无人机在扑救西藏地区森林火灾中的应用初探

汤宛地 谭永仓 唐煌

摘要：通过改进装备推动森林火灾扑救能力提升，是增强森林消防队伍战斗力的必要途径。随着无人机技术的发展，已越来越多地应用于应急救援的各个方面，通过非接触性的处置方式有效降低了救援人员风险。西藏地区森林火灾由于高原地形环境特殊，给人工灭火带来较大難度。面对高原山区森林火灾火点多、接近难、风险大的实际，应用无人机扑救森林火灾是灭火手段的有效补充，能够实现直接或间接灭火，并给任务分队提供现场保障支持。根据当前无人机技术发展特点，结合高原森林火灾发生发展规律，对应用无人机扑救西藏高原森林火灾的可行性、适用性以及战法进行探讨，并就无人机选型和分队建设提出思考建议，为应用无人机扑救各类森林火灾提供参考。

关键词：无人机；扑救森林火灾；技术应用

中图分类号：S776.29       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2022）09-0001-04

当前，我国森林火灾扑救主要采取灭火人员抵近火线直接灭火的方式。西藏地区由于特殊的自然条件，人工灭火面临较大困难。应用无人机扑救森林火灾是一种非接触性灭火手段，具有轻便灵活、风险小等特点，既能够扑打人力难以到达的、分散的火线、火点、烟点，也可以为火场保障提供支持[1]。如果在西藏地区森林灭火实战中推广，将是一个非常有前景、有价值的发展研究方向，也可以为全国其他地区提供参考借鉴。

1 无人机技术研究综述

无人机是指不搭载操作人员，采用空气动力为飞行器提供升力，能够自动飞行或远程引导，可一次性或多次重复使用，携带各类有效载荷的有动力空中飞行器[2]。按照起降及飞行方式，大致可分为固定翼无人机、多旋翼无人机、垂直起降无人机、无人直升机等[3]。一般来说，固定翼无人机具有航时长、航程远等优点，通过搭载通信设备能够实现卫星通信，适用于远距离（100～900km以上）的火场侦察及大范围区域的巡护；多旋翼无人机多用于实现半径10～20km范围内的森林火情巡查与监视，具有携带方便、操作简便、能执行高危险性任务等优势，相较于固定翼无人机，多旋翼无人机不需要固定跑道，具有体积小、便于携带、准备时间短，可实现紧急情况下的快速反应等优点；垂直起降无人机综合固定翼无人机和多旋翼无人机的优点，起降时利用旋翼，飞行时可利用固定翼滑翔或旋翼悬停，具有场地适应性强、机动性好、巡航速度高、航时长等优势，是近年来一个发展较快的研究方向；无人直升机用于实现半径100～150km以内的区域性森林火情巡查与监视[4，5]。应用于森林防火的无人直升机，使用半径一般为150km左右，具备沿林区设定航线勘查的能力，对于可疑着火点或区域，能通过遥控指令改变无人机飞行航迹及飞行高度进行详查，完成火情区域精确定位，并实现实时视频回传，以协助开展火情判断[6]。

当前，国内部分林区已经开始尝试使用无人机开展森林防灭火工作，如深圳市野生动植物保护管理处、河北承德市森林防火指挥中心、重庆市森林航空护林站等。在东北地区，护林站航护作业半径一般为100～300km，且林区人烟稀少、交通不便，山区地形对无线通信遮挡问题普遍，主要采用具有卫星中继或多机中继通信能力的长航时无人机，实现大面积、远距离无人机航空护林作业。从2014年开始，国家林草局在根河航空护林站进行了试点，2016年在吉林航空护林中心、塔河航空护林站、幸福航空护林站进行试点[7]。森林消防队伍已开始将无人机应用于通信指挥、火场勘察等领域，可实现对火线或火点变化趋势的跟踪，也可通过投掷灭火弹等方式，将无人机直接应用于扑救森林火灾。

2 西藏地区林火特点

西藏是一个集山区、林牧区、边疆区、民族区、宗教区和经济欠发达地区为一体的自治省份，平均海拔4000m以上，森林面积1484.84万hm2，覆盖率为11.91%，且99.6%为原始林，主要分布有高山原始针叶林、亚热带原始常绿阔叶林、低山热带雨林，林下大量草本植物和灌木丛覆盖，植物种类繁多，植被梯状生长、垂直分布[8]。

