基于固定翼飛機的森林防火巡查系統(tǒng)方案

洪雨寧 白銀剛 唐健仁

（中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司 安徽省蕪湖市 241100）

1 引言

“綠水青山就是金山銀山”是時任浙江省委書記習(xí)近平于2005年8月在浙江湖州安吉考察時提出的科學(xué)論斷[1]。加強森林資源保護，對自然環(huán)境的保護具有至關(guān)重要的意義。采用科學(xué)有效的森林防火手段，對于森林火災(zāi)預(yù)警、控制森林火災(zāi)蔓延，減輕森林火災(zāi)對森林資源造成的損失，有著現(xiàn)實意義。

森林防火預(yù)警監(jiān)測包括地面巡護、瞭望臺監(jiān)測、航空巡護、衛(wèi)星遙感等手段。地面巡護和瞭望臺監(jiān)測，主要通過人力或攝像頭等傳統(tǒng)的手段，雖然成本較低，但考慮森林面積、地理環(huán)境、氣候因素等制約，存在觀測死角與空白，精確度不高，加之一旦火情爆發(fā)的人員撤離風(fēng)險等因素，不利于準確提供大面積森林火情信息；衛(wèi)星遙感火場探測范圍廣，基本不受地理條件限制，能客觀反映火場變化態(tài)勢，但衛(wèi)星遙感時效性不高，空間分辨率低，且當前資源有限，發(fā)生森林大火時較難滿足實際使用需求[2]。2019年和2020年，四川涼山地區(qū)連續(xù)兩年發(fā)生森林大火，并造成了重大人員傷亡和森林資源損失，兩次重大火災(zāi)教訓(xùn)深刻，代價慘重[3]。但是，在航空應(yīng)急救援領(lǐng)域，仍然存在著重救援、輕預(yù)防，重直升機、輕固定翼的現(xiàn)象。這不但將造成不能早期發(fā)現(xiàn)火情，以致無法將森林火災(zāi)消滅在初發(fā)階段，而且在火災(zāi)撲救行動中可能無法及時判斷火場態(tài)勢，以致發(fā)生人員傷亡。這將直接影響現(xiàn)場指揮部滅火方案與救災(zāi)措施判斷準確性。以有人固定翼飛機為平臺的森林防火航空巡護手段，具有視野寬廣，機動性大，速度快，航程長，能高效對火場進行全面長時間觀察等優(yōu)勢[4]。隨著我國通航產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，投入、運營和維護成本不斷降低，風(fēng)險承受能力不斷增強，受起降、航線、時間的限制也逐漸放寬，能更有效地開展森林防火航空巡護業(yè)務(wù)。而直升機的優(yōu)勢在于可實現(xiàn)定點懸停，起降便捷，多用于灑水滅火和人員救助，但其續(xù)航能差，飛行距離短，只適用于較小范圍、近距離火場救援[5]。國外的航空應(yīng)急救援力量，也多采用固定翼飛機與直升機搭配，形成高效、優(yōu)勢互補的機隊，可完成多種預(yù)警監(jiān)測與應(yīng)急救援工作[6]。

結(jié)合國內(nèi)外航空應(yīng)急救援、森林防火巡查發(fā)展動態(tài)以及我國國情與特色，本文介紹一種基于固定翼通用飛機平臺的森林防火巡查系統(tǒng)。同時，文中對該系統(tǒng)的應(yīng)用實效進行了分析，探討了今后的改善提高途徑與手段。

2 森林防火巡查系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)通過飛機平臺在林區(qū)上空進行巡邏，拍攝林區(qū)的紅外/可見光視頻，對森林著火點定位，著火面積測算，通過機載衛(wèi)星通信設(shè)備將視頻和火點定位信息實時回傳到地面指揮中心，并通過衛(wèi)星電話接受地面指揮中心指揮；可通過電腦客戶端投影到地面指揮中心大屏，或通過智能手機APP觀看實時回傳的視頻圖像，為指揮決策提供科學(xué)依據(jù)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)組成

森林防火巡查系統(tǒng)由地面設(shè)施、空中平臺兩部分構(gòu)成。

圖1：森林防火巡查系統(tǒng)原理圖

圖2：森林防火巡查系統(tǒng)空中平臺設(shè)備布局圖

圖3：光電吊艙

圖4：機載衛(wèi)星通信設(shè)備天線單元

地面設(shè)施部分主要是利用指揮中心原有設(shè)施和租用衛(wèi)星通信服務(wù)，包括地面指揮中心顯示大屏、通信衛(wèi)星運營公司地面中心站，以及電腦客戶端軟件和手機APP。

