多無人直升機協同開展森林消防作業探究

張云川

森林火災往往發生在地勢崎嶇的林區，具有蔓延迅速、突發性強、破壞力大等特點。火場地形復雜、坡陡林密、交通不便、通信不暢，給滅火工作帶來極大的困難，火災規模和形狀不斷變化，有的火場面積大、煙霧濃、甚至存在有毒有害氣體。森林火災對生態環境造成了嚴重破壞，甚至威脅著人類生命和財產安全。我國幅員遼闊，森林資源和植物種類極為豐富，也是森林火災多發國家。森林火災有效防治與處置一直是難題。

過去，火情蔓延信息極其匱乏，尤其是發生在植被茂密的多山地區、多煙低能見度等一系列極端環境中的森林火災信息。森林消防部門難以持續獲得火場位置、火勢強度、火場地形特征和其他火場態勢信息，不僅嚴重影響滅火和應急救援工作，也許會導致人員傷亡。

無人直升機機動靈活，能夠在人員、車輛難以到達的區域作業，是一種可實時收集火場信息的空中平臺，并且可以充當通信中繼平臺，為防火、滅火作業提供有力的支援，推進自動化、信息化森林消防建設，提升森林消防隊伍的戰斗力。

無人直升機系統的優勢

目前，國內外大部分消防部門使用有人機在廣闊的森林上空收集信息。一旦森林發生火災，這種方法具有人員工作強度大、探測效率低、夜間作業難等缺點。而夜間是開展森林滅火的最佳時間段，夜間無太陽輻射，氣溫相對變低，天氣條件相對穩定。但是，出于安全方面的考慮，有人機在夜間、煙霧、復雜地形等條件下的空中作業會終止。與有人機相比，無人機具續航時間長、全天時持續作業的優勢。

無人機配備組合導航系統，可以在地理坐標系中定位自身的位置，實現所探測到的火場與地理坐標相關聯，為消防部隊提供火場指示。與固定翼無人機相比，無人直升機具有垂直起降、對起降場地要求低等明顯優勢，更適合在森林茂密的山區開展作業。同時，無人直升機能夠在給定目標周圍懸停或低速飛行，在執行森林消防任務時，快速獲取詳細的火場信息或充當空中通信中繼平臺。

多無人直升機協同執行森林消防任務的優勢

森林火災是一個高度復雜且無固定結構的災害。為更有效地開展滅火作業，消防部門需要不同位置的多種信息，以及需要準確預測火勢蔓延趨勢，所以多架無人直升機應協同作業。為了完成森林消防任務，多架無人直升機應組成編隊，協同執行消防任務，而不是每架無人直升機“單打獨斗”。多無人直升機協同執行森林消防任務具有六方面優勢。

首先，單架無人直升機的作業能力不足，多架無人直升機組成編隊可增強消防任務所需的作業能力。

第二，森林火災巡查需要覆蓋大范圍區域。在森林防火例行巡查期間，多架無人直升機分區域巡查，可縮短大范圍區域巡查所需的時間。

第三，在探測火場時，多架無人直升機同時獲取多方位場景數據，地面控制站融合所有無人直升機獲取的數據，可減少不確定性因素，降低預警誤報率，實現更有效的火場態勢評估。

第四，在監測火場時，多架無人直升機在大面積火場中的不同地點同步開展工作。地面控制站在衛星影像圖中標注所有無人直升機獲取的影像，形成完整的火場態勢圖。消防指揮員借助火場態勢圖，準確、直觀地掌握火災現場情況、火災蔓延趨勢，以便及時制定滅火策略。

第五，多架無人直升機組成編隊，執行通信中繼任務，可破解無人直升機因山體等遮擋無法進行視距通信的難題，擴大無人直升機的作業范圍。

第六，無人直升機編隊在火場的不同位置測量氣象數據，獲取火災現場的詳細氣象信息，輔助消防部門進行科學有效的指揮和決策。

組網數據鏈

無人直升機常規視距數據鏈在多山、丘陵地區等環境中傳輸數據，通信信號通常被遮擋，從而影響無人直升機控制和作業范圍。多架無人直升機利用組網數據鏈技術，擺脫了傳統數據鏈點對點通信的制約，構建無中心、自組織通信網絡。通信中繼節點為任務節點提供通信中繼服務，解決無人直升機數據鏈因山體遮擋而無法傳輸數據的問題，有效提高無人直升機在作業區域的通信穩定性。