2.1  火源特点

西藏森林火灾起因主要是人为，据最近5年火灾数据调查统计，人为火占总数的90.6%，多发生在村旁道边，且林区、牧区内人员分散，管理力量薄弱，管控难度大。

2.2  时空分布规律

防火期为每年11月至次年5月，少雨多风、日照强、蒸发快，火灾多发，西藏林区主要分布在藏东、藏南以及藏东南的金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江下游及喜马拉雅山南麓的高山峡谷区[9]。

2.3  火行为特点

西藏地区森林植被垂直地带性明显，越向山顶方向植被越稀疏，有的在防火期被积雪覆盖，形成了自然隔离带，火线主要沿山坡两侧和山脚蔓延，相对长度较短。在水平方向上，受土壤含水率、地形等因素影响，乔木、灌木和草本植物等植被呈不连续分布。通过综合分析和历次灭火作战经验来看，西藏地区林火主要有以下几个特点：一是火场不闭合。植被分布不连续，间有裸露岩石、悬崖峭壁，由火点和断续火线构成不闭合火场，常在不同方向上形成多条分散火线。二是重点在两翼。西藏地区森林分布大多在山腰处，山顶常有雪线，无植被和可燃物，山脚大多有河流和道路，火势无法蔓延，加之海拔升高，氧气稀薄，植被稀少，向上燃烧不足惧，横向燃烧控制难，均从两翼向外蔓延。三是伴随有飞火。受西藏特殊地形和火场小气候影响，林火容易引发爆燃，燃烧的枯枝落叶借风势飞跃山脊或山谷，在原有火场周边会形成新烟点火点，但新的烟火点初发时不成气候，通常需要酝酿较长时间才能快速蔓延。四是日变化规律明显。在上午和夜间气象条件稳定的时候，一般火线发展较缓，强度不大；下午通常风力加大，风向不定，火行为变化快，火势蔓延迅猛，常形成冲冠火、飞火，甚至发生火爆、爆燃[10]。

3 无人机扑救高原森林火灾的可行性探讨

无人机扑救高原森林火灾是未来趋势，可以用于火场侦察、通信和直接灭火，具有安全高效的优势。

3.1  高原灭火作战任务中面临的困难

一是靠近困难。西藏地区平均海拔高、高差大、含氧量少，道路网密度低，往往距离火线很近，但携装行进困难，用时较长，对灭火人员体力要求高，且部分地段依靠人力难以到达。二是灭火手段少。常规灭火手段效果不好，复燃率高；以水灭火受水泵架设时间长、地形复杂等条件制约，难以把握战机。三是窗口期短。下午火行为变化快，火强度大，灭火风险性极高；夜间视线条件差，加之山高坡陡，容易出现伤亡，一般无法组织灭火行动。目前，主要利用上午气象条件稳定的时机实施灭火，可用时长较短。四是难以清理。由于火线、火点、烟点分散，需要投入大量人力携带水源登山清理，并且经常复燃。五是保障困难。向火场运送给养、装备、油料十分困难，有时一线消防救援人员饮水、伙食都难以保障，一旦有机具损坏很难现场维修更换，甚至可能导致全天无法作战。

3.2  无人机扑救高原森林火灾的优势

无人机灭火是一种新型灭火手段，具有轻便灵活、适用性好等特点，但造价昂贵，且难以直接扑打长距离、大强度火线。经过综合分析，无人机在西藏地区灭火作战中的应用性、针对性更强，投入使用后最大的优势就是能增加灭火作战的时段、地段、手段，且相对西藏地区森林资源政治、经济和生态价值来说，无人机灭火产生的效益远远大于其成本。其优势在于：一是受地形影响小，可用于直接扑打人力难以到达区域的中、低强度火线；二是风险小，可在复杂地形、危险环境使用，降低直接灭火带来的风险；三是速度快，可随时对初发火、飞火形成的新火点等实施灭火，防止蔓延扩散；四是功能多，可实现火场侦察、物资投送、湿化作业等多种用途，为灭火实战提供有力支持；五是携带方便，可随时根据任务需要采取航空、公路等方式，实现跨地市、省区灭火作战增援。

