森林大火无人机监测方案研究
2021-07-20陈春宇孟航宇王永源肖雨冰韩欣妤
陈春宇，孟航宇，王永源，肖雨冰，韩欣妤
（1.南京工业大学 海外教育学院，江苏 南京211816；2.澳门科技大学 商学院，澳门999078；3.河海大学 商学院，江苏 常州213022）
2019年，澳大利亚发生了一场毁灭性的森林大火，火灾面积达到1860万公顷，有34人死亡，对生态环境造成了严重破坏。随着全球气候变化的持续加剧，极端天气的增加，森林大火的潜在风险不断增加。近年来，无人机技术飞速发展，无人机监测在森林火灾的防范和治理中发挥了重要作用。无人机具有灵活、无人驾驶和全天候监测的优势，可以代替传统人力监测，协助科学的消防指挥。对森林火灾进行无人机监测具有重要意义。
1 背景介绍
在澳大利亚的火灾季中，每个州都发生了毁灭性的森林大火，维多利亚州东部受到的影响最大。
消防员使用无人机进行监测和态势感知（SSA）已有数年，SSA无人机携带高清热成像摄像机和遥测传感器，以监测和报告来自前线人员可穿戴设备的数据。SSA无人机可帮助监测不断变化的情况，使紧急行动中心（EOC）能够最佳指导前线人员，以实现最佳效果和最大安全性。
前线人员携带手持式双向无线电。双向无线电通信可以使前线团队向EOC提供状态报告，也可以使EOC直接向前线团队下达命令。手持无线电的信号范围受其低发射功率的限制，信号范围为5公里。
中继器是自动以较高功率重新广播信号的收发器，用于扩展无线电范围，可由无人机搭载，位于前线和EOC之间的中继器无人机可以将无线电信号在前线和EOC之间中继。中继器的信号范围远大于手持无线电。
无人机分为两种类型：SSA无人机和中继器无人机。两种无人机的飞行范围都为30公里，最大速度为20米/秒，最长飞行时间为2.5小时。
2 模型假设
（1）假设每一个需要监测的火点指派一名前线人员。
（2）前线人员靠近需要监测的火点，即离火点的距离很短，但要保持安全距离。
（3）假设SSA无人机一直处于飞行状态以监测火势，而中继器无人机则一直悬停。
（4）SSA无人机执行飞行任务时，将在每个火点上方拍照并进行距离测量监控。
（5）由于可以在紧急情况附近部署EOC，因此认为EOC可以通过中继无人机充分接收地面人员放大的信号。
（6）假设任务是在无人机飞行时间内完成的，因为紧急情况需要迅速发现火点。
（7）假设地形为无遮挡且各火点位于同一水平面。
3 模型的建立与求解
首先查找澳大利亚气象局使用卫星在2019年10月1日至2020年1月7日中探测到的火点位置信息。由于不确定卫星探测到的火点是否准确，所以EOC需要指派前线队员来监测和报告现场数据。他们可携带SSA无人机来监测附近火点的信息。前线人员通过手持双向无线电，经过中继器无人机，将信息报告给EOC。
如表1，根据安全性与经济性，考虑到监测和通信任务的需要，分别建立SSA无人机数量确定模型和中继器无人机数量确定模型，分析两种无人机所需的个数。
表1 无人机分类
在澳大利亚政府气象局官网查询卫星观测到的澳大利亚在2019年10月1日至2020年1月7日的火点位置数据。将火点位置以经纬度为坐标表示出来，如图1所示。预处理数据，筛选出维多利亚州在2020年1月7日中火点的位置数据。为了分析每个火点间的直线距离，将经度142度，纬度-37度位置作为原点，画出火点分布的相对距离图，如图2所示。
图1 澳大利亚火点分布
图2 1月7日维多利亚火点分布
3.1 SSA无人机数量确定模型
约束条件：（1）SSA无人机的飞行最大速度为20米/秒，最长飞行时间为2.5小时。所以一台SS飞行距离应不超过：
（2）一个SSA无人机只能在30km的范围内飞行。
根据约束限制，按照图中火点位置规划每台SSA无人机的飞行路径，直到所有火点都能被经过它上方的SSA无人机拍摄监控到。对每台SSA无人机经过火点的折线距离进行路径规划，来确定SSA无人机数量。
以横向距离x为主要关键字，纵向距离y为次要关键字，将火点按顺序编号，如图3将火点按（1-34）标序号。
图3 火点标号
计算每个火点到其他火点的直线距离，保存在距离矩阵中。
其中i，j分别为两点序号，xi表示i点纬度，yi表示i点经度，1 SSA无人机飞行半径R=30km，两点间距离若超过30km，SSA无人机就无法到达，则需要指派另一个SSA无人机，如图4所示。 图4 SSA无人机飞行范围 随机选取一个火点作为起点，无人机从此处出发，使用Dijkstra算法，计算在30km飞行范围内，遍历所有能到达的火点的最短路径。以m点为起点的最短路径距离为Dm。SSA无人机最大飞行距离Dmax=180km。 若Dm≤180km，则保留路径，该路径上监测火点的任务由一个SSA无人机完成。 若Dm>180km，则不保留路径，需要指派更多SSA无人机。 选取图5中方形框中的火点，得到序号为4-24的火点位置分布图，如图6所示。若从中随机选取了一点17为起点，则可得出最短路径，如表2。 图5 框选序号4-24火点 图6 序号4-24火点分布 由表2可得路径总长度D17=52.421km。 表2 最短路径 考虑每一个火点作为起点的情况，循环此步骤，就可以得出可行路径。剔除可行路径中重复的部分，计算可行路径总个数，即为所需SSA无人机的个数N1=4。 中继器无人机的信号范围是以中继器无人机为圆心，20公里为半径的圆形。为实现尽可能地使用数量较少的中继器无人机，信号范围应包含数量较多的前线人员，即包括较多数量的火点。中继器无人机悬停在火点斜上方，并且中继器离火点直线距离不超过5公里时，前线人员信号才能传送给中继器无人机。因此，根据中继器离火点距离不超过5公里的要求，判别图中哪些火点可以同时被一台中继器无人机覆盖，并确定该中继器无人机位置和悬停高度。要使得图中所有火点都被中继器无人机覆盖到，确定最少的中继器无人机的使用数量。 假设各火点与中继器无人机距离之和为f（x），火点之间的距离为： 求解f（x）的最小值，目前的测试点有x1，x2，x3……xn。 将各个测试点的函数值从小到大排序并检查是否需要终止： 假设质心为x0，若干距离坐标的反射坐标为xr有： 其中，α为反射系数。 如果f（xr）优于第二差的点，但劣于目前已知最好的点，即f（x1） 如果f（xr） 其中，β为扩张系数。如果f（xe） 如果f（xe）>f（xr），则计算收缩点xd，其中： 其中，γ为收缩系数。如果f（xd） 如果以上条件均不满足，将它视为独立点。 图8 2号中继器位置 图9 3号中继器位置 选取2020年1月7日火点的38组分布数据，由于点的数量可控。可求得应使用的中继器无人机数量N2=4，具体图像如图7-图10。 图7 1号中继器位置 图10 4号中继器位置 本文根据维多利亚州2020年1月7日火点位置，分别构建SSA无人机数量确定模型和中继器无人机数量确定模型，确定SSA无人机以及中继器无人机位置。通过比较两种无人机位置与火点位置，得到结果显示，当同时使用4架SSA无人机和4架中继器无人机时，安全性和经济性达到最佳。
3.2 中继器无人机数量确定模型
4 结论
