多旋翼無人機(jī)在水利行業(yè)中的應(yīng)用

王春雨，鐘嘉奇，王博超，王昱文

(1.黑龍江省水利學(xué)校，黑龍江 大慶 163000；2.黑龍江省大慶地區(qū)防洪工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

中國(guó)發(fā)生的自然災(zāi)害類型多、發(fā)生頻率高，尤其受全球氣候變化影響，極端天氣加劇水災(zāi)害的發(fā)生，嚴(yán)重影響國(guó)計(jì)民生，致使國(guó)家財(cái)富和人民生命財(cái)產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p失。目前中國(guó)在旱澇災(zāi)害防治與監(jiān)測(cè)、水資源合理分配與保護(hù)方面，借助無人機(jī)低空平臺(tái)，利用航空技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)、通信技術(shù)和3S(遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng))技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在水災(zāi)害防治、水資源監(jiān)測(cè)、水污染突發(fā)事件應(yīng)急處置等多方面開展探索性工作。

1 旋翼無人機(jī)概述

無人駕駛航空器，又稱無人駕駛飛機(jī)(以下簡(jiǎn)稱無人機(jī))，英文縮寫"UAV"。廣義上是指不需要駕駛員登機(jī)駕駛的各式遙控或自主智能航空器，利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，或者由車載計(jì)算機(jī)完全地或間歇地自主地操作。

1.1 多旋翼無人機(jī)分類

從技術(shù)角度無人機(jī)可以分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)兩類，其中旋翼無人機(jī)又可分為單軸的直升無人機(jī)和多旋翼無人機(jī)。多旋翼無人機(jī)作為旋翼無人機(jī)的一種，因起降場(chǎng)地的限制低、操控相對(duì)簡(jiǎn)單，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)多旋翼無人機(jī)動(dòng)力軸的數(shù)量，多旋翼無人機(jī)分為3個(gè)軸、4個(gè)軸、6個(gè)軸、8個(gè)軸，甚至18個(gè)軸；根據(jù)多旋翼無人機(jī)動(dòng)力軸的布局形態(tài)，又可以劃分為4軸X型，4軸十字型等。

1.2 旋翼無人機(jī)組成

多旋翼無人機(jī)系統(tǒng)主要包括飛機(jī)機(jī)體、電機(jī)、ESC電調(diào)、螺旋槳、飛行控制系統(tǒng)、遙控裝置、數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、GPS模塊、電源系統(tǒng)等。飛控，也稱為飛行管理和控制系統(tǒng)，相當(dāng)于無人機(jī)系統(tǒng)的"CPU"部分。它對(duì)無人機(jī)的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑴?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性能有重要影響，對(duì)其飛行性能起決定性的作用；數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)確保遠(yuǎn)程命令的準(zhǔn)確傳輸以及無人機(jī)接收和發(fā)送的信息的實(shí)時(shí)性和可靠性。確保及時(shí)有效的信息反饋，并順利，準(zhǔn)確地完成任務(wù)。發(fā)射回收系統(tǒng)確保無人機(jī)順利起飛達(dá)到安全的高度和飛行速度，并在任務(wù)完成后安全地返回地面。

1.3 多旋翼無人機(jī)特點(diǎn)

1)在操作方面，多旋翼的操控是最容易控制。多旋翼可以隨時(shí)垂直起降，也可以人工手持起降，并且可以在起飛后可在空中懸停。其控制原理簡(jiǎn)單，操控器的4個(gè)遙感操作對(duì)應(yīng)于飛行器的前，后，左，右，上下和偏航方向的運(yùn)動(dòng)。在自動(dòng)駕駛儀方面，GPS模塊的干預(yù)使得多旋翼自駕儀控制方法簡(jiǎn)單，并且控制器參數(shù)調(diào)整也非常簡(jiǎn)單。

2)在可靠性和安全性方面，多旋翼也是最出色的。如果只考慮機(jī)器的可靠性和安全性，多旋翼沒有活動(dòng)部件，其可靠性主要取決于無刷電機(jī)的可靠性，因此可靠性高。相比之下，固定翼和直升機(jī)具有活動(dòng)的連接部件，在飛行期間會(huì)有磨損導(dǎo)致可靠性降低。此外，多旋翼可以在固定點(diǎn)懸停，方便控制飛行范圍，相對(duì)比較來說多旋翼相對(duì)更安全。

