无人机森林消防技术课件10 消防无人机集群灭火技术

无人机森林消防技术(10)第10章

消防无人机集群灭火技术主要内容（1）消防无人机集群的基本概念。（2）消防无人机集群关键技术及其体系架构。（3）消防无人机集群体系自组网技术。（4）消防无人机/有人机协同灭火的基本概念。（5）消防无人机/有人机协同灭火的关键技术。

消防无人机集群的定义集群概念源于生物学研究。在自然界中，鸽群、雁群、蚁

群、蜂群、狼群等大量个体聚集时往往能够形成协调一致、令

人震撼的集群运动场景。无人机集群原先是指军事上利用微小

型无人机集群作战的模式，又称为蜂群战术，非常适合一些简

单反应性灭火任务，包括区域搜索和攻击、侦察和压制、心理

战和战术牵制等，消防无人机集群灭火是将该集群灭火模式引

入应用到扑灭森林火灾的战略战术行动中。消防无人机集群由

一定数量的消防无人机组成，它们彼此间通过无线网络，进行

态势共享与信息交互，相互协调合作完成消防灭火任务。

消防无人机集群的原理和功用

1．消防无人机集群原理消防无人机机群到达目的地后，根据各自的功能，通过集群管理，承担不同的任务。其核心就是集群智能，模拟蜜蜂或蚂蚁之间的沟通协作方式，并且以此来增强无人机群的整体扑灭森林火灾能力。消防无人机集群关键技术有很多，主要有：（1）网络化沟通。（2）自适应协同。（3）智能倍增。2．消防无人机集群的功用（1）林区监测任务。（2）过于危险的灭火任务。（3）冗余性灭火任务。

消防无人机多机编队飞行

消防无人机多机编队飞行要求所有的消防无人机都有精确的定

位、精确同步的时间，以及规划合理的飞行路线，同时还要应对相

互间的干扰。采用差分GPS技术（实时动态差分法，RTK），要点

是在地面上架设一个GPS基准站的点子，这个地面基准站有事先知

晓的准确的空间坐标，然后跟实时测量到的GPS结果进行差分，把

误差实时发送给所有参与集群队列的消防无人机，各个消防无人机

则根据收到的误差信息对自己的位置进行实时纠偏，可以在野外实

时得到厘米级定位精度。

实时动态差分法（RTK）技术要点实时动态差分法（RTK）技术是通过基准站和流动站之间

进行的数据采集、传输和处理来进行定位，设站后一次可以完

成的作业区域为半径10KM左右，极大的减少了传统测量作业

中的“搬站”次数，与传统的定位技术相比，RTK技术因其作业

自动化、集成化程度高，测绘功能强大而胜任各种作业领域。

内装式软件控制系统可自动实现多种测绘功能，减少人为误差，

保证了作业精度，累计误差几乎为零，且作业速度快。

消防无人机集群的特点消防无人机集群利用信息网络获取目标、环境及各消防无人机状态信息，并在消防无人机之间进行交互，具备识别环境、适应环境、侦察目标、任务决策和自主行为的能力，这些能力的外在体现就是集群行为。消防无人机集群特点有：（1）环境的自适应性。（2）响应时间敏感性。（3）信息高度共享。（4）任务的复杂性。（5）决策的复杂性。

消防无人机集群扑灭森林火灾战略消防无人机集群技术只要一个消防员（地面驾驶员）就能同时操纵控制多架消防无人机进行并行作业，其做法是使用多架消防无人机围攻森林火灾的着火区域，好比是大兵团灭火，其常用战略如下：（1）划分战略灭火地带。（2）先控制林火蔓延，后扑灭余火。（3）打防结合，以打为主。（4）集中优势兵力打歼灭战。（5）牺牲局部，保存全局。（6）安全第一。

