刘 福，秦 军

(武警工程大学装备与信息技术研究所，陕西 西安 710086)

森林防火灭火中的无人机应用探讨

刘 福，秦 军

(武警工程大学装备与信息技术研究所，陕西 西安 710086)

无人机在森林防火灭火中具有机动快速、成本低廉、载荷多样、维护操作简单等独特优势，可实现全天候火情监测、火场态势实时监控、远距离中继通信和辅助应急救援等功能。针对无人机在森林防火应用中存在的诸多问题，提出从标准体系、装备体系、保障体系3个方面对无人机力量进行加强和深化的建议，为无人机在防火灭火中的应用提供借鉴，为推进森林部队装备信息化进程提供有力支撑。

无人机；防火灭火；军民融合；体系发展

近年来，随着无人机系统相关的平台、链路、遥感、数据应用等技术相对成熟，无人机作为一种高新技术装备开始在森林防火灭火任务中崭露头角。通过空中巡逻侦察、火场态势实时回传等途径，无人机可为指挥员提供全面、实时、准确的火场信息，为正确决策和兵力部署提供科学可靠的数据支持[1]。深入研究无人机在国内外森林防火灭火中的运用形式、存在问题及发展对策，对于构建无人机防火灭火作战体系，推进森林部队装备信息化建设进程具有十分重要的现实意义。

1 无人机在森林防火灭火中的应用现状

森林火灾具有突发性、蔓延快、危害程度高等特点，早期监测和及时控制成为预防火灾和有效扑救的关键[2]。现有的森林火灾监测技术主要包括地面及近地面监测、航空监测、雷达监测、卫星遥感联合地理信息系统监测和无线传感器网络技术等[3]。森林灭火手段主要有直接扑打法、风力灭火法、化学药剂灭火法、水灭火法、爆炸灭火法等[4]。无人机作为一种新型的航空平台，因其机动快速、成本低廉、载荷多样、维护操作简单等优势，近年来在民用领域得到极大拓展，已成为现代林业监测和灭火手段的有力补充。

1.1 国外应用现状

国外有关无人机在森林防火灭火中应用研究的项目主要有欧盟的COMETS项目、欧洲的AWARE项目、美国的“牵牛星”项目和INFLAME项目[5]。其中COMETS项目是一个无人机多功能应用研究项目，包含利用无人机进行林区火灾检测、火场实时侦查等多方面的研究，通过不同摄像头所采集的林区检测图像、火场态势图等提取出重要的火灾特征，可为林区防火、灭火部队处置险情提供决策依据。欧洲的AWARE项目采用无人机和地面固定的烟火传感器组成火灾预警网络，可实现火焰烟气报警和林区火情实时监控。“牵牛星”(Altair)是由美国航空航天局(NASA)和通用原子能航空公司共同研发的远程高空无人机，可用来实现火灾探测和火山观测等[5-6]。美国航空航天局和美国林业局曾利用“牵牛星”无人机在2006年的加州森林大火上空巡航2次，使用机载红外灾害评估系统(AIRDAS)拍摄图像，通过图像和数据分析找出了主要的火灾点，为地面灭火人员提供了及时的探测信息。国外将无人机应用于森林防火等民用领域已十分普遍，整体上体现出无人机智能化程度高、配套设施完善、任务载荷小型多样化、火灾数据分析平台强大、监测精度高等特点。

1.2 国内应用现状

国内将无人机用于森林防火灭火相对滞后。2009年9月，中国无人机首次实现百里远程监控航拍试验成功[7]，2011年珠海开始使用无人机对林区进行空中火情探测巡航[8]，2012年6月森林部队首次采用无人机投入到山西晋中森林火灾扑救战斗中，2013年内蒙古大兴安岭林区开始运用我国自主研发的Z5型无人直升机进行巡航飞行和采集防火数据，这也是我国首款应用于林业防火系统的中型无人机[9]。同时，国内也已经出现商业化的无人机火灾监测技术公司，如广西桂林航龙科讯电子有限公司、武汉智能鸟公司相继开发出森林防火无人机系统[10]。森林部队也逐步将无人机纳入到当前的森林防火灭火作战体系中探索应用。2014年黑龙江森林总队在遂行任务能力评估中开始运用无人机完成火场侦查任务。2015年森林部队开始着手建设“林火应急无人机情报侦察与通信中继系统”，以高效完成林火监测、通信中继、灾后评估等工作。相比国外，我国利用无人机系统对森林火情进行监测反馈尚处于起始阶段，并受到无人机性能薄弱、机源及装备紧缺、配套设施和运行机制不健全等不利因素的制约，远不能满足实际工作需要。