3)在可維護(hù)性方面，多旋翼是最易維護(hù)的。因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模塊化設(shè)計(jì)。如果機(jī)架、電機(jī)、ESC、電池和撥片損壞，更換操作簡(jiǎn)便易行。相比之下，固定翼和直升機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件較多，并且安裝復(fù)雜，需要技巧，難度較大。

4)在可持續(xù)飛行方面，多旋翼始終具有優(yōu)勢(shì)。隨著石墨烯電池的技術(shù)革命，電池的連續(xù)性得到了極大的提高，機(jī)身材料的輕量化和機(jī)載設(shè)備的小型化，也進(jìn)一步凸顯多旋翼的優(yōu)勢(shì)。因此，在各個(gè)領(lǐng)域，優(yōu)良的"剛性"需求最終導(dǎo)致人們選擇了多旋翼無人機(jī)。

2 無人機(jī)實(shí)踐應(yīng)用與展望

無人機(jī)按照應(yīng)用領(lǐng)域可分為軍用無人機(jī)、民用無人機(jī)，其中民用無人機(jī)與行業(yè)應(yīng)用的結(jié)合，是無人機(jī)應(yīng)用的剛性需求和未來發(fā)展方向，廣泛應(yīng)用在公安執(zhí)法、農(nóng)業(yè)植保、測(cè)繪航拍、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、電力巡檢、油田巡查、影視拍攝等領(lǐng)域。無人機(jī)系統(tǒng)在水利主要用于快速反應(yīng)、蓄滯洪區(qū)預(yù)警、防汛指揮調(diào)度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、河(湖)長(zhǎng)制信息化管理等方面。

2.1 應(yīng)急快速反應(yīng)

2018年8月，黑龍江省大慶地區(qū)防洪工程管理處所轄河道肇蘭新河青肯泡段遭遇上游強(qiáng)降雨所帶來的蓄滯洪區(qū)，河道水位迅速上漲，部分地區(qū)堤防和河道出現(xiàn)險(xiǎn)情。在此次應(yīng)急搶險(xiǎn)中，管理處的無人機(jī)組接到指令快速反應(yīng)，第一時(shí)間進(jìn)入出險(xiǎn)空域，空中觀察河道和堤防工程，飛入人車無法進(jìn)入?yún)^(qū)域，觀測(cè)險(xiǎn)情水情，巡查現(xiàn)場(chǎng)，查找來水方向，對(duì)比歷史數(shù)據(jù)，并將現(xiàn)場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)傳輸給指揮人員，為防汛指揮決策提供準(zhǔn)確依據(jù)。無人機(jī)在防洪搶險(xiǎn)中快速反應(yīng)的實(shí)踐證明，多旋翼無人機(jī)具有的體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、超視距飛行等特點(diǎn)，在災(zāi)害和事故現(xiàn)場(chǎng)偵測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。多旋翼無人機(jī)洪澇災(zāi)害處置和防汛抗旱應(yīng)急，見圖1。

圖1 多旋翼無人機(jī)洪澇災(zāi)害處置和防汛抗旱應(yīng)急

2.2 蓄滯洪區(qū)預(yù)警

通過無人機(jī)機(jī)載設(shè)備獲取遙感航拍圖像和數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建三維模型已成為能夠協(xié)助水管部門進(jìn)行直觀分析和決策指揮。在汛情旱情監(jiān)測(cè)、水域規(guī)劃、水利工程三維仿真系統(tǒng)中起到巨大的作用。無人機(jī)還可以完成實(shí)時(shí)水文監(jiān)測(cè)，河道比較，水庫水位監(jiān)測(cè)，洪水區(qū)域檢查，淹沒區(qū)域和水毀橋梁統(tǒng)計(jì)。肇蘭新河青肯泡段水災(zāi)前后通過航拍圖可以對(duì)比效果。2018年8月肇蘭新河青肯泡段航拍圖，見圖2；2018年5月GoogleEarth對(duì)比圖，見3。