空中平臺部分由固定翼多用途飛機平臺、光電吊艙、機載衛(wèi)星通信設(shè)備組成。空中平臺設(shè)備布局如圖2所示。本文重點對空中平臺進行介紹。

2.2.1 飛機平臺

本文介紹的固定翼飛機是一種雙發(fā)輕型多用途通用飛機，最多可以搭載4名乘員，可適應(yīng)約5500米海拔高度的飛行，1000米長，35米寬以上標準的通航機場跑道。適用于較大范圍多任務(wù)飛行，具備較強的轉(zhuǎn)場能力。該飛機平臺具有以下優(yōu)勢。

（1）安全性高，具備夜航能力。該多用途飛機機身幾乎全部采用復(fù)合材料，采用了先進的機身設(shè)計和雙翼梁設(shè)計技術(shù)，可有效保護燃油箱；采用兩臺高效的AE300 航煤發(fā)動機，即使單發(fā)失效，仍可安全飛行，具有與民航客運飛機相當?shù)陌踩阅堋Ｅ鋫涓叨燃傻暮娇针娮酉到y(tǒng)，同時具備儀表飛行、夜航、自動駕駛與轉(zhuǎn)場能力，可以滿足森林防火巡查系統(tǒng)要求24小時應(yīng)對突發(fā)事件的需求，可以安全地完成夜間起降，執(zhí)行夜間巡查任務(wù)，搭載紅外/光電和機載衛(wèi)星通信設(shè)備，執(zhí)行晝夜對林區(qū)的拍攝、視頻監(jiān)控，并將相關(guān)信息傳輸至地面指揮中心。

（2）有效載荷大，具有較強的系統(tǒng)擴展性。該多用途飛機有效載荷約700Kg，采用標準化、系列化、模塊化設(shè)計，是經(jīng)過EASA和CAAC認證的多任務(wù)特種飛機平臺，無需額外改裝即可實現(xiàn)多種設(shè)備、傳感器和任務(wù)系統(tǒng)的快速換裝；無需經(jīng)過二次適航認證，即可根據(jù)飛行任務(wù)需求，可在機頭、機腹、機背等處安裝光電吊艙，航測相機、激光雷達/合成孔徑雷達等遙感遙測設(shè)備，實現(xiàn)偵察巡邏、航空測繪等任務(wù)，具有較強的系統(tǒng)擴展性[2]。

（3）續(xù)航時間長，運營維護成本低。該多用途飛機發(fā)動機使用國際通用的航空煤油，在民航干支線、通航機場均可方便地實現(xiàn)油料補充，同時兼具強大動力和經(jīng)濟性；經(jīng)濟巡航速度300公里/小時，航時達7-8小時，最大航程2300公里，可實現(xiàn)遠距離大范圍作業(yè)；該飛機的基本型已在國內(nèi)141航校大范圍應(yīng)用，具有大量熟練飛行員及機務(wù)維修人員，可大大降低該多用途飛機的運營維護、推廣應(yīng)用成本。

2.2.2 光電吊艙

該系統(tǒng)采用的光電吊艙具備紅外、高清可見光成像能力，具備紅外偽彩色圖像，能夠發(fā)現(xiàn)、識別、定位觀察目標（火點），可測定可疑目標溫度，輸出可見光/紅外圖像的視頻信號，跟蹤及鎖定目標。顯控計算機除完成對吊艙的狀態(tài)、顯示、控制等任務(wù)外，還可實現(xiàn)森林火場巡察任務(wù)規(guī)劃等系統(tǒng)功能。

（1）主要構(gòu)成。光電吊艙外形如圖3所示。其主要組成為：光電吊艙本體、光電操控手柄、GPS天線、顯控計算機。

（2）主要功能。

1.手動搜索。操作員根據(jù)工作需要，設(shè)置進入手動搜索模式，通過光電操控手柄，對目標的搜索和識別。在大視場模式下觀測時，操作員可在發(fā)現(xiàn)可疑目標時，選擇進入小視場模式，實現(xiàn)更遠的探測距離和更好的分辨能力，從而對可疑目標的細致探察與識別。

2.自動搜索。操作員可操控光電吊艙按系統(tǒng)設(shè)定的運動方式在方位上實現(xiàn)往復(fù)掃描，而在俯仰上手動控制運動方向，實現(xiàn)對目標的自動搜索，根據(jù)圖像判斷是否存在可疑目標。

3.自動跟蹤與火點定位。在吊艙搜索并鎖定目標后，利用穩(wěn)定平臺實現(xiàn)對紅外/可見光傳感器的穩(wěn)定，后者將搜索視場中的目標轉(zhuǎn)為標準視頻圖像。圖像跟蹤器捕獲目標后，分析目標圖像并提取其特征，處理變換。根據(jù)目標特性，選取相應(yīng)的跟蹤算法，解析目標在視場中移動偏差，并反饋至伺服控制系統(tǒng)予以糾正，實現(xiàn)穩(wěn)定控制閉環(huán)，鎖定光標始終指向被跟蹤目標。進而，在系統(tǒng)中輸出目標位置，實現(xiàn)火點定位。

