無人直升機在森林消防領(lǐng)域的應(yīng)用

徐建輝

森林消防遂行滅火任務(wù)地域大多山高、坡陡、林密，面臨挑戰(zhàn)多、難度大。無人直升機以其獨特的優(yōu)勢，可作為森林航空消防的增援力量，承擔火情偵察、通信中繼、輔助救援、日常巡護、災(zāi)后評估等多種任務(wù)，提高綜合滅火效益。

森林火災(zāi)一直是世界難題，我國每年都發(fā)生森林大火，給人民的生命財產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成重大損失。森林消防作為和平年代最危險的職業(yè)之一，受到人們廣泛的關(guān)注，如何高效地完成滅火任務(wù)，減少人員傷亡，成為森林消防的重中之重。森林航空消防，具有響應(yīng)速度快、機動能力強、救援范圍廣、救援效果好的特點，在森林火災(zāi)撲救中發(fā)揮了不可替代的作用。目前，我國裝備了一批救援用直升機，包括直-8、卡-32、AC313和米-26型直升機，有效地減少了災(zāi)害損失，但數(shù)量總體較少、覆蓋范圍有限，往往一架直升機同時承擔著林區(qū)巡護、火場偵察、兵力運送、吊桶滅火等多種任務(wù)，火情偵察與火場撲救不能同時兼顧。無人直升機具有垂直起降、低空懸停、無人員損傷、使用維護成本低等特點，在森林火災(zāi)監(jiān)測及指揮救援等方面有獨特的優(yōu)勢，能有效提高滅火效益，充分發(fā)揮森林消防空中優(yōu)勢。

無人直升機特點及優(yōu)勢

全自動、無人化

無人直升機具備一鍵自主起降、自動航線飛行能力，操作簡單，不需飛行員持續(xù)操控，可長時間執(zhí)行枯燥乏味、污染危險等惡劣飛行任務(wù)，不受人員生理條件限制，大大降低操控人員培訓(xùn)、使用門檻，使裝備大批量部署應(yīng)用提供了有利條件。在現(xiàn)有航空護林裝備體系中，無人直升機可承擔夜間作業(yè)任務(wù)，彌補一線部隊夜間作業(yè)保障、火情監(jiān)控的不足。

垂直起降、無起降場地限制

無人直升機不需要專用跑道和起降輔助設(shè)備設(shè)施，可在地形復(fù)雜、人跡罕至、高原等地區(qū)快速起降，執(zhí)行任務(wù)。實戰(zhàn)應(yīng)用中，在森林丘陵地帶，利用駐防場站、各級公路、林區(qū)直升機起降坪等，實現(xiàn)無人直升機的機動部署，快速形成全域覆蓋的保障能力。

懸停、低速飛行

無人直升機具有持續(xù)懸停、空中凝視的能力，可在指定區(qū)域持續(xù)長時間定點、低速搜索偵察，對于偏遠林火的早期發(fā)現(xiàn)、重大森林火災(zāi)現(xiàn)場的各種動態(tài)信息的實時獲取、人員搜救支援等具有明顯優(yōu)勢。

大載重、長航時

無人直升機相較多旋翼飛行器，具有明顯的載重和航時優(yōu)勢。使同時搭載光電偵察設(shè)備、通信中繼設(shè)備、支援物資、搜救設(shè)備等多種任務(wù)載荷成為可能，通過裝備的合理配置，可實現(xiàn)全天候、不間斷執(zhí)行任務(wù)，有效保障滅火作戰(zhàn)的實施。

應(yīng)用場景分析

火情偵察

目前，森林滅火作戰(zhàn)中火情信息主要依托有人機搭載空中觀察員進入火場上空記錄后上報，主要包括火場風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)向、火場形狀、周長、過火面積等，無直觀的圖像、視頻信息;其次，有人機受油量、氣象條件、火場環(huán)境等限制，不能長時間留空，觀察員無法全面、細致的掌握現(xiàn)場情況，尤其是夜間，更加難以保證有人機出勤率，造成火情信息獲取不足，影響前方指揮決策。

無人直升機通過搭載可見光、紅外偵察等設(shè)備，可晝夜實施火場偵察任務(wù)，規(guī)避人員傷亡的同時實時回傳火場畫面和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，第一時間生成火場地理坐標、過火面積、火場蔓延趨勢等火場態(tài)勢信息，便于各級指揮部及時掌握動態(tài)災(zāi)害情況，從而作出快速、準確的決策，指揮有人機和地面撲火力量的空地配合，綜合提高撲火效益。

通信中繼

森林消防任務(wù)地域環(huán)境惡劣，公網(wǎng)通信資源極其匱乏，火場指揮通信主要以臨時組網(wǎng)方式實施應(yīng)急通信。目前，一線部隊依托超短波、北斗、衛(wèi)星電話、短波等手段，與前方指揮所組成火場內(nèi)部通信網(wǎng)，主要以語音通信為主。受自然環(huán)境和裝備限制，語音通信無法全地域覆蓋，部分地區(qū)存有通信盲區(qū)，“聯(lián)不上、聽不清、看不見”的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成火情偵察和信息傳遞不及時，影響了各級指揮員決策。

