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关于无人机在森林火灾 扑救指挥中的应用研究

2021-08-16
来源:中国安全生产 作者:福建省龙岩市森林消防支队 冯彬

 

   森林火灾多发生在地形复杂、坡陡林密的区域,火场面积大、烟雾浓,可能存在有毒有害气体,人员抵近勘察火场难度大、勘察区域小。无人机具有机动灵活、独特高空视野、可红外热成像勘察、可进入有毒有害区域、操作简单等特点,在用于火场信息勘察、辅助指挥决策、辅助灭火上有着天然的优势。近年来,笔者参与扑救福建、广东等地各类森林火灾100余起,结合自身经验探讨无人机在森林火灾扑救指挥中的应用。

 

无人机在森林火灾扑救指挥中的应用现状

 

  无人机包含固定翼无人机、旋翼无人机、无人飞艇、伞翼无人机、扑翼无人机等类型,多旋翼无人机在森林火灾扑救的应用中较为广泛,也是本文研究的主要对象。根据搭载物不同,无人机用途多样化,在森林火灾扑救指挥的应用中,主要用于航拍勘察(包含可见光和热成像)和辅助调度指挥,同时还可用于照明、喊话、空中中继通信信号、侦检、抛投灭火弹、喷射灭火剂、输送小型作战给养物资等。在航拍勘察用途时多搭载可见光相机、变焦相机、热成像相机等用来获取火场影像,通过图传系统传回地面站,进而通过通信系统传输至各级指挥所。除航拍勘察外,借助其作为参考物,可用于战斗员辨别位置和方向,进而辅助指挥决策。在森林火灾扑救中,中小型无人机使用较多。小型无人机起飞快,功能简单,续航时间较短,抗风性能较差,价格较便宜。中型无人机起飞慢,可搭载物多,功能全,抗风性能较好,价格较昂贵。无人机的发展是先在民用领域再到行业领域,后来才到森林消防这个特种领域,航拍等民用功能较成熟,森林火灾扑救所需的功能部分厂家虽有所研发,但还有待进一步发展和完善。

 

无人机在森林火灾扑救指挥中的应用分析

 

  森林消防指战员到达集结地域(多在山脚合适位置)后,指挥员通常与地方政府相关人员成立联合指挥所(下文简称“联指”)。指挥员通常使用单机迅速起飞对火场进行勘察,尽量俯视整个火场,勘察火点数量,火场面积大小,火线类型、形态、长度,火势大小,植被等火场要素,进而形成作战决心,完成任务部署和分工。但受镜头视角范围(约85°)和飞行高度的限制,难以对全部火场形成印象,需要沿火线飞行进行进一步勘察。飞行过程中会存在位置变动,镜头角度和方向不时转换,加上森林中无明显参照物,火线形态类似,夜间作战等因素,勘察时容易出现以下问题:勘察画面中火场方向不明,无法描述火线蔓延方向;勘察画面对应的火场位置混淆,跟卫星地图的实际位置对应不上;难以在一个画面中呈现整个火场,对整个火场的印象不准确、不直观。上述问题在面积大、烟雾较多、火线长、多火点、山体遮挡镜头的火场中时常出现,夜间尤为明显。而夜间温度低,风力小,通常是森林消防指战员扑打火线的黄金时期,笔者参与的灭火作战有80%以上发生在夜间。

  森林火灾扑救中,根据联指的任务分工部署,战斗员(为便于描述,统称直接扑救的指战员为战斗员)通常会在对火场形成初步印象后,携带装具徒步接近火线。接近火线途中,时常会面临没有路,地形复杂无法接近等情况,接近路线被迫更改。基于“不识庐山真面目,只缘身在此山中”的原因,战斗员容易出现不知道自身位置和方向的现象。随着火势蔓延,徒步接近火场的途中,火场形态也会随时变化。因此战斗员会出现不知道火线形态和位置,无法决定接近火线路线、无法决定火线突破口的情况。接近火线路线和火线突破位置的选择在灭火作战中尤为关键,选择不当会造成扑打内线火(火烧迹地中的残余火线,扑救意义不大)、从危险位置接近火线、扑救效率底下等情况,极端情况下还有可能造成人员伤亡。出现上述情况时,指挥员需借助无人机勘察等手段来辅助调度指挥。一是指挥员可利用勘察画面选择接近路线,直接指挥战斗员到达火场位置。二是以无人机作为参考物(夜间情况下,无人机需要携带航空灯),指挥员提供突破火线粗略位置。但由于树木和山体的遮挡,战斗员和无人机之间视线不可达,再加上夜间环境等因素,容易出现两个问题:指挥员不知道战斗员的位置;战斗员不知道无人机位置,或者借助无人机提供的火场位置混淆、不精确、不直观,进而无法高效、安全地灭火作战。

 

无人机在森林火灾扑救指挥中的解决方案

  

针对上述问题可采用以下方法解决。

  一是可在无人机勘察画面中影射方向标识来解决。

  二是可利用图像处理技术,将火场勘察的实时影像与卫星地图进行叠加,非实时影像予以缓存,实现实时影像图与卫星地形图二合一的方法来解决。

  三是可利用视频缓存制作火场全景(VR)的技术方案,但存在制作耗时长,影像画面非实时,观测角度单一,难以包含大面积火场等弊端。也可在利用无人机集群技术,根据镜头视角范围、火场面积大小、多方位角度的需要,同时部署多台无人机,将多个影像同时叠加在同一卫星地形图上,并在二合一图上对各无人机影像加以标识区分,同时保留各无人机单画面的输出能力的方案来解决。

  四是可采用红外成像、变焦放大等技术获知战斗员位置,但耗时长、难度大。在影像清晰度的提升上,尤其是夜间情况,IR-CUT(红外线滤减)技术能起到一定作用。

  五是夜间时,可利用无人机搭载激光镭射装置配合自动化指向云台,实时指引突破火线位置。白天时,可由战斗员携带小型无人机,快速起飞勘察的方式加以改进。可利用无人机搭载喊话器接近火场区域后,播放警报声音对战斗员予以提醒,但受声音传播距离等限制较多。

  此外,还可结合超短波数字通信技术,建立超短波数字通信指挥系统,将战斗员(需携带超短波终端)位置传送回联指,形成实时人员位置图,并利用图像处理技术叠加在二合一地图之上,实现三图合一,直观便利地解决上述所有问题。

  上述三图合一的解决方案建立在无人机飞控技术,镜头稳定防抖技术、精密云台技术、定位精度和计算机硬件技术的基础上,其中的关键核心技术还有待突破。此外,火场多会产生小气候,如强气流、带电气团等复杂气象和电磁环境,无人机的防风性能和控制系统、图传系统的抗干扰能力有待进一步提升。

  森林消防队伍作为应急救援的主力军、国家队,承担着防范化解重大安全风险,应对处置各类灾害事故,维护人民群众生命财产安全,维护社会稳定的职责使命。信息化是指挥能力建设中的关键要素,无人机等新手段应用于火场勘察有着巨大的发展空间,随着人工智能、物联网等新技术的发展,将开辟灭火作战指挥的新局面。


【责任编辑:cheng】