加州野火灾害系统性消除方案（四）

符长青

本文对消防无人机集群灭火技术，消防无人机集群灭火常用战略，消防无人机集群灭火常用战术，消防无人机/有人机协同灭火技术，用山羊清除可燃物，无人机消防站建立进行详细阐述。

消防无人机集群灭火技术

无人机集群又称为无人机蜂群，军事上利用无人机集群执行侦察、监视、打击、防空系统压制、心理战等任务。消防无人机集群灭火是由一定数量、相同类型或不同类型的消防无人机组成，它们彼此间通过无线通信网络如星链网络等系统，进行态势共享与信息交互，协同完成消防灭火任务分配、航迹规划等工作。

消防无人机集群不是多架消防无人机的简单编队，其集群能力也不是诸多消防无人机单一能力的简单叠加，而是由多架消防无人机通过科学的方法聚集后，经过集群自组织机制与行为调控机制的有机耦合，产生新的能力或原有能力发生了质的变化。在集群系统内，每架消防无人机都是一个智能体，具有独立飞行、侦察和投放水或灭火剂等能力。而消防集群无人机之间可通过无线通信网络进行信息交互，消防无人机集群与地面之间进行信息交互，最终实现消防无人机集群飞行管理、任务分配、航迹规划及单架消防无人机航迹规划等。

消防无人机集群构建的通信网络是一种典型MESH网络，它是一种起源于军用战场通信的无线自组网技术，可以在不停运动的多个节点之间自动建立转发路由，只要一个节点能够连接到网络中的任意一个其他节点，信息就能最终传到任意节点。消防无人机集群的本质就是群体合作，不仅可以使各种大、中、小型消防无人机灭火威力大增，而且能极大降低无人机灭火成本，大幅提升森林消防灭火行动的灵活性。

消防无人机集群技术理论和试验研究结果表明，无人机集群技术完全可以运用于森林灭火行动中。如果没有消防无人机集群技术，消防人员每次使用单架消防无人机灭火会消耗很长的时间，由于为避免两架消防无人机在空中发生相撞事故，必须等前一架消防无人机飞离森林火灾起火区域后，另一架消防无人机才能飞往火灾现场开展灭火工作，在灭火过程中就存在一定的作业时间间歇，容易导致野火死灰复燃，降低灭火效率。

引入消防无人机集群技术，可以解决单架消防无人机灭火时经常面临的时间与效率难题。消防无人机集群技术只需一明地面消防操控员，就能同时操控多架消防无人机进行并行作业，具体做法是使用多架消防无人机围攻野火起火点或着火区域，同时对火灾区域发射灭火弹、喷射灭火剂或水，灭火过程一气呵成，中间没有作业时间间歇，不给野火留下任何死灰复燃的喘息机会，可以很快扑灭野火引发的森林火灾。消防无人机集群技术属于典型的并行执行任务类型，其作业效率与无人机数量呈正比关系，灭火效果十分明显，因此这种灭火技术极具吸引力。

消防无人机集群灭火常用战略

（1）战略灭火地带划分

根据不同地带上不同野火威胁程度，划分为主、次战略灭火地带。先灭主要地带的野火，后集中扑灭次要地带的野火。

在野火燃烧现场附近无天然和人为防火障碍物，火势容易自由蔓延，属于主要战略灭火地带；

在火场边界有天然和人工防火障碍物，火势不易扩大，当火势蔓延到防火障碍物时，野火会自然熄灭，这是次要战略灭火地带。

（2）先控制野火蔓延，后扑灭余火

（3）打防结合，以打为主

在野火燃烧火势较猛烈的情况下，应在野火蔓延主要方向的适当地方开设防火线，并扑灭野火翼侧，防止野火进一步扩展蔓延。

（4）集中优势力量灭火

野火火势处于不断变化之中，空中指挥消防无人机要纵观全局，重点部位重点部防，危险地带重点防守，抓住扑火最佳时机，集中优势力量扑灭火源势头，一举消除野火。

（5）牺牲局部，保存全局

为更好保护森林资源和居民生命财产安全，在火势猛烈、消防无人机数量不足的情况下，采取牺牲局部、保护全局的措施非常必要。保护对象和次序分别是，先人后物，先重点区域后一般区域；如果火灾危及到树林和历史文物时，应先保护文物后保护树林。

