加州野火災害系統性消除方案（四）

符長青

本文對消防無人機集群滅火技術，消防無人機集群滅火常用戰略，消防無人機集群滅火常用戰術，消防無人機/有人機協同滅火技術，用山羊清除可燃物，無人機消防站建立進行詳細闡述。

消防無人機集群滅火技術

無人機集群又稱為無人機蜂群，軍事上利用無人機集群執行偵察、監視、打擊、防空系統壓制、心理戰等任務。消防無人機集群滅火是由一定數量、相同類型或不同類型的消防無人機組成，它們彼此間通過無線通信網絡如星鏈網絡等系統，進行態勢共享與信息交互，協同完成消防滅火任務分配、航跡規劃等工作。

消防無人機集群不是多架消防無人機的簡單編隊，其集群能力也不是諸多消防無人機單一能力的簡單疊加，而是由多架消防無人機通過科學的方法聚集后，經過集群自組織機制與行為調控機制的有機耦合，產生新的能力或原有能力發生了質的變化。在集群系統內，每架消防無人機都是一個智能體，具有獨立飛行、偵察和投放水或滅火劑等能力。而消防集群無人機之間可通過無線通信網絡進行信息交互，消防無人機集群與地面之間進行信息交互，最終實現消防無人機集群飛行管理、任務分配、航跡規劃及單架消防無人機航跡規劃等。

消防無人機集群構建的通信網絡是一種典型MESH網絡，它是一種起源于軍用戰場通信的無線自組網技術，可以在不停運動的多個節點之間自動建立轉發路由，只要一個節點能夠連接到網絡中的任意一個其他節點，信息就能最終傳到任意節點。消防無人機集群的本質就是群體合作，不僅可以使各種大、中、小型消防無人機滅火威力大增，而且能極大降低無人機滅火成本，大幅提升森林消防滅火行動的靈活性。

消防無人機集群技術理論和試驗研究結果表明，無人機集群技術完全可以運用于森林滅火行動中。如果沒有消防無人機集群技術，消防人員每次使用單架消防無人機滅火會消耗很長的時間，由于為避免兩架消防無人機在空中發生相撞事故，必須等前一架消防無人機飛離森林火災起火區域后，另一架消防無人機才能飛往火災現場開展滅火工作，在滅火過程中就存在一定的作業時間間歇，容易導致野火死灰復燃，降低滅火效率。

引入消防無人機集群技術，可以解決單架消防無人機滅火時經常面臨的時間與效率難題。消防無人機集群技術只需一明地面消防操控員，就能同時操控多架消防無人機進行并行作業，具體做法是使用多架消防無人機圍攻野火起火點或著火區域，同時對火災區域發射滅火彈、噴射滅火劑或水，滅火過程一氣呵成，中間沒有作業時間間歇，不給野火留下任何死灰復燃的喘息機會，可以很快撲滅野火引發的森林火災。消防無人機集群技術屬于典型的并行執行任務類型，其作業效率與無人機數量呈正比關系，滅火效果十分明顯，因此這種滅火技術極具吸引力。

消防無人機集群滅火常用戰略

（1）戰略滅火地帶劃分

根據不同地帶上不同野火威脅程度，劃分為主、次戰略滅火地帶。先滅主要地帶的野火，后集中撲滅次要地帶的野火。

在野火燃燒現場附近無天然和人為防火障礙物，火勢容易自由蔓延，屬于主要戰略滅火地帶；

在火場邊界有天然和人工防火障礙物，火勢不易擴大，當火勢蔓延到防火障礙物時，野火會自然熄滅，這是次要戰略滅火地帶。

（2）先控制野火蔓延，后撲滅余火

（3）打防結合，以打為主

在野火燃燒火勢較猛烈的情況下，應在野火蔓延主要方向的適當地方開設防火線，并撲滅野火翼側，防止野火進一步擴展蔓延。

（4）集中優勢力量滅火

野火火勢處于不斷變化之中，空中指揮消防無人機要縱觀全局，重點部位重點部防，危險地帶重點防守，抓住撲火最佳時機，集中優勢力量撲滅火源勢頭，一舉消除野火。

（5）犧牲局部，保存全局

為更好保護森林資源和居民生命財產安全，在火勢猛烈、消防無人機數量不足的情況下，采取犧牲局部、保護全局的措施非常必要。保護對象和次序分別是，先人后物，先重點區域后一般區域；如果火災危及到樹林和歷史文物時，應先保護文物后保護樹林。

