森林航空消防火场侦察系统设计与实现

徐健楠,彭玲莉,赵宏江,慕晓炜,涂 琼,姚 锐,邹全程,3

(1.国家林业和草原局调查规划设计院,北京 100714；2.应急管理部北方航空护林总站,哈尔滨 150027；3.东北林业大学 林学院,哈尔滨 150040)

森林火灾是全球性重要森林灾害之一,它分布广、发生频度高,破坏森林资源,干扰人民正常生活秩序,造成全球性环境污染[1]。在我国,森林火灾是一种破坏性极强的严重自然灾害[2]。森林防火工作是以保护森林资源、维护生态安全、促进社会和谐稳定为主的一项社会公益性事业,在我国生态文明建设中尤为重要[3-5]。森林航空消防火场侦察系统主要用于发生重、特大森林火灾时,国家森林防火指挥部赴火场工作组能够迅速到达火灾发生地,及时建立起国家级扑火前指和通信中心,利用车载装备和指挥系统对火场情况进行分析和研判,制定科学、有效、可行的扑救方案[6]。通信中心承担扑火前指作战指挥调度以及与国家森林防火指挥中心的语音、数据和图像传输,保证指挥扑救命令和信息的顺利送达[7]。

目前,我国森林航空消防火场侦察技术处于起步阶段,基本上以人工操作为主,飞行观察员靠肉眼观察、经验估算、手工勾绘火场[8]。此方法缺点明显,首先是对观察员业务水平要求高,标绘成果共享性差,无法迅速大量地为地面指挥提供火场态势信息,与地面扑火队伍形成有效配合[9-12]；其次是在特殊火场环境条件下侦察技术和手段有限；第三是面对新的发展形势,在火场应急指挥通信方面存在诸多不足[13]。北方航空护林系统有一个总站和17个航空护林站(点),分别设在黑龙江省的嫩江、加格达奇、塔河、黑河、伊春、牡丹江、佳木斯、幸福、东方红；内蒙古自治区的根河、海拉尔、扎兰屯、乌兰浩特、满归、五岔沟；吉林省的敦化、长白山(国家森林防火机构改革前)。每年3月上旬开始春季森林航空消防工作,经过夏航至11月上旬秋航结束,历时250天左右[14]。主要执行空中巡护报警、侦察火场、空中指挥扑火、机降灭火、机群航化灭火、索(滑)降灭火、空中宣传防火、火场急救、火场调查等航空护林任务。巡护期间累计租用军、民航飞机140余架次,巡护航线52条,2.1万km,飞机巡护面积59万km2,飞机巡护范围包括大、小兴安岭和张广才岭、完达山、长白山、阿尔山林区[15-17]。近年来,随着新技术、新理论的不断发展和更新,应急管理部北方航空护林总站(原国家林业局北方航空护林总站)原有通信指挥系统不能满足新形势下对火场通信及指挥功能的要求[18],需要更新火场指挥通信系统。装备更为先进的火场侦察标绘仪,图传等设备,以便实时将火场空中观察的火情和前指的扑救指挥情况及时传送到国家森防指,实现森林航空消防火场侦察从经验性向科学性的转变[19-21]。

1 系统功能

1) 车辆车体功能。用于装载和固定通信设备,同时可在车内召开前指扑火人员和国家森林防火指挥部以及系统使用单位的视频会议,协同指挥。

2) 图像采集、传输、处理功能。包括车顶(内)摄像机、便携摄像机、画面分割器、电脑控制数字钟、语音功放、调音台、麦克和电话、电台录音卡,以及图像采集卡等,用于对火场现场采集到的多路音视频信息源进行数字化记录便于事后分析,并可把音视频信息源通过卫星手段传回,通过大屏幕显示、回放及切换等。

3) 通信保障功能。一是车载通信终端设备,可在公众无线通信覆盖的范围内实现汽车行进中和停泊中话音通信,并可进行无线数据传真和登录互联网。二是VSAT小站卫星通信系统,可快速与“全国森林防火VSAT卫星通信网”联接,用于前指与国家、省防火办之间通信。可进行1路电话/传真,1路高清视频会议(双向)图像,1路高速IP数据的传输。利用该通信手段可将机载拍摄和地面拍摄的火灾现场图像通过卫星信道准实时的传输到国家森林防火指挥部、北方航空护林总站和扑火前指。同时,可实现通过主卫星站的电话交换,直接拨打全国电话,利用卫星无线接入互联网,进行数据、文件及卫星云图的上传和下载等。三是海事卫星通信终端设备与VSAT小站卫星通信互为备份,为火场信息传输到扑火前指、北航总站、国家森防指提供双重通信保障。通信车具有无线专网、公网、无线多媒体信息传输等多种通信手段(互为备份),确保在任何时间、地点以及任何恶劣环境下都能与后方指挥中心保持稳定、可靠、实时的话音、数据和图像联络。