4.顯示與控制。顯控系統(tǒng)支持各類目標信息/回傳信息傳輸接口的轉(zhuǎn)換功能以及各類任務(wù)吊艙控制指令；具備目標信息存儲讀出/顯示功能，負責(zé)光電吊艙信息的分配與管理、指令輸入；以及用于工作狀態(tài)、顯示控制、巡查任務(wù)規(guī)劃等。

（3）主要技術(shù)指標。

光電吊艙主要技術(shù)指標如表1所示。

2.2.3 機載衛(wèi)星通信設(shè)備

圖5：森林防火巡查可見光圖像

圖6：森林防火巡查紅外圖像

圖7：長江汛期空中巡查時拍攝的圖片

（1）主要構(gòu)成。衛(wèi)星通信設(shè)備外形如圖4所示。其主要組成為：天線單元，功放，調(diào)制解調(diào)器，編碼器，天線控制單元，數(shù)據(jù)/電源/射頻線纜等。

（2）主要功能。

1.視頻回傳。可實現(xiàn)機載光電吊艙拍攝的紅外/可見光視頻圖像單向?qū)崟r回傳至地面指揮中心。

2.數(shù)據(jù)雙向業(yè)務(wù)。提供飛機平臺與地面指揮中心數(shù)據(jù)雙向業(yè)務(wù)，并實現(xiàn)IP電話雙向語音通話功能。

3.云數(shù)據(jù)信息提供衛(wèi)星通信系統(tǒng)實時記錄的飛機飛行姿態(tài)，可以形成云數(shù)據(jù)信息。

（3）主要技術(shù)指標。

衛(wèi)星通信設(shè)備主要技術(shù)指標如表2所示。

2.3 系統(tǒng)主要技術(shù)指標

該系統(tǒng)總體的主要技術(shù)指標如表3所示。

表1：光電吊艙主要技術(shù)指標

表2：衛(wèi)星通信設(shè)備主要技術(shù)指標

表3：森林防火巡查系統(tǒng)主要技術(shù)指標

3 森林防火巡查系統(tǒng)應(yīng)用

2020年以來，基于固定翼飛機的森林防火巡查系統(tǒng)常態(tài)化執(zhí)行安徽省某市范圍林區(qū)的航空巡護和火場偵察任務(wù)，累積發(fā)現(xiàn)20余處初發(fā)火情，為市（縣）區(qū)兩級森林草原防滅火指揮部以及應(yīng)急管理部門提供了一手、及時信息，助力消防部門迅速撲滅火情，真正做到“打早”、“打小”、“打了”，受到有關(guān)方面的一致好評。

2020年10月，安徽省某市舉辦了森林火災(zāi)應(yīng)急演練，該系統(tǒng)全程參與了演練，率先發(fā)現(xiàn)火情，并持續(xù)進行空中火場偵察，實時將火場態(tài)勢回傳地面指揮中心，并為演練提供了應(yīng)急通信、指揮調(diào)度技術(shù)保障，系統(tǒng)展示了較強的專業(yè)性，受到演練指揮部的表揚。如圖5和圖6所示。

隨著該系統(tǒng)的應(yīng)用，越來越多的部門、專家和領(lǐng)導(dǎo)，對森林草原航空巡護、空中火場偵察工作的重要性有了更加深刻的認知。

如圖7所示，森林防火巡查方面的應(yīng)用，該系統(tǒng)還參加了安徽省某市長江汛期的水情探查，長江十年禁漁的“清江行動”，長江海事巡查等任務(wù)。在水情探查任務(wù)中，該系統(tǒng)既為防災(zāi)救災(zāi)部門提供了水災(zāi)現(xiàn)場的實時場景，以供救災(zāi)指揮調(diào)度參考，又留下了寶貴的檔案記錄，為災(zāi)后分析、改進提高救援方案所用；在清江行動任務(wù)中，該系統(tǒng)不但提供了高效便捷的解決方案，增加了政府行政執(zhí)法的手段，為進一步加速政府行政治理能力跨越式轉(zhuǎn)變，開辟了新途徑，提供了新思路。