（6）安全第一

撲滅野火是一項艱苦的工作，緊張的行動，往往會忙中出錯，亂中出事。消防無人機集群撲火時，特別是在大風天氣撲火，要隨時注意野火變化，避免地面消防人員被火圍困和人身傷亡。

消防無人機集群滅火常用戰術

（1）單點突破，長線對進突擊戰術

消防無人機集群滅火時從某一個地點突入火線，兵分兩路，進行一點兩面作戰，最后合圍。這種滅火戰術選擇突破點是關鍵，一般選擇接近主要火勢的側翼突入，在火勢較強的一側重點配置數量較多的消防無人機，火勢較弱的一側配置少量消防無人機。

（2）多點突破，分擊合圍戰術

這是一種快速分割滅火區域，撲滅野火的實用消防無人機集群滅火戰術。實施時，若干架消防無人機，選擇兩個以上突破口，然后分別進行“一點兩面”作戰，各突破口之間相互形成分擊合圍態勢，將整個野火燃燒的火場分割成若干個區段，分別擊破，達到迅速撲滅全部野火的目的。這種戰術特點是突破口多，使用消防無人機數量多，全線展開，每架消防無人機面對火戰線短，撲火效率高，是消防無人機集群撲滅野火的常用戰術。

（3）四面包圍，全線突擊戰術

這是以足夠數量的消防無人機撲滅初發火、小面積火的實用戰術。主要采用全線用兵，四面圍殲的辦法滅火，既要撲滅火勢、又兼顧全局，一鼓作氣撲滅全部野火。其要點是在蔓延強烈的一側，無人機部署多于較弱的一側，在順風火處部署無人機多于逆風火和側風火，在上山火部署無人機多于下山火。

（4）一次沖擊，全線控制戰術

將全部消防無人機部署在火線一側或兩側，采用一個撲火層次，全力撲打明火，暫不清理余火，力求在短暫時間內消滅明火，以控制火場局勢，然后再組織一定數量的消防無人機消滅殘余火。這種戰術多多在野火危及到居民區、重要設施時使用。

消防無人機/有人機協同滅火技術

消防無人機/有人機協同滅火是指在“無人機消防管理指揮中心”統一指揮控制下，綜合利用消防有人機與消防無人機的特點，共享森林火災現場信息，通過整體力量完成森林火災撲滅任務。其主要步驟是：消防有人機飛行員通過駕駛艙內的監控器屏幕，實時觀看空中指揮消防無人機傳輸的火災現場視頻，并對火災現場位置、火勢和發展趨勢做出自己的判斷，及時向地面“無人機消防管理指揮中心”匯報溝通，形成新的協同滅火方案，充分發揮消防無人機/有人機協同滅火的巨大優勢，從而取得最佳滅火效果。

利用消防無人機/有人機協同滅火技術，不僅可以大大降低地面消防員在森林火災現場面臨的危險，而且在遠距離撲滅森林火災時，減少地形、障礙物等因素對消防有人機和消防無人機信息傳輸的干擾，還可以增加消防有人機和消防無人機的滅火范圍，提高滅火效率。由于消防無人機與消防有人機二者飛行控制和技術性能區別較大，要實現協同滅火，必須滿足以下幾個條件。

（1）協同控制

消防無人機/有人機協同控制主要表現在消防有人機對消防無人機進行任務控制，即消防無人機在執行任務過程中，消防有人機對其飛行、通信、任務載荷等多個層面進行有效管理、指揮和控制，能夠對無人機發出各種指令，讓其配合消防有人機，消除火場上空投放滅火劑可能遇到的障礙，必要時甚至可以通過數據鏈路實現其飛行控制。

（2）協同態勢感知

需要將消防有人機、消防無人機以及其它消防偵察平臺獲取的森林火災現場信息進行融合，建立關于滅火活動、任務能力、位置和滅火劑投放數量或重量等要素的火災現場綜合態勢圖，以分析火災現場的火情現狀和蔓延態勢，然后有針對性地對目標實施撲滅行動。要做到這一點，對消防有人機的信息接收和信息處理能力要求很高。

（3）任務分配

消防有人機飛行員將根據火災現場的火情種類、蔓延趨勢，以及編隊中消防無人機滅火劑或水的裝載量和飛行性能，將不同位置和威脅程度的著火點目標區域，合理地分配給不同類型的消防無人機即大、中、小型消防無人機，使整個編隊的整體滅火效能最大化，代價最小化。

