加州野火灾害系统性消除方案（六）

符长青

本文主要阐述无人机消防管理指挥中心建设、消防无人机驾驶员培训中心建设，无人机消防专业课题研究小组建立。为尽快消除加州野火灾害，提出大力发展加州山羊产业，以及成立无人机消防专业课题研究小组和“消除野火灾害，保卫加州安全”基金会。

野火联动计算机监管分析系统

野火联动计算机监管分析系统是在基础地形数据、数字高程模型、遥感数据、森林和草地资源数据、防火资源数据等相关数据基础上，实现精准、动态的野火区域划分，野火动态监测和自动识别与定位，野火蔓延模拟与指挥调度，灾后评估等，其主要功能如下。

（1）野火预测

野火预测主要包括野火的区划、探测区野火预测、无人机航线设定等。通过统计分析，对野火曾经发生的区域进行时间、空间、地域三维统计分析，为以后火情预防提供有效数据支撑，如图1 所示。主要根据森林和草地资源、社会经济、基础地形地貌、气象等状况，结合数学建模，实现野火的精准区划，并结合野火远程视频预警监控系统的数据和计算监控点可视域内的火线区划，按照野火等级的高低，实现重点区域重点监测。

图1 重点监测区域历年野火发生的时间和位置示意图。

（2）跟踪定位

在系统自动识别出野火后，根据当前摄像机反馈的方位参数，确定着火点位置。

（3）烟火识别

烟火识别是指对烟火区域进行识别，当消防员发现某个地方可能发生火灾时，或肉眼发现有疑似野火烟雾时，需使用野火联动计算机监管分析系统对该区域进行重点识别。

（4）决策分析

决策分析主要包括起火点定位、缓冲区分析、野火行为预测、最佳路径分析、灭火队伍调度等。起火点定位是指系统利用手工或鼠标捕捉方法定位起火点；缓冲区分析是对起火场地周围的地物和森林资源状况进行分析，从而为指挥决策提供正确的信息；野火行为预测是根据当地气候、地形、植被等因子，来模拟野火的蔓延，为指挥决策提供参考；最佳路径分析将提供从资源供应地到火场的最佳路线，为扑灭野火赢得宝贵时间；灭火队伍调度是根据前面的分析结果，科学合理地调度消防无人机资源，生成消防灭火指挥调度图。

（5）灾后评估

灾后评估主要包括过火面积统计、过火损失统计、火灾案件处理、火灾档案管理及档案归档处理等。

（6）专题分析

根据工作需要生成各种消防资源分布图表，包括防火资源图表、森林或草地资源图表、生态公益林图表、古树名木图表等。

（7）报表统计

报表统计功能主要包括损失评估报表、森林资源统计表、生态公益林统计表、低丘缓坡统计表、古树名木统计表。主要根据工作霈要，自定义生成各类统计报表，用于日常管理工作。

（8）基本信息管理

基本信息管理包括行政代码管理、防火基础数据管理、二类资源数据管理、生态公益林数据管理、古树名木数据管理。主要完成各种基础数据录入、编辑、处理和管理。

无人机消防管理指挥中心建设要求、原则与选址

建设要求

首先，无人机消防管理指挥中心建设项目要满足指挥、协调和管理下属各无人机消防中心站及无人机消防站的工作需求，而且能与上级领导单位即消防局保持畅通的通信联系，其中最重要的工作任务是组织各方力量，及时迅速扑灭刚刚露头的野火。一旦野火有蔓延趋势或已经发生蔓延，应迅速操控大中型消防无人机飞往火场，加入灭火行动，并成为扑灭野火的主力装备。

其次，无人机消防管理指挥中心建设项目要满足大中型消防无人机飞行保障系统的要求。包括建设一个供大中型消防旋翼无人机起降的机场，如图2所示。

图2 无人机消防管理指挥中心消防无人直升机机场。

在无人机消防管理指挥中心机场停放的大中型消防旋翼无人机，性能先进，载重大、航程远、续航时间长，能适应各种环境和气象条件，按预设航线全自主飞行，而无需人员操控，可长时间在森林和草地等野火易发地区上空执行巡查任务，包括昼夜巡逻，使用机载红外热成像或远红外探测系统，及时发现野火起火点。尤其是大中型消防无人直升机，可携带5000～10000kg水或灭火剂，在扑灭野火的过程中发挥主力军作用，如图3所示。