4 該系統(tǒng)今后的改進方向

通過對國內(nèi)有關(guān)森林防火機構(gòu)專家的調(diào)研、討論交流，資料收集，經(jīng)過上述實際應(yīng)用與實戰(zhàn)演練，以及與其他應(yīng)用需求部門的領(lǐng)導(dǎo)、專家溝通座談，我們發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)還有許多方面需要升級改進，方可滿足用戶的實際需求。如森林火場態(tài)勢分析與發(fā)展趨勢預(yù)判、余燼的探測與確定、現(xiàn)場撲救人員的指揮調(diào)度與安全把控，森林火災(zāi)的災(zāi)后評估等，都值得進一步探討、完善與提升。

圖8：森林防火三級指揮示意圖

4.1 從系統(tǒng)本身完善發(fā)展的角度

從系統(tǒng)本身完善發(fā)展的角度來說，系統(tǒng)下一步研制方向有以下幾點：

（1）除具備提供著火點的地理位置信息、火災(zāi)區(qū)域面積計算，引導(dǎo)滅火直升機、地面撲救力量外，還應(yīng)具備融合林區(qū)氣象信息（通過地面獲取或空投探空儀獲取）能力，預(yù)測火場發(fā)展趨勢能力，以及余燼的探測能力，為指揮中心指揮調(diào)度與部署救援行動提供科學(xué)依據(jù)。利用對吊艙可見光圖像的拼接處理，或換裝航測相機、合成孔徑雷達等探測裝置，實現(xiàn)對過火區(qū)域進行災(zāi)后評估。

（2）將負責(zé)吊艙顯控的計算機軟硬件升級換代，成為整個系統(tǒng)任務(wù)處理機，并賦予更多的功能，擔負系統(tǒng)運營與多任務(wù)執(zhí)行，調(diào)度和管控多種載荷的狀態(tài)、發(fā)布指令、信息傳輸?shù)热蝿?wù)，成為一種通用性很強的多任務(wù)計算機管理系統(tǒng)，各軟件任務(wù)模塊采用模塊化、積木式設(shè)計架構(gòu)，具備很強的靈活性、通用性、可移植性。采用自適應(yīng)匹配設(shè)計技術(shù)，自動適配外接任務(wù)載荷設(shè)備，進行協(xié)同管理，實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活性和易操作性[7]。

（3）隨著國內(nèi)外電子信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，功能更強大、性能更加高、體積重量更小的載荷不斷涌現(xiàn)，應(yīng)當及時引入運用。而這幾年國產(chǎn)的北斗系統(tǒng)不斷發(fā)展，功能更強大，應(yīng)用更廣泛；民航局更是在不久前召開會議，推動北斗通航應(yīng)用[8][9]。密切關(guān)注高通量衛(wèi)星通信技術(shù)進展，及時引入使用，以便提供更高質(zhì)量的視頻圖像和更豐富的數(shù)據(jù)信息[10]。

4.2 從航空應(yīng)急救援系統(tǒng)角度

通過在固定翼飛機平臺、滅火（救援）直升機、地面巡邏車輛、指揮中心等加裝自組網(wǎng)通信設(shè)備，形成災(zāi)害一線、災(zāi)害現(xiàn)場指揮部、遠程指揮中心三級指揮體系（如圖8所示）；固定翼飛機平臺在高空長時間盤旋飛行，可作為空中通信中繼平臺；直升機可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享的火場位置信息、人員信息，實施空中滅火、人員救援；護林員、消防員等可通過配備的手持自組網(wǎng)終端，把其實際位置、現(xiàn)場錄制視頻回傳；指揮員可綜合火情發(fā)展態(tài)勢，通過自組網(wǎng)指揮消防人員重新布防、滅火、建隔離帶，或及時安排轉(zhuǎn)移、撤離。

未來的森林防火巡查系統(tǒng)，必然是網(wǎng)絡(luò)化、多信息感知手段融合、高度集成的系統(tǒng)，通過先進的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)，把天基衛(wèi)星、空基航空器、地面車輛人員、指揮中心，有機聯(lián)系起來，形成一個巨大的信息共享集群，在通過對數(shù)據(jù)的有效處理，成為天、空、地一體化綜合森林火災(zāi)應(yīng)急救援通信指揮體系[11]。

5 結(jié)束語

由以上論述可以看出，該固定翼森林防火巡查系統(tǒng)所用技術(shù)優(yōu)勢明顯，經(jīng)實踐證明，可以廣泛應(yīng)用于森林火災(zāi)應(yīng)急救援領(lǐng)域。經(jīng)改造升級后，還可快速復(fù)制應(yīng)用于其他類似固定翼飛機平臺。此外，通過搭載不同的任務(wù)載荷，還可將該平臺應(yīng)用于應(yīng)急通信、應(yīng)急測繪，邊境巡邏，海事巡查、空中偵察、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，將為我國的國民經(jīng)濟建設(shè)和國防事業(yè)做出更多、更大的貢獻。