李 鵬，孔令華

（福建工程學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院數(shù)字福建工業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)實驗室，福建福州350118）

森林在我國國民經(jīng)濟中占有重要地位，它不僅能提供木材及林副產(chǎn)品，而且還肩負(fù)著釋放氧氣、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、美化環(huán)境、凈化空氣、減少噪音及旅游保健等多種使命。森林火災(zāi)會給森林帶來嚴(yán)重危害。世界各國對森林火災(zāi)撲救技術(shù)的研究都非常重視，在森林火災(zāi)滅火理論、模型、指揮系統(tǒng)、滅火技術(shù)、滅火設(shè)備等方面均取得一定進展。

根據(jù)國家統(tǒng)計局中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)表明[1]，近年來，我國森林火災(zāi)，無論次數(shù)和火場總面積，總體上呈現(xiàn)下降趨勢。如表1所示，我國2011年-2018年，一般森林火災(zāi)次數(shù)在1200～2600 次之間，2000年-2018年，特別重大森林火災(zāi)次數(shù)在0～8 次之間變化。如圖1所示，重大火災(zāi)總體呈波動起伏狀，并且基層存在瞞報森林火災(zāi)的現(xiàn)象，尤其是一般森林火災(zāi)，除非造成比較大的影響，有明顯的森林防火衛(wèi)星熱點[2]。因此，表1 中統(tǒng)計的數(shù)據(jù)可能存在偏小的問題。

表1 近年來我國森林火災(zāi)統(tǒng)計表Table 1 Statistics of forest fires in my country in recent years

1 國內(nèi)外森林火災(zāi)研究現(xiàn)狀

1.1 森林火災(zāi)探測方法

對于森林火災(zāi)而言，滅火技術(shù)和裝備很重要，同時，對于森林火災(zāi)的預(yù)測也是十分重要的，如果能較精準(zhǔn)的預(yù)測火災(zāi)地點以及火線的方向，那么消防部門就能提前做好部署，盡量減少火災(zāi)造成的損失。

Vikshant Khanna[3]提出了一種對傳感器收集的信息實施模糊邏輯的方法。通過查找最短路徑，按照事件檢測機制將收集到的信息傳遞到群集頭。從多個傳感器收集的信息用于檢測著火的可能性以及著火的方向。每個傳感器節(jié)點由多個傳感器組成，這些傳感器將通過測試的溫度、濕度、光和CO密度來計算起火概率，測量方位角來計算起火方向。這種方法將提高檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和降低誤報率。

吳兆明等[4]首次提出了基于溫度標(biāo)準(zhǔn)差方法進行熱源識別的概念，得出了不同地點、不同時間段森林背景的溫度標(biāo)準(zhǔn)差分布，以及明火溫度在各階段的波動范圍，為林火的預(yù)防和監(jiān)測提供了重要依據(jù)。通過對干擾源進入前后的紅外圖像進行預(yù)處理和分析，對于目標(biāo)熱源的像素面積變化率及其圓形度，就可以對部分干擾熱源的排除。這種方法應(yīng)用于林火監(jiān)測簡單有效，準(zhǔn)確率高，對降低森林火災(zāi)的發(fā)生率有重要作用。

周汝良等[5]開展衛(wèi)星監(jiān)測圖像信息增強和提取、可視化超分圖像處理、林火自動化識別等研究，利用計算機模擬傳感過程并再成像，可將1000m 分辨率的遙感圖像重構(gòu)為90 m 分辨率的圖像，識別結(jié)果對比原圖像更加清晰。衛(wèi)星觀測將為火災(zāi)監(jiān)測、火險測報預(yù)警、預(yù)防和撲救提供動態(tài)數(shù)據(jù)，具有覆蓋面積廣、數(shù)據(jù)客觀真實、經(jīng)濟高效的特點。