消防無人機/有人機協同指揮控制技術十分復雜，主要包括消防無人機/有人機任務規劃決策系統、標準化通信接口、任務管理系統、信息融合系統、態勢顯示系統、高速寬帶數據鏈等部分，可明確整個消防滅火系統的人機功能分配、指揮控制系統功能劃分，最大程度發揮消防有人機和消防無人機各自優勢，達到最佳系統平衡和統一協調指揮。

消防無人機/有人機協同滅火過程涉及地面“無人機消防管理指揮中心”及地面控制站對消防無人機/有人機編隊的指揮控制，消防有人機對消防無人機的指揮控制以及消防無人機的自主控制等。因此，首先須明確協同指揮控制體系結構，以及不同指揮控制中心的功能與關系。

由于消防無人機/有人機協同滅火涉及多個指揮控制中心，因而要實現協同控制，關鍵要解決控制權限在多個指揮控制單元之間無縫、連續、穩定的轉換和遷移，根據任務需求和指揮控制單元的能力，實時調整控制權分配，即變權限指揮控制，相關內容包括控制權限層次化，以及控制權在消防有人機與地面控制站之間切換過程中，消防無人機信息管理與共享技術。

山羊清除可燃物

針對加州野火災害頻發現狀，消除加州野火災害系統性方案的核心內容之二是用山羊清除可燃物。

對加州野火頻發原因進行研究分析后可知，加州的自然生態平衡已經受到嚴重破壞，能夠抗住野火侵擾的大樹在急速減少，從上世紀30年代至今已喪失了一半之多，造成本地一種特有的易燃油脂性灌木瘋長，非常容易著火燃燒，只要有一點火星，就能燒起來。

美國有線電視新聞網（CNN）報道稱，為保衛家園不被野火侵襲，加州等地居民開始利用成群的山羊啃食植被，從而構建防火屏障，阻止野火蔓延。據報道，山羊喜食灌木，而灌木正是防火需要清除的植被之一。1只山羊每天可以吃3．5 ～4．5kg食物，相當于其體重的百分之九，據此可判斷山羊能勝任這項工作見圖1。由于山羊動作敏捷，具有很強的攀爬能力，一些陡峭山坡上的植被，也會被它們啃食掉，效果非常好見圖2。

圖1 山羊啃食前后的森林情況對比。

圖2 山羊也會啃掉陡峭山坡上的植被。

舉個實際案例，2019年10月30日早晨6時，美國加州洛杉磯東北部爆發了一場新的大火，迫使附近的里根總統圖書館和社區居民緊急撤離。截至7時50分大火迅速蔓延超過4km2，距離里根圖書館僅27．4m，由于大火突發，該地區高速公路大部分已關閉。里根總統圖書館位于強制撤離區中心，里面存放著里根任期內總統檔案，超過6000萬頁文件、160萬張照片、50萬英尺電影膠片、成千上萬個錄音帶和錄像帶以及“空軍一號”總統專機、40000多件柏林墻殘片文物，數量如此之多的寶貴歷史文物危在旦夕。但最后結果卻出乎人們意料之外，里根總統圖書館幸免于難，沒有被熊熊燃燒的野火吞噬，其救星竟然是一群貪吃的山羊。因為考慮到加州野火頻繁，里根總統基金會和研究所早在2019年5月就從當地一家公司租來數百只山羊，讓它們吃光了圖書館周圍高度易燃的灌木和植被，令圖書館逃過一劫，讓人稱贊不已。

目前，利用山羊預防野火的做法正在美國加州及其它西部州縣廣泛推廣見圖3。為租用山羊預防野火，加利福尼亞州內華達城（Nevada City）副市長塞納姆從去年12月起，在美國知名眾籌平臺“資助我”（Go Fund Me）發起了一項眾籌基金“山羊基金”，以彌補政府補貼的不足。該基金目前已從內華達市、加利福尼亞州，乃至世界范圍內籌集到2．6萬美元資金。利用成群的山羊啃食植被是一種以環保的方式清除易燃植被的好方法，因此要大力推廣普及。與此同時，當原先的灌木或荒草被山羊啃食干凈后，必須盡快種植抗火樹苗，以防止第二年春天易燃灌木或荒草卷土重來。

圖3 利用山羊啃掉林間空地上的灌木和雜草植被。

具有耐火性和阻火性的樹種稱為抗火樹種。抗火樹種須符合阻火、適生、無害、有經濟價值等條件，并具備枝葉茂密、含水量大、含油脂少、不易燃燒、耐火性強等特性；下層林木應耐潮濕，與上層林木種間關系相適應；生長迅速、適應性強、萌芽力高；無病蟲害寄生和傳播等。生物防火林是預防野火蔓延、控制大面積森林火災的有效阻隔，由于選用樹種不易燃燒，而且抗火林帶可以形成林帶內小環境，不利于野火發生與蔓延。