（6）安全第一

扑灭野火是一项艰苦的工作，紧张的行动，往往会忙中出错，乱中出事。消防无人机集群扑火时，特别是在大风天气扑火，要随时注意野火变化，避免地面消防人员被火围困和人身伤亡。

消防无人机集群灭火常用战术

（1）单点突破，长线对进突击战术

消防无人机集群灭火时从某一个地点突入火线，兵分两路，进行一点两面作战，最后合围。这种灭火战术选择突破点是关键，一般选择接近主要火势的侧翼突入，在火势较强的一侧重点配置数量较多的消防无人机，火势较弱的一侧配置少量消防无人机。

（2）多点突破，分击合围战术

这是一种快速分割灭火区域，扑灭野火的实用消防无人机集群灭火战术。实施时，若干架消防无人机，选择两个以上突破口，然后分别进行“一点两面”作战，各突破口之间相互形成分击合围态势，将整个野火燃烧的火场分割成若干个区段，分别击破，达到迅速扑灭全部野火的目的。这种战术特点是突破口多，使用消防无人机数量多，全线展开，每架消防无人机面对火战线短，扑火效率高，是消防无人机集群扑灭野火的常用战术。

（3）四面包围，全线突击战术

这是以足够数量的消防无人机扑灭初发火、小面积火的实用战术。主要采用全线用兵，四面围歼的办法灭火，既要扑灭火势、又兼顾全局，一鼓作气扑灭全部野火。其要点是在蔓延强烈的一侧，无人机部署多于较弱的一侧，在顺风火处部署无人机多于逆风火和侧风火，在上山火部署无人机多于下山火。

（4）一次冲击，全线控制战术

将全部消防无人机部署在火线一侧或两侧，采用一个扑火层次，全力扑打明火，暂不清理余火，力求在短暂时间内消灭明火，以控制火场局势，然后再组织一定数量的消防无人机消灭残余火。这种战术多多在野火危及到居民区、重要设施时使用。

消防无人机/有人机协同灭火技术

消防无人机/有人机协同灭火是指在“无人机消防管理指挥中心”统一指挥控制下，综合利用消防有人机与消防无人机的特点，共享森林火灾现场信息，通过整体力量完成森林火灾扑灭任务。其主要步骤是：消防有人机飞行员通过驾驶舱内的监控器屏幕，实时观看空中指挥消防无人机传输的火灾现场视频，并对火灾现场位置、火势和发展趋势做出自己的判断，及时向地面“无人机消防管理指挥中心”汇报沟通，形成新的协同灭火方案，充分发挥消防无人机/有人机协同灭火的巨大优势，从而取得最佳灭火效果。

利用消防无人机/有人机协同灭火技术，不仅可以大大降低地面消防员在森林火灾现场面临的危险，而且在远距离扑灭森林火灾时，减少地形、障碍物等因素对消防有人机和消防无人机信息传输的干扰，还可以增加消防有人机和消防无人机的灭火范围，提高灭火效率。由于消防无人机与消防有人机二者飞行控制和技术性能区别较大，要实现协同灭火，必须满足以下几个条件。

（1）协同控制

消防无人机/有人机协同控制主要表现在消防有人机对消防无人机进行任务控制，即消防无人机在执行任务过程中，消防有人机对其飞行、通信、任务载荷等多个层面进行有效管理、指挥和控制，能够对无人机发出各种指令，让其配合消防有人机，消除火场上空投放灭火剂可能遇到的障碍，必要时甚至可以通过数据链路实现其飞行控制。

（2）协同态势感知

需要将消防有人机、消防无人机以及其它消防侦察平台获取的森林火灾现场信息进行融合，建立关于灭火活动、任务能力、位置和灭火剂投放数量或重量等要素的火灾现场综合态势图，以分析火灾现场的火情现状和蔓延态势，然后有针对性地对目标实施扑灭行动。要做到这一点，对消防有人机的信息接收和信息处理能力要求很高。

（3）任务分配

消防有人机飞行员将根据火灾现场的火情种类、蔓延趋势，以及编队中消防无人机灭火剂或水的装载量和飞行性能，将不同位置和威胁程度的着火点目标区域，合理地分配给不同类型的消防无人机即大、中、小型消防无人机，使整个编队的整体灭火效能最大化，代价最小化。