图3 大型消防无人直升机正在扑火。

大中型消防无人机飞行控制与导航系统、任务规划指挥与地面控制站、数据通信链路、航空油料、化学灭火药品、停机坪、取水池、气象观察站等系统与设施，通过科学组合形成机动灵活的安全保障体系，为无人机实施消防灭火任务提供野外飞行保障和后勤保障，减少消防无人机空飞时间，提高扑灭野火效率。除此外，保障体系还包括消防无人机在地面进行检测、维护和维修的设备、备件和后勤场地，以及无人机操控员和维护人员技术培训设备、资料和实训条件。无人机系统是一种复杂高科技系统，起保障维护作用的地面综合保障系统已变得越来越重要。

消防无人机地面综合保障系统综合了一系列技术与管理工作，是一个由很多专业组成的综合学科。综合保障涵盖装备的使用保障和维修保障，主要有维修规划，设备保障，供应保障，人员培训，技术资料收集与存储，训练保障，以及包装、装卸、储存、运输等方面内容。

由于超大型固定翼消防有人机的使用、管理和飞行不属于“无人机消防管理指挥中心”的工作范围，这里不再赘述。

建设原则

无人机消防管理指挥中心建设项目包括办公区、停机坪、机库、维护维修厂房、航空油料库、化学灭火药品仓库、取水池，以及工作人员生活区等几大部分，其建设原则如下。

（1） 科学论证、规模适宜

根据森林或草地资源分布情况和区域性野火灾害发生规律，合理规划大中型消防无人机的作业面积及巡查半径，按区域自然条件和基础设施现状，合理确定无人机消防管理指挥中心建设规模和等级。

（2） 统一规划、合理布局

要按照规划好的大中型消防无人机的作业面积、巡查半径及巡查航线，建设无人机消防管理指挥中心的硬件配套基础设施，尽量避免与无人机消防站野火巡查航线重复，做到技术可行，经济合理，同时符合行业发展建没规划。

（3） 安全可靠、功能完备

需统筹建设森林巡查和消防灭火设施，使各项基础设施建设符合有关技术标准和规范要求，必须保证飞行安全。

（4）技术先进、满足需求

无人机消防管理指挥中心项目建设应对多方案的技术性、经济性进行比较，应注重技术进步和节能减排。

（5） 以人为本、节约资源

充分考虑无人机消防管理指挥中心员工的工作和生活需求，因地制宜、合理规划、节约用地、节约能源、重视环境保护。

建设选址

无人机消防管理指挥中心建设选址首先要邻近下属的各无人机消防中心站及无人机消防站（总数达到500个），最好选择它们的中心位置，以方便开展日常消防巡查、灭火训练，并满足野火扑灭时的指挥、通信、后勤保障等需要；

其次应选择水文地质条件良好，平地和地面坡度适当，排水条件良好的地点，并结合场地条件合理布局，节约用地；

第三，充分考虑风场、降水、能见度等气象条件对无人机飞行和机场使用的影响，选择气象条件良好的场地；选择交通、通信、水源、电力等条件比较方便的地点，以及远离候鸟群的习惯迁移飞行路线和鸟类聚集地区；

第四，取水池选址应根据大中型消防旋翼无人机机型，结合森林或草地资源分布。如新建取水池，需对水源进行调查并满足良好净空条件，按大中型消防旋翼无人机30min往返计算距离，取水池分布间隔宜小于10km。将满足常用机型取水条件的野外河流、湖泊确定为备用取水点。