建議由加州大學洛杉磯分校大氣海洋科學系的教授挑頭組織科研小組，通過對加州主要森林樹種進行野外調查采樣，測定所采集樹木樣本的含水量，結合樹種生物學特性、生態學特性，篩選出適合加州地區種植的抗火樹種。通過選種，培育抗火性強的樹種，其具有涵養水源能力強．葉片含水量高等特點，提供給加州居民用于植樹造林。

建議加州成立專業植樹造林隊，按規劃在荒山禿嶺上植樹造林，播撒抗火樹種及栽種抗火樹苗，綠化荒山，改善加州生態環境。特別是當山羊清理出一塊荒地后，植樹造林隊要及時跟進種植，在荒地上栽種一片抗火樹苗，讓抗火樹林逐漸覆蓋整個加州大地。

無人機消防站建立

建立無人機消防站的目的

為消除加州每年持續不斷發生的野火，建議實行“預防為主，積極消滅”的方針和利用消防無人機貫徹“打早、打小、打了”的原則。由于無法預知野火出現的時間和地點，人們希望在加州境內建立足夠多的無人機消防站，一旦野火在某時某地露頭，附件駐站消防員能第一時間觀察并發現野火煙霧，及時向上一級“無人機消防中心站”報告火情，并操控4架小型多旋翼消防無人機起飛，直接飛到起火點，迅速將野火消滅在萌芽狀態。

構建無人機消防組織架構體系

組織架構是指一個組織的整體結構，是為實現資源組織、流程搭建、業務開展、管理實施等基本任務要素而搭建的架構。為消除加州野火災害，必須建立和完善加州無人機消防組織架構。

加州總面積超過42萬km2，城市人口密集區域約占總面積的25%，除此區域外，無人機消防站作業覆蓋面積約31．5萬km2。以消防多旋翼無人機使用半徑10km進行計算，每架消防無人機的有效作業覆蓋面積約為314km2，全加州需要建立無人機消防站的數量約1000個。考慮到實際山區地形的不規則性，建立無人機消防站的位置受地形地物影響較大，選址不可能理想化，不可避免地導致消防無人機有效作業面積出現一些重疊。因此，為達到無人機有效作業全覆蓋的目的，全加州建立無人機消防站的數量需超過1000個，即理論上的總覆蓋面積略大于需要覆蓋的總面積。

1000個無人機消防站劃分為南北兩個大組，每個大組有500個無人機消防站，分別稱為南加州大組和北加州大組。根據所處地理位置，將每個大組又劃分為20個小組，每個小組由地理位置相鄰的25個無人機消防站組成，將其中1個地理位置比較靠近中心的無人機消防站建設成“無人機消防中心站”，起小組長的作用。除了完成自身無人機消防任務以外，還要負責管理、協調其余24 個小組成員即無人機消防站的消防工作。

地理位置處于南加州的20個“無人機消防中心站”，及其各自下屬的24個小組成員，共計500個無人機消防站包括中心站在內，歸屬于“南加州無人機消防管理指揮中心”管理。同樣，地理位置處于北加州的20個“無人機消防中心站”，及其各自下屬的24個小組成員，共計500個無人機消防站歸屬于“北加州無人機消防管理指揮中心”管理。

南北加州兩個“無人機消防管理指揮中心”均歸加州消防局統一領導和管理，由此構成加州無人機消防組織架構體系，其組織架構體系如圖4所示。

圖4 加州無人機消防組織架構體系圖。

無人機消防站組成結構與工作任務

無人機消防站是整個無人機消防組織架構體系的基礎節點，或者說是消除加州野火最前沿的陣地。根據加州的地理、氣候、環境等特點，以及植樹造林、建立防火隔離帶的需求，建立1000個無人機消防站，廣泛部署在全加州森林或草地覆蓋區域及有需要的地方，編織加州境內全覆蓋、消除野火的“天羅地網”。

為及時有效地發現剛露頭的野火苗頭，需要采取“技防+人防”的消防策略。技防是指利用現代無人機高科技技術在空中偵察監測，在野火初始狀態便撲滅火苗；人防是建立野火觀察站，由駐守站內的消防員用望遠鏡觀察周圍的火情，以發現可疑煙火。無人機消防站組成結構與工作任務主要有以下幾方面。