圖2 2018年8月肇蘭新河青肯泡段航拍圖

圖3 2018年5月GoogleEarth對(duì)比圖

2.3 防汛指揮調(diào)度

在水情災(zāi)情發(fā)生之后，決策部門必須對(duì)災(zāi)情現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行及時(shí)掌握。首先無人機(jī)升空，對(duì)空域進(jìn)行前期摸底了解。布置飛行任務(wù)，確定重點(diǎn)拍攝對(duì)象，確定飛行范圍，確定飛行航線。然后執(zhí)行飛行任務(wù)，拍攝實(shí)時(shí)全景動(dòng)態(tài)影像，運(yùn)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸與通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳回后方指揮部，讓決策者直觀看到災(zāi)區(qū)宏觀圖像，適時(shí)展現(xiàn)災(zāi)情變化、洪水淹沒程度，使指揮決策更加高效、專業(yè)、準(zhǔn)確。還可以將應(yīng)急指揮車的移動(dòng)會(huì)議系統(tǒng)和后方進(jìn)行視頻會(huì)商，確定救災(zāi)方案，使得防汛調(diào)度指揮決策專業(yè)化、高效化。

2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

利用無人機(jī)技術(shù)對(duì)其管轄范圍內(nèi)的水域進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，記錄管轄范圍內(nèi)水域的實(shí)時(shí)變化，并通過水域基本數(shù)據(jù)建立水域統(tǒng)計(jì)和水域調(diào)查。逐步實(shí)現(xiàn)水域管理信息化，滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和水域管理的需要。利用監(jiān)測(cè)結(jié)果，建立流域變化，非法占用水資源數(shù)據(jù)庫，為水資源管理提供依據(jù)。第一時(shí)間，掌握水資源調(diào)查信息，掌握地面水資源利用信息和水資源調(diào)查結(jié)果。地面站可以基于實(shí)時(shí)空中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)清楚地分析水文數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

2.5 河(湖)長(zhǎng)制信息化管理

在各級(jí)河長(zhǎng)常態(tài)化巡河中，引入無人機(jī)遙感技術(shù)，能夠自動(dòng)化、智能化和快速獲取國(guó)土、資源及環(huán)境等空間遙感信息，同時(shí)具有高分辨率圖像實(shí)時(shí)傳輸，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域檢測(cè)，低成本和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。能夠?qū)⒑拥栏咔逵跋襁m時(shí)導(dǎo)入河長(zhǎng)制管理信息平臺(tái)，對(duì)河湖岸線情況、違法占地、非法排口、治理效果等實(shí)現(xiàn)"精準(zhǔn)"監(jiān)測(cè)和記錄，有效提升巡河效率，助力河道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、工程建設(shè)情況、岸線管護(hù)成效數(shù)字化管理，推動(dòng)和提升河長(zhǎng)制下的河道治理等多方面的綜合管理。

3 無人機(jī)系統(tǒng)在水利行業(yè)應(yīng)用展望

由于無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活的起降方式、低空巡航和自主飛行模式、多類型數(shù)據(jù)快速獲取能力，在水利行業(yè)具有巨大的應(yīng)用潛力和前景，無人機(jī)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水情監(jiān)測(cè)、河道走向、水庫監(jiān)測(cè)、洪災(zāi)區(qū)域檢查等，還能查看水毀橋梁、淹沒區(qū)域等監(jiān)測(cè)和管控功能。

3.1 水利行業(yè)無人機(jī)應(yīng)用機(jī)載平臺(tái)選擇

無人駕駛航空器系統(tǒng)不同于一般的民用產(chǎn)品，對(duì)安全性要求很高。特別是行業(yè)應(yīng)用的專業(yè)級(jí)無人機(jī)，在選擇無人機(jī)時(shí)，要結(jié)合"有效性、安全性、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、操控性和攜勤性"等性能，慎重選擇無人機(jī)?？煽啃跃褪鞘褂脡勖途C合故障率；環(huán)境適應(yīng)性就更復(fù)雜了，包括高空抗風(fēng)能力和高原高海拔雨、雪、霧等惡劣天氣環(huán)境的適應(yīng)性；操控性，就是操作不能太復(fù)雜，人機(jī)功效要好，要簡(jiǎn)明易懂；攜勤性就是從運(yùn)輸、展開到空中執(zhí)行任務(wù)，時(shí)間要快，便于迅速展開、快速開展工作，同時(shí)維修保養(yǎng)簡(jiǎn)單易學(xué)好操作。

