭建信息传输的平台，建立无线通信指挥系统，一线消防人员进而能共享前方指挥中心的命令和调度方案。另外，无人直升机不间断回传火场态势、消防人员位置等信息，协助前方挥中心快速在关键区域部署消防人员，及时通知消防人员撤离危险区域，并为消防人员提供最佳疏散路线。空中与地面力量实现了协同作战。

气象传感器

空中气象数据测量能够补充地面气象数据库的信息，为火情蔓延趋势预测提供支持。但是，消防装备需要在火灾上方的特定空域测量气象数据，会遇到火灾引起的风切变和不稳定的上升下降气流。为保障作业人员的安全，有人机可能无法在特定高度作业。而多无人直升机挂载气象传感器，可在火灾周围的特定高度协同收集气象数据。

消防救援物资

无人直升机具有挂装消防救援物资的能力，在执行应急救援任务时，可将呼吸面具、防烟罩、食品、水、药品等补给物资投送到指定区域，协助一线消防人员开展救援和灭火工作。

任务剖面

多无人直升机协同开展森林消防作业，包括日常巡查、火场探测、火灾监测、灭火、通信中继、辅助救援、灾后评估等多种任务。

多无人直升机协同探测火场

火场探测主要包括灾前火情巡查和灾后余火探测。在火灾发生前，无人直升机主要执行火灾预防任务。火情巡查是指无人直升机在森林火灾例行巡查中，探测潜在火点、疑似热点，预防火灾发生，从而避免火灾烧毁大面积植被。当火灾被扑灭之后，消防部门需要开展灾后损失评估、余火探测等工作。无人直升机携带红外热成像仪，能够准确识别隐藏的热源、余火隐患，防止火灾再次发生。

多架无人直升机组成编队，在给定区域内的不同小区域协同执行火场探测、识别和定位任务。一旦探测到火源，无人直升机将火源及其地理坐标信息传回地面控制站。地面控制站利用信息融合技术，处理无人直升机提供的信息，以确认火灾警情，并尽可能降低误报率，提高火场的定位精度。在确认火灾警情后，地面控制站将火场位置信息标注在地理信息系统（GIS）上，并通过通信系统将火场信息传输到当地消防部门。无人直升机获取的详细信息可为当地消防部门的指挥决策提供支撑，以便消防部门及时向目标区域部署消防力量，提高灭火效率。

多无人直升机协同监测火灾

在火灾发生后，无人直升机主要开展森林火灾监视测量作业，这是最關键的任务。一旦火灾被确认，消防部门需要实时掌握火场态势信息和消防人员的位置信息，从而高效统筹全局，快速而科学地指挥灭火行动。如果消防部门缺乏火场态势信息，森林消防灭火工作易引发事故。

消防部门立即出动无人直升机编队，测量过火区域的火线形状、位置、火情蔓延方向、火焰的最大高度等火场态势数据，实时获取火灾动态信息。多架无人直升机在不同区域、不同高度、不同角度协同拍摄火灾现场、一线消防人员所处的位置，将采集的信息实时回传地面控制站。

地面控制站处理每架无人直升机回传的监视数据，提取与火线发展有关的特征，应用多源信息融合技术，将不同无人直升机收集的所有信息进行统一处理，生成火线综合态势图、消防人员实时位置图、行动路线图，从而实现整体火情发展趋势预判。地面控制站在地理信息系统（GIS）上标注火场态势、人员实时位置等信息，并将处理后的信息发送至前方指挥中心。

无人直升机采集的火场态势、消防人员行动轨迹以及目标任务方向等信息为前方指挥中心全局统筹、研判火情等工作提供了支持。前方指挥中心及时、准确、全面掌握灭火进展、灭火效果以及消防人员部署，开展消防规划，确定灭火最佳位置。根据消防规划，地面控制站的工作人员相应调整重点区域的详细监视航线。前方指挥中心通过无人直升机搭建的无线通信指挥系统，指挥一线消防人员有序开展灭火工作，实现高效、安全、科学的灭火指挥行动。

结论

森林火灾将对社会、经济和环境产生严重的影响，每年都会造成人员伤亡，消防灭火是一项危险任务。无人直升机是一种潜力大、功能强的森林消防工具，可搭载不同任务载荷执行火情巡查、火灾监测、灾后评估、通信中继等消防任务。消防部门充分利用无人直升机的优势和无人直升机收集的信息，实现了消防部队的合理调度、有效的灭火作战指挥，减少了消防队员的出动数量。