3.3  无人机扑救高原森林火灾存在的不足

目前无人机技术设计对扑救森林火灾的针对性不够强，特别是在直接扑救西藏高原森林火灾上还有一定不足。主要表现在：一是载重和续航时间。目前工业无人机多数战斗载重小于100kg，续航时间少于1h，难以满足直接灭火需要，如增加续航时间和载重量，无人机体积将大幅增加。并且由于高原空气密度低，相同性能的无人机在西藏载重量和续航时间都有衰减。二是信号传输与指挥控制。无人机数据链受功率和频段限制，并且无人机通信距离与飞行高度成正比，而西藏山区地形复杂，遮挡和干扰较多，导致无人机无法在高空实施准确灭火，降低高度后容易出现数据断链。三是灭火手段和方式。无人机直接灭火精準度不够高，难以直接作用于火线或者火点，加之能够使用的灭火剂较为单一，一次性实现“三无”还比较困难。

4 无人机扑救高原森林火灾的适用性探讨

无人机在扑救森林火灾中具有广泛的应用前景，既可以改变火场环境为人工灭火创造有利条件，也可以针对人力难以到达的、火强度较小的火线、火点、烟点以及悬崖火进行直接灭火，还可以开展火场侦察、物资运输等。

4.1  通讯及图传

利用无人机既可高空勘察火场全面态势，实时向指挥机构传输视频图片，为灭火指挥决策提供帮助，又可低空抵近监测火线蔓延，遇有紧急情况提前预警，便于一线扑火队员尽快采取措施避险。

4.2  直接灭火

对中低强度火线，可结合气象、植被、地形等情况，采取编组的方式，携带灭火剂对火线实施直接扑打，特别是对于发展稳定的初发火和非主要蔓延方向的中、低强度火线，不用灭火人员接近火场就能够实现扑灭或控制。对独立烟点、火点，如果运用常规装备水泵、风力灭火机等进行灭火，通常需要人员反复机动，来回铺设管带，人员体能消耗过大，此时可发挥无人机不受地形影响、能直线飞行快速接近任务区域的优势，对林间分散的孤立烟点、火点进行清理，减少人力投入，尽快实现火场“三无”。对高山和悬崖火，可采取空中悬停喷洒灭火剂的方式，对灭火人员难以接近的悬崖火实施直接扑打，避免攀登悬崖的风险。对高强度火线，可采取吊拉管带的方式，配合水泵对可能造成重要威胁、灭火人员难以接近的树冠火等高强度火实施直接扑打。但受飞行载重限制，需有常规分队配合，才能彻底扑灭火线。

4.3  控制火势

可利用机动性强的优势，迅速前往火头发展方向或者预定扑打区域实施湿化作业，控制火势蔓延，减小直接灭火的风险和难度。

4.4  物资运输

人工灭火难以一次性足量携带机具、灭火剂等物资，特别是扑火队员的就餐、补给，需要耗费大量人力运送，运用无人机则可随时进行补充，甚至能够依托大型无人机实现火场水泵供水、铺设管带等功能。

5 无人机扑救高原森林火灾的技术探讨

5.1  基本性能

目前，对灭火无人机应用于森林火灾的主要战术设想是携带灭火剂喷洒直接灭火、吊拉管带输水直接灭火及改变火场环境为人工灭火创造条件。因此，森林灭火无人机较普通无人机应具备更好的载重和续航能力以及高海拔适应性，具有优异的夜航、定位、通信、操控等功能。但当前多数灭火无人机是针对城市火灾扑救进行的设计，扑救森林火灾时需要考虑山高坡陡、火灾种类位置多样、人工难以到达、林火开放式燃烧以及火灾复燃等困难。森林灭火无人机选型时应考虑以下7个方面：一是载重能力。按经验估算，携带灭火剂重量≥30kg，最大载荷≥50kg，吊拉25mm口径管线（高压隔膜泵供水）≥200m。二是续航能力。按照平均巡航速度36km/h，作业距离5km，作业时长10min估算，满负荷作业时长≥30min，且具备大载荷与长续航不同模式切换。三是灭火方式。应重点考虑携带和使用水基泡沫等具有渗透能力和隔热隔氧功能的灭火剂；不能采取储压式灭火剂罐，应采取机载泵压喷洒的方式，同时具备现场装填功能；具有扑灭郁闭度≥0.8森林地表火的能力。四是数据链路。控制和图传链路可靠传输距离≥5km，且能够360°全向信号覆盖，具备树木和山体遮挡下的通联能力。五是环境适应性。可在5级风条件下完成各项作业，6～7级风条件下安全返航。六是快速部署与二次作业能力。所有部件采取模块化快装结构，作业准备时长≤5min，更换能源和携装时长≤2min；电池具有快充功能，充电时长≤20min。七是智能控制系统。实现火点、烟点智能识别与快速锁定瞄准，喷洒灭火剂误差≤10m；可采取人工智能方式实施集群操控。考虑到无人机重点用于山地灭火，因此以上应为3000m海拔时参数。定点缓降投放或抛投救援物资≥30kg。