趙福波等[6]提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過對于森林火災(zāi)發(fā)生時周圍環(huán)境的變化進行探測，可使得管理人員及時知道火災(zāi)發(fā)生的范圍和方位，通過各種傳感器采集數(shù)據(jù)傳入單片機中，然后根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)的范圍進行邏輯分析，從而判斷周圍是否發(fā)生火災(zāi)。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，具有判斷周圍環(huán)境是否發(fā)生火災(zāi)的能力。趙俊國等提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的森林火災(zāi)探測系統(tǒng)，實時收集動態(tài)變化的火災(zāi)信息，為消防等部門采取措施和做出決策提供依據(jù)。德國、英國和其他國家的學(xué)者對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用做了大量研究工作[7]。

1.2 森林火災(zāi)滅火指揮系統(tǒng)、理論模型

森林滅火是一項復(fù)雜的工程，構(gòu)建科學(xué)、規(guī)范的指揮系統(tǒng)是十分必要的。美國研發(fā)的森林火災(zāi)撲救指揮系統(tǒng)(Incident Command System 簡稱ICS)，歷經(jīng)30 多年的發(fā)展已經(jīng)成為全美事件或災(zāi)害應(yīng)變的共同系統(tǒng)，并推廣到加拿大、澳大利亞和墨西哥等國家。中國臺灣于前幾年引進并應(yīng)用ICS，滅火效果顯著。2005年第三屆世界林火大會將ICS 指定為今后全世界共同的系統(tǒng)[8]。

在森林滅火中貫徹“打早，打小，打了”的基本原則。

鄒積斌[9]研究了應(yīng)用GNSS 制導(dǎo)的野外火撲滅彈的Galileo 引導(dǎo)系統(tǒng)，在先進的集成“3S”技術(shù)的森林防火決策系統(tǒng)平臺的支持下，通過機載空投以高精度實時三維PVT 參數(shù)和載體姿態(tài)的測量為導(dǎo)向，依據(jù)無動力載體方案彈道，并利用“+”字型尾舵實時對該彈的3 個無動力載體的滑翔增程飛行進行有效控制，從而可以使該彈準(zhǔn)確地命中林區(qū)著火點并形成防火隔離帶。當(dāng)然，這套系統(tǒng)只能起到輔助滅火的作用。

常熹鈺等[10]對激波滅火進行了實驗探索，激波與林火陣面的作用發(fā)生一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)過程：激波的高壓陣面以及相隨的負(fù)壓，撕落并消除細(xì)枝、枯葉等森林可燃物質(zhì)；在林火陣面地帶，激波通過高溫?zé)峤庾饔卯a(chǎn)生爆燃，從而清除森林可燃物質(zhì)、燒盡可燃?xì)怏w，破化了燃燒的必要條件，從而達到滅火的目的。國際方面，俄羅斯的實驗表明即使在充分燃燒條件下，激波也能使林冠火猝滅。

A.E.Akay 等[11]在利用GIS 技術(shù)確定潛在的補給隊的位置中，在發(fā)生火災(zāi)之后，利用GIS 技術(shù)規(guī)劃最短路徑可以在短時間內(nèi)找到潛在的消防隊，通過在火災(zāi)常發(fā)區(qū)部署更多的消防隊來縮短消防隊員到達火災(zāi)現(xiàn)場的時間，增大消防隊可以到達的區(qū)域，以此可以有效地協(xié)助消防部門撲滅森林火災(zāi)。

Maryna Zharikova 等[12]提出了基于multiUAV 的戰(zhàn)術(shù)森林消防響應(yīng)系統(tǒng)開發(fā)的一種混合智能診斷方法。它通過檢查可觀察的診斷標(biāo)準(zhǔn)并對其進行分類，對分類結(jié)果適當(dāng)?shù)刈龀鲰憫?yīng)，實時監(jiān)控火勢的重要參數(shù)，要優(yōu)先保護有價值且處于最危險位置的物體。這種方法可以提供所需的可信度、災(zāi)難預(yù)測和響應(yīng)的效率。