无人机消防管理指挥中心主业的主要设备

（1）4架中型消防旋翼无人机、2架大型消防旋翼无人机；

（2）无人机消防车。每个无人机消防管理指挥中心需配备4辆无人机消防车及其他一些必备消防灭火设备和原材料，每辆无人机消防车装载1架中型消防无人机，总共4架；

（3）野火无线远程视频监控系统主站设备，包括软硬件设备；

（4）野火联动计算机监管分析系统；

（5）星链通信网络系统；

（6）完成消防无人机大修所必备的维修工具和设备。

无人机消防管理指挥中心建设总费用估算

（1）办公室建筑费用3000万美元；

（2）野火无线远程视频监控系统1套，费用2000万美元；

（3）野火联动计算机监管分析系统1套，费用800万美元；

（4）中型消防旋翼无人机4架，每架50万美元，合计50×4=200万美元；

（5）大型消防旋翼无人机2架，每架5000万美元，合计5000×2=1亿美元；

（6）无人机消防车4辆，每辆25万美元，合计25×4=100万美元；

（7）维修工具和设备费用200万美元；

（8）消防器材，灭火干粉，灭火弹等设备费用50万美元；

（9）不可预知费用50万美元；

每个无人机消防管理指挥中心建设总费用合计1.64亿美元。

2个无人机消防管理指挥中心建设费用共计3.28亿美元。

综上所述，加州无人机消防网络960个无人机消防站、40个无人机消防中心站、2个无人机消防指挥中心站的建设费用合计为30.508亿美元。

大力推动加州山羊产业发展

加州易燃灌木生长面积之大、速度之快、分布之广，令人触目惊心，这是造成野火肆虐加州的主要原因。要想从根本上真正消除野火危害，就必须找到能彻底清除这些易燃灌木的有效方法。实际上，加州民众通过近三年的实践摸索，已经找到一个既环保又高效的方法，即利用山羊啃食荒草灌木，现在需加大力度推广这种方法，其中“加大力度”是关键，加州应实现大规模山羊饲养产业，并大力推动该产业发展。

山羊是人类最早驯养、适应性最强和能食用树皮、树枝等粗食的家畜品种之一，具有繁殖率高、饲养容易、性格温顺，易管理等特点，能适应各种气候和地理环境，在内陆气候、热带和亚热带灌木丛、半荒漠和沙漠地区均能良好生长。在干旱地区无水和饲料情况下，与其它动物相比，其存活时间最长。山羊经济价值很高，其乳液和肉可食用，绒毛和皮可作服装等工业原料，目前世界每年山羊板皮贸易量约为8000万张。

放牧时，山羊可采食灌木以及其它动物不吃的植物。每次放牧山羊群数量应根据草场牧地面积大小而定，可由数十只到数百只不等。由于山羊有采食杂草灌木的习性，因此可用于控制杂草灌木生长和蔓延。这种清理杂草的省钱环保方法，既适用于大片荒山野岭见图4，也适合于机场草坪，森林空地、公园和较大的私家后院见图5等场所。由于山羊性情温和，喜欢群居，善于集群在一起啃食杂草灌木，使用卡车等运输工具运送大群山羊到各个地点，十分便利安全。雇佣山羊清理草坪，相比聘用环境美化工人，更加经济快捷，让除草工作显得经济而环保。

图4 卡车将山羊群运送到荒山野岭，清除大片杂草灌木。

图5 消防无人机驾驶员正在上培训理论课。

为清除加州大地上疯长的易燃杂草和灌木，按每平方千米每年至少需要100只成年山羊计算，全加州除去沙漠、湖泊、城市人口密集区域外，剩余的308260km2每年至少需要3千万只成年山羊来啃食清除易燃的杂草和灌木。这里所说的成年山羊不包括未成年的小羊羔，因为小羊羔年龄太小，还不能像成年山羊那样承担啃食和清除“工作”，所以小羊羔不能算入其中。如果每年成年山羊和小羊羔的数量比例能达到1∶1，那么加州每年需要的山羊总数为6千万只。

在加州，所有业主如果拥有生长茂盛的易燃灌木或荒草土地，不论是政府、企业，还是个人，都应向消防局申报登记，注明清除干净的期限。一方面，加州政府、议会应当立法，从法律和制度上对不能按期清除干净的业主予以高额罚款，因为其行为可能给加州民众带来野火灾害蔓延的威胁；另一方面，政府要积极鼓励企业和个人响应“大力发展山羊产业”的号召，在税收等方面给予一定优惠，因为其行为对消除加州野火灾害蔓延做出了贡献。