消防无人机/有人机协同指挥控制技术十分复杂，主要包括消防无人机/有人机任务规划决策系统、标准化通信接口、任务管理系统、信息融合系统、态势显示系统、高速宽带数据链等部分，可明确整个消防灭火系统的人机功能分配、指挥控制系统功能划分，最大程度发挥消防有人机和消防无人机各自优势，达到最佳系统平衡和统一协调指挥。

消防无人机/有人机协同灭火过程涉及地面“无人机消防管理指挥中心”及地面控制站对消防无人机/有人机编队的指挥控制，消防有人机对消防无人机的指挥控制以及消防无人机的自主控制等。因此，首先须明确协同指挥控制体系结构，以及不同指挥控制中心的功能与关系。

由于消防无人机/有人机协同灭火涉及多个指挥控制中心，因而要实现协同控制，关键要解决控制权限在多个指挥控制单元之间无缝、连续、稳定的转换和迁移，根据任务需求和指挥控制单元的能力，实时调整控制权分配，即变权限指挥控制，相关内容包括控制权限层次化，以及控制权在消防有人机与地面控制站之间切换过程中，消防无人机信息管理与共享技术。

山羊清除可燃物

针对加州野火灾害频发现状，消除加州野火灾害系统性方案的核心内容之二是用山羊清除可燃物。

对加州野火频发原因进行研究分析后可知，加州的自然生态平衡已经受到严重破坏，能够抗住野火侵扰的大树在急速减少，从上世纪30年代至今已丧失了一半之多，造成本地一种特有的易燃油脂性灌木疯长，非常容易着火燃烧，只要有一点火星，就能烧起来。

美国有线电视新闻网（CNN）报道称，为保卫家园不被野火侵袭，加州等地居民开始利用成群的山羊啃食植被，从而构建防火屏障，阻止野火蔓延。据报道，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，相当于其体重的百分之九，据此可判断山羊能胜任这项工作见图1。由于山羊动作敏捷，具有很强的攀爬能力，一些陡峭山坡上的植被，也会被它们啃食掉，效果非常好见图2。

图1 山羊啃食前后的森林情况对比。

图2 山羊也会啃掉陡峭山坡上的植被。

举个实际案例，2019年10月30日早晨6时，美国加州洛杉矶东北部爆发了一场新的大火，迫使附近的里根总统图书馆和社区居民紧急撤离。截至7时50分大火迅速蔓延超过4km2，距离里根图书馆仅27．4m，由于大火突发，该地区高速公路大部分已关闭。里根总统图书馆位于强制撤离区中心，里面存放着里根任期内总统档案，超过6000万页文件、160万张照片、50万英尺电影胶片、成千上万个录音带和录像带以及“空军一号”总统专机、40000多件柏林墙残片文物，数量如此之多的宝贵历史文物危在旦夕。但最后结果却出乎人们意料之外，里根总统图书馆幸免于难，没有被熊熊燃烧的野火吞噬，其救星竟然是一群贪吃的山羊。因为考虑到加州野火频繁，里根总统基金会和研究所早在2019年5月就从当地一家公司租来数百只山羊，让它们吃光了图书馆周围高度易燃的灌木和植被，令图书馆逃过一劫，让人称赞不已。

目前，利用山羊预防野火的做法正在美国加州及其它西部州县广泛推广见图3。为租用山羊预防野火，加利福尼亚州内华达城（Nevada City）副市长塞纳姆从去年12月起，在美国知名众筹平台“资助我”（Go Fund Me）发起了一项众筹基金“山羊基金”，以弥补政府补贴的不足。该基金目前已从内华达市、加利福尼亚州，乃至世界范围内筹集到2．6万美元资金。利用成群的山羊啃食植被是一种以环保的方式清除易燃植被的好方法，因此要大力推广普及。与此同时，当原先的灌木或荒草被山羊啃食干净后，必须尽快种植抗火树苗，以防止第二年春天易燃灌木或荒草卷土重来。

图3 利用山羊啃掉林间空地上的灌木和杂草植被。

具有耐火性和阻火性的树种称为抗火树种。抗火树种须符合阻火、适生、无害、有经济价值等条件，并具备枝叶茂密、含水量大、含油脂少、不易燃烧、耐火性强等特性；下层林木应耐潮湿，与上层林木种间关系相适应；生长迅速、适应性强、萌芽力高；无病虫害寄生和传播等。生物防火林是预防野火蔓延、控制大面积森林火灾的有效阻隔，由于选用树种不易燃烧，而且抗火林带可以形成林带内小环境，不利于野火发生与蔓延。

