Эффективность лесного сектора и его вклад в валовый национальный продукт определяются, прежде всего, наличием лесных ресурсов и возможностью их промышленной эксплуатации. Российская Федерация обладает максимальными объемами лесных площадей среди десятка стран – лидеров лесного сектора. Однако само наличие лесных ресурсов является лишь необходимым, но не достаточным условием высокой доходности лесного сектора. Наряду с фактором обладания значительными лесными запасами, на современном этапе важнейшую роль играет качество лесопользования и лесоохраны, наличие современных средств и приемов комплексного рачительного использования природных богатств. Колоссальный ущерб для лесного комплекса, экономики страны и региональной и мировой экологической ситуации наносят лесные пожары.

Источник публикации и ссылка для цитирования – Использование широкополосного радиодоступа и технологий дистанционного мониторинга для обнаружения и управления тушением лесных пожаров / С. Н. Долматов, П. Г. Колесников, Д. Ю. Черников, В. Ф. Гарифулин // Хвойные бореальной зоны. – 2023. – Т. 41, № 1. – С. 24-32. – DOI 10.53374/1993-0135-2023-1-24-32

ЛЕСНЫЕ ПОЖАРЫ В ЦИФРАХ

Предварительный ущерб от лесных пожаров в 2021 г. в России составил 10,6 млрд руб. Этот год стал рекордным по площади, пройденной огнем. На землях лесного фонда возникло почти 15 тыс. лесных пожаров на площади свыше 10 млн га. По данным Рослесхоза, в 2019 г. ущерб составил более 13 млрд руб., в 2020 г. – порядка 11,5 млрд руб. [2].

Негативные последствия лесных пожаров затрагивают, как правило, таежную зону СФО и ДВО. Существенные площади лесных ресурсов Красноярского края гибнут в лесных пожарах, становятся ослабленными и интенсивно заселяются лесными вредителями. Согласно данным [3] основными причинами ослабления и гибели лесов за период с 2009 по 2018 гг. являлись лесные пожары и вредные организмы, площадь лесных массивов, поврежденных вследствие влияния указанных факторов, составила 84,7% (625 804,7 га) от общей площади поврежденных насаждений (738 601,1 га). За последние 9 лет наблюдений в Красноярском крае площадь поврежденных древостоев увеличилась более чем в 2 раза и составила 738 601,1 га. Средняя площадь погибших насаждений за период – 2009–2017 гг., составляет 32 406,9 га. Контрольные обследования 2017 г., проведенные в очагах повреждения, подтвердили необходимость проведения восстановительных мероприятий на площади 887,7 тыс. га. Основная причина гибели насаждений – лесные пожары. Колоссальные потери лесных территорий от воздействия лесных пожаров характеризуются повсеместным распространением очагов пожаров и сложностями их обнаружения и ликвидации, обусловленными удаленностью и малообжитостью региона, несовершенством средств лесного мониторинга и оперативного управления, отсутствием или труднопроходимостью дорог, малочисленностью профессиональных специалистов [4].

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ перспектив применения широкополосного доступа и технологий дистанционного зондирования Земли для обнаружения и управления тушением лесных пожаров.

Задачи исследования:

1. Оценить применимость технологий широкополосного радиодоступа и дистанционного зондирования Земли в интересах обнаружения и управления тушением лесных пожаров.

2. Провести анализ возможностей и представить результаты экспериментальных испытаний автономного передвижного комплекса управления тушением лесных пожаров (АПКТ).

Объектом исследования служили данные о горимости лесов России и Красноярского края, применяемых технологиях обнаружения и управления тушением лесных пожаров, данные федеральных и муниципальных систем контроля и мониторинга лесного хозяйства. Объектом исследования являлся автономный передвижной комплекс управления тушения лесных пожаров (АПКТ). Использовались источники, размещенные в свободном доступе. В качестве методов исследования использовались натурный эксперимент, анализ данных, метод обобщения, систематизации и построения гипотез.

ВОЗМОЖНОСТИ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Согласно [5] передовые системы обнаружения и ликвидации лесных пожаров в процессе своего развития требуют ряда современных решений и технологий, к которым можно отнести следующие:

1. Применение приборов для инструментального контроля состояния пожара и результатов тушения.

