无人机集群扑救森林火灾应用研究

穆绍禹, 孙 辉

(中国消防救援学院,北京 102202)

无人机是一种新型的航空平台,近年来随着其技术的成熟已在气象探空、灾情监测、环境遥感等众多领域中得到应用。特别是质量轻、体积小的微型无人机具有购置成本低、运行费用少、操作简便、机动灵活等特点,能够根据现场情况实时调整作业方案及载荷设备,非常适合用于森林火灾的监测作业。

1.1 反应灵活、操作简单

能够有效地满足应急需要;
通过配置摄像机、高分辨率照相机、前视红外仪和图像传输等任务设备,实现对目标区域的空中巡视,并在巡视过程中实时传回视频图像或存储高清照片供返回地面处理,其中前视红外仪配置还可满足夜晚巡视的要求;
可采用手抛发射、伞降回收,场地要求低,可适应各种复杂的使用环境。

1.2 成本低廉,可执行高危作业

在森林火灾发生时火场上空能见度低,即使是载人飞机能达到火灾上空,观察员也无法详细观察到地面火场情况,在这种情况下飞行又存在着安全隐患,无人机能够克服载人飞机这一不足。通过搭载摄像设备和影像传输设备,可随时执行火警侦察和火灾探测任务,地面人员通过接收来自无人机的微波信号,随时掌握火场动态信息。

1.3 全天候对火场监测

无人机可以在空中全天候地对林区进行监测,及时发现火情,报告火场位置,采取行动将火灾消灭在初期。无人机按预定航迹对林区进行空中巡查,并将空中巡查获取的图像数据实时传回地面监测站,地面监测站将实时图像通过网络传给防火值班部门。对于可疑点或区域,通过遥控指令可改变无人机飞行航迹及飞行高度进行详查,详查图像通过无线链路实时传回地面。

1.4 科学扑救指挥

对已出现火情的地区进行空中火情态势观察,使扑火指挥部门迅速有效地组织、部署灭火队伍,提高灭火作战效率,及时通知消防人员撤离危险地区,并根据火场图像资料为消防人员提供撤离路径,防止救火人员伤亡,做到科学扑救指挥。

无人机经过灭火实战检验,在火场侦察中确实发挥了一定的作用,但也存在一些不足,制约着无人机在森林灭火中的应用。一是性能有待提高,随着无人机的兴起,无人机市场琳琅满目,相比军用无人机而言,民用无人机往往是“照猫画虎”,娱乐型较多,在使用上有着天壤之别,缺少专业设计,尤其是研究专业化程度不够,造成性能不稳,续航里程短等。二是智能化有待改善,虽然无人机操控比较容易,但由于受飞行环境、无人机性能受影响较大,时常发生操控过程中机体坠毁情况,主要原因是忽略了以高智能化的控制技术替代人工操控。三是传输模式有待统一,由于无人机生产厂商不同,数据格式和通信体制各行其道,增加成本,加重了携装负担,因此必须具备统一标准、数据格式、传输体制等基础技术,力求达到模块化可替代水平。四是无人机信息一体化平台有待整合,当前无人机应急救援服务平台建设发展不平衡,应用功能不完善,数据分散,各自为战,信息系统和功能实现等缺乏统一标准,信息资源和平台系统尚未有效整合,效率低下,因此亟需提高应急效率。

3.1 扑救火点与飞火

火点是指刚刚燃烧,还没有扩大范围,形成一定面积的可燃物或受其他条件限制无法继续扩大的地表火;
飞火是指森林或草原在燃烧的过程中,受热对流的影响,使正在燃烧的可燃物上升空中,并被风吹向前方飘落而刚刚形成的火点,飞火多发生在森林。

在林火刚刚发生时,利用无人机喷洒实施化灭,火点少时可多机轮流实施,火点多时可分别实施,在灭火过程中要分清主次,坚持先重点后一般的原则。

3.2 扑救悬崖火

悬崖火是指发生在悬崖峭壁的林火,由于受地形和可燃物的影响没有扩大范围,形成了一个或多个火点,扑火人员无法到达火场难以实施扑救。利用无人机喷洒实施化灭或机载水枪射水灭火。

3.3 扑救单株树冠火

单株树冠火是指发生在树干并沿着树干向上蔓延燃烧至树冠的火,由于郁闭度小只有单株树冠进行燃烧。利用无人机集群喷洒实施化灭、空中灭火弹爆炸或机载水枪射水灭火。

3.4 扑救中低强度地表火

中低强度地表火是指发生地表面,火焰高度在1.5米左右。这里单指的是短火线。

将无人机分为若干小组(视无人机数量而定),利用无人机集群喷洒实施化灭、空中灭火弹爆炸或机载水枪射水交替灭火。具体做法是1号无人机扑打火线,2号无人机在1号无人机前方4~5米处灭火(距离视机载灭火装备而定),3号无人机在2号无人机前方4~5米处灭火。每一组无人机扑灭火线后参照此法。

3.5 集群突破火线

突破火线是指利用一切能够利用的灭火装备在火强度低、地势相对平坦、可燃物稀少的地段,迅速扑灭明火,然后实施灭火的方法。突破火线是灭火的关键环节,极易发生危险,突破火线后人员迅速进入火烧迹地可有效避免伤亡,为此,使用无人机突破火线可较大降低危险。