用于森林消防的任務載荷

光電/紅外吊艙

在執行森林消防任務時，無人直升機系統主要使用光電/紅外吊艙獲取火場態勢信息，可見光攝像機和紅外熱成像儀發揮了互補作用。

可見光攝像機在沒有煙霧遮擋的白天拍攝火場，消防人員可以在可見光影像中觀察火焰，獲得火情基礎測量數據和火焰測量數據。

紅外熱成像儀適用于夜間作業，而且不受煙霧遮擋的影響，執行火場探測任務具有明顯的優勢，能夠迅速找到發熱源的位置，即使在火焰可能被煙霧遮擋的場景，也能發揮作用。

機載通信中繼設備

實際作業場景通常山高林密，通信網絡難以覆蓋，限制了一線消防人員、設備與前方指揮中心進行無線通信，大范圍火災現場的通信無法得到保障。無人直升機攜帶超短波通信中繼、寬帶自組網等機載通信中繼設備，為前方指揮中心與一線消防人員搭建信息傳輸的平臺，建立無線通信指揮系統，一線消防人員進而能共享前方指揮中心的命令和調度方案。另外，無人直升機不間斷回傳火場態勢、消防人員位置等信息，協助前方揮中心快速在關鍵區域部署消防人員，及時通知消防人員撤離危險區域，并為消防人員提供最佳疏散路線。空中與地面力量實現了協同作戰。

氣象傳感器

空中氣象數據測量能夠補充地面氣象數據庫的信息，為火情蔓延趨勢預測提供支持。但是，消防裝備需要在火災上方的特定空域測量氣象數據，會遇到火災引起的風切變和不穩定的上升下降氣流。為保障作業人員的安全，有人機可能無法在特定高度作業。而多無人直升機掛載氣象傳感器，可在火災周圍的特定高度協同收集氣象數據。

消防救援物資

無人直升機具有掛裝消防救援物資的能力，在執行應急救援任務時，可將呼吸面具、防煙罩、食品、水、藥品等補給物資投送到指定區域，協助一線消防人員開展救援和滅火工作。

任務剖面

多無人直升機協同開展森林消防作業，包括日常巡查、火場探測、火災監測、滅火、通信中繼、輔助救援、災后評估等多種任務。

多無人直升機協同探測火場

火場探測主要包括災前火情巡查和災后余火探測。在火災發生前，無人直升機主要執行火災預防任務。火情巡查是指無人直升機在森林火災例行巡查中，探測潛在火點、疑似熱點，預防火災發生，從而避免火災燒毀大面積植被。當火災被撲滅之后，消防部門需要開展災后損失評估、余火探測等工作。無人直升機攜帶紅外熱成像儀，能夠準確識別隱藏的熱源、余火隱患，防止火災再次發生。

多架無人直升機組成編隊，在給定區域內的不同小區域協同執行火場探測、識別和定位任務。一旦探測到火源，無人直升機將火源及其地理坐標信息傳回地面控制站。地面控制站利用信息融合技術，處理無人直升機提供的信息，以確認火災警情，并盡可能降低誤報率，提高火場的定位精度。在確認火災警情后，地面控制站將火場位置信息標注在地理信息系統（GIS）上，并通過通信系統將火場信息傳輸到當地消防部門。無人直升機獲取的詳細信息可為當地消防部門的指揮決策提供支撐，以便消防部門及時向目標區域部署消防力量，提高滅火效率。

多無人直升機協同監測火災

在火災發生后，無人直升機主要開展森林火災監視測量作業，這是最關鍵的任務。一旦火災被確認，消防部門需要實時掌握火場態勢信息和消防人員的位置信息，從而高效統籌全局，快速而科學地指揮滅火行動。如果消防部門缺乏火場態勢信息，森林消防滅火工作易引發事故。

消防部門立即出動無人直升機編隊，測量過火區域的火線形狀、位置、火情蔓延方向、火焰的最大高度等火場態勢數據，實時獲取火災動態信息。多架無人直升機在不同區域、不同高度、不同角度協同拍攝火災現場、一線消防人員所處的位置，將采集的信息實時回傳地面控制站。

地面控制站處理每架無人直升機回傳的監視數據，提取與火線發展有關的特征，應用多源信息融合技術，將不同無人直升機收集的所有信息進行統一處理，生成火線綜合態勢圖、消防人員實時位置圖、行動路線圖，從而實現整體火情發展趨勢預判。地面控制站在地理信息系統（GIS）上標注火場態勢、人員實時位置等信息，并將處理后的信息發送至前方指揮中心。

無人直升機采集的火場態勢、消防人員行動軌跡以及目標任務方向等信息為前方指揮中心全局統籌、研判火情等工作提供了支持。前方指揮中心及時、準確、全面掌握滅火進展、滅火效果以及消防人員部署，開展消防規劃，確定滅火最佳位置。根據消防規劃，地面控制站的工作人員相應調整重點區域的詳細監視航線。前方指揮中心通過無人直升機搭建的無線通信指揮系統，指揮一線消防人員有序開展滅火工作，實現高效、安全、科學的滅火指揮行動。

結論

森林火災將對社會、經濟和環境產生嚴重的影響，每年都會造成人員傷亡，消防滅火是一項危險任務。無人直升機是一種潛力大、功能強的森林消防工具，可搭載不同任務載荷執行火情巡查、火災監測、災后評估、通信中繼等消防任務。消防部門充分利用無人直升機的優勢和無人直升機收集的信息，實現了消防部隊的合理調度、有效的滅火作戰指揮，減少了消防隊員的出動數量。