建议由加州大学洛杉矶分校大气海洋科学系的教授挑头组织科研小组，通过对加州主要森林树种进行野外调查采样，测定所采集树木样本的含水量，结合树种生物学特性、生态学特性，筛选出适合加州地区种植的抗火树种。通过选种，培育抗火性强的树种，其具有涵养水源能力强．叶片含水量高等特点，提供给加州居民用于植树造林。

建议加州成立专业植树造林队，按规划在荒山秃岭上植树造林，播撒抗火树种及栽种抗火树苗，绿化荒山，改善加州生态环境。特别是当山羊清理出一块荒地后，植树造林队要及时跟进种植，在荒地上栽种一片抗火树苗，让抗火树林逐渐覆盖整个加州大地。

无人机消防站建立

建立无人机消防站的目的

为消除加州每年持续不断发生的野火，建议实行“预防为主，积极消灭”的方针和利用消防无人机贯彻“打早、打小、打了”的原则。由于无法预知野火出现的时间和地点，人们希望在加州境内建立足够多的无人机消防站，一旦野火在某时某地露头，附件驻站消防员能第一时间观察并发现野火烟雾，及时向上一级“无人机消防中心站”报告火情，并操控4架小型多旋翼消防无人机起飞，直接飞到起火点，迅速将野火消灭在萌芽状态。

构建无人机消防组织架构体系

组织架构是指一个组织的整体结构，是为实现资源组织、流程搭建、业务开展、管理实施等基本任务要素而搭建的架构。为消除加州野火灾害，必须建立和完善加州无人机消防组织架构。

加州总面积超过42万km2，城市人口密集区域约占总面积的25%，除此区域外，无人机消防站作业覆盖面积约31．5万km2。以消防多旋翼无人机使用半径10km进行计算，每架消防无人机的有效作业覆盖面积约为314km2，全加州需要建立无人机消防站的数量约1000个。考虑到实际山区地形的不规则性，建立无人机消防站的位置受地形地物影响较大，选址不可能理想化，不可避免地导致消防无人机有效作业面积出现一些重叠。因此，为达到无人机有效作业全覆盖的目的，全加州建立无人机消防站的数量需超过1000个，即理论上的总覆盖面积略大于需要覆盖的总面积。

1000个无人机消防站划分为南北两个大组，每个大组有500个无人机消防站，分别称为南加州大组和北加州大组。根据所处地理位置，将每个大组又划分为20个小组，每个小组由地理位置相邻的25个无人机消防站组成，将其中1个地理位置比较靠近中心的无人机消防站建设成“无人机消防中心站”，起小组长的作用。除了完成自身无人机消防任务以外，还要负责管理、协调其余24 个小组成员即无人机消防站的消防工作。

地理位置处于南加州的20个“无人机消防中心站”，及其各自下属的24个小组成员，共计500个无人机消防站包括中心站在内，归属于“南加州无人机消防管理指挥中心”管理。同样，地理位置处于北加州的20个“无人机消防中心站”，及其各自下属的24个小组成员，共计500个无人机消防站归属于“北加州无人机消防管理指挥中心”管理。

南北加州两个“无人机消防管理指挥中心”均归加州消防局统一领导和管理，由此构成加州无人机消防组织架构体系，其组织架构体系如图4所示。

图4 加州无人机消防组织架构体系图。

无人机消防站组成结构与工作任务

无人机消防站是整个无人机消防组织架构体系的基础节点，或者说是消除加州野火最前沿的阵地。根据加州的地理、气候、环境等特点，以及植树造林、建立防火隔离带的需求，建立1000个无人机消防站，广泛部署在全加州森林或草地覆盖区域及有需要的地方，编织加州境内全覆盖、消除野火的“天罗地网”。

为及时有效地发现刚露头的野火苗头，需要采取“技防+人防”的消防策略。技防是指利用现代无人机高科技技术在空中侦察监测，在野火初始状态便扑灭火苗；人防是建立野火观察站，由驻守站内的消防员用望远镜观察周围的火情，以发现可疑烟火。无人机消防站组成结构与工作任务主要有以下几方面。

