通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢系統(tǒng)

亞迪 鐘成誠 徐海洲 楊建海 高闖

關(guān)鍵詞：AI技術(shù)；通航飛機；協(xié)同巡查

0引言

人工智能（artificial intelligence，AI）技術(shù)作為一項新興技術(shù)廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域[1-2]。本文探討了AI技術(shù)在通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢中的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢，以及基于AI技術(shù)通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢系統(tǒng)的研究。

1 AI技術(shù)應(yīng)用概述

1.1AI技術(shù)基本原理

AI技術(shù)基本原理是通過傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲取外部環(huán)境的信息，如圖像、聲音、視頻等，從而能夠感知和理解環(huán)境。感知技術(shù)包括計算機視覺、語音識別、自然語言處理等。AI還可通過對獲取的信息進(jìn)行分析和推理，從而理解問題本質(zhì)和相互關(guān)系，并進(jìn)行問題解析。推理技術(shù)包括機器學(xué)習(xí)、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘等。

1.2AI技術(shù)在災(zāi)害應(yīng)對中的應(yīng)用現(xiàn)狀

AI技術(shù)可以通過對大量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，預(yù)測、預(yù)警自然災(zāi)害的發(fā)生和發(fā)展趨勢。例如，利用機器學(xué)習(xí)算法分析氣象數(shù)據(jù)，提前預(yù)測臺風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害的發(fā)生，為相關(guān)部門和居民提供預(yù)警信息和應(yīng)對時間。在災(zāi)害發(fā)生后，通過通航飛機、機器人等AI智能設(shè)備開展搜救、救援和救災(zāi)工作。同時，AI還可以通過分析遙感圖像和社交媒體數(shù)據(jù)，實時了解災(zāi)情并進(jìn)行資源調(diào)配和應(yīng)急響應(yīng)。通過大數(shù)據(jù)分析和處理，實時監(jiān)測災(zāi)害情況、評估災(zāi)情影響、制定應(yīng)對方案等。同時，利用AI的模擬和預(yù)測能力，評估災(zāi)害風(fēng)險，開展應(yīng)急演練，提高應(yīng)急管理能力和效果。

1.3AI技術(shù)在通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力

通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢是指利用通航飛機和AI技術(shù)對山林火災(zāi)進(jìn)行巡檢和監(jiān)測。AI技術(shù)可以利用通航飛機和傳感器設(shè)備進(jìn)行山林火災(zāi)巡檢，快速捕捉火點和火勢的信息。通過圖像識別和火點檢測算法，實時監(jiān)測山林火情的擴散和蔓延，提供可靠的數(shù)據(jù)支持和預(yù)警信息。利用機器學(xué)習(xí)算法建立火災(zāi)模型和預(yù)測模型，對獲取的火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而預(yù)測火勢的發(fā)展趨勢和蔓延路徑，為滅火行動提供決策支持。AI技術(shù)與地理信息系統(tǒng)的結(jié)合可以進(jìn)行火災(zāi)區(qū)域的可視化分析和資源調(diào)配，提高滅火效率和安全性。AI技術(shù)還可實現(xiàn)通航飛機群組的智能協(xié)同作業(yè)。通過通航飛機之間的通信和協(xié)作，實現(xiàn)信息共享和任務(wù)分配，提高巡檢效率和覆蓋范圍。同時，還可實時監(jiān)測火災(zāi)現(xiàn)場的情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)和圖像傳回指揮中心或移動終端。通過數(shù)據(jù)分析和圖像識別，提供實時的火情反饋和情報圖像，幫助指揮人員了解火災(zāi)的實時情況并及時做出決策和調(diào)度。

AI技術(shù)在通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢中具有巨大的應(yīng)用潛力。利用通航飛機和AI技術(shù)，可以實現(xiàn)高效、快速的火災(zāi)巡檢和監(jiān)測，提供實時的火情反饋和決策支持。同時，通過智能協(xié)同和自主控制，提高巡檢的效率和安全性，大幅提升火災(zāi)應(yīng)對能力，保護(hù)山林資源。

2AI技術(shù)應(yīng)用于通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢的優(yōu)勢分析

2.1提高火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警能力

通過應(yīng)用通航飛機和傳感器設(shè)備，可以實時獲取火災(zāi)現(xiàn)場的圖像、視頻和其他數(shù)據(jù)。AI技術(shù)可以通過圖像識別和火點檢測算法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，準(zhǔn)確捕捉火點和火勢的信息，提高火災(zāi)監(jiān)測的精準(zhǔn)性。通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢利用通航飛機進(jìn)行巡檢，可以實現(xiàn)對火災(zāi)的實時監(jiān)測和快速響應(yīng)。通航飛機能夠高速飛行、快速部署，在最短時間內(nèi)到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場，提供實時火情反饋和預(yù)警，幫助相關(guān)部門和人員迅速做出決策并展開行動。通航飛機群組還可以實現(xiàn)對大范圍山林火災(zāi)的監(jiān)測和巡檢。通航飛機可以覆蓋較大的區(qū)域，獲取更多的火災(zāi)信息，提供更全面的火情圖像和數(shù)據(jù)支持。