鄭忠等[13]基于《森林火險氣象等級》國家標(biāo)準(zhǔn)，首次構(gòu)建了重慶市森林火險氣象風(fēng)險預(yù)報模型，并通過融合可燃物和人為因素，進一步構(gòu)建了重慶市森林火險綜合預(yù)報模型，研究結(jié)果表明：2 個森林火險模型預(yù)報結(jié)果相比，森林火險綜合預(yù)報模型在空間分布上具有更高的精細(xì)程度；森林火險綜合預(yù)報模型能有效提高森林火險等級預(yù)報精度。

2 森林火災(zāi)滅火技術(shù)與設(shè)備

國內(nèi)外常用的滅火技術(shù)有化學(xué)滅火技術(shù)、航空滅火技術(shù)、爆破滅火技術(shù)、手持撲火機具滅火技術(shù)、以水滅火技術(shù)、林火間接滅火技術(shù)等，國內(nèi)外常用的滅火設(shè)備有化學(xué)滅火劑、滅火飛機、索狀炸藥、二、三號工具、背負(fù)式水槍、風(fēng)力滅火機、手持滅火器等。

2.1 化學(xué)滅火技術(shù)

化學(xué)滅火技術(shù)[14]是通過飛機和地面2 個途徑，將配置好的化學(xué)滅火藥劑以滅火彈或直接噴灑的方式作用在火場中，使其滅火或降低火災(zāi)傳播速度的方法。這種方法已成為一些發(fā)達國家森林滅火的常用手段。常用的長效化學(xué)滅火劑主要包括磷酸銨、硫酸銨、水氯鎂石、硼酸鹽和鹵化烴等。從作用時間上分為短效滅火劑和長效滅火劑，從發(fā)射途徑上分為航空發(fā)射和地面發(fā)射。

化學(xué)滅火技術(shù)的機理：燃燒的3 要素是可燃物、空氣、溫度，三者缺一不可。滅火劑的滅火機理是破壞、干擾或中止其中的一個或幾個要素，使火災(zāi)的燃燒鏈不完整，燃燒無法繼續(xù)進行達到滅火目的[15]。它的滅火機理分為物理和化學(xué)滅火機理2 類。其中，物理滅火機理包括吸收熱量，降低可燃物的溫度；降低分解反應(yīng)的速度，隔絕空氣；生成難燃?xì)怏w，降低可燃物的燃燒速度?；瘜W(xué)滅火機理包括生成穩(wěn)定的游離基和改變?nèi)紵磻?yīng)途徑。

東北林業(yè)大學(xué)研制的“75”型森林滅火劑，其主要成分是硫酸銨，黑龍江省森林保護研究所研制的“704”型化學(xué)滅火劑，其主要成分是磷酸銨，“82-3”型滅火劑，其主要成分是水氯鎂石[16]。總體看來，我國的化學(xué)滅火技術(shù)相對國外先進國家而言，滅火劑種類較少，還要進一步研制高效、安全、環(huán)保、價格低廉的滅火劑。

李巖泉等[17]總結(jié)了國內(nèi)外化學(xué)滅火技術(shù)的發(fā)展，國外研制的各種類型的滅火劑的優(yōu)缺點，并且將其與飛機結(jié)合形成航空化學(xué)滅火方式，這種方式已經(jīng)成為國外森林滅火的主要手段。

2.2 航空滅火技術(shù)

航空滅火技術(shù)[17]是利用飛機對森林火災(zāi)滅火的方法，在平時也起到巡察的作用，因為在森林中，由于地形原因，地面滅火措施難以快速實施，而飛機可以快速運輸消防員、滅火設(shè)備和救援物資到達火災(zāi)現(xiàn)場，對于森林滅火和應(yīng)急救援是一種重要手段。