2 无人机在森林防火灭火中的运用形式

相比载人飞行器，无人机的固有风险较小，使用成本较低，在民用领域得到广泛应用，在森林防火灭火中主要有全天候火情监测、火场态势实时监控、远距离中继通信、辅助应急救援等运用形式。

2.1 全天候火情监测

固定翼无人机通过加载高分辨率的可见光、红外摄像机等拍摄侦察设备，能按预定航迹执行林区空中巡查，将获取的影像资料实时传回地面监测站，监测站再通过网络将影像资料传给防火值班部门。对于影像资料上的可疑点和区域，利用遥控指令改变无人机的飞行航迹和高度进行详查，再将详查的影像资料结果实时传回地面，便于及时发现火情[11]。固定翼无人机飞行速度快、飞行距离远，通常可通过自主导航方式进行中距离火场侦查，但采集和传回的图像稳定性较差，质量不高。

2.2 火场态势实时监控

多轴旋翼无人侦察机配备彩色CCD任务载荷或红外探测器可在距地面800～2000 m高度对地面火场进行悬停观察，尤其当车辆和人员无法及时抵达预定侦察地点时，可利用无人机快速飞抵火灾现场，实时获取火场态势信息，为部队提供最佳行进路线[12]。同时可在无人机机身装备风向、风速仪等设备，采集火场全区域图像、大火燃烧程度、火场风向和风速等信息，辅助指挥员确定火灾范围、发展趋势和蔓延方向[13]。旋翼无人机主要用于近距离火场侦查，采集和传输的稳定性较好，但续航时间短，飞行距离近。

2.3 远距离中继通信

森林地理环境复杂，山高林密，信号容易被遮挡。利用无人机飞行平台搭载中继通信设备，可保证通信链路畅通[14]，利于快速搭建覆盖任务区域的指挥系统和通信系统，既可满足各级指挥员的火场信息需求，也可实现现场单兵携带Pad共享林火动态信息的功能。由于目前无人机搭载能力有限，适用于无人机机载的轻小型远距离图传、数传、语音中继设备技术还不完善，还需进一步研发和集成。

2.4 辅助应急救援

通过在无人机上集成航拍测绘模块，可对火灾现场的地形进行应急测绘，为灭火和救援提供有力支撑。同时可在无人机上集成语音、扩音模块传达指令，在火场复杂环境下实现空中呼喊和指令转达，及时通知灭火人员撤离危险地区以及提供撤离路径，并可利用无人机辅助抛绳或携带关键器材(救援绳、呼吸器等)，为救火人员开辟救生通道。

2.5 其他运用形式

目前无人机在森林防火灭火中运用最多的仍为火场侦查和情报搜集，但也有一些新的尝试，如运用无人机喷洒化学灭火剂形成阻火带灭火、在指挥人员的操控下发射灭火弹辅助灭火、携带增雨焰条进行人工增雨等。就当前的技术水平和运用手段来看，无人机与卫星遥感、载人飞机巡护、地面瞭望塔和人工巡逻防护等监测手段有效结合，形成空天地一体化综合监测网络仍是主要的发展趋势。

3 无人机在我国森林防火灭火中存在的主要问题

虽然无人机在森林防火灭火领域优势凸显，但在实战运用中，仍有很多问题不容忽视。

3.1 标准规范不健全

一是国家尚未建立权威的无人机研发和制造标准，无人机缺乏规范设计和生产。目前国内无人机生产企业都是依据各自的标准进行生产，数据格式和通信体制各异，系统化、模块化、可替换化水平低；二是林业部门和森林部队尚未形成专门应对森林火灾的无人机战技术指标体系，无人机研发定制缺乏依据。森林火灾环境复杂，对无人机的抗热性、适航性、低可探测性等性能提出了极高的要求，当前适合防火灭火任务的无人机种类有限，远不能满足任务需求。

3.2 应用体系不完善

一是载荷单一，难以为体系化运用提供支撑。目前受载重能力、通信能力的限制，无人机携带的任务载荷有限，难以实现载荷多样、功能融合；二是机型单一，难以满足多样化任务需求。当前在防火灭火中以微小型无人机运用为主，中型无人机数量很少，在飞行高度、飞行速度、飞行距离等方面难以满足实战要求；三是运行机制不健全，难以为体系化运用提供配套齐全的制度保障。无人机大量运用涉及应急申请出动、空域申报协调和组织指挥、风险评估、资格认证等诸多因素，在任务管理和协同配合等方面，还面临着许多困难。