2.2加強通航飛機群組協(xié)同巡檢

通航飛機群組的應(yīng)用可以實現(xiàn)多臺通航飛機的協(xié)同巡檢。通過多臺通航飛機之間的通信和協(xié)作，可以共享信息和任務(wù)，避免重復(fù)巡檢，提高巡檢效率和覆蓋范圍。通航飛機可以分工合作，同時巡檢多個火災(zāi)點，減少巡檢時間和資源消耗。通航飛機群組的通航飛機可以利用自主控制算法進(jìn)行智能規(guī)劃和航線優(yōu)化。通航飛機根據(jù)火災(zāi)分布情況和巡檢需求，自動選擇最佳航線和飛行路徑，避開障礙物和危險區(qū)域，提高巡檢的安全性和效果。根據(jù)火災(zāi)情況和巡檢需求的變化，可以調(diào)整通航飛機數(shù)量和分布范圍，實現(xiàn)巡檢資源的靈活配置和調(diào)度。同時，由于通航飛機具備可擴展性，可根據(jù)需要增加或減少通航飛機數(shù)量，滿足不同規(guī)?；馂?zāi)的巡檢需求。

3基于AI技術(shù)的通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢系統(tǒng)研究

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

通用航空的信息化監(jiān)管系統(tǒng)由機載端系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)和移動用戶監(jiān)管系統(tǒng)組成。機載端系統(tǒng)主要包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、攝像頭圖像采集、全球定位系統(tǒng)（global positiomng system，GPS）信息獲取、音視頻和儀表傳感器數(shù)據(jù)存儲；地面監(jiān)控系統(tǒng)主要包括地面氣象站數(shù)據(jù)的上報及顯示、可視化監(jiān)控平臺（機載端音視頻、GPS和傳感器數(shù)據(jù)）、圖像分析和處理；移動用戶監(jiān)管系統(tǒng)主要包括通航地面站氣象數(shù)據(jù)（風(fēng)向、風(fēng)速和場壓等）可視化、機載端音視頻監(jiān)管。

機載端系統(tǒng)采用全志科技A40i四核Cortex-A7控制處理器，采集艙內(nèi)外音視頻數(shù)據(jù)，存儲并上報服務(wù)器。同時，采集GPS數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，包裝、整合并封裝成新幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲上報。地面端監(jiān)控系統(tǒng)主要包括地面端氣象站和塔臺端監(jiān)控平臺，地面端氣象站主要采用Cortex-M3微型控制器，通過六路模數(shù)轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital converter，ADC）采集地面端風(fēng)向、風(fēng)速和場壓等傳感器數(shù)據(jù)并基于消息隊列遙測傳輸（ message queuingtelemetry transport，MQTT）通信協(xié)議上報到服務(wù)器，服務(wù)器再將氣象數(shù)據(jù)分發(fā)到機載端設(shè)備。移動用戶監(jiān)管系統(tǒng)采用樹莓派（Raspberry Pi，RPi）Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行可視化管理，系統(tǒng)接收機載端的音視頻數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，再進(jìn)行綜合處理，將飛機的位置信息、艙內(nèi)外音視頻數(shù)據(jù)、飛機傳感器數(shù)據(jù)通過可視化窗口進(jìn)行顯示，采用目標(biāo)檢測算法YOLO分析處理場內(nèi)外視頻，當(dāng)發(fā)現(xiàn)林區(qū)內(nèi)有火或有煙時自動報警，從而滿足項目的需求。

3.2系統(tǒng)功能設(shè)計

3.2.1應(yīng)用視頻監(jiān)控實現(xiàn)巡航信息的識別

通過深度攝像頭對外部數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取和預(yù)處理。巡航系統(tǒng)布置可見光攝像頭獲取外界巡航信息，主要對森林火災(zāi)、入侵偷盜、樹木砍伐等信息進(jìn)行巡檢。當(dāng)出現(xiàn)小面積山火等人眼無法第一時間察覺的事件時，可見光攝像頭運用YOLO算法框取采集到的圖像信息，使其呈現(xiàn)出人眼可識別的數(shù)據(jù)信息。通過信息傳輸設(shè)備將圖像信息及事件發(fā)生的經(jīng)緯度等傳輸?shù)浇K端設(shè)備，接收端接收到信息后快速處理相應(yīng)事件，這種識別方式大幅縮短了事件處理的時間。