目前，加州政府应加强宣传“消除野火威胁，保卫加州安全”主题，采取实实在在的有力措施，大力推动加州山羊产业发展，包括把加州山羊产业作为加州新的经济增长点，积极引进国内外和州内外资金，投入到加州山羊产业，以迅速扩大山羊饲养业，加大山羊奶和肉类的市场供应量，扩大山羊皮、毛绒产品和服装生产规模，并努力拓宽海外市场，积极扩大山羊、山羊奶和肉类、山羊皮、绒产品和服装出口数量。报纸、杂志和电视台要大力加强加州山羊产业的宣传力度，增加有关山羊饲养方法、山羊奶和肉类美味食品烹调方法的节目，以及盛赞其营养价值高的报道，提高广大民众对加州山羊产业发展的关注度。

要允许和鼓励加州民众成立专业山羊放牧队，以及建立山羊认领制度，号召全加州、全美国或全世界民众，特别是学生和小朋友，通过互联网、手机到专业山羊放牧队认领1只或多只山羊。

随着加州山羊产业迅速发展，加州政府要不失时机地把山羊作为加州的吉祥物，成为加州的标志，在洛杉矶市和旧金山市最有名气的公园，树立由著名雕刻艺术家创作的山羊雕像，使其矗立在最高点，一眼望去显得相当宏伟和温馨。

要逐渐让人们习惯“山羊州”是加州的另一种称谓，以表彰山羊对加州消防事业和经济发展所做的突出贡献。

消防无人机驾驶员培训中心建设

消防无人机虽然昂贵，但消防员生命无价！首先要给消防员配备足够数量的消防无人机，其次要尽快建立消防无人机驾驶员培训中心，加强消防员培训，使他们都能成为一名合格的消防无人机驾驶员，取得消防无人机驾驶员执照。

无人机系统和消防无人机驾驶员概念

无人机要想真正完成一项特定任务，除携带任务设备外，还需要地面控制设备、通信设备、维护支持设备，地面操控员，维护人员等。因此，完整意义上的无人机应称为无人机系统。无人机实际上并不是真正离开了人员操控，虽然无人机机上确实没有人操控，但却离不开地面无人机驾驶员对其进行控制。

无人机驾驶员是指在地面利用无线电设备操控无人机飞行的人员，他与无人机之间构成一个完整的人机系统，是一种闭环控制回路系统。

消防无人机驾驶员是指利用远程控制设备，操控消防无人机完成消防灭火任务的消防人员，其主要工作任务如下所述。

（1）安装、调试消防无人机电机、动力设备、旋翼桨叶及任务载荷等设备；

（2）设计调整消防无人机任务规划航线；

（3）根据飞行环境和气象条件，校对消防无人机飞行参数；

（4）操控驾驶消防无人机完成森林消防飞行任务；

（5）整理并分析消防无人机数据；

（6）评估消防无人机飞行结果和工作效果；

（7）检查、维护、整理消防无人机及任务设备；

（8）山羊饲养和除草。

消防无人机驾驶员培训

消防无人机驾驶员培训课时一般在60～80h，培训对象分为A、B、C三级，其中C级为小型消防旋翼无人机驾驶员，B级为中型消防旋翼无人机驾驶员，A级为大型消防旋翼无人机驾驶员。对于不同级别人员的培训，使用不同的教材和实物，考试合格后颁发不同等级的驾驶员执照。C级执照只允许驾驶员操控小型消防旋翼无人机，B级允许驾驶员操控小型和中型两类消防旋翼无人机，A级允许驾驶员操控所有类型消防旋翼无人机。所有消防无人机驾驶员必须从最低级即C级开始培训，低级别培训合格并取得执照后，需实际工作一段时间，才能参加高一级的培训和取证。

培训内容主要包括理论学习、模拟操控及实操飞行三个环节。

（1） 理论学习

理论学习主要包括美国联邦航空管理局（FAA）有关无人机管理的相关法律法规，无人机飞行和无人机驾驶员计算机网络管理平台，无人机结构、飞行原理，系统组成、装机调试、维护保养、无人机集群和无人机/有人机协同飞行技术，以及森林防火，气象知识，山羊习性和饲养方法等内容。

