無人機(jī)森林消防技術(shù)(10)第10章

消防無人機(jī)集群滅火技術(shù)主要內(nèi)容（1）消防無人機(jī)集群的基本概念。（2）消防無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)及其體系架構(gòu)。（3）消防無人機(jī)集群體系自組網(wǎng)技術(shù)。（4）消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火的基本概念。（5）消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火的關(guān)鍵技術(shù)。

消防無人機(jī)集群的定義集群概念源于生物學(xué)研究。在自然界中，鴿群、雁群、蟻

群、蜂群、狼群等大量個體聚集時往往能夠形成協(xié)調(diào)一致、令

人震撼的集群運動場景。無人機(jī)集群原先是指軍事上利用微小

型無人機(jī)集群作戰(zhàn)的模式，又稱為蜂群戰(zhàn)術(shù)，非常適合一些簡

單反應(yīng)性滅火任務(wù)，包括區(qū)域搜索和攻擊、偵察和壓制、心理

戰(zhàn)和戰(zhàn)術(shù)牽制等，消防無人機(jī)集群滅火是將該集群滅火模式引

入應(yīng)用到撲滅森林火災(zāi)的戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)行動中。消防無人機(jī)集群由

一定數(shù)量的消防無人機(jī)組成，它們彼此間通過無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行

態(tài)勢共享與信息交互，相互協(xié)調(diào)合作完成消防滅火任務(wù)。

消防無人機(jī)集群的原理和功用

1．消防無人機(jī)集群原理消防無人機(jī)機(jī)群到達(dá)目的地后，根據(jù)各自的功能，通過集群管理，承擔(dān)不同的任務(wù)。其核心就是集群智能，模擬蜜蜂或螞蟻之間的溝通協(xié)作方式，并且以此來增強(qiáng)無人機(jī)群的整體撲滅森林火災(zāi)能力。消防無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)有很多，主要有：（1）網(wǎng)絡(luò)化溝通。（2）自適應(yīng)協(xié)同。（3）智能倍增。2．消防無人機(jī)集群的功用（1）林區(qū)監(jiān)測任務(wù)。（2）過于危險的滅火任務(wù)。（3）冗余性滅火任務(wù)。

消防無人機(jī)多機(jī)編隊飛行

消防無人機(jī)多機(jī)編隊飛行要求所有的消防無人機(jī)都有精確的定

位、精確同步的時間，以及規(guī)劃合理的飛行路線，同時還要應(yīng)對相

互間的干擾。采用差分GPS技術(shù)（實時動態(tài)差分法，RTK），要點

是在地面上架設(shè)一個GPS基準(zhǔn)站的點子，這個地面基準(zhǔn)站有事先知

曉的準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)，然后跟實時測量到的GPS結(jié)果進(jìn)行差分，把

誤差實時發(fā)送給所有參與集群隊列的消防無人機(jī)，各個消防無人機(jī)

則根據(jù)收到的誤差信息對自己的位置進(jìn)行實時糾偏，可以在野外實

時得到厘米級定位精度。

實時動態(tài)差分法（RTK）技術(shù)要點實時動態(tài)差分法（RTK）技術(shù)是通過基準(zhǔn)站和流動站之間

進(jìn)行的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理來進(jìn)行定位，設(shè)站后一次可以完

成的作業(yè)區(qū)域為半徑10KM左右，極大的減少了傳統(tǒng)測量作業(yè)

中的“搬站”次數(shù)，與傳統(tǒng)的定位技術(shù)相比，RTK技術(shù)因其作業(yè)

自動化、集成化程度高，測繪功能強(qiáng)大而勝任各種作業(yè)領(lǐng)域。

內(nèi)裝式軟件控制系統(tǒng)可自動實現(xiàn)多種測繪功能，減少人為誤差，

保證了作業(yè)精度，累計誤差幾乎為零，且作業(yè)速度快。

消防無人機(jī)集群的特點消防無人機(jī)集群利用信息網(wǎng)絡(luò)獲取目標(biāo)、環(huán)境及各消防無人機(jī)狀態(tài)信息，并在消防無人機(jī)之間進(jìn)行交互，具備識別環(huán)境、適應(yīng)環(huán)境、偵察目標(biāo)、任務(wù)決策和自主行為的能力，這些能力的外在體現(xiàn)就是集群行為。消防無人機(jī)集群特點有：（1）環(huán)境的自適應(yīng)性。（2）響應(yīng)時間敏感性。（3）信息高度共享。（4）任務(wù)的復(fù)雜性。（5）決策的復(fù)雜性。