2. Автоматизация работы систем обнаружения пожаров и их интеграция с иными системами в рамках единой информационной среды.

3. Использование автоматизированных систем управления (АСУ) и систем поддержки принятия решений руководителем тушения лесного пожара.

Техническая реализация современных решений и средств обнаружения и ликвидации лесного пожара сопровождается постоянным и нарастающим темпом использования различных технологий, средств связи и доступа. Оперативное управление тушением лесного пожара возможно только при наличии устойчивого канала подачи и приема информации от центра управления тушением до непосредственного ликвидатора очага возгорания. Такой канал связи (КС) может быть реализован на основе использования средств сотовой связи общего пользования (СС) или при наличии канала специальной ведомственной связи (ВС). В том или ином случае ликвидатор лесного пожара должен находиться в зоне уверенного покрытия радиоволнами этих систем связи.

Системы сотовой связи получили широчайшее распространение и имеют такие преимущества, как доступность связи, низкие тарифы и возможность обеспечения абонентов средствами связи в виде сотовых телефонов стандартов 3 и 4G, LTE. СС системы преимущественно ориентированы на обеспечение доступного средства обмена информации неограниченного объема абонентов, т. е. массового сектора потребления. Поэтому традиционное расположение точек приема-передачи, базовых станций и ретрансляторов имеют прямую корреляционную связь с плотностью населения и фактическим и потенциальным платежеспособным спросом, имеющим тесную увязку с физическим наличием абонентов. На рис. 1 [6] изображен фрагмент карты покрытия сетями сотовой связи СФО. Исходя из данных зоны покрытия, можно сделать вывод, о том, что сотовая связь будет работать на расстояниях не более чем 30…50 км от крупных населенных пунктов.

Если говорить о традиционных районах интенсивной лесозаготовительной деятельности, к которым можно отнести районы Ангаро-Енисейской группы, то ситуация с покрытием и обеспечением уверенного приема сигналов сотовой связи выглядит еще более удручающе (рис. 2) [7].

Административно-регулятивными постановлениями предусмотрен ряд мер по обеспечению устойчивого управления отраслями добывающей промышленности РФ. В ноябре 2021 г. было подписано Распоряжение Правительства РФ [8], определяющее стратегические направления преобразования российской обрабатывающей промышленности, которую ожидает масштабная цифровая трансформация. Документ предусматривает активное внедрение в производственную практику искусственного интеллекта, робототехники, интернета, технологий дополненной реальности, новых производственных и коммуникационных технологий. Они, в свою очередь, помогут повысить производительность труда, снизят себестоимость продукции и ускорят вывод товаров на рынок. По данным J’son & Partners Consulting к концу 2021 г. в России функционировало более 30 сетей LTE и 5G частного управления. Основные отрасли потребителей: горнодобывающая, нефтегазовая, энергетика, транспортно-логистические узлы (ж/д станции). Лидером в области частных сетей и проектов Private LTE является компания МТС, которая организовала работу более 10 проектов для компаний «Сибур» и «Северсталь». Крупный проект сетей Private LTE реализуется в Республике Саха на месторождениях по добыче золота. По прогнозам J’son & Partners Consulting, объем российского рынка частных сетей LTE/5G будет расти на 36,3% в год и в 2025 г. достигнет 3,2 млрд руб. [8].

Относительно задач оперативного управления тушением лесных пожаров применение технологий сотовой связи и LTE/5G сетей практически малореализуемо, поскольку действует ряд объективных факторов, делающих применение подобных решений неоправданными.

К таким факторам следует отнести:

1. Недостаточное покрытие зон устойчивого приема сигнала сотовой связи в лесной таежной зоне.

2. Стохастический характер возникновения очагов лесных пожаров.

3. Значительные (млн га) площади, где потенциально может возникнуть лесной пожар.

4. Невозможность энергообеспечения автономно работающих станций – ретрансляторов сигнала из-за транспортной недоступности значительной части лесных массивов.

5. Чрезвычайно низкая плотность дорог и транспортных путей, их ограниченная проходимость и зависимость от природно-климатических явлений, атмосферных осадков, сезона года и т. п.

