徐建輝

森林消防遂行滅火任務(wù)地域大多山高、坡陡、林密，面臨挑戰(zhàn)多、難度大。無人直升機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，可作為森林航空消防的增援力量，承擔(dān)火情偵察、通信中繼、輔助救援、日常巡護(hù)、災(zāi)后評估等多種任務(wù)，提高綜合滅火效益。

森林火災(zāi)一直是世界難題，我國每年都發(fā)生森林大火，給人民的生命財(cái)產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境造成重大損失。森林消防作為和平年代最危險(xiǎn)的職業(yè)之一，受到人們廣泛的關(guān)注，如何高效地完成滅火任務(wù)，減少人員傷亡，成為森林消防的重中之重。森林航空消防，具有響應(yīng)速度快、機(jī)動能力強(qiáng)、救援范圍廣、救援效果好的特點(diǎn)，在森林火災(zāi)撲救中發(fā)揮了不可替代的作用。目前，我國裝備了一批救援用直升機(jī)，包括直-8、卡-32、AC313和米-26型直升機(jī)，有效地減少了災(zāi)害損失，但數(shù)量總體較少、覆蓋范圍有限，往往一架直升機(jī)同時(shí)承擔(dān)著林區(qū)巡護(hù)、火場偵察、兵力運(yùn)送、吊桶滅火等多種任務(wù)，火情偵察與火場撲救不能同時(shí)兼顧。無人直升機(jī)具有垂直起降、低空懸停、無人員損傷、使用維護(hù)成本低等特點(diǎn)，在森林火災(zāi)監(jiān)測及指揮救援等方面有獨(dú)特的優(yōu)勢，能有效提高滅火效益，充分發(fā)揮森林消防空中優(yōu)勢。

無人直升機(jī)特點(diǎn)及優(yōu)勢

全自動、無人化

無人直升機(jī)具備一鍵自主起降、自動航線飛行能力，操作簡單，不需飛行員持續(xù)操控，可長時(shí)間執(zhí)行枯燥乏味、污染危險(xiǎn)等惡劣飛行任務(wù)，不受人員生理?xiàng)l件限制，大大降低操控人員培訓(xùn)、使用門檻，使裝備大批量部署應(yīng)用提供了有利條件。在現(xiàn)有航空護(hù)林裝備體系中，無人直升機(jī)可承擔(dān)夜間作業(yè)任務(wù)，彌補(bǔ)一線部隊(duì)夜間作業(yè)保障、火情監(jiān)控的不足。

垂直起降、無起降場地限制

無人直升機(jī)不需要專用跑道和起降輔助設(shè)備設(shè)施，可在地形復(fù)雜、人跡罕至、高原等地區(qū)快速起降，執(zhí)行任務(wù)。實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中，在森林丘陵地帶，利用駐防場站、各級公路、林區(qū)直升機(jī)起降坪等，實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)的機(jī)動部署，快速形成全域覆蓋的保障能力。

懸停、低速飛行

無人直升機(jī)具有持續(xù)懸停、空中凝視的能力，可在指定區(qū)域持續(xù)長時(shí)間定點(diǎn)、低速搜索偵察，對于偏遠(yuǎn)林火的早期發(fā)現(xiàn)、重大森林火災(zāi)現(xiàn)場的各種動態(tài)信息的實(shí)時(shí)獲取、人員搜救支援等具有明顯優(yōu)勢。

大載重、長航時(shí)

無人直升機(jī)相較多旋翼飛行器，具有明顯的載重和航時(shí)優(yōu)勢。使同時(shí)搭載光電偵察設(shè)備、通信中繼設(shè)備、支援物資、搜救設(shè)備等多種任務(wù)載荷成為可能，通過裝備的合理配置，可實(shí)現(xiàn)全天候、不間斷執(zhí)行任務(wù)，有效保障滅火作戰(zhàn)的實(shí)施。

應(yīng)用場景分析

火情偵察

目前，森林滅火作戰(zhàn)中火情信息主要依托有人機(jī)搭載空中觀察員進(jìn)入火場上空記錄后上報(bào)，主要包括火場風(fēng)力、風(fēng)速、風(fēng)向、火場形狀、周長、過火面積等，無直觀的圖像、視頻信息;其次，有人機(jī)受油量、氣象條件、火場環(huán)境等限制，不能長時(shí)間留空，觀察員無法全面、細(xì)致的掌握現(xiàn)場情況，尤其是夜間，更加難以保證有人機(jī)出勤率，造成火情信息獲取不足，影響前方指揮決策。

無人直升機(jī)通過搭載可見光、紅外偵察等設(shè)備，可晝夜實(shí)施火場偵察任務(wù)，規(guī)避人員傷亡的同時(shí)實(shí)時(shí)回傳火場畫面和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，第一時(shí)間生成火場地理坐標(biāo)、過火面積、火場蔓延趨勢等火場態(tài)勢信息，便于各級指揮部及時(shí)掌握動態(tài)災(zāi)害情況，從而作出快速、準(zhǔn)確的決策，指揮有人機(jī)和地面撲火力量的空地配合，綜合提高撲火效益。

通信中繼

森林消防任務(wù)地域環(huán)境惡劣，公網(wǎng)通信資源極其匱乏，火場指揮通信主要以臨時(shí)組網(wǎng)方式實(shí)施應(yīng)急通信。目前，一線部隊(duì)依托超短波、北斗、衛(wèi)星電話、短波等手段，與前方指揮所組成火場內(nèi)部通信網(wǎng)，主要以語音通信為主。受自然環(huán)境和裝備限制，語音通信無法全地域覆蓋，部分地區(qū)存有通信盲區(qū)，“聯(lián)不上、聽不清、看不見”的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，造成火情偵察和信息傳遞不及時(shí)，影響了各級指揮員決策。