消防無人機(jī)集群撲滅森林火災(zāi)戰(zhàn)略消防無人機(jī)集群技術(shù)只要一個消防員（地面駕駛員）就能同時操縱控制多架消防無人機(jī)進(jìn)行并行作業(yè)，其做法是使用多架消防無人機(jī)圍攻森林火災(zāi)的著火區(qū)域，好比是大兵團(tuán)滅火，其常用戰(zhàn)略如下：（1）劃分戰(zhàn)略滅火地帶。（2）先控制林火蔓延，后撲滅余火。（3）打防結(jié)合，以打為主。（4）集中優(yōu)勢兵力打殲滅戰(zhàn)。（5）犧牲局部，保存全局。（6）安全第一。

消防無人機(jī)集群撲滅森林火災(zāi)戰(zhàn)術(shù)根據(jù)森林火災(zāi)現(xiàn)場的地理環(huán)境和實時氣象條件，消防無人機(jī)集群撲滅森林火災(zāi)常用戰(zhàn)術(shù)：（1）單點突破，

長線對進(jìn)突擊戰(zhàn)術(shù)。（2）多點突破，

分擊合圍戰(zhàn)術(shù)。（3）四面包圍，

全線突擊戰(zhàn)術(shù)。（4）一次沖擊，

全線控制戰(zhàn)術(shù)。（5）輪番攻擊，

勞逸結(jié)合戰(zhàn)術(shù)。

消防無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)1．消防無人機(jī)集群態(tài)勢感知與信息共享2．消防無人機(jī)集群編隊與智能決策控制3．多機(jī)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)分配4．信息交互與自主控制5．

5G網(wǎng)聯(lián)消防無人機(jī)集群技術(shù)6．

基于視覺的消防無人機(jī)集群技術(shù)7．

消防無人機(jī)與有人機(jī)協(xié)同技術(shù)

消防無人機(jī)集群的體系架構(gòu)消消防無人機(jī)集群體系結(jié)構(gòu)屬于一種具有容錯和自適應(yīng)性

的多機(jī)協(xié)調(diào)體系結(jié)構(gòu)，分層控制能夠降低消防無人機(jī)集群中任

務(wù)分配問題的復(fù)雜性，提高集群任務(wù)分配效率。

（1）決策層

（2）路徑規(guī)劃層

（3）軌跡生成層

（4）控制層

消防無人機(jī)集群體系架構(gòu)的類型消防無人機(jī)體系結(jié)構(gòu)是對它的各項功能，按照一定的邏輯關(guān)系，在合理的協(xié)調(diào)控制框架內(nèi)進(jìn)行的布局，是一種協(xié)調(diào)控制的結(jié)構(gòu)框架。（1）集中式體系架構(gòu)。該體系的確立源自“單消防無人機(jī)—多消防無人機(jī)—消防無人機(jī)集群”的發(fā)展思路，是當(dāng)前最直接、最成熟的集群架構(gòu)模式。（2）分布式體系架構(gòu)。該體系架構(gòu)中沒有控制中心節(jié)點，對單機(jī)來說在系統(tǒng)中地位是平等的，采用自主管理、協(xié)商的方式完成任務(wù)。（3）集散式體系架構(gòu)。該體系架構(gòu)結(jié)合了集中式和分布式兩種架構(gòu)的優(yōu)點，利用分布式自治與集中式協(xié)作相結(jié)合的方式來解決系統(tǒng)全局控制問題。

消防無人機(jī)集群體系自組網(wǎng)無線Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種與傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)完全不同的新型無線

網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是采用全新的“無線網(wǎng)格網(wǎng)”理念設(shè)計的移動寬帶

多媒體通信系統(tǒng)。系統(tǒng)所有節(jié)點在非視距、快速移動條件下，

利用無中心自組網(wǎng)的分布式網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)

點都不是單獨存在的無線中繼器，它們之間互相聯(lián)結(jié)，構(gòu)成一

個整體的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某條線路被阻塞或無響應(yīng)時，節(jié)點可自主選

擇其他線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不會因為某個節(jié)點的故障而影響網(wǎng)

絡(luò)訪問，可靠性強(qiáng)。

消防無人機(jī)集群自組網(wǎng)的構(gòu)成消防無人機(jī)集群自組網(wǎng)是由消防無人機(jī)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成

的具有任意性、臨時性和自治性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)自組織網(wǎng)絡(luò)系

統(tǒng)。作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，每架消防無人機(jī)都配備移動自組網(wǎng)絡(luò)通信