依托無人直升機搭載寬帶自組網(wǎng)、超短波語音中繼等通信設(shè)備，作為空中信息節(jié)點，在大區(qū)域范圍、復(fù)雜地形、惡劣自然環(huán)境條件下有效拓展任務(wù)部隊的通信距離，大幅度減少通信盲區(qū)，確保一線作戰(zhàn)部隊與前方指揮所的音視頻互通，打通自下而上的指揮通信鏈路。

輔助救援

無人直升機通過靈活配置關(guān)鍵器材裝備，能夠為多種情況下救援提供幫助。一是攜帶雷達、生命探測儀、GPS定位等搜救設(shè)備，在道路阻斷、能見度差等惡劣條件下，執(zhí)行大范圍失蹤人員搜索、救援目標確認等;二是搭載投送裝置，精準拋投救生繩、呼吸罩、急救藥品等支援物資，幫助被困人員進行自救或快速逃離現(xiàn)場;三是配備照明設(shè)備，在夜間為地面人員作業(yè)提供照明保障、位置引導(dǎo)。

日常巡護

森林火災(zāi)因地理位置分散偏僻，發(fā)生之初通常很難發(fā)現(xiàn)，若能及時監(jiān)測到林火的發(fā)生，將火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)，搶占滅火先機，就能大大降低損失，因此，森林日常巡護意義重大。無人直升機通過攜帶可見光、紅外偵察設(shè)備，可進行大范圍的日常巡護任務(wù)，取代原本有人直升機或幾組地面人員的工作，降低使用成本。

災(zāi)后評估

火災(zāi)撲滅后，利用無人直升機集成航攝儀、激光雷達、多光譜相機等，可對災(zāi)害區(qū)域進行空中高精度航測，為災(zāi)后評估提供實時準確的信息，及時發(fā)現(xiàn)存在暗火，有效防止火災(zāi)復(fù)燃，提高應(yīng)急救援效率。

關(guān)鍵技術(shù)

自主控制技術(shù)

無人直升機系統(tǒng)主要依靠系統(tǒng)自身的感知、處理和運行能力實現(xiàn)自主控制，主要包括自適應(yīng)高帶寬控制、自適應(yīng)狀態(tài)反饋控制、偽控制Hedging自適應(yīng)控制、輸出反饋自適應(yīng)控制及智能控制技術(shù)等。其中，智能控制技術(shù)通過智能化手段完成森林消防作業(yè)中的信息融合、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)計劃和任務(wù)控制等，能夠大幅度降低人機交互負荷和作戰(zhàn)保障需求，提高無人直升機系統(tǒng)對復(fù)雜森林環(huán)境的主動適應(yīng)能力，是旋翼無人機飛行控制技術(shù)發(fā)展的重要方向。

復(fù)雜條件高適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)

森林滅火地處山岳、高原、雨林等復(fù)雜地形，根據(jù)既定任務(wù)，結(jié)合環(huán)境限制與飛行約束條件，快速生成最優(yōu)參考路徑，為滅火指揮作戰(zhàn)及救援爭取時間尤為關(guān)鍵。其次，根據(jù)飛行過程中遇到的突發(fā)情況，如地形、氣象變化、未知限飛因素等，局部動態(tài)地調(diào)整飛行路徑或指點飛行、指點盤旋等動作任務(wù)，保證飛行安全。針對著火林場上空的紊亂氣流，需要考慮如何增強無人直升機在突變氣流下的抗風(fēng)擾動控制，重點研究內(nèi)環(huán)控制律以及從風(fēng)的高/中/低頻特性角度開展控制器設(shè)計。

多機協(xié)同測控技術(shù)

森林防護方面，為減小森林大面積偵察搜索和滅火時間、實時偵測火勢信息、減小山體通信遮擋影響、降低運營成本，可采用一站多機、多機協(xié)同作戰(zhàn)模式，其中涉及到協(xié)同搜索、協(xié)同定位、有人/無人協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，其需要多機保持一定的位置關(guān)系，并且需要一定的時間約束，如每架機到達防護區(qū)域的時間控制等。這些應(yīng)用需要在地面控制站或有人機載控制站進行精確和快速的任務(wù)規(guī)劃，并進行沖突檢測和任務(wù)推演，實現(xiàn)有人/無人協(xié)同控制，多機任務(wù)規(guī)劃是一個多約束多目標優(yōu)化問題，求解問題模型的建立和算法關(guān)系到問題的快速和優(yōu)化解決，是多機應(yīng)用的關(guān)鍵。結(jié)語

無人直升機在森林消防應(yīng)用優(yōu)勢明顯，可作為航空消防力量的有力補充，彌補現(xiàn)森林航空裝備數(shù)量少、機種單一等不足。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)與5G通信等先進技術(shù)在無人直升機上的應(yīng)用，國家應(yīng)急救援體系的完善，無人直升機在林業(yè)火災(zāi)的監(jiān)測、撲救、災(zāi)后評估等領(lǐng)域的重要性將愈加凸顯，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。