加州野火災害系統性消除方案（二）

本文介紹消防無人機類型，并對消防無人機的應用范圍及特點進行詳細分析。

消防無人機類型

小型消防旋翼無人機

根據旋翼系統結構形式，小型消防旋翼無人機分為無人直升機和多旋翼無人機兩種，其中多旋翼無人機具有4個或數量更多的旋翼如6、8、16、32……個旋翼，采用無刷直流電機作為動力裝置。

消防電動多旋翼無人機大多數是小型無人機，任務載荷重量約為25～30kg，續航時間30min，航程20kg，使用半徑10kg，具有結構簡單、輕便靈活、操控容易、攜帶方便、成本低廉等多重優勢，消防使用過程中反應迅速，滅火效率高，并且消防員只要經過比較簡單的培訓就能掌握其使用、操控方法。

眾所周知，消除加州野火災害的最有效方法是，在萌芽狀態將它掐死，即早發現、早撲滅及防止死灰復燃，防止其“星火燎原”。小型消防多旋翼無人機最適合在初發階段將野火撲滅，即最適合用來貫徹執行“打早、打小、打了”的野火撲滅原則。

通常，野火災害的發生有一個過程，即先有煙，后有火，再逐步發展，從圖1可見遠處森林和草地上裊裊升起的一縷青煙。

在野火萌芽狀態進行撲滅是最佳時機，消防員即刻操控無人機消防車上的4架小型消防多旋翼無人機垂直起飛，直接飛到起火點上空，從空中對起火點進行視頻拍攝，及時將起火點現場視頻實時回傳到上級無人機消防中心站及無人機消防管理指揮中心，并采用無人機集群戰術，多機同時對起火點進行圍攻，噴射滅火干粉見圖2或發射滅火彈見圖3，爭分奪秒將野火消滅在初發階段，達到即時、有效撲滅野火的目的。

中型消防旋翼無人機

小型消防多旋翼無人機結構特點是具有多個旋翼，采用旋翼旋轉變速或槳葉變總距（無周期變距）的方式改變旋翼升力大小，結構簡單，缺點是受電動和小槳葉的限制，難以大幅度提高載重能力、續航時間和使用半徑。

中型消防旋翼無人機動力裝置大多采用航空燃油發動機如渦輪增壓發動機，以及單旋翼帶尾槳式，雙旋翼共軸式，復合式等無人直升機構型，載重量為150～500kg，續航時間超過5h，航程超過300kg，實用升限超過6000m，使用半徑達到150km以上，具有全自主飛行、無人機集群飛行及無人機/有人機協同飛行能力，可采用一輛小型廂式貨車即無人機消防車運輸。單旋翼帶尾槳式消防無人直升機見圖4，雙旋翼共軸式消防無人直升機如圖5所示，復合式消防無人直升機如圖6所示。

圖1 無人機消防站發現遠處可疑煙霧。

圖2 小型消防多旋翼無人機對起火點噴射滅火干粉。

在無人機集群撲滅野火的戰斗中，中型消防旋翼無人機除使用自身攜帶的滅火干粉直接參與撲滅野火外，還承擔空中指揮的任務，包括從空中將火場視頻實時傳送到地面森林消防指揮部如無人機消防管理指揮中心和無人機消防中心站，并接受地面森林消防指揮部的指揮調度。與此同時，在森林航空消防一級和二級任務響應中負責現場指揮無人機集群滅火，在森林航空消防三級任務響應中負責實時提供火災現場視頻給消防有人機，輔助指揮消防無人機/有人機協同滅火。

中小型消防旋翼無人機消防車

中小型消防旋翼無人機體積小、重量輕，運輸攜帶方便，通常采用無人機消防車運輸。無人機消防車安裝有星鏈網絡系統接收天線，并在其周圍空間構成一個移動式星鏈網絡系統，供大、中、小型星鏈網聯消防無人機使用。

圖3 小型消防多旋翼無人機對起火點發射滅火彈精準滅火。

圖4 單旋翼帶尾槳式消防無人直升機。

圖5 雙旋翼共軸式消防無人直升機。

圖6 復合式消防無人直升機。

圖7 A 型無人機消防車外觀圖。

中小型旋翼無人機消防車有多種型號，根據消防車尺寸大小和載重量的不同，分為A、B、C三種型號，其中可裝載1架無人機的無人機消防車稱為A型，裝載2架的稱為B型，裝載4架的稱為C型。