表2 是對國內(nèi)外主要滅火飛機的性能參數(shù)的比較，通過調(diào)查得出結(jié)論：國外航空滅火技術(shù)發(fā)展較早，發(fā)達國家廣泛采用航空滅火技術(shù)，效果顯著，而我國航空滅火技術(shù)發(fā)展較遲，但是隨著我國AG600 的成功試飛，相信會使得我國的航空滅火技術(shù)得到快速提升。

上述的是大型滅火飛機，下面介紹的是一種新型無人滅火飛機，它通過搭載滅火彈，滅火彈內(nèi)放置有水或者滅火劑，通過爆炸產(chǎn)生的沖擊波向火場拋灑滅火劑，它可以做到定點投放、快速高效地?fù)錅缟中』?，在森林滅火中起到輔助作用，主要針對小火源、地勢陡峭或夜間著火等情況[18]，這種方法不僅大幅度提高滅火精度，而且可以快速滅火，降低滅火成本。

2.3 爆破滅火技術(shù)

爆破滅火技術(shù)[19]是利用炸藥或滅火彈爆炸產(chǎn)生的沖擊波來滅火，同時，由爆炸所炸開的生土對滅火也產(chǎn)生效果，對林火進行有效的阻隔與撲救。

趙進長[20]介紹了根據(jù)地形分別采用木材爆破和挖平底坑的方式，達到滅火的目的。索狀炸藥[21]通過爆破所產(chǎn)生的強大沖擊波可形成生土帶同時掀起的沙、土向兩側(cè)飛濺覆蓋在地表可燃物上，起到破壞可燃物連續(xù)性的作用。索狀炸藥對林火阻隔與撲救所能夠達到目的和效果分別為：(1)足夠?qū)挾鹊淖韪魩Э芍苯痈綦x林火的蔓延；(2)較窄的阻隔帶可作為以火滅火的點燒依托控制線；(3)由于索狀炸藥爆破時吸收大量氧氣，致使爆炸附近區(qū)域形成真空，同時強大的沖擊波將高壓風(fēng)壓向林火，可以直接用于滅火。

表2 國內(nèi)外主要滅火飛機的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of major domestic and foreign fire fighting aircraft

2.4 手持撲火機具滅火技術(shù)

在森林消防滅火中最常見的就是利用手持撲火機具滅火，常用的手持撲火機具就是二、三號工具、背負(fù)式水槍、風(fēng)力滅火機、手持滅火器等。

2.4.1 二號工具

二號工具就是木柄橡膠條，通常由25 根左右長度在80 cm，寬2 cm，厚1.2 cm 左右的橡膠條綁在長200 cm 左右、粗3 cm 的木棍上制成。三號工具是在二號工具的基礎(chǔ)上改裝的，把拍頭的橡膠條換成了鋼絲，木棍換成了鍍鋅鋼管，它受樹枝撲火的啟發(fā)而設(shè)計。

其他手持式滅火裝備包括鐵鍬、鋤頭，斧頭、滅火耙、鐮刀、油鋸等。

2.4.2 背負(fù)式水槍

黑龍江省森林保護研究所首先研制的背負(fù)式水槍[16]，隨著技術(shù)的發(fā)展和滅火的需求，研制出各種各樣的型號，有往復(fù)噴水式、可連續(xù)噴水式和點射式等，裝水量有所增長，有效射程也越來越遠(yuǎn)。

2.4.3 風(fēng)力滅火機

風(fēng)力滅火機是撲滅森林火災(zāi)的有效工具，它分為背負(fù)式和手持式。它適用于幼林、次生林、荒山草坡和草原火災(zāi)，風(fēng)力滅火機通過二沖程汽油機驅(qū)動風(fēng)輪產(chǎn)生高速氣流吹散燃燒釋放的熱量[22]，降低火場的溫度，減小熱輻射，破壞燃燒的必要條件從而達到滅火的目的。但是，它也有限制，在視線不清，灌木、雜草超過1m 時不能使用；火焰高度超過2.5m 的火，因為火勢蔓延過快，消防人員撤退不及時，容易造成傷亡。