В таких условиях решать вопрос оперативного обнаружения, управления тушением и ликвидацией лесных пожаров можно с использованием сочетания технологий дистанционного зондирования поверхности Земли (ДЗЗ), спутниковой связи и применения систем широкополосного радиодоступа, например, на основе транкинговых сетей [9]. В случае реализации широкополосного доступа в системе транкинговой сети схема работы системы будет соответствовать рис. 3 [9].

Структурная схема транкинговой системы основана на совокупности нескольких пользователей, объединенных в общую сеть базовых станций (БС). Такая архитектура позволяет строить сеть связи различной конфигурации и масштаба. Это может быть простая сеть с небольшим территориальным охватом или крупная территориальная сеть. Важен фактор возможности оперативного централизованного управления такой сетью. Транкинговые системы связи имеют ряд характерных особенностей, отличающих их от систем СС, и делающих перспективными применяемые технические решения для систем ВС:

1. Обеспечение группового режима доступа и связи.

2. Доступность приоритетных и аварийных вызовов.

3. Возможность группировки и динамического управления абонентами.

4. Высокая скорость соединения.

Транкинговая система широкополосного радиодоступа состоит из стационарного оборудования и абонентских станций. Основной частью стационарного оборудования транкинговой сети является базовая станция с системой антенн, контроллеров, коммутационных устройств и управляющего сервера. Подсистема транкинговой связи представленная системой широкополосного доступа основана на технологии McWill [9], имеющей характерные признаки, связанные с передачей пакетных данных при коммутации по протоколам TCP/IP. При этом имеется возможность индивидуального и группового управления, передачи видео, речи и текстовых сообщений и их диспетчеризация. Система имеет возможность оперативного расширения и наращивания. Радиостанциями могут быть оборудованы как стационарные объекты, так и подвижные системы, например транспортные средства [10].

Применительно к технологии оперативного обнаружения и управления тушением лесных пожаров, на основе принципов доступа посредством широкополосной радиосвязи совместными усилиями СибГУ имени М.Ф. Решетнева, АО НПП «Радиосвязь» и Сибирского Федерального Университета был разработан автономный передвижной комплекс управления тушения лесных пожаров (АПКТ) (рис. 4), входящий как один из основных компонентов в эту систему оперативного обнаружения и управления ликвидацией лесных пожаров (рис. 5).

Технология обнаружения и управления ликвидацией лесных пожаров может работать в нескольких режимах и состоять из необходимого числа компонентов, необходимых для обеспечения мониторинга на уровне спутникового, авиационного, тепловизионного, визуального наблюдения.

При работе с использованием технологии ДЗЗ искусственный спутник Земли, находясь на орбите, при помощи видеонаблюдения с фиксацией соответствующих длин волн и интенсивности излучения, распознает и фиксирует термоточку, которая с высоким уровнем достоверности является источником теплового излучения или лесным пожаром. В автоматическом режиме информация о местоположении и географических координатах термоточки передается в центр ДЗЗ и/или Региональную диспетчерскую службу (РДС). В РДС анализируются имеющиеся доступные средства для оперативной ликвидации лесного пожара. При этом учитывается местоположение возгорания, наличие транспортной сети, покрытие сетями связи, наличие техники и личного состава. Принимается решение о выделении сил и техники для тушения лесного пожара.

При наличии термоточки на территориях, имеющих ограниченное покрытие стандартными средствами связи, ДЗЗ и РДС связывается с АПКТ используя спутниковый канал связи. При этом передается информация, необходимая для оперативного визуального обнаружения лесного пожара и управления его ликвидацией. АПКТ выдвигается к месту лесного пожара и развертывается из транспортного положения в рабочее. Время развертывания АПКТ составляет 1 час. АПКТ становится оперативным штабом управления ликвидацией лесного пожара. Для установления границ лесного пожара, потенциальных факторов, способствующих или ограничивающих лесной пожар, а также тактики его тушения используется беспилотный летательный аппарат (БПЛА), которым укомплектован АПКТ. Исследованиями ряда авторов [11; 12] установлена высокая эффективность применения БПЛА при обнаружении и управлении ликвидацией лесных пожаров.