（1）A型無人機消防車

A型無人機消防車外形尺寸7000mm×2000mm×2700mm，駕乘人數5人，最大行駛速度95km/h；車上安裝有星鏈網絡系統接收天線，配備車載電平外接充電裝置，3kWUPS電源管理系統，3kW柴油發電機；全車自動操控無人機機艙及自動滑出式無人機起降平臺，支持1架任務載荷重量為150kg的中型消防無人機運輸、起飛和降落；隨車攜帶備份的航空燃油，負責為消防無人機補充油料，1套智能充電系統，以及4枚物資救援彈和4罐滅火劑例如水劑/粉劑等消防物質。A型無人機消防車外觀如圖7所示，A型無人機消防車結構如圖8所示。

（2）B型無人機消防車

B型無人機消防車外形尺寸9000mm×2500mm×3800mm，駕乘人數6人，最大行駛速度100km/h；車上安裝有星鏈網絡系統接收天線，配備車載電平外接充電裝置，10kWUPS電源管理系統，20kg取力式發電機；全車自動操控卷簾門及自動滑出無人機起降平臺，支持2架任務載荷重量為30kg的小型消防多旋翼無人機運輸、起飛和降落；隨車攜帶1套智能充電系統，4枚物資救援彈，4罐滅火劑例如水劑/粉劑等消防物質，B型無人機消防車結構如圖9所示。

（3）C型無人機消防車

C型無人機消防車外形尺寸10500mm×2500mm×3800mm，駕乘人數6人，最大行駛速度100km/h；車上安裝有星鏈網絡系統接收天線，配備車載電平外接充電裝置，20kWUPS電源管理系統，支持30min備用電池供電，20kg取力式發電機；全車自動操控卷簾門及自動滑出無人機起降平臺，支持4架小型消防多旋翼無人機的運輸、起飛和降落，每架無人機任務載荷重量30kg；隨車攜帶1套智能充電系統，4枚物資救援彈，4罐滅火劑例如水劑/粉劑等消防物質，C型無人機消防車結構如圖10所示。

平時如果沒有消防滅火任務或在運輸路途中，消防無人機起降平臺縮進消防車中，消防車起到保護無人機的作用。當需要出動消防無人機時，起降平臺會搭載消防無人機向消防車兩邊伸展開，從而讓消防無人機有足夠大的空間進行垂直起飛或降落見圖10。

圖8 A 型無人機消防車結構圖。

圖9 B型無人機消防車結構圖。

大型消防旋翼無人機

一般情況下，多架中、小型消防旋翼無人機采用集群戰術，完全可以在初發階段將野火消滅。但是為預防萬一，位于南加州和北加州的兩個無人機消防管理指揮中心各自還配備有兩架大型消防旋翼無人機，以彌補中小型旋翼無人機承載重量小的缺點。

大型消防旋翼無人機具備沿森林或草地大面積區域設定航線巡查的能力，可實現區域固定航線巡查、監視與撲滅較大規模野火等功能，一次飛行攜帶的水或滅火劑可以撲滅較大火場或較長火線。

大型消防旋翼無人機是預防和撲滅野火的重要手段之一，在保護森林資源、維護生態平衡中發揮著重要作用。除承擔直接撲滅野火的消防任務外，大型消防旋翼無人機還可以完成空中巡邏、監視、空中指揮、灑水或灑化學滅火劑滅火、機降索降滅火、吊桶水滅火、傘降滅火、人工降雨、空中點燒防火隔離帶、空中宣傳防火、火場急救、運送消防物資以及火場服務等消防任務。

大型消防旋翼無人機的典型代表SARA無人直升機，由西科斯基公司S-76商用直升機改裝而成。該機具有飛行速度快，航程遠和高可靠性的特點。旋翼系統包括4片槳葉的旋翼和4片復合材料槳葉的尾漿，動力裝置為兩臺650軸馬力的“艾利遜”250-C303渦軸發動機，空機重量2540kg，最大起飛重量4670kg，其中吊桶裝水約2t，最大巡航速度269km/h，航程748kg，如圖12所示。

