基于森林火災(zāi)的多類型無人機(jī)布局與控制方法

朱連熙，顏康龍，羅嘉俊

（北京郵電大學(xué)世紀(jì)學(xué)院，北京102100）

2019-11，澳大利亞東部叢林大火肆虐，災(zāi)情繼續(xù)加劇。到現(xiàn)在火已經(jīng)燒了4個(gè)多月了。這片土地的燃燒面積已經(jīng)超過26萬km2，整個(gè)澳大利亞大陸的1/3被厚厚的白煙覆蓋。近3 000棟房屋倒塌成瓦礫，數(shù)十人在大火中喪生。

經(jīng)過研究，決定建立兩個(gè)合理且具有成本效益的解決方案。首先，我們將使用第一種解決方案來解決SSA無人機(jī)和無線電中繼無人機(jī)的最佳數(shù)量和混合比。在第二個(gè)計(jì)劃中，我們將建立一個(gè)模型來優(yōu)化超高頻懸掛式甚高頻/超高頻無線電中繼器的位置，以應(yīng)對(duì)不同地形上不同規(guī)模的火災(zāi)。

同時(shí)，還將分析和預(yù)測澳大利亞未來的森林火災(zāi)趨勢(shì)，并從獲得的數(shù)據(jù)中優(yōu)化之前設(shè)定的計(jì)劃。我們認(rèn)為該模型不應(yīng)過分簡化飛行限制。傳統(tǒng)的無人機(jī)協(xié)同控制算法沒有考慮地形對(duì)無人機(jī)飛行控制的影響，沒有基于森林火災(zāi)熱輻射等因素設(shè)置無人機(jī)安全飛行約束，也沒有考慮風(fēng)速的影響。忽略了無人機(jī)飛行的影響和煙霧對(duì)觀測的阻礙作用。因此，我們團(tuán)隊(duì)針對(duì)澳大利亞森林火災(zāi)的背景，提出了多種無人機(jī)分布式雙層控制方法（MUBD模型），如圖1所示。

圖1 基于兩個(gè)模型構(gòu)想的MUBD模型的基本部署和控制

1 模型的建立

在森林火災(zāi)蔓延的研究中，最常用的模型之一是元胞自動(dòng)機(jī)。元胞自動(dòng)機(jī)是研究復(fù)雜系統(tǒng)的典型方法，特別適用于研究空間復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)空動(dòng)態(tài)模擬。在細(xì)胞自動(dòng)機(jī)中，空間被離散成網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格稱為一個(gè)單元。細(xì)胞具有有限的離散狀態(tài)，遵循相同的作用規(guī)則，并按照一定的局部規(guī)則同步更新。大量的細(xì)胞通過簡單的相互作用形成了一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的演化。

經(jīng)典的森林火災(zāi)元胞自動(dòng)機(jī)模型是由德羅塞爾和施沃布爾于1992年提出的。森林火災(zāi)的元胞自動(dòng)機(jī)模型是在正方形網(wǎng)格上定義的。細(xì)胞有三種狀態(tài)：樹（未燃燒的樹）、火（燃燒的樹）和空（開放的地面）狀態(tài)。單元格下一狀態(tài)的更新規(guī)則如下。

著火：如果一個(gè)單元格的狀態(tài)是“樹”，相鄰4個(gè)單元格的狀態(tài)是“火”，那么下一刻單元格的狀態(tài)就會(huì)從“樹”變成“火”，用來模擬火的蔓延。另外，一個(gè)狀態(tài)為“樹”的細(xì)胞，也會(huì)以很低的概率變成“火”，來模擬一次閃電引起的火災(zāi)。

燃盡：狀態(tài)為“火”的細(xì)胞在下一刻會(huì)變成“空”，用來模擬一定時(shí)間后燃燒的樹。

在以上規(guī)則中，火規(guī)則中的閃電和新生規(guī)則都涉及概率，反映了模型在演化過程中的隨機(jī)性和不確定性。

接下來，將改進(jìn)的森林火災(zāi)元胞自動(dòng)機(jī)模型應(yīng)用于澳大利亞，需要基于澳大利亞植被來構(gòu)造元胞自動(dòng)機(jī)的初始狀態(tài)。

植被覆蓋率低的起火點(diǎn)在蔓延一小塊區(qū)域后自動(dòng)熄滅。但多個(gè)植被覆蓋率高的火點(diǎn)繼續(xù)蔓延融合在一起，最終形成巨大的森林火災(zāi)。這說明植被的覆蓋度決定了是否能形成大規(guī)模的火災(zāi)，換句話說，即如果沒有植被，火會(huì)切斷燃料，當(dāng)然很難形成大規(guī)模的火災(zāi)。如果考慮風(fēng)向的影響，不失一般性，我們以西風(fēng)為例，模擬結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，火勢(shì)有向風(fēng)的方向蔓延的趨勢(shì)。

圖2 2010年澳大利亞歸一化植被指數(shù)圖

2 靈敏度測試

基于優(yōu)化后的模型，我們結(jié)合MATLAB和GIS等軟件進(jìn)行仿真，得到了一系列結(jié)果，如圖3所示，證實(shí)了在特定風(fēng)速下混合無人機(jī)的最佳位置。

圖3 MATLAB模型仿真結(jié)果

3 結(jié)論

我們以元胞自動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，基于澳大利亞的風(fēng)況，對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，并對(duì)未來十年澳大利亞東南部的火災(zāi)進(jìn)行了MATLAB仿真。MUBD模型只是一個(gè)粗略的架構(gòu)模型，并不是很完整。我們希望通過以后的研究，把模型建成一個(gè)完整的系統(tǒng)，這樣可以解決更多的問題。