Автономность действия БПЛА АПКТ составляет 45 мин летного времени. За это время можно обследовать территорию в радиусе до 6 км. Полет БПЛА может проводиться по сценарию полета, либо в ручном управлении. Устойчивая связь АПКТ с БПЛА и передача видеосигнала обеспечивается на удалении до 2 км. Для устойчивой связи на большем удалении необходимо применение усилителя сигнала, которым запланировано укомплектовать АПКТ. Личный состав, задействованный на ликвидации лесного пожара, имеет индивидуальные приемо-передатчики с возможностью обмена сигналами речи, видео и текстовой информации. Штаб ликвидации пожара в АПКТ имеет возможность протоколирования источника передачи и приема информации, отслеживания координат местоположения приемо-передающего устройства и, соответственно, номера пожарного расчета. Запланировано оснащение каждого работника, задействованного на ликвидации лесного пожара, индивидуальным браслетом жизненных показателей. Такой браслет позволит автоматически проводить мониторинг жизненных показателей ликвидатора пожара и при необходимости, в случае критического ухудшения этих показателей, оперативно эвакуировать работника из зоны поражения факторами лесного пожара (высокая температура, задымление). АПКТ ведет активный радиообмен с пунктом ДЗЗ и РДС, используя спутниковый канал связи. При этом идет корректировка действий штаба ликвидации с учетом вновь выявляемых факторов, включая новую информацию, полученную со спутников наблюдения системы ДЗЗ.

АПКУ смонтирован на шасси автомобиля КаМАЗ 4310. Автомобиль повышенной проходимости, имеет колесную формулу 6×6. В составе радиотехнического оборудования АПКУ находится автономный фрагмент станционного оборудования ядра системы служебной радиосвязи McWill [9; 10], а также базовая станция (БС) данной системы. Общая балансовая стоимость АПКУ составила 37 млн руб.

Основная проблема устойчивого радиообмена при прохождении радиоволн через лесной массив – существенное ослабление сигнала. Установлено, что лесная среда, как и сложный рельеф местности, являются одними из основных факторов, затрудняющих прохождение радиосигнала, причем во всех диапазонах частот [13–15]. Для обеспечения устойчивого радиообмена приемопередающая антенна АПКУ смонтирована на телескопической мачте (рис. 6). Выдвижение телескопической мачты осуществляется при помощи пневматического привода. Пневматический привод состоит из автономного компрессора, фитингов и приборов управления. Привод установлен внутри фургона базового автомобиля. Подъем антенны производится на высоту 18 м. Поскольку АПКУ потенциально пригоден для развертывания на неподготовленных площадках, где имеются местные неровности почвы, предусмотрен винтовой упор подпятника телескопической мачты (рис. 6). При установке винтового упора практически исключается негативное влияние перемещений рессорно-балансирной подвески базового автомобиля. Кроме того, предусмотрены тросовые растяжки мачты. Растяжки крепятся к анкерам, забиваемым в землю, либо к деревьям.

В транспортном положении антенна разбирается на отдельные штанги и кольца-основания. Монтажный комплект антенны крепится на крыше фургона базового автомобиля. Для возможности доступа на крышу и перемещений предусмотрена складная лестница и площадки с ограждениями (рис. 7). Приемопередающая антенна спутниковой системы установлена на крыше в передней части фургона и заключена в пластиковый кожух.

В соответствии с расчетами и техническим заданием АПКУ обеспечивает уверенное покрытие радиосигналом в радиусе до 30 км. При этом должен быть обеспечен непрерывный радиообмен до 100 абонентов с возможностью передачи речи, текстовых сообщений и видеосигнала. Кроме того, АКПУ позволяет получать точный маркер с координатами местоположения абонентов с указанием на карте их геопозиции.

Для проверки возможностей осуществления широкополосного радиодоступа и работ по обнаружению и ликвидации лесного пожара средствами БПЛА 29 марта 2022 г. на территории Учебно-опытного лесхоза Сибирского государственного университета науки и технологий имени М.Ф. Решетнева (Красноярск ул. Лесная, 158) проводился эксперимент в условиях, приближенных к реальным.

На территории лесных насаждений Учебно-опытного лесхоза был условно смоделирован очаг возгорания. Для этого площадь размером 0,1 га была обозначена при помощи флажков (рис. 8).