圖10 C型無人機消防車結構圖。

圖11 小型多旋翼無人機從消防車上垂直起飛或降落。

圖12 SARA 無人直升機。

消防無人機應用范圍

在消除加州野火災害應用中，以消防無人機為核心構建的消防網絡系統見圖13具有快速反應的優勢，除用于直接撲滅野火外，還可以自動規劃森林或草地的巡防航線，結合星鏈網絡技術、數字圖像傳輸等高新技術，綜合應用于大空間火情探測、火場偵察、火情分析、火源確定、火勢蔓延趨勢預測、救援方案制定，以及森林或草地資源管理。

消防無人機在火情探測、火場偵察和調度指揮中將發揮重要作用，特別是在汽車、人員無法到達的地帶開展資源環境監測、野火監測及救援指揮等方面，消防無人機具有獨特優勢，發揮其他手段不可替代的重要作用，具體表現在以下幾方面。

空中指揮

在消防無人機集群滅火過程中，必須指定一架消防無人機作為空中指揮機，機上裝載星鏈網絡終端構成寬帶互聯網絡，負責整個系統的信息收集、調度和指揮。在空中參照火場附近明顯地標判讀火場位置，全面偵察火場情況，掌握火場動態和發展趨勢，判斷火場風向和風速以及航拍道路、水源、居民區等，將現場視頻實時發送給地面無人機消防管理指揮中心和無人機消防中心站，接收和執行上級下達的命令，檢查驗收火場和組織撤離火場等。

快速滅火

由于在林區所有森林防火視頻監控系統的前端即檢測點均設有無人機消防站，一旦森林和草地出現任何微小野火火苗，離起火點最近的距離即10～20km以內，小型消防旋翼無人機即刻垂直起飛，迅速飛往起火點，發射滅火彈撲滅火苗，在萌芽階段將森林火災消滅。

直接滅火

消防無人機通過發射滅火彈或噴射滅火劑或水滅火，外掛吊桶、吊囊滅火，以及實施無人機集群滅火戰術，及時撲滅山高坡陡、交通不便的邊遠林區、重點林區、原始林區發生的森林火災。

空中巡查

消防無人機空中巡查能及時準確發現、傳遞和報告森林實時火情，彌補地面監視不到火情區域的缺點，實現早發現、早滅火。消防無人機巡查效率遠高于傳統得人工巡查，同時運營成本也極其低。

消防無人機空中巡查流程是，提前規劃巡查航線，無人機一鍵起飛后，按照預設航線依次巡查見圖14，消防員只需查看回傳的實時影像；到達指定點后，消防無人機進行全景拍攝、環繞等飛行；如無人機發現火情異常情況，可隨時停止沿航線飛行，并將消防無人機部署在異常區域附件開展火情偵察；App上能夠設置異常溫度閾值，當紅外云臺檢測到異常溫度后馬上向地面無人機消防管理指揮中心和無人機消防中心站報告，并且在App上向消防員提示出現異常情況。

圖14 消防無人機空中巡查預設航線示意圖。

圖15 消防無人機通過紅外熱成像圖找火源。

火場偵察監視

消防無人機通過對火場空中偵察監測，利用星鏈網絡系統向無人機消防管理指揮中心快速提供準確、直觀的火場信息，包括火場經緯度地理坐標、火場輪廓、面積、蔓延速度等數據，更加科學合理地指揮滅火，提高滅火效率。

（1）快速定位火點

利用消防無人機機載光電/紅外任務設備監視森林火災，將林區起火點、高熱點顯示在地面控制站數字地圖上，經過識別系統確定是否有真實火點，并進行精確定位，為無人機消防管理指揮中心提供火場經緯度地理坐標。

森林天氣狀況復雜，大霧或火焰產生的煙霧往往會掩蓋初始火情，造成火情加快蔓延而成災。在空中對火場進行偵察監視時，消防無人機搭載800×600高分辨率紅外熱成像設備，其數字測溫范圍可達-20～150℃，能穿透火災現場的濃煙找到火源，并實時傳輸至無人機消防管理指揮中心，利用紅外熱成像圖反應溫度異常情況，迅速定位著火點，判斷火災蔓延趨勢，為快速滅火和科學調派消防無人機和消防有人機提供精準數據和判斷依據。