3.2 水利行業(yè)無人機(jī)應(yīng)用人才培養(yǎng)

隨著無人機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、測(cè)繪、能源、環(huán)保、安防、工程管理方面發(fā)展,到2020年產(chǎn)值將達(dá)到600億元，2025年民用無人機(jī)產(chǎn)值將達(dá)到1800億元。2017年工信部發(fā)布的《關(guān)于促進(jìn)和規(guī)范民用無人機(jī)制造業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確支持普通高校和職業(yè)院校設(shè)立無人機(jī)相關(guān)專業(yè)，建立多層次、多類型的無人機(jī)人才培養(yǎng)和服務(wù)體系。2018年，黑龍江省水利學(xué)校設(shè)立了無人機(jī)專業(yè)，通過沈陽中測(cè)無人機(jī)科技有限公司、鷹眼電子科技有限公司的校企業(yè)合作，探索無人機(jī)職業(yè)教育所需要的應(yīng)用方向、教材體系、知識(shí)結(jié)構(gòu)、教師教練，建立全省水利系統(tǒng)無人機(jī)專業(yè)人才培訓(xùn)體系，從中等專業(yè)學(xué)歷教育、駕駛技能和應(yīng)用技能培訓(xùn)、AOPA無人機(jī)駕駛資格認(rèn)證等方面，創(chuàng)新水利無人機(jī)應(yīng)用，滿足全行業(yè)對(duì)無人機(jī)人才的需求。

3.3 依法開展水利行業(yè)無人機(jī)應(yīng)用

在大力發(fā)展無人機(jī)應(yīng)用的同時(shí)，安全與秩序同時(shí)擺在從業(yè)者的面前?，F(xiàn)有國(guó)家航空管理方面的法規(guī)有《中華人民共和國(guó)民用航空法》、《中華人民共和國(guó)飛行基本規(guī)則》、《通用航空飛行管理?xiàng)l例》；部門規(guī)章涉及到無人機(jī)管理的有《民用無人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)》、《空中交通管理辦法》、《民用無人機(jī)駕駛航空器系統(tǒng)駕駛員管理暫行規(guī)定》、《民用無人機(jī)駕駛航空器實(shí)名制登記管理規(guī)定》、《民用無人駕駛航空器從事經(jīng)營(yíng)性飛行活動(dòng)管理辦法(征求意見稿)》。2018年2月，國(guó)家空管委組織制定的《無人駕駛航空器飛行管理規(guī)定》(征求意見稿)，已經(jīng)修改為《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》。盡管當(dāng)前國(guó)家還沒出臺(tái)涉及無人機(jī)管理的法律和法規(guī)，各部門的規(guī)章制度也滯后于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但是，水利系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用無人機(jī)之初就要從頂層開始設(shè)計(jì)，在跟蹤無人機(jī)產(chǎn)業(yè)技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，遵照國(guó)家現(xiàn)有法律法規(guī)，研究制定適合水利行業(yè)特點(diǎn)的無人機(jī)應(yīng)用和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確保全省有序、安全、高效發(fā)展水利無人機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用。

4 結(jié) 語

隨著中國(guó)水利現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，水利信息化水平不斷提高，行業(yè)對(duì)地理信息的準(zhǔn)確性、時(shí)效性要求也越來越高。通過無人機(jī)機(jī)載設(shè)備獲取遙感航空影像，并且利用真實(shí)的影像來構(gòu)建三維模型和系統(tǒng)，開展機(jī)載、多源水利信息快速獲取、處理和融合技術(shù)研究，無人機(jī)系統(tǒng)的空中優(yōu)勢(shì)融入水利信息化建設(shè)綜合體系，將大大提高雨情、水情、干旱、災(zāi)害信息采集的準(zhǔn)確性和傳輸?shù)臅r(shí)效性。