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關于無人機在森林火災 撲救指揮中的應用研究

2021-08-16
來源:中國安全生產 作者:福建省龍巖市森林消防支隊 馮彬

 

   森林火災多發生在地形復雜、坡陡林密的區域,火場面積大、煙霧濃,可能存在有毒有害氣體,人員抵近勘察火場難度大、勘察區域小。無人機具有機動靈活、獨特高空視野、可紅外熱成像勘察、可進入有毒有害區域、操作簡單等特點,在用于火場信息勘察、輔助指揮決策、輔助滅火上有著天然的優勢。近年來,筆者參與撲救福建、廣東等地各類森林火災100余起,結合自身經驗探討無人機在森林火災撲救指揮中的應用。

 

無人機在森林火災撲救指揮中的應用現狀

 

  無人機包含固定翼無人機、旋翼無人機、無人飛艇、傘翼無人機、撲翼無人機等類型,多旋翼無人機在森林火災撲救的應用中較為廣泛,也是本文研究的主要對象。根據搭載物不同,無人機用途多樣化,在森林火災撲救指揮的應用中,主要用于航拍勘察(包含可見光和熱成像)和輔助調度指揮,同時還可用于照明、喊話、空中中繼通信信號、偵檢、拋投滅火彈、噴射滅火劑、輸送小型作戰給養物資等。在航拍勘察用途時多搭載可見光相機、變焦相機、熱成像相機等用來獲取火場影像,通過圖傳系統傳回地面站,進而通過通信系統傳輸至各級指揮所。除航拍勘察外,借助其作為參考物,可用于戰斗員辨別位置和方向,進而輔助指揮決策。在森林火災撲救中,中小型無人機使用較多。小型無人機起飛快,功能簡單,續航時間較短,抗風性能較差,價格較便宜。中型無人機起飛慢,可搭載物多,功能全,抗風性能較好,價格較昂貴。無人機的發展是先在民用領域再到行業領域,后來才到森林消防這個特種領域,航拍等民用功能較成熟,森林火災撲救所需的功能部分廠家雖有所研發,但還有待進一步發展和完善。

 

無人機在森林火災撲救指揮中的應用分析

 

  森林消防指戰員到達集結地域(多在山腳合適位置)后,指揮員通常與地方政府相關人員成立聯合指揮所(下文簡稱“聯指”)。指揮員通常使用單機迅速起飛對火場進行勘察,盡量俯視整個火場,勘察火點數量,火場面積大小,火線類型、形態、長度,火勢大小,植被等火場要素,進而形成作戰決心,完成任務部署和分工。但受鏡頭視角范圍(約85°)和飛行高度的限制,難以對全部火場形成印象,需要沿火線飛行進行進一步勘察。飛行過程中會存在位置變動,鏡頭角度和方向不時轉換,加上森林中無明顯參照物,火線形態類似,夜間作戰等因素,勘察時容易出現以下問題:勘察畫面中火場方向不明,無法描述火線蔓延方向;勘察畫面對應的火場位置混淆,跟衛星地圖的實際位置對應不上;難以在一個畫面中呈現整個火場,對整個火場的印象不準確、不直觀。上述問題在面積大、煙霧較多、火線長、多火點、山體遮擋鏡頭的火場中時常出現,夜間尤為明顯。而夜間溫度低,風力小,通常是森林消防指戰員撲打火線的黃金時期,筆者參與的滅火作戰有80%以上發生在夜間。

  森林火災撲救中,根據聯指的任務分工部署,戰斗員(為便于描述,統稱直接撲救的指戰員為戰斗員)通常會在對火場形成初步印象后,攜帶裝具徒步接近火線。接近火線途中,時常會面臨沒有路,地形復雜無法接近等情況,接近路線被迫更改?;凇安蛔R廬山真面目,只緣身在此山中”的原因,戰斗員容易出現不知道自身位置和方向的現象。隨著火勢蔓延,徒步接近火場的途中,火場形態也會隨時變化。因此戰斗員會出現不知道火線形態和位置,無法決定接近火線路線、無法決定火線突破口的情況。接近火線路線和火線突破位置的選擇在滅火作戰中尤為關鍵,選擇不當會造成撲打內線火(火燒跡地中的殘余火線,撲救意義不大)、從危險位置接近火線、撲救效率底下等情況,極端情況下還有可能造成人員傷亡。出現上述情況時,指揮員需借助無人機勘察等手段來輔助調度指揮。一是指揮員可利用勘察畫面選擇接近路線,直接指揮戰斗員到達火場位置。二是以無人機作為參考物(夜間情況下,無人機需要攜帶航空燈),指揮員提供突破火線粗略位置。但由于樹木和山體的遮擋,戰斗員和無人機之間視線不可達,再加上夜間環境等因素,容易出現兩個問題:指揮員不知道戰斗員的位置;戰斗員不知道無人機位置,或者借助無人機提供的火場位置混淆、不精確、不直觀,進而無法高效、安全地滅火作戰。

 

無人機在森林火災撲救指揮中的解決方案

  

針對上述問題可采用以下方法解決。

  一是可在無人機勘察畫面中影射方向標識來解決。

  二是可利用圖像處理技術,將火場勘察的實時影像與衛星地圖進行疊加,非實時影像予以緩存,實現實時影像圖與衛星地形圖二合一的方法來解決。

  三是可利用視頻緩存制作火場全景(VR)的技術方案,但存在制作耗時長,影像畫面非實時,觀測角度單一,難以包含大面積火場等弊端。也可在利用無人機集群技術,根據鏡頭視角范圍、火場面積大小、多方位角度的需要,同時部署多臺無人機,將多個影像同時疊加在同一衛星地形圖上,并在二合一圖上對各無人機影像加以標識區分,同時保留各無人機單畫面的輸出能力的方案來解決。

  四是可采用紅外成像、變焦放大等技術獲知戰斗員位置,但耗時長、難度大。在影像清晰度的提升上,尤其是夜間情況,IR-CUT(紅外線濾減)技術能起到一定作用。

  五是夜間時,可利用無人機搭載激光鐳射裝置配合自動化指向云臺,實時指引突破火線位置。白天時,可由戰斗員攜帶小型無人機,快速起飛勘察的方式加以改進??衫脽o人機搭載喊話器接近火場區域后,播放警報聲音對戰斗員予以提醒,但受聲音傳播距離等限制較多。

  此外,還可結合超短波數字通信技術,建立超短波數字通信指揮系統,將戰斗員(需攜帶超短波終端)位置傳送回聯指,形成實時人員位置圖,并利用圖像處理技術疊加在二合一地圖之上,實現三圖合一,直觀便利地解決上述所有問題。

  上述三圖合一的解決方案建立在無人機飛控技術,鏡頭穩定防抖技術、精密云臺技術、定位精度和計算機硬件技術的基礎上,其中的關鍵核心技術還有待突破。此外,火場多會產生小氣候,如強氣流、帶電氣團等復雜氣象和電磁環境,無人機的防風性能和控制系統、圖傳系統的抗干擾能力有待進一步提升。

  森林消防隊伍作為應急救援的主力軍、國家隊,承擔著防范化解重大安全風險,應對處置各類災害事故,維護人民群眾生命財產安全,維護社會穩定的職責使命。信息化是指揮能力建設中的關鍵要素,無人機等新手段應用于火場勘察有著巨大的發展空間,隨著人工智能、物聯網等新技術的發展,將開辟滅火作戰指揮的新局面。


【責任編輯:cheng】
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