3.3 技术水平比较薄弱

一是机械性能差。升降技术粗糙、抗风性能差、续航时间短、载荷能力有限等缺陷严重制约其运用推广；二是智能化水平低。现有无人机产品过多强调人工操控，对实时环境感知技术和飞行姿态自动控制算法研究不深，自身处理故障能力不强，可靠性差；三是数据处理能力弱。无人机在获取大量影像数据后的主要工作就是数据分析和处理，数据处理系统的影像快速拼接、空三加密、三维场景重建等功能还需进一步加强。

4 提高森林部队无人机防火灭火能力的几点对策

我国无人机系统在森林防火灭火方面的应用起步较晚，与发达国家还有很大差距。结合对森林部队装备建设现状和无人机实战运用情况的调研，认为加强和深化森林部队无人机防火灭火力量建设应做好以下3点。

4.1 建立具有森林部队特色的标准体系

一要注重需求牵引。应聚焦森林部队防火灭火的职能任务，针对不同任务类型、任务区域和任务特点，进行全面细致的需求分析，重点在续航时间、飞行高度、低可探测性、耐热性等指标上把关论证，做到需求明确、指标清晰、评估科学；二要强化顶层设计。重点从基础标准、遥感飞行平台标准、数传链路标准、地面站标准、遥感任务载荷标准、综合保障标准、遥感数据处理系统标准、安全运行管理系统标准、空域协调管理系统标准、遥感无人机人员培训标准10个方面进行统筹规划，逐步形成军民通用并具有森林部队特色的无人机标准体系。

4.2 建立先进适用、系统集成的装备体系

一要丰富机型，按编配齐。在无人机力量体系编成中，应根据任务性质和区域不同，结合任务现场地势地形、环境影响、气候条件等因素，从选型和配备上构建“低、中、高空与近、中、远程科学搭配，固定翼、多旋翼与油动、电动合理编成”的无人机装备体系；二要聚焦实战，体系运用。应根据实战要求，基于通用化飞行平台，建立光电/红外、多光谱、雷达、通信中继、地形测绘、磁力探测等任务设备的多样任务载荷体系，以适应多条件下的探测任务需求，并不断在常态化实战运用中检验性能、评估数据、反馈需求、提高效能。

4.3 建立军地一体、综合配套的保障体系

一要在保障方式上有突破。应打破军队、地方条块式的单一保障模式，建立起横向联动、系统整合的资源开发利用机制，根据“平时共建、战时共保、资源共享、互促共赢”的原则，实现无人机装备器材一体化联勤保障；二要在人才队伍培养上有创新。飞控人才是发挥无人机装备效能的关键因素，要逐渐摆脱单独依靠厂家培训指导的培养模式，走院校正规化培训的路子。可重点依托警种学院无人机实验室和训练基地对操控手、数据处理、日常维护等相关人员进行系统培训，并综合运用送出去学、请进来教、接装时训、岗位上练、比武中激等多种方式提高技能水平，逐步形成适应任务、专业过硬、形成梯次的飞控师人才队伍。

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Application Research of UAV in the Forest Fire Prevention

LIU Fu，QIN Jun

(EngineeringUniversityofCAPF，Xi′an710086，Shanxi，China)

The UAV has some unique advantages such as low cost，load diversity，simple maintenance operations in the forest fire prevention.The UAV can achieve all-weather fire monitoring，fire situation real-time monitoring，long-distance relay communication and auxiliary functions such as emergency rescue.But in actual combat，there are still many defects including unreasonable standards，imperfect application system，and weak technical level and so on.The article proposed to strengthen and deepen the UAV force building from standard system，equipment system and security system，in order to promote forest troop and equipment information process to provide strong support.

UAV；fire prevention；forces and civilian integration；system development

10.13428/j.cnki.fjlk.2016.04.047

2016-02-29

国家社科基金军事学项目(15GJ003-290)

刘福(1987—)，男，山东邹平人，武警工程大学装备与信息技术研究所硕士，从事装备信息化研究。E-mail：718259778@qq.com。

S762.6

A

1002-7351(2016)04-0220-04