4) 扑火前指飞行指挥功能。当发生重特大火灾时,在小空域内同时作业的飞机数量明显增加,功能设计满足对作业飞机实时跟踪定位、现场指挥、提供气象保障和安全告警等。

5) 现场办公功能。实现日常图形文字处理及打印、编辑、备份、刻录、扫描、传真等火灾现场办公功能,具备组建现场不少于15人局域网功能。配备视频会议系统,供指挥人员现场指挥和会议。

6) 辅助保障功能。包括发电机、蓄电池、UPS不间断电源、直流电源及辅助设备等组成,支持单相供电方式。

7) 车辆安全监控功能。车辆集中控制系统对整车状态自动监控,对车内电流、电压、电瓶电量实时显示,通过能力良好,避震能力<0.5g/60km。

8) 卫星电视接收功能。在综合通信指挥车上配置卫星电视接收天线和模块,便于在火场前指及时掌握最新资讯和公众反映。

9) 数据共享功能。综合通信指挥车和通信车可分别使用,也可相互配合使用,两者可通过卫星、无线、超短波频段等进行数据共享和传递。

10) 指挥功能。专为大型综合通信指挥车设计的单机C/S架构的移动前指辅助决策系统软件,与森林防火信息系统(含地理信息)、国家森林防火信息系统(含地理信息)共享数据,实现协同指挥。

11) 火场侦察功能。通过引进航空摄影及航空测绘应用技术,提升航护飞机的火情侦察、火场信息采集等综合通信和空中指挥能力,提高森林航空消防效率,缩短灭火扑救时间,提升空中侦察、吊桶灭火、索滑降、机降等技战术水平。

2 系统设计

2.1 火场侦察信息采集传输系统

对火场的整体态势和社会特征做出展现,既可用于小火巡护监测,也可用作大火动态监测,采集的火场视频等信息实时传输到地面综合通信指挥车或通信车,可为前指和国家森防指指挥员及时制定林火扑救方案提供支撑。

该系统以满足国家高清图像采集和及时传输为要求,包括图像采集传输系统(数码摄像机、数码照相机)、机载无线图传中继系统(在1 600m高空,传输距离不小于60km)、BGAN卫星系统(静中通)、笔记本电脑、网络交换机等。

2.2 地面火场指挥通信系统

包括大型综合通信指挥车、小型通信车各1辆,两者既可单独建立火场前指信息采集传输体系,又可以联合组建,互为补充,实现发生重、特大森林火灾时,赴火场工作组能迅速奔赴火灾发生地区。在火场与国家森防指之间迅速搭建起稳定的语音、数据和图像传输通信网络,实现扑火前指和后方指挥中心的一体化,确保国家森防指及时获取火场最新信息,保证森林火灾扑救工作顺利开展。

1) 综合通信指挥车。综合通信指挥车设计核心是火场通信和指挥扑救的综合应用,要求卫星通信系统、火场信息采集及显示系统、中控系统、音响系统、计算机网络系统(办公及会议)、辅助保障(配电、照明、警示灯)、车辆改装等均围绕此展开。

车辆构成共分5部分:一是通信系统,包括VSAT卫星车载站、海事卫星系统(动中通)、北斗/GPS定位导航系统、铱星电话、车载媒体指挥调度平台、GC网一体终端、航空短波电台、北斗飞行跟踪系统(指挥机及机载终端)、航空调度及火场前指辅助决策系统、航空超短波电台、数字超短波中继台、数字超短波车载台、数字超短波手持机、手持航空对讲机、频谱仪、无线集团电话、12m气动升降杆。二是火场信息采集及传输处理系统,包括车顶高清摄像机、车内高清摄像机、云台(包括控制器)、单兵图像采集设备、高清无线图像传输系统(含1个单兵发射、1个机载发射及1套双路图像接收系统)、公共卫星电视接收系统、六要素气象仪等；三是扑火指挥系统；四是运行保障系统；五是车辆改装。

2) 通信车。通信车是火场重要指挥人员或火场应急工作小组外出时了解和掌握火场实时发展状况、进行应急决策和指挥的重要平台。具备以下功能:一是卫星通讯,快速建立火灾现场与后方指挥中心的链路联系,保证现场图像、视频等实时传递；二是通过蜂窝移动通信或海事卫星通信与相关应急平台连通,具备接收和发送信息功能；三是使用多种设备采集和上传火灾现场图片、音视频等信息；四是多现场采集的多媒体信息进行分类、编辑并生成报告,上传至指挥中心；五是接收飞机图传系统传输的火场信息；六是具备航管指挥、气象保障、定位服务能力,以及无线通话和调度,并能作为移动中继。