（2）快速確定火情

消防無人機搭載4K高清可見光云臺，可實現自動白平衡，自動增益，自動色彩校正等，支持遠程遙控拍照、防抖、防摔，獲得高清晰、多角度視頻信息。當消防無人機在火場上空飛行時，還可將火場輪廓、面積、火情蔓延速度等數據實時傳回到地面。無人機消防管理指揮中心根據無人機傳回的數據，通過人工智能（AI）數據分析，可計算火場面積見圖16。為救火指揮提供可靠信息，從而迅速有效地組織、調度布置滅火隊伍，提高滅火效率，防止消防救火人員不必要的傷亡。

（3）為消防人員提供最佳撤離路徑

各項信息的有效傳達不僅使森林消防部門能迅速調配消防人員在重點區域滅火，還能及時通知消防人員撤離危險地區，并根據火場影像資料為消防人員提供最佳撤離路徑，以及提供空中照明、通信中繼等服務。

運送救援物質

為森林火災救援現場提供物資和食品，充分保障救火現場的后勤補給。

空中喊話

消防無人機上搭載空中喊話器，可傳達消防指揮部的指令，特別是當森林火災現場出現混亂場面和嘈雜聲音時，消防無人機通過空中喊話，能更好地將消防指揮意圖傳達給現場救火人員和被困群眾。

燈光照明

消防無人機安裝照明燈，可在夜間或光線不足情況下，為消防人員及撤離疏散的被困群眾提供空中照明。

防火宣傳

通過空投森林防火宣傳單和空中廣播宣傳，把森林防火信息及時送到各林區。

建立星鏈通信網絡

森林火災現場地處偏僻地區，或基礎設施受損造成通信中斷的情況時有發生。因此，森林火災現場建立臨時5G蜂窩移動通信網絡或星鏈通信網絡顯得尤為重要。當火災地區出現信號中斷時，利用消防無人機搭載5G或星鏈網絡系統接收設備，飛行升空到一定高度約100m左右，起到5G通信基站作用或形成星鏈通信網絡，即可快速恢復該地區的通信。在有條件的情況下，可以采用移動式車載應急通信系統，利用系留無人機建立穩定的通信基站，迅速恢復森林火災發生地區的無線通信功能。

人工增雨

消防無人機具有使用簡便、機動性好、便于投放、沒有人員安全風險等特點。因此無人機特別適合森林消防作業中的人工增雨。例如，消防無人機攜帶10枚增雨焰條，通過掛架掛載在機腹與起落架中間。由地面控制站工作人員點燃增雨焰條，并通過遙測信息顯示焰條是否點燃。每次可根椐具體情況同時點燃多根發煙管。根據無人機人工降雨作業投放碘化銀焰條數量與作業區域面積的關系，10枚增雨焰條的碘化銀含量即可滿足100km2的人工降雨區域要求。

森林火災損失評估

森林火災損失評估作為森林火災管理的重要組成部分，能有效反映當前森林火災防治的現狀及管理中存在的問題，同時也可為森林防火標準制定和修訂、防火資源的科學配置奠定基礎。發生森林火災后，利用消防無人機可及時對起火原因、火災損失、撲滅效果，以及該次森林火災對于人類社會與周邊環境造成的影響進行調查、鑒定、統計、建檔和上報有關部門。

圖16 根據消防無人機回傳數據，計算出火場面積。

圖17 利用消防無人機獲取的影像數據，計算受災面積。

消防無人機的特點

消防無人機搭載不同任務載荷，可在復雜、危險的森林火災環境下，代替消防人員的部分工作。歸結起來，消防無人機特點主要體現在如下幾方面。

火情發現早、行動快、滅在小

在林區建立森林消防視頻監控系統，并給系統中每個森林消防檢測點配置小型消防無人機，能盡早發現火情起火點，即時啟動消防無人機飛到起火地點發射滅火彈、噴射滅火劑或水，迅速撲滅剛剛燃起的火苗，實現“打早、打小、打了”的目的。