依托無人直升機(jī)搭載寬帶自組網(wǎng)、超短波語音中繼等通信設(shè)備，作為空中信息節(jié)點(diǎn)，在大區(qū)域范圍、復(fù)雜地形、惡劣自然環(huán)境條件下有效拓展任務(wù)部隊(duì)的通信距離，大幅度減少通信盲區(qū)，確保一線作戰(zhàn)部隊(duì)與前方指揮所的音視頻互通，打通自下而上的指揮通信鏈路。

輔助救援

無人直升機(jī)通過靈活配置關(guān)鍵器材裝備，能夠?yàn)槎喾N情況下救援提供幫助。一是攜帶雷達(dá)、生命探測儀、GPS定位等搜救設(shè)備，在道路阻斷、能見度差等惡劣條件下，執(zhí)行大范圍失蹤人員搜索、救援目標(biāo)確認(rèn)等;二是搭載投送裝置，精準(zhǔn)拋投救生繩、呼吸罩、急救藥品等支援物資，幫助被困人員進(jìn)行自救或快速逃離現(xiàn)場;三是配備照明設(shè)備，在夜間為地面人員作業(yè)提供照明保障、位置引導(dǎo)。

日常巡護(hù)

森林火災(zāi)因地理位置分散偏僻，發(fā)生之初通常很難發(fā)現(xiàn)，若能及時(shí)監(jiān)測到林火的發(fā)生，將火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)，搶占滅火先機(jī)，就能大大降低損失，因此，森林日常巡護(hù)意義重大。無人直升機(jī)通過攜帶可見光、紅外偵察設(shè)備，可進(jìn)行大范圍的日常巡護(hù)任務(wù)，取代原本有人直升機(jī)或幾組地面人員的工作，降低使用成本。

災(zāi)后評估

火災(zāi)撲滅后，利用無人直升機(jī)集成航攝儀、激光雷達(dá)、多光譜相機(jī)等，可對災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行空中高精度航測，為災(zāi)后評估提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在暗火，有效防止火災(zāi)復(fù)燃，提高應(yīng)急救援效率。

關(guān)鍵技術(shù)

自主控制技術(shù)

無人直升機(jī)系統(tǒng)主要依靠系統(tǒng)自身的感知、處理和運(yùn)行能力實(shí)現(xiàn)自主控制，主要包括自適應(yīng)高帶寬控制、自適應(yīng)狀態(tài)反饋控制、偽控制Hedging自適應(yīng)控制、輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制及智能控制技術(shù)等。其中，智能控制技術(shù)通過智能化手段完成森林消防作業(yè)中的信息融合、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)計(jì)劃和任務(wù)控制等，能夠大幅度降低人機(jī)交互負(fù)荷和作戰(zhàn)保障需求，提高無人直升機(jī)系統(tǒng)對復(fù)雜森林環(huán)境的主動適應(yīng)能力，是旋翼無人機(jī)飛行控制技術(shù)發(fā)展的重要方向。

復(fù)雜條件高適應(yīng)性設(shè)計(jì)技術(shù)

森林滅火地處山岳、高原、雨林等復(fù)雜地形，根據(jù)既定任務(wù)，結(jié)合環(huán)境限制與飛行約束條件，快速生成最優(yōu)參考路徑，為滅火指揮作戰(zhàn)及救援爭取時(shí)間尤為關(guān)鍵。其次，根據(jù)飛行過程中遇到的突發(fā)情況，如地形、氣象變化、未知限飛因素等，局部動態(tài)地調(diào)整飛行路徑或指點(diǎn)飛行、指點(diǎn)盤旋等動作任務(wù)，保證飛行安全。針對著火林場上空的紊亂氣流，需要考慮如何增強(qiáng)無人直升機(jī)在突變氣流下的抗風(fēng)擾動控制，重點(diǎn)研究內(nèi)環(huán)控制律以及從風(fēng)的高/中/低頻特性角度開展控制器設(shè)計(jì)。

多機(jī)協(xié)同測控技術(shù)

森林防護(hù)方面，為減小森林大面積偵察搜索和滅火時(shí)間、實(shí)時(shí)偵測火勢信息、減小山體通信遮擋影響、降低運(yùn)營成本，可采用一站多機(jī)、多機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)模式，其中涉及到協(xié)同搜索、協(xié)同定位、有人/無人協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，其需要多機(jī)保持一定的位置關(guān)系，并且需要一定的時(shí)間約束，如每架機(jī)到達(dá)防護(hù)區(qū)域的時(shí)間控制等。這些應(yīng)用需要在地面控制站或有人機(jī)載控制站進(jìn)行精確和快速的任務(wù)規(guī)劃，并進(jìn)行沖突檢測和任務(wù)推演，實(shí)現(xiàn)有人/無人協(xié)同控制，多機(jī)任務(wù)規(guī)劃是一個多約束多目標(biāo)優(yōu)化問題，求解問題模型的建立和算法關(guān)系到問題的快速和優(yōu)化解決，是多機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵。結(jié)語

無人直升機(jī)在森林消防應(yīng)用優(yōu)勢明顯，可作為航空消防力量的有力補(bǔ)充，彌補(bǔ)現(xiàn)森林航空裝備數(shù)量少、機(jī)種單一等不足。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)與5G通信等先進(jìn)技術(shù)在無人直升機(jī)上的應(yīng)用，國家應(yīng)急救援體系的完善，無人直升機(jī)在林業(yè)火災(zāi)的監(jiān)測、撲救、災(zāi)后評估等領(lǐng)域的重要性將愈加凸顯，產(chǎn)業(yè)前景廣闊。