模塊，既具有路由功能，

又具有報文轉(zhuǎn)發(fā)功能，

可以通過無線連接構(gòu)

成任意的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

每架消防無人機(jī)在該

網(wǎng)絡(luò)中兼具任務(wù)節(jié)點

和中繼節(jié)點兩種功能。

消防無人機(jī)自組網(wǎng)系統(tǒng)特點消防無人機(jī)自組網(wǎng)系統(tǒng)除具有獨立組網(wǎng)、自組織、動態(tài)拓?fù)?、無約束移動、多跳路由等一般自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)本身的技術(shù)特點以外，還具有以下的任務(wù)使用特點。（1）適用于復(fù)雜地形、非視距應(yīng)用。（2）適用于遠(yuǎn)距離作業(yè)覆蓋。（3）多路高清數(shù)據(jù)傳輸。（4）抗干擾能力強(qiáng)。（5）智能化程度高。（6）功能多樣化。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火的定義消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火是指在地面“無人機(jī)消防管理

指揮中心”統(tǒng)一的指揮控制下，綜合利用消防無人機(jī)與消防有

人機(jī)的特點，共享森林火災(zāi)現(xiàn)場信息，通過兩者結(jié)合起來的整

體力量完成撲滅森林特大火災(zāi)的任務(wù)。不僅可以大大降低地面

消防員在林火現(xiàn)場面臨的危險，減少遠(yuǎn)距離撲滅林火時，地形、

障礙物等對消防無人機(jī)和消防有人機(jī)信息傳輸?shù)母蓴_，還可以

增加消防無人機(jī)和消防有人機(jī)的滅火范圍及提高滅火效率。由

于消防無人機(jī)與消防有人機(jī)二者因為飛行控制和技術(shù)性能上面

的區(qū)別較大，因而要實現(xiàn)協(xié)同滅火，必須滿足以下幾個條件：（1）協(xié)同控制。（2）協(xié)同態(tài)勢感知。（3）合理進(jìn)行任務(wù)分配。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同指揮控制消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同指揮控制內(nèi)容包括：任務(wù)規(guī)劃決策

系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)化通信接口、任務(wù)管理系統(tǒng)、信息融合系統(tǒng)、態(tài)勢

顯示系統(tǒng)、高速寬帶數(shù)據(jù)鏈等部分。消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同撲滅林火過程中涉及到地面“無人

機(jī)消防管理指揮中心”及地面控制站對消防無人機(jī)/有人機(jī)編隊

的指揮控制，消防有人機(jī)對消防無人機(jī)的指揮控制以及消防無

人機(jī)的自主控制等。因此首先須明確協(xié)同指揮控制體系結(jié)構(gòu)，

以及不同指揮控制中心的功能與關(guān)系。

要實現(xiàn)協(xié)同控制，關(guān)鍵是要解決控制權(quán)限在多個指揮控制

單元之間無縫、連續(xù)、穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換和遷移，根據(jù)任務(wù)需求和指

揮控制單元的能力，實時調(diào)整控制權(quán)的分配，其相關(guān)內(nèi)容包括

控制權(quán)限層次化，消防無人機(jī)信息管理與共享技術(shù)。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火體系結(jié)構(gòu)消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火體系包括地面消防指揮中心、

指揮飛機(jī)、消防無人機(jī)/有人機(jī)編組三類實體構(gòu)成，利用高度

信息化的滅火體系實現(xiàn)指揮機(jī)、消防無人機(jī)和有人機(jī)之間的有

序高效協(xié)同。依據(jù)時間和空間兩者構(gòu)建具有層次化特征的滅火

體系結(jié)構(gòu)，具有眾多優(yōu)點。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同體系運行過程（1）由地面消防指揮中心依據(jù)撲滅特大森林火災(zāi)的需求，快速生

成滅火任務(wù)，并借助消防決策系統(tǒng)實現(xiàn)滅火任務(wù)的分解。（2）指揮機(jī)對分配的滅火任務(wù)進(jìn)行深度分解，形成可執(zhí)行的滅火

子任務(wù)，并下發(fā)至各消防無人機(jī)/有人機(jī)混合編組。（3）各消防無人機(jī)/有人機(jī)混合編組領(lǐng)取任務(wù)后，對編組執(zhí)行的

局部任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，并建立局部協(xié)同滅火方案。（4）各消防無人機(jī)/有人機(jī)混合編組將協(xié)同滅火任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)

反饋至指揮機(jī)和地面消防指揮中心，由指揮機(jī)統(tǒng)籌滅火任務(wù)