在林火火情小的萌芽狀態，由一架小型消防無人機指揮，多架小型消防無人機集群，圍攻還處于冒煙狀態的火苗，實現“打早、打小、打了”的目標，使得林火成災之前及時撲滅；

圖18 消防無人機/有人機協同撲滅森林火災，其中(a)為地面消防人員；(b)是小型消防旋翼無人機；(c)是中型消防旋翼無人機；(d)為大型消防固定翼有人機。

指揮協調能力強

當林火火情呈擴散趨勢狀態時，由一架消防無人機指揮，使用多架消防無人機集群滅火；在火情擴散到失控狀態時，出動大型消防固定翼有人機和多架消防旋翼無人機參與滅火，實施消防無人機/有人機協同滅火見圖18，能起到1+1大于2 的滅火效果。

滅火效率高

采用消防無人機集群滅火技術及消防無人機/有人機協同滅火技術，能夠充分發揮大兵團作戰的優勢，集中優勢兵力，進行大規模滅火作業，滅火效率極高。

機動性強

消防無人機具有飛行機動性強，不受地形限制等優勢。能夠從空中快速飛到地面車輛和消防人員無法抵達的森林火災現場，進行實時火災監視、救援指揮及直接參與撲滅火災。

任務能力強

消防無人機低空監視系統包括低空實時視頻影像和紅外熱成像快速獲取系統，具有對地進行快速實時巡查監視能力，可在森林火場上空靈活穿行進行火災火情監視，尋找高溫火點、監視火災蔓延方向、勘測火場附近危險物、搜索被困人員，為消防救援提供決策關鍵信息，以及直接參與滅火。

適應性好

由于消防無人機上無人，惡劣環境下的適應性極強，在森林火災現場的陡峭地形、火焰高溫、濃煙導致的低能見度、有毒氣體蔓延等惡劣環境下，依然能高效率完成消防滅火任務。

視野廣闊

消防無人機空中監視可以提供準確及時的火場信息，有助于提高滅火效率。當消防無人機飛抵森林火災現場上空后，從空中向下俯瞰，視野廣闊、清晰，可掌握森林火災發生和蔓延全局，迅速定位著火點，局部重點檢測，并以最快的速度向地面指揮部報告，以決策現場救援戰略布局。

經濟性好

消防無人機結構簡單，體積小、重量輕，其生產、使用、培訓、維護、維修成本都比有人駕駛消防飛機低得多。

全天時工作

消防無人機可根據任務要求，攜帶多種任務載荷設備，應對各種災情，不分晝夜，全天時工作，為森林消防救援工作提供全面支持。

安全性優異

消防無人機運行實行人機分離，安全性最大化，可代替一線消防人員近距離偵察火情；在處置危險火情時，消防人員可遠程操控無人機撲滅火災，從而避免或極大減少火災對消防人員的傷害，最大限度保障消防人員的生命安全。

抗風性好

由于加州野火爆發時，往往會遇到大風天氣，對消防無人機的抗風性能要求較高。為此，消防無人機設計和制造工程師采取了一系列有效的技術措施，以提高其抗風性能。現在小型消防多旋翼無人機都已經能抗18m/s的風速，即抗8級大風，基本能滿足抗風的一般要求。目前正在進行新的抗風性能設計研究，目標是達到抗25 m/s風速，即抗10級狂風。

集群性好

無人機集群由一定數量的相同類型或不同類型無人機組成，集群無人機之間通過無線通信網絡等方式進行態勢共享與信息交互，協同完成任務分配、航跡規劃等飛行任務。多架消防無人機圍攻森林著火區域，發射滅火彈、噴射滅火劑或水，滅火過程一氣呵成，中間沒有作業間歇時間，不給火災現場留下任何死灰復燃的喘息機會，因而撲滅森林火災效果十分明顯，效率極高。

消防無人機/有人機協同滅火成效好

應用消防無人機/有人機協同滅火技術，可充分發揮超大型有人駕駛消防飛機載重大、滅火成效好，以及消防無人機機動性強、響應迅速、操控方便等優點，強強聯手可大幅加快滅火進程。

（未完待續）