（1）野火观察小屋和野火观察塔

每年秋冬季是野火爆发季节，为及时发现突然出现的野火苗头，可以在山顶建筑一个野火观察小屋，如图5所示，或者建造一个野火观察塔，也称森林消防观察塔，如图6所示。两者统称为野火观察站，同时可作为无人机消防站的办公室。为便于观察，野火观察站四面墙上都设有窗户，而且不挂窗帘。在野火频发的秋冬季节，由无人机消防站的消防员轮班日夜驻守，在目光可及之处，寻找疑似野火的任何可疑烟火。

图5 建筑在山顶上的野火观察小屋。

图6 森林消防观察塔。

虽然建造野火观察小屋的费用比建造野火观察塔低，但是对于不同地区的无人机消防站，具体是建造野火观察小屋还是野火观察塔，是由该无人机消防站组所处的地理位置、周围环境和观察效果等因素决定。如果山坡顶峰高度足够高，周围没有视觉障碍物影响消防员的观察，消防员可以清晰观察到四周森林草地，那么建筑一个观察小屋作为野火观察站就是首选方案，否则就要建造一个野火观察塔，以提高消防员观察野火的位置高度。

（2）小型消防多旋翼无人机

野火观察站是一种传统的野火火警侦察方法，现代先进的野火侦察方法是采用小型消防多旋翼无人机。消防员操控小型消防多旋翼无人机在昼夜24h时间内随时起飞，执行火情侦察任务，能全天候执行侦察作业，在森林或草地上空巡查，及时发现火情，报告火场位置，并即刻飞临起火点上空，向着火点喷射灭火干粉或发射灭火弹，快速扑灭初发阶段的野火。

小型消防多旋翼无人机能够抵达一般灭火力量难以到达的地区，及时进行灭火作业。无人机空中侦察监视野火的对象包括火焰、烟雾和红外辐射三种，因为在野火发生早期并不容易监视到大量火焰，监视到的主要是烟雾，所以监视烟雾是最早发现野火的最佳方法。

小型消防多旋翼无人机在空中拍摄视频和高清图像，实时传输到无人机消防站和无人机消防中心站，利用大数据处理技术，迅速完成烟雾自动识别，判断出起火点位置。小型消防多旋翼无人机在夜间作业需配备专业红外热成像探测仪，在空中对地面进行红外探测，可穿透烟雾遥感到地表温度等情况，从而快速定位火源。

采用传统的野火观察站，并使用小型消防多旋翼无人机执行巡查监视、扑灭火苗的方法，能有效扑灭萌芽状态的野火，从而达到“消灭野火灾害，保护加州安全”的目的。

无人机消防站人员工作

每个无人机消防站驻守的消防员数量通常为2人，但是在秋冬季野火频发季节，也可以多增加1名消防员。消防员每天需写护林观察日记，记录野火观察情况，即使没有出现任何火情，也要如实记录当天天气状况，森林或草地中的树木、杂草、林下植物、野生动物、土壤微生物及其他自然环境等每天所发生的微小变化。其实100多年前美国就有这份工作，当时全美有一万多名野火观察员。他们之所以被称为“野火观察员”，不称为“消防员”，原因在于当时还没有消防无人机，他们只有观察和通报野火发生地点的能力，而不能像现在可以自己动手操控消防无人机，扑灭萌芽阶段的野火。

虽然不少人都曾是野火观察员，不过很多人只在一个秋季时间段工作，就耐不住寂寞辞职了，能够连续几年秋冬季都工作的人少之又少。因此，根据以往历史经验及充分体现现代人文关怀，在野火观察小屋即无人机消防站办公室附近的山坡上要平整出一块平地，用于修建2套消防员家属宿舍，供2名消防员家属居住。在非野火频发的春夏季，无人机消防站消防员起到“护林员”的作用，主要任务是植树造林、修整森林或草地防火隔离带，其宽度通常是40～60m、维修仪器设备，以及进行无人机操控和维护技术培训等。

现在无人机消防员都要经过严格培训，取得无人机驾驶员证书。由于消防员每月都有固定工资收入，其随行家属没有，因此要允许其家属从事一些副业工作，例如在住处旁边申请开垦一小块荒地，种植一些自己家庭食用的蔬菜，其种植面积和品种要获得批准，或是承担有偿植树任务及放牧几十、上百只山羊，山羊的品种和数量也要事先申请并获得批准。■

(未完待续)