5.2  指挥控制与通信链路

由于无人机直接灭火时需降低高度，无线电通信容易受到干扰，因此需要改进通信方式。一是建立空中中继平台，即通过一架高空无人机建立通信链路，指控平台指挥终端无人机实施作业。二是采取卫星通信，即使用卫星信号实施指挥控制。三是智能化操控，即通过人工预设程序，在高空完成指令输入，无人机自行锁定目标区域实施作业。

5.3  灭火方式

无人机可根据不同类型火情和灭火剂，采取不同方式实施灭火作业。对独立的火线、火点、烟点及初发火、较小的悬崖火，以直接灭火为主，使用水溶性灭火剂精准喷洒至火点，或根据情况吊拉管线实施连续供水灭火；对快速蔓延的较大强度火线，以控制蔓延为主，使用无人机高空投掷灭火弹压制火势；对面积较大火场，以改变火场环境为主，使用无人机实施人工增雨作业，或连续喷洒雾状水溶性灭火剂、阻隔剂等，为人工灭火创造有利条件。

6 对无人机分队（班组）建设的思考

由于无人机单机载重小、续航时间短，可考虑通过应用无人机群连续作业弥补以上不足，实现对林火的持续控制和扑打。因此，组建无人机分队（班组）将是未来队伍建设的可能方向。

6.1  人员分工

每个无人机分队编配1个侦察组、3个扑打组和1个运输组。侦察组编配4～6人，主要负责火场勘察，实时传输火场图像，为指挥调度提供帮助；每个扑打组编配15～20人，其中无人机操作手10～15人，负责一对一操作灭火无人机，地勤人员5人，负责综合保障，管带、灭火剂装卸等工作；运输组编配8～10人，其中无人机操作手4～6人，负责一对一操作无人机，地勤人员4人，负责物资装卸。

6.2  机型配置

结合分队编配设想，侦察组编配固定翼无人机和小型多旋翼无人机（垂直起降無人机）各2台，每个扑打组编配多旋翼无人机12～18台，运输组编配大型多旋翼无人机5～8台。灭火作战时，扑打组和运输组可根据实际情况相互补充。

6.3  训练的组织与实施

专业训练依托地方专业机构组织实施，组织单机机长和观察员培训，相关岗位人员需取得资格证书。日常训练由分队自行组织，每年聘请专业教员开展不少于3个月驻场指导。

6.4  车辆及器材保障

无人机运输车，每个编组配备1～2台小型车辆作为车载控制平台，能够满足各编组运送无人机及相关配件需求。

参考文献：

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Application of UAV in fighting forest fires in Tibet

Tang Wandi1，2， Tan Yongcang2， Tang Huang2

（1.Forest Fire Bureau of MEM， Beijing 100089；2.Tibet Autonomous Region Forest Fire Brigade， Tibet Lhasa 850011）

Abstract：Improving equipment to promote forest fire fighting ability is a necessary way to enhance the fighting capacity of forest fire fighting team. With the development of unmanned aerial vehicle （UAV） technology， it has been more and more used in all aspects of emergency rescue， and the risk of rescuers has been effectively reduced through non-contact disposal. Forest fires in Tibet are difficult to extinguish artificially because of the special terrain environment of plateau. In the face of the fact that there are many fire spots， difficult to approach and high risks in forest fires in plateau mountain areas， the application of unmanned aerial vehicles to put out forest fires is an effective supplement of fire fighting means， which can realize direct or indirect fire fighting and provide on-site support for task teams.In this paper， according to the current characteristics of UAV technology development， combined with the law of occurrence and development of forest fires in plateau， the feasibility， applicability and tactics of using UAV to put out forest fires in Tibet plateau are discussed， and some suggestions on UAV selection and team construction are put forward， which can provide reference for using UAV to put out all kinds of forest fires.

Keywords：UAV; fighting forest fires;technology application