В соответствии с принятым порядком эксперимента была принята установка о получении из центра ДЗЗ сигнала о фиксации термоточки с определёнными координатами. Физически спутниковая связь не отрабатывалась из-за наличия определенных ограничений гражданско-правового характера. Затем в зону расположения предполагаемого лесного пожара был произведен запуск БПЛА (рис. 9).

Оператор БПЛА после успешного обнаружения площадки, имитирующей пожар, передал координаты пожара оператору АКПУ.

Оператор АКПУ, рабочее место которого показано на рис. 10, запротоколировал факт обнаружения лесного пожара, присвоил ему порядковый номер и посредством широкополосного радиодоступа связался с абонентами – лесными пожарными.

Основной целью проведения данного испытания в полевых условиях являлось тестирование качества передачи различных видов информации и проверка точности определения местоположения абонентов. Одна из групп находилась на территории ботанического сада СибГУ имени М.Ф. Решетнева по адресу Красноярск, Свердловский район, Сад Крутовского-1. Удаленность Сада Крутовского от АПКУ составила 6,5 км. Радиосигнал проходил через территорию лесного массива, а также городскую застройку и р. Енисей. В таких условиях оператор АПКУ зафиксировал запланированный протоколом испытаний видеоматериал, передаваемый из Сада Крутовского, т. е. был обеспечен уверенный прием видеосигнала. С другими участниками-абонентами поддерживался речевой контакт. Оператор АПКУ наблюдал, как точки, обозначающие геопозицию абонентов – лесных пожарных, приближаются к отмеченной точке лесного пожара. На экране ноутбука оператор АПКУ наблюдал и фиксировал физическое положение абонентов – участников эксперимента (рис. 11).

Местоположение группы выводится на карте-схеме на ноутбуке в АПКУ с точностью в несколько метров. После того как лесные пожарные достигли и обнаружили имитационный лесной пожар, оператор АПКУ получил и зафиксировал сообщение о времени прибытия пожарного расчета. Далее оператор АПКУ транслировал указания штаба тушения лесного пожара и персонализировано мог протоколировать действия каждого участника тушения.

Трансляция радиосигнала шла в полосе частот 340 МГц на участке выделенного спектра около 2 МГц. При этих показателях наличие лесного массива, сложного рельефа (перепады высот до 160 м) и городской застройки не оказали влияние на качество связи. Учитывая заявленную дальность связи в 30 км, достаточно обоснованно можно предположить о возможности выполнения этого показателя. Кроме того, имеется возможность по увеличению используемой полосы частот до величины в 5 МГц.

ПЕРСПЕКТИВЫ

Современные тенденции широчайшего внедрения информационных технологий и средств высокоскоростного обмена данными и оперативной связи проникают и закрепляются практически во всех сферах деятельности и промышленного производства. Обеспечение устойчивыми каналами связи работников лесной промышленности, лесного хозяйства, лесоавиаохраны, сил и средств МЧС, всех тех ресурсов, которые могут быть задействованы для обнаружения и ликвидации лесных пожаров – актуальная задача, решение которой позволит кардинально снизить ущерб от лесных пожаров, который ежегодно составляет более 11 млрд руб. Решение этой задачи ведется по двум направлениям:

1. Развитие дистанционного зондирования и спутникового мониторинга поверхности Земли.

2. Обеспечение широкополосного оперативного радиодоступа на территориях, где отсутствует покрытие сетями сотовой связи. 

Разработанный и экспериментально апробированный автономный передвижной комплекс управления тушением лесных пожаров (АПКТ) сочетает возможности этих двух направлений. Дальнейшие, уже запланированные, работы по промышленному испытанию этого комплекса в условиях реальных лесных пожаров позволят провести полную комплексную оценку эффективности его работы, определить методологию и тактику, экономическую эффективность применения современного дорогостоящего оборудования.

Сергей Долматов
Сибирский государственный университет науки
и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева

Павел Колесников
Сибирский государственный университет науки 
и технологий им. акад. М.Ф. Решетнева

Дмитрий Черников
Сибирский федеральный университет

Вадим Гарифуллин
АО НПО «Радиосвязь»

Список литературы