的局部執(zhí)行情況，形成局部滅火態(tài)勢，地面消防指揮中心統(tǒng)

籌滅火任務(wù)的整體執(zhí)行情況，形成整體撲滅森林火災(zāi)的態(tài)勢，優(yōu)化局部和整體滅火方案，將滅火優(yōu)化方案以滅火任務(wù)的方

式反饋至各消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火混合編組。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火模式(1)

1、消防無人機(jī)/有人機(jī)“被動集中式”協(xié)同滅火模式

滅火過程中，指揮機(jī)全程固定由消防有人機(jī)擔(dān)任，消防無

人機(jī)配合消防有人機(jī)完成撲滅特大森林火災(zāi)的任務(wù)。滅火過程

中，空中只有一架消防有人機(jī)，但有多架或大量消防無人機(jī)，

消防有人機(jī)駕駛員作為滅火指揮者，負(fù)責(zé)滅火任務(wù)的分配和實

施，而消防無人機(jī)則用于執(zhí)行相對危險或相對簡單的單項任務(wù)。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火模式(2)

2、消防無人機(jī)/有人機(jī)半主動分布式協(xié)同滅火模式這種滅火模式的指揮機(jī)基本固定在消防有人機(jī)上，但在局部空間也存在消防無人機(jī)獨立完成滅火任務(wù)的情況，其核心思

想是不再完全依靠昂貴

的高價值消防有人機(jī)去

完成全部滅火任務(wù)，而

是將各種能力分散到眾

多（或多個）消防無人

機(jī)上，讓消防無人機(jī)比

較主動地承擔(dān)更多的滅

火任務(wù)。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同滅火模式(3)

3、

消防無人機(jī)/有人機(jī)駐地分布式協(xié)同滅火模式這是一種智能化條件下的模式，也是目前在撲救森林特大

火災(zāi)中應(yīng)用高級階段的協(xié)同滅火模式，是消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)

同撲滅大規(guī)模森林火災(zāi)的重要發(fā)展方向。該滅火模式的指揮機(jī)

根據(jù)滅火任務(wù)需要在消防無人機(jī)與消防有人機(jī)之間實現(xiàn)自由切

換，其核心思想是

消防有人機(jī)和消防

無人機(jī)都可以作為

滅火現(xiàn)場的指揮控

制節(jié)點，不論是消

防有人機(jī)還是消防

無人機(jī)，全部都全

程自主參與行

動。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)(1)

1．協(xié)同交互控制技術(shù)完整的協(xié)同交互方式必然包含一套指令集，保證消防無

人機(jī)能夠識別來自系統(tǒng)內(nèi)消防有人機(jī)的指令，同時也保證消

防有人機(jī)能夠?qū)崟r接收消防無人機(jī)對火場信息的監(jiān)測情況。

隨著人工智能理論的發(fā)展，基于自然語言的智能人機(jī)接口技

術(shù)受到越來越高的重視。指令集按功能分為三種類型：（1）消防有人機(jī)任務(wù)命令、消防無人機(jī)系統(tǒng)命令及指令編碼。（2）命令集應(yīng)盡量簡單，滅火任務(wù)的執(zhí)行中包含了大量的數(shù)

據(jù)傳輸和計算，簡單的命令集是信息傳輸實時性的保證。（3）命令集應(yīng)符合設(shè)計規(guī)范，以減少實際滅火時信息交互過

程中所存在的干擾和噪聲，確保信息的正常發(fā)送和接收。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)(2)

2．協(xié)同態(tài)勢感知技術(shù)態(tài)勢研判及預(yù)測的重點是通過研究森林大火發(fā)生、燎原、

蔓延的過程和路徑，深度分析火場態(tài)勢的變化，對未來火場

態(tài)勢進(jìn)行初步預(yù)測。消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同態(tài)勢感知是協(xié)同

滅火中的一個重要階段。消防有人機(jī)接收消防無人機(jī)探測的

目標(biāo)信息，從而分析火場環(huán)境，評估大火燎原、蔓延威脅，

利用火場的實時狀況做出正確的決策，并將行動指令傳送給

消防無人機(jī)。目前常用的消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同態(tài)勢感知技

術(shù)有以下幾種：（1）詢問式態(tài)勢感知方法。（2）多源信息態(tài)勢感知方法。（3）變精度態(tài)勢感知方法。

消防無人機(jī)/有人機(jī)協(xié)同關(guān)鍵技術(shù)(3)

3．協(xié)同任務(wù)分配技術(shù)無人機(jī)/