2.4.4 新型水基型滅火器

水基型滅火器不僅可以快速滅火，而且對環(huán)境無污染。當(dāng)遇到火災(zāi)時，如果火勢太大已無法控制，那么可以將水基型滅火器的液體涂抹至皮膚表面，可以抵抗火焰的灼燒，成功逃出后，再用清水沖洗干凈，不會對皮膚造成任何影響。

水基型滅火器的滅火原理：水基型滅火器在噴射后呈水霧狀，瞬間蒸發(fā)吸收火場大量的熱量，迅速降低火場的溫度，抑制熱輻射，表面活性劑在可燃物表面迅速形成一層水膜，隔離氧氣，起到降溫和隔離的雙重作用，從而達到快速滅火的目的。它的滅火原理是物理性滅火，對環(huán)境沒有污染，對于滅火之后的現(xiàn)場清理也十分方便。下表3 是各類型滅火器的性能對比，水基型滅火器的綜合性能最優(yōu)。

表3 各種滅火器性能對比Table 3 Performance comparison of various fire extinguishers

2.5 以水滅火技術(shù)

以水滅火技術(shù)[23]是利用水直接滅火或以水作為介質(zhì)的滅火設(shè)備的技術(shù)，隨著技術(shù)的發(fā)展和對設(shè)備的功能需求，研制了消防水泵、消防水車，以水滅火飛機等消防設(shè)備，隨著這些設(shè)備的配備，使得消防員們的滅火能力大幅度提升，我國的無人滅火機器人等消防設(shè)備的研發(fā)成功，將會使得以水滅火能力大幅提升。

2.5.1 高壓水霧滅火技術(shù)

水資源是天然、綠色的滅火劑，隨著人們環(huán)保意識的加強，現(xiàn)在對滅火技術(shù)的要求是不僅能夠高效的滅火，而且要盡量避免對環(huán)境的損害，綠色消防技術(shù)是一種環(huán)保型滅火技術(shù)[24]，它的要求是滅火過程要符合環(huán)保要求，不會對環(huán)境造成危害，而高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)就是具有代表性的現(xiàn)代化綠色消防技術(shù)。高壓細(xì)水霧滅火技術(shù)由一個或多個水霧噴嘴、供水管網(wǎng)、壓力設(shè)備和控制裝置組成。高壓細(xì)水霧滅火[25]不同于傳統(tǒng)的噴灑方式，經(jīng)過高壓噴嘴噴出的細(xì)水霧比水有更大的覆蓋面積，吸熱效率很高，用水較少，可以起到汽化冷卻、隔氧窒息、阻隔熱輻射的作用，對消防員滅火起到輔助作用，這種技術(shù)無污染、高效率、用水少。

2.5.2 人工降雨滅火技術(shù)

人工降雨滅火[26]是通過在有形成降雨條件的云層中撒播降雨劑（鹽粉、干冰或碘化銀等），使其成為凝結(jié)核并吸收空氣中的濕氣，當(dāng)云中的水滴的重量超過空氣浮力時就會下降形成雨水。不過實施人工降雨須具有符合增雨條件的云體，否則無法進行。人工降雨有2 種方式[23]：一種是利用高射炮以炮彈形式將人工冰核送上天空，冰核在炮彈爆炸之后散布在云層中隨后產(chǎn)生冰晶降雨；另一種是利用飛機在云層中噴灑致冷劑，使云體局部迅速冷卻，進而產(chǎn)生冰晶形成降雨。我國還在初級階段，技術(shù)比國外先進國家落后，目前美國和俄羅斯常用人工降雨滅火，效果不錯。