集中所有无人机分(载水、化灭药剂、灭火弹等),在一点上进行灭火,使之快速出现一处熄灭地段,而后一点两面实施灭火。(可配合地面灭火队伍共同实施)。

3.6 清理火线、烟点

清理火线是指利用无人机对山高坡陡、地形特殊、可燃物载量大灭火人员无法到达的火线进行清理,重点清理烟点,确保火线不复燃。实践证明火线复燃造成的人员伤亡和经济损失往往是难以估量的,2020年4月23发生的青岛小珠山林火就是复燃火。

3.7 点烧隔离带与火攻灭火

点烧隔离带是指利用无人机在火头前方利用依托(小路、小溪、无可燃物区域等)对山高坡陡、地形特殊、可燃物载量大灭火人员无法到达的火线进行点烧,如无依托可用无人机喷洒化学药剂建立依托。利用无人机分装载的点火设施或投放燃烧弹进行点烧。

3.8 保护重点目标安全

保护重点是指利用无人机对建立在地形复杂、山高坡陡,灭火人员无法到达的重点设施进行保护。利用无人机(载水、化灭药剂、灭火弹等)对重点目标周围或目标本身进行防火处置。

在加强卫星遥感信息引入的同时,利用无人侦察机弥补卫星遥感经常因云层遮挡获取不到影像的缺点,解决传统卫星遥感重访周期过长、应急不及时等问题,是实现多方位掌握火场态势,提高火情获取能力的必要手段。2020年5月,在扑救四川森林大火期间,利用无人机在火场上空实施空中侦察,使用红外扫描器查明了主要火灾点,并将数据发送给地面站,大约每隔30分钟就向地面中继传输火灾图像,几乎实时为消防人员提供了态势感知能力。森林部队要达到这一层次,必须分级开展无人机建设。一是依托所属直升机支队,建设固定翼中型无人机。在大庆和昆明两个直升机机场部署固定翼中型无人机,进一步补充重要林区空中巡视手段,同时统一地勤保障,统一航线协调,实现全天候空中巡视。为降低建设风险,前期可通过租用方式实验论证。二是在各总队级单位和驻防在重要林区的支队建设小型无人直升机。既保证飞行航程可覆盖任务地域,又可在发现火点时定点侦察,同时也可用于部队灭火作战实时指挥。三是为灭火任务繁重的重点大队建设配发多轴旋翼无人机。可利用无人机发挥高空瞭望作用,扩展指挥员视野,为部队提供预警信息和实时火场态势感知。另外,还可利用红外扫描技术,对消灭明火的林区进行空中监测,及时发现潜在的危险,有效防止死灰复燃,完成火场全面验收。

从国际上看,发达国家近年来积极利用空间信息技术,提高灾害的监测预警水平,加强新一代遥感遥测技术的研究与开发,发展高性能计算技术,不断提高数据处理和监测预报水平等。我国已经将应急救援装备、空间信息技术等列为军、民高新技术和战略性新兴产业发展重大规划。在《国家2010-2020年科技发展纲要》中高分辨率对地观测、卫星导航是我国信息领域中要重点发展的产业技术,同时也列入国家16个重大科技专项。我国空间信息应用和应急救援领域政产学研用有效结合以及军地商三方的协同优势,为项目实施奠定了较好的保障条件,有利于整合军警地各方优势资源。项目的实施将提高国家应急处置救援能力,产生良好的经济社会效益。

虽然我国应急救援空间信息一体化平台建设有了一定基础,但在实际工作中,空间技术应急救援服务平台建设发展仍不平衡,应用功能不够完善,信息系统的基础平台、接口协议、数据库结构和功能实现等方面缺乏统一标准,基础信息存在割裂,突发事件发生时难以迅速汇集、汇总和分析各类有关信息,信息资源和平台系统尚未有效整合,各自分散的数据因为条块分割的传统管理方式难以整合。亟需提高应急效率,获取灾情分析实时数据和信息,梳理应急、灾情上报工作,利用图文方式上报相关部门。在地质灾害发生后,前方指挥车通过无人机组、三维激光扫描仪、灾情速报终端等,第一时间获得了灾区不同范围、不同尺度的地形数据,灾害点三维模型数据和灾害点实地调查数据、相关视频、音频等。这些数据对于位于后方的应急指挥指挥部决策至关重要,并为应急救灾决策提供了有力的支持。

当前无人机的运用已经在各个领域全面开花,运用起来各有所长,特别是在应急救援中独具优势,例如加强卫星遥感信息引入,利用无人侦察机弥补卫星遥感获取不到的影像,解决传统卫星遥感重访周期过长等问题。森林灭火中实现多方位掌握火场态势,实时为应急人员提供了态势感知能力。无人机使用已经是不可或缺的必要手段,未来无人机将在森林灭火、抢险救援、灾害预警等发挥不可替代的作用。

除了上述领域之外,森林灭火作战还应研究大型无人机灭火、无人机集群灭火、无人机扑救特殊林火的等方法,尤其是对小、散、远林区,完成急、难、险、重任务,努力实现打早打小打了这一森林灭火目标,具有很强的现实意义。

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