2.3 火场态势图制作

满足实时、准确勾绘火场态势图,为各级指挥员决策提供依据,装载最新国家标准比例地形图的火场态势图处理设备,结合成图、成像软件升级。包括笔记本电脑、便携式打印机、大幅面打印机、应用软件等。配套远距离高清无线图像传输系统,实现航护飞机与地面以及通信指挥车之间的高清视频图像传输,同时具有双向语音调度和数据传输功能,便于后方指挥中心以及通信指挥车、森林航空消防飞机的可视调度。

2.4 火情侦察综合系统升级

该系统是飞行观察员必备工具,升级后的航空侦察标绘系统依托移动平台,利用硬件设备提供的多种功能(如移动通信网络、全球定位传感器等),以触摸为主要输入方式,兼顾轻便、稳定,提供绘制火场态势信息,火场拍照、火场录像、火场定位等主要功能(图1)。包括航空侦察标绘升级、火情侦察综合系统升级、火情侦察综合信息处理工作站等。

图1 火情侦察综合系统功能示意图Fig.1 Function diagram of fire reconnaissance integrated system

2.5 基地卫星接收系统

满足火场接收综合指挥通信车和通信车传输的火场信息,卫星应急通信系统主要由1个固定站和1个(或多个)移动站组成,其中固定站作为总站通信中心。固定站可以与地面火场指挥通信系统实时互联,以及由固定站进入森林防火卫星应急专网,固定站和通信车也可作为已有地面链路备份链路。采用星状网方式,借用覆盖中国大陆全境的亚洲四号卫星服务平台使本网系统建设投入最小,建设时间最短,费用最低。系统传输平台选用DVB-RCS兼容系统,卫星固定站和移动车载站,通过空间卫星链路组建基于IP的双向宽带网络。

3 系统应用试验

作为森林航空消防火场侦察系统的使用单位北方航空护林总站,于2017年3月对系统中最为重要的综合通信指挥车和通信车进行了正式投入使用后的首次火场综合通信实战演练。其中,仅2017年综合通信指挥车行驶里程近2万km,在黑龙江沾河、伊春、漠河完成了3次测试演练,并于内蒙古毕拉河林业局“5·02”和陈巴尔虎旗那吉林场“5·17”2起特大森林火灾中,在火场一线,与国家森防指建立卫星通信链路,进行实时高清视频通信,搭建多媒体办公平台,实现了扑火前指和后方指挥中心的一体化[22]。

4 结语

由于我国东北重点林区地处偏远,公共通信网难以覆盖,目前超短波通信网标准不统一,尚未实现互联互通。加之各地方普遍缺乏通信指挥车,火场机动通信保障能力不强,难以满足扑火工作需要,也制约了森林航空消防作用的充分发挥。森林航空消防火场侦察系统的设计其在功能集成上实现多项突破,但综合应急处置能力仍有待提升。

1) 分布式调度指挥。依托于卫星网络,两型通信车、后方指挥中心通过分布式部署单独的指挥调度系统,任何一辆车单独工作或相互间及与指挥中心三者的协同使用均互不影响,有效避免单点故障失效而造成整体系统崩溃的隐患,可靠性高、统一管理性强。利用卫星通信专用飞机进行空中侦察,并向综合通信指挥车及后方指挥中枢实时传输火场实况,有效提高应急指挥调度效率。

2) 飞机跟踪定位和远距离高清图传。可迅速建立起前指与国家森林防火指挥中心、林草专网、总站调度指挥室的视频联系,利用北斗卫星跟踪系统和地理信息系统对指挥机进行实时定位,通过无线图像传输系统实时回传火场图像、语音,实现了多方视频会议会商、实时图像数据传输、飞机跟踪定位等。

3) 新型融合调度指挥平台。具有语音通信、卫星视频会议、火灾现场信息采集、通信中继、现场指挥、火情侦察、图像传输等功能,并且机动灵活,能及时到达重、特大森林火灾现场。

4) 综合应急处置能力有待提升。通过本系统建设,北方航空护林系统航空消防机动灭火能力、火场侦查能力和综合保障能力得到提高,有效提升了综合协调、保障和服务水平,但还存在航空护林覆盖范围不够、地面保障能力不强等问题。下一步工作重点是对机载火场信息采集传输系统、火场态势图制作设备和图像采集设备进行更新,对空中火情侦查标绘仪、基地卫星接收系统等进行升级改造,进一步完善操作、管理及维护规范。逐步实现运行机制由防救分治向防中有救、救中有防转变；工作重心由重救轻防向关口前移、源头管控转变；治理方式由简单粗放向科技引领、依法严管转变；防控手段由传统模式向信息主导、多维并举转变；扑救行动由人力为主向空地一体、立体作战转变。