（2） 模拟操控

模拟器是一款模拟飞行软件，安装在电脑中，将遥控器与电脑连接，就可以进行无人机飞行操控模拟练习。软件里有各种无人机机型可供选择，选好后使用遥控器就能操控无人机在电脑里飞行，既体验飞行乐趣，又能掌握各种飞行技巧。在模拟器上操控无人机，与现场操控无人机基本一致，因为模拟器的操控就是为实际操控提供前期训练。使用模拟器的最大好处是，练习时不用担心无人机坠机，经济上非常节省。另外，学员可根据自身需要，选择合适机型，这样就给新手增加了练习机会，在新手操控水平不高的情况下，可以进行更多练习。

（3） 实操飞行

图6 消防无人机驾驶员正在上室内操控课。

实操飞行就是实际操控消防无人机飞行，首先练习小型无人机室内操控飞行，如图7所示；然后是消防无人机室外真机操控飞行培训，主要练习起飞降落、空中悬停、直线飞行、原地360°转圈、“8”字形平稳飞行、吊桶装水等飞行动作；最后是消防无人机集群和无人机/有人机协同灭火模拟飞行训练。

图7 熊熊燃烧的野火无情地吞噬着居民住宅区的建筑物。

实操飞行培训结束后参加理论和实践考试，成绩合格者将获得结业证书及消防无人机驾驶员执照。

消防无人机驾驶员执照管理

消防无人机驾驶员培训中心应当建立消防无人机驾驶员执照管理和监督制度，加强消防无人机驾驶员考试、驾驶证核发和使用管理，包括使用计算机管理系统核发、打印驾驶证。

由于无人机技术发展极为迅速，新技术、新方法和新机型日新月异，层出不穷，对消防无人机驾驶员的技术水平要求越来越高。因此，消防无人机驾驶员应不断学习和掌握新技术和新机型。消防无人机驾驶员培训中心颁发的驾驶证有效期为5年，到期后消防无人机驾驶员必须返回驾驶员培训中心，参加短期即10h技术培训和考试，考试合格后培训中心重新颁发新的驾驶证，有效期任为5年。

无人机消防专业课题研究小组建立

由于近年加州每年都会暴发野火灾害，对加州居民造成极大危害，因此“消除野火灾害，保卫加州安全”已成为加州广大居民最迫切、最强烈的愿望。加州野火灾害系统性消除方案是为实现加州广大居民愿望而提出，是一个巨大消防系统工程。一方面其规模之大，难度之高，涉及面之广及复杂程度之深都为空前；另一方面，它又是一个“利在当代，功在千秋”的惠民大工程，符合加州人民根本利益。

众所周知，加州有许多优秀的大学和企业，其研究创新能力极强。因此要选择几家高校和企业，分别组建多个“消除野火灾害，保卫加州安全”课题研究小组及相关实验室，从“无人机扑灭野火”和“山羊清除可燃物”两个方向开展深入研究。

课题研究小组的研究课题可拆分为以下分课题。

（1）小型消防多旋翼无人机系统设计与制造；

（2）中型消防旋翼无人机系统设计与制造；

（3）大型消防旋翼无人机系统设计与制造；

（4）星链网络无人机系统技术；

（5）小型消防旋翼无人机自动化机库；

（6）消防无人机无线充电技术；

（7）无人机消防车设计和制造；

（8）超大型客机改装为消防有人机的系统设计与制造；

（9）消防无人机自主飞行技术；

（10）消防无人机集群灭火技术；

（11）消防无人机/有人机协同灭火技术；

（12）消防无人机任务规划及地面控制站；

（13）加州野火无线远程视频监控系统；

（14）加州野火联动计算机监管分析系统；

（15）加州野火形成机制研究；

（16）山羊良种培育；

（17）抗火树种树苗培育；

（18）加州易发野火草地分布状况调查；

（19）加州森林资源分布状况调查；

（20）加州森林资源利用和保护，包括旅游点开发。

另外，也可以先建立几个无人机消防站，例如5个，然后再测试本方案可行性。

“消除野火灾害，保卫加州安全”基金会建立

“消除野火灾害，保卫加州安全”是一项宏大的系统工程，所需资金很大，仅靠政府补贴显然不足。如何获得持续性资金来源？将是该系统工程面临的最大难题。因此要成立一个专门基金会来负责筹集所需资金。