3.2.2采用多鏈路通航通信系統(tǒng)

多鏈路通航通信系統(tǒng)采用的無線通信網(wǎng)絡(luò)借助了Mesh（無線網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)）組網(wǎng)鏈路、“北斗”鏈路和移動通信鏈路的多鏈路自動切換與融合技術(shù)，從而最大限度地確保無線通信線路通暢，進(jìn)而有效實現(xiàn)了地面監(jiān)控子系統(tǒng)與機載子系統(tǒng)間控制指令和實時采集圖像的遠(yuǎn)程高速通信，形成無線通信系統(tǒng)。

3.2.3應(yīng)用PC端與移動端界面顯示

多終端數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)采用個人計算機（personal computer，PC）端與移動端進(jìn)行下位機數(shù)據(jù)的接收與顯示。數(shù)字化裝配管理依托數(shù)字化技術(shù)對飛機飛行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，PC端可實時顯示巡航飛機布置的深度攝像頭等檢測傳感器數(shù)據(jù)。用戶與系統(tǒng)進(jìn)行人機交互獲取火災(zāi)、偷盜、伐木、河床等信息。此外，PC端還可顯示飛行環(huán)境信息用于保障巡航的安全。移動端則主要用于環(huán)境濕度、溫度、風(fēng)速等信息的實時監(jiān)控，以及保障巡航飛機的飛行安全。采用兩種顯示系統(tǒng)極大地保障了數(shù)據(jù)的實時性和巡航飛行的安全性。

3.3系統(tǒng)特點和優(yōu)勢

3.3.1特點

通航飛機群組的信息化安全監(jiān)管系統(tǒng)具有以下特點：一是中繼級聯(lián)。系統(tǒng)支持中繼級聯(lián)功能，可以將不同終端之間的通信信號中繼傳輸，擴大通信范圍，從而提高通信的覆蓋范圍和質(zhì)量。二是多種功能支持。系統(tǒng)支持多路視頻回傳、視頻分發(fā)、地圖定位等多種功能。一套系統(tǒng)可滿足應(yīng)急現(xiàn)場的所有業(yè)務(wù)需求，提供多樣化的信息傳輸和處理功能。三是系統(tǒng)獨立性。本地指揮系統(tǒng)不依賴云端服務(wù)器，可以通過4G/5G公網(wǎng)、光纖、衛(wèi)星通信等多種方式與云端連接，當(dāng)處于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定或斷網(wǎng)的情況下，系統(tǒng)仍然能夠正常工作，將現(xiàn)場音視頻、圖片等信息回傳至后方指揮中心。

3.3.2優(yōu)勢

（ 1）林業(yè)管理信息更通暢。運用AI技術(shù)能夠?qū)崟r收集、處理和分析大量的林業(yè)管理信息，包括林地狀況、植被分布、氣象數(shù)據(jù)等。配備AI算法的系統(tǒng)可以提供準(zhǔn)確的林地狀況報告，幫助林業(yè)管理者更好地了解和掌握林區(qū)情況，為管理決策提供科學(xué)依據(jù)。

（2）警情定位更精確。系統(tǒng)配備了高精度的定位設(shè)備和AI算法，可以實時監(jiān)測和識別火災(zāi)發(fā)生的位置。通過飛機群組的協(xié)同巡檢，可以更精準(zhǔn)地確定火災(zāi)的位置和范圍，提供更及時、準(zhǔn)確的警情報告，有助于消防部門迅速響應(yīng)，降低火災(zāi)蔓延的可能性，保護(hù)山林資源。

（3）車輛、設(shè)備、人員調(diào)度指揮更快捷。系統(tǒng)可以實時監(jiān)測和分析火災(zāi)態(tài)勢，并根據(jù)火勢的發(fā)展情況，快速調(diào)度消防車輛、設(shè)備和人員到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場。智能算法的優(yōu)化調(diào)度可最大限度地提高資源利用率和滅火效率，減少火災(zāi)造成的損失。

4結(jié)語

本文總結(jié)了AI技術(shù)在通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢中的巨大潛力和優(yōu)勢?；贏I技術(shù)的通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將大幅提高火災(zāi)監(jiān)測和預(yù)警能力，加強通航飛機群組協(xié)同巡檢，數(shù)據(jù)實現(xiàn)空地實時傳輸，提高火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)和滅火效率。隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展，通航飛機群組山林火災(zāi)協(xié)同巡檢將迎來更廣闊的應(yīng)用前景。