（1）野火觀察小屋和野火觀察塔

每年秋冬季是野火爆發季節，為及時發現突然出現的野火苗頭，可以在山頂建筑一個野火觀察小屋，如圖5所示，或者建造一個野火觀察塔，也稱森林消防觀察塔，如圖6所示。兩者統稱為野火觀察站，同時可作為無人機消防站的辦公室。為便于觀察，野火觀察站四面墻上都設有窗戶，而且不掛窗簾。在野火頻發的秋冬季節，由無人機消防站的消防員輪班日夜駐守，在目光可及之處，尋找疑似野火的任何可疑煙火。

圖5 建筑在山頂上的野火觀察小屋。

圖6 森林消防觀察塔。

雖然建造野火觀察小屋的費用比建造野火觀察塔低，但是對于不同地區的無人機消防站，具體是建造野火觀察小屋還是野火觀察塔，是由該無人機消防站組所處的地理位置、周圍環境和觀察效果等因素決定。如果山坡頂峰高度足夠高，周圍沒有視覺障礙物影響消防員的觀察，消防員可以清晰觀察到四周森林草地，那么建筑一個觀察小屋作為野火觀察站就是首選方案，否則就要建造一個野火觀察塔，以提高消防員觀察野火的位置高度。

（2）小型消防多旋翼無人機

野火觀察站是一種傳統的野火火警偵察方法，現代先進的野火偵察方法是采用小型消防多旋翼無人機。消防員操控小型消防多旋翼無人機在晝夜24h時間內隨時起飛，執行火情偵察任務，能全天候執行偵察作業，在森林或草地上空巡查，及時發現火情，報告火場位置，并即刻飛臨起火點上空，向著火點噴射滅火干粉或發射滅火彈，快速撲滅初發階段的野火。

小型消防多旋翼無人機能夠抵達一般滅火力量難以到達的地區，及時進行滅火作業。無人機空中偵察監視野火的對象包括火焰、煙霧和紅外輻射三種，因為在野火發生早期并不容易監視到大量火焰，監視到的主要是煙霧，所以監視煙霧是最早發現野火的最佳方法。

小型消防多旋翼無人機在空中拍攝視頻和高清圖像，實時傳輸到無人機消防站和無人機消防中心站，利用大數據處理技術，迅速完成煙霧自動識別，判斷出起火點位置。小型消防多旋翼無人機在夜間作業需配備專業紅外熱成像探測儀，在空中對地面進行紅外探測，可穿透煙霧遙感到地表溫度等情況，從而快速定位火源。

采用傳統的野火觀察站，并使用小型消防多旋翼無人機執行巡查監視、撲滅火苗的方法，能有效撲滅萌芽狀態的野火，從而達到“消滅野火災害，保護加州安全”的目的。

無人機消防站人員工作

每個無人機消防站駐守的消防員數量通常為2人，但是在秋冬季野火頻發季節，也可以多增加1名消防員。消防員每天需寫護林觀察日記，記錄野火觀察情況，即使沒有出現任何火情，也要如實記錄當天天氣狀況，森林或草地中的樹木、雜草、林下植物、野生動物、土壤微生物及其他自然環境等每天所發生的微小變化。其實100多年前美國就有這份工作，當時全美有一萬多名野火觀察員。他們之所以被稱為“野火觀察員”，不稱為“消防員”，原因在于當時還沒有消防無人機，他們只有觀察和通報野火發生地點的能力，而不能像現在可以自己動手操控消防無人機，撲滅萌芽階段的野火。

雖然不少人都曾是野火觀察員，不過很多人只在一個秋季時間段工作，就耐不住寂寞辭職了，能夠連續幾年秋冬季都工作的人少之又少。因此，根據以往歷史經驗及充分體現現代人文關懷，在野火觀察小屋即無人機消防站辦公室附近的山坡上要平整出一塊平地，用于修建2套消防員家屬宿舍，供2名消防員家屬居住。在非野火頻發的春夏季，無人機消防站消防員起到“護林員”的作用，主要任務是植樹造林、修整森林或草地防火隔離帶，其寬度通常是40～60m、維修儀器設備，以及進行無人機操控和維護技術培訓等。

現在無人機消防員都要經過嚴格培訓，取得無人機駕駛員證書。由于消防員每月都有固定工資收入，其隨行家屬沒有，因此要允許其家屬從事一些副業工作，例如在住處旁邊申請開墾一小塊荒地，種植一些自己家庭食用的蔬菜，其種植面積和品種要獲得批準，或是承擔有償植樹任務及放牧幾十、上百只山羊，山羊的品種和數量也要事先申請并獲得批準。■

(未完待續)