美国加州野火灾害现场考察

美国加州常年发生野火，而且越来越严重，其规模和影响越来越大，不断刷新记录。加州是全世界经济最发达的地区之一，但面对野火频发，却感到力不从心，难以解决。所以加州野火灾害在今后几年内可能会越来越严重。

近距离目击加州野火现场

一年多来，为找到有效破解加州野火灾害的方法，探索和寻找无人机应用于森林消防灭火的最佳途径，作为一名中国学者，本人利用自己掌握的专业知识，对美国加州野火频发情况进行了比较深入的考察，想方设法对加州野火频发的原因、后果、解决方法和途径进行探索和研究，包括实地考察。本着知识来源于实践，以及“不入虎穴，焉得虎子”的想法，本人对处于爆发状态的加州野火进行了一次近距离观察，记实如下。

2020年，加州出现极端天气，热浪滚滚，夏天最高气温达到46℃。据电视台报道，野火烧毁了加州的大片森林，达到史无前例的水平。洛杉矶地区的天空因遭受野火烟尘污染，一度呈现橙色，人们戴着口罩都能闻到一股烧焦的烟味，地面、房顶及汽车表面均落了一层草木灰。面对如此恶劣的生活环境，自然激起人们改善和解决火灾的强烈愿望。

想要解决问题，首先要认识和了解野火火灾，本人一直在等待近距离目睹加州野火“真面目”的机会。功夫不负有心人，2020年9月8日，有一位朋友打电话给我，说一个美国宝宝性别揭晓派对时，燃放的烟火刚刚在南加州引起一场野火，已经在圣贝纳迪诺（San Bernardino）以东地区爆发。机不可失，时不再来，第二天，我特意加穿了几件厚实的衣服，并带了一副冬天才用的手套，目的是保护身体皮肤免遭飞溅的火星灼伤，独自一人开车两个多小时，赶往野火正在燃烧的现场考察。

一路上，烟尘遮天蔽日，天空仿佛被加了一层“橙色滤镜”，能见度极低，如图10所示，道路两边的树被大风刮得左右摇摆。越往前行，空气中弥漫的呛人气味越重。当到达野火燃烧现场附近时，天空中的烟雾和燃烧产生的灰烬变得更浓，阳光完全消失了，白昼变成了橙红色的黑夜。非常奇怪的是，虽然汽车外面天气酷热，但我脸上和身上竟然没有“大汗淋漓”，干干爽爽，只是感到有点酷热难耐。

一路上时不时能见到被烧死或烧焦的动物尸体，根据天空中野火燃烧产生的巨大烟雾和浓烈火焰，以及路边荒草树木被火烧过的痕迹，每隔一段时间，我都要大致估计一下野火的过火时间和过火强度等，对野火燃烧过程和蔓延路线做出简单的即时分析和判断，调整着开车跟踪的路线。有时走大路，有时走小路，有时几乎没路，只能从荒野平地上开过去。虽然困难重重，但一心只想目睹野火燃烧现场的“庐山真面目”，促使我只能奋勇前行，决不后退。随着距离正在燃烧的野火现场越来越近，我身边周围空气的温度和干燥程度也越来越高，旁边烧焦的枯树残枝还冒着烟或零星的微弱余火，并能听到时隐时现的“噼啪”声响。

再前面就是野火燃烧的火灾现场，冲天的雄雄大火铺天盖地，如图11所示。燃烧的树林发出树木爆裂和相互撞击的“轰隆”声、树枝断裂跌落的“咔嚓彭彭”声，以及大火燃烧特有的“噼里啪啦”等各种吓人的巨大声响，令人毛骨悚然。为安全起见，我没有再往前行驶，在离大火还有一段距离、比较安全的地方停下，走下车往前望去，烈火近在咫尺，天空血红一片，狂风骤卷，烈焰肆虐，宛若身处一团燃烧的火球当中，大火烤在脸上就像被刀割一样，有一种瞬间就可能被野火吞噬的感觉。

我坚持停留观察了约10min，然后开车回去。回到家灰头土脸，并发现外面几层衣服有好几个大洞，既像是被火烤的，又像是被飞溅的火星烧的。事后想想还真有点后怕，好在我站的位置不是顶风，风和火苗没有向我刮来。

图8 天空仿佛被加了一层“橙色滤镜”，能见度极低。

（全文完）