2.5.3 智能消防機器人滅火

智能消防機器人作為特種機器人的一種，在滅火和應(yīng)急救援中發(fā)揮舉足輕重的作用，當(dāng)危險的場所發(fā)生火災(zāi)時，可用它代替消防員滅火，盡量避免產(chǎn)生傷亡。它主要以單片機為控制核心，加裝紅外火焰?zhèn)鞲衅?，電機驅(qū)動，紅外傳感電路，地面灰度傳感電路為輔助，通過聲控裝置或手動遙控啟動小車。大部分智能消防機器人都是通過后接大流量消防水炮，有直射、噴霧等多種模式可選。浙江大華生產(chǎn)的智能消防機器人在頂部還安裝有成像雙目云臺攝像機，可以自動定位熱源，機身上搭載的環(huán)境探測傳感器，實時偵測現(xiàn)場有毒、可燃?xì)怏w。高壓水炮具備自擺功能，全自動定幅往復(fù)噴射，機器人全地形履帶式底盤，越障能力超強，可適應(yīng)草地、碎石、沙石等復(fù)雜路面環(huán)境[27]。

2.6 林火阻隔間接滅火技術(shù)

2.6.1 開設(shè)防火隔離帶

防火隔離帶[28]是森林滅火和森林火災(zāi)撲救的重要措施，能夠起到間接滅火的作用[29]，在林區(qū)修建道路不僅可以提高護林員巡視的工作效率，而且當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，林區(qū)道路不僅可以阻隔地面火的蔓延，還可以快速運送消防隊員和滅火裝備到達火場。

2.6.2 以火攻火技術(shù)

以火攻火技術(shù)[30]適用于荒山、疏林地、經(jīng)濟價值不高的有林地及陡坡林地。但是這種方法應(yīng)該是有經(jīng)驗的滅火隊員使用，并且得到當(dāng)?shù)叵啦块T的許可并監(jiān)督，不然會適得其反，進而造成嚴(yán)重后果。

3 森林防火研究建議

根據(jù)統(tǒng)計，森林火災(zāi)的主要原因是人為火源和天然火源，其中人為火源占大部分，包括煙頭、清明祭拜燒紙、焚燒秸稈等。一方面，我們要加強林區(qū)的防火工作，并大力宣傳森林防火的重要性，提升民眾的防火意識；另一方面，建議政府相關(guān)部門對于山區(qū)防火實行類似保護水資源的河長制的責(zé)任制度，出臺相應(yīng)的法律法規(guī)并嚴(yán)格執(zhí)行，追究當(dāng)事人的責(zé)任。

針對山區(qū)水資源匱乏的情況，可以考慮修建蓄水池。政府在政策和經(jīng)費上應(yīng)大力支持企業(yè)、科研院所等對滅火裝備的研發(fā)，同時引進國外先進的滅火技術(shù)，并加以創(chuàng)新。

在森林火災(zāi)頻發(fā)地區(qū)成立森林火災(zāi)救援中心，以便火災(zāi)消息及時匯總，指揮人員實時掌握火災(zāi)動態(tài)，對滅火策略及時做出調(diào)整，爭取把損失降到最低。

滅火設(shè)備對于滅火來說是至關(guān)重要的，但是我國滅火設(shè)備還存在很多問題亟待解決。

應(yīng)該開發(fā)配套通用的滅火裝備，對現(xiàn)有的滅火設(shè)備進行優(yōu)化整合，使其能夠配套通用，能夠極大地提高滅火效率，降低滅火成本，減少火災(zāi)帶來的損失。

部分滅火裝備的關(guān)鍵零部件依然依賴進口，應(yīng)加大資金投入和滅火裝備開發(fā)，盡快實現(xiàn)國產(chǎn)，改進生產(chǎn)工藝。以水滅火技術(shù)中消防泵是必不可少的設(shè)備，由于森林火場水資源缺乏，往往需要長距離輸水，因此適應(yīng)性好的消防泵的要求是具有相對較低的流量和較高的揚程，林用消防泵還必須輕量化、體積小便于攜帶。