消防无人机集群扑灭森林火灾战术根据森林火灾现场的地理环境和实时气象条件，消防无人机集群扑灭森林火灾常用战术：（1）单点突破，

长线对进突击战术。（2）多点突破，

分击合围战术。（3）四面包围，

全线突击战术。（4）一次冲击，

全线控制战术。（5）轮番攻击，

劳逸结合战术。

消防无人机集群关键技术1．消防无人机集群态势感知与信息共享2．消防无人机集群编队与智能决策控制3．多机协同任务规划和任务分配4．信息交互与自主控制5．

5G网联消防无人机集群技术6．

基于视觉的消防无人机集群技术7．

消防无人机与有人机协同技术

消防无人机集群的体系架构消消防无人机集群体系结构属于一种具有容错和自适应性

的多机协调体系结构，分层控制能够降低消防无人机集群中任

务分配问题的复杂性，提高集群任务分配效率。

（1）决策层

（2）路径规划层

（3）轨迹生成层

（4）控制层

消防无人机集群体系架构的类型消防无人机体系结构是对它的各项功能，按照一定的逻辑关系，在合理的协调控制框架内进行的布局，是一种协调控制的结构框架。（1）集中式体系架构。该体系的确立源自“单消防无人机—多消防无人机—消防无人机集群”的发展思路，是当前最直接、最成熟的集群架构模式。（2）分布式体系架构。该体系架构中没有控制中心节点，对单机来说在系统中地位是平等的，采用自主管理、协商的方式完成任务。（3）集散式体系架构。该体系架构结合了集中式和分布式两种架构的优点，利用分布式自治与集中式协作相结合的方式来解决系统全局控制问题。

消防无人机集群体系自组网无线Mesh网络是一种与传统无线网络完全不同的新型无线

网络技术，它是采用全新的“无线网格网”理念设计的移动宽带

多媒体通信系统。系统所有节点在非视距、快速移动条件下，

利用无中心自组网的分布式网络构架。在Mesh网络中，每个节

点都不是单独存在的无线中继器，它们之间互相联结，构成一

个整体的网络。当某条线路被阻塞或无响应时，节点可自主选

择其他线路进行数据传输，不会因为某个节点的故障而影响网

络访问，可靠性强。

消防无人机集群自组网的构成消防无人机集群自组网是由消防无人机担当网络节点组成

的具有任意性、临时性和自治性网络拓扑的动态自组织网络系

统。作为网络节点，每架消防无人机都配备移动自组网络通信

模块，既具有路由功能，

又具有报文转发功能，

可以通过无线连接构

成任意的网络拓扑。

每架消防无人机在该

网络中兼具任务节点

和中继节点两种功能。

消防无人机自组网系统特点消防无人机自组网系统除具有独立组网、自组织、动态拓扑、无约束移动、多跳路由等一般自组网网络本身的技术特点以外，还具有以下的任务使用特点。（1）适用于复杂地形、非视距应用。（2）适用于远距离作业覆盖。（3）多路高清数据传输。（4）抗干扰能力强。（5）智能化程度高。（6）功能多样化。

消防无人机/有人机协同灭火的定义消防无人机/有人机协同灭火是指在地面“无人机消防管理

指挥中心”统一的指挥控制下，综合利用消防无人机与消防有

人机的特点，共享森林火灾现场信息，通过两者结合起来的整

体力量完成扑灭森林特大火灾的任务。不仅可以大大降低地面

消防员在林火现场面临的危险，减少远距离扑灭林火时，地形、

障碍物等对消防无人机和消防有人机信息传输的干扰，还可以

增加消防无人机和消防有人机的灭火范围及提高灭火效率。由

于消防无人机与消防有人机二者因为飞行控制和技术性能上面

的区别较大，因而要实现协同灭火，必须满足以下几个条件：（1）协同控制。（2）协同态势感知。（3）合理进行任务分配。

消防无人机/有人机协同指挥控制消防无人机/有人机协同指挥控制内容包括：任务规划决策

系统、标准化通信接口、任务管理系统、信息融合系统、态势

显示系统、高速宽带数据链等部分。消防无人机/有人机协同扑灭林火过程中涉及到地面“无人

机消防管理指挥中心”及地面控制站对消防无人机/有人机编队

的指挥控制，消防有人机对消防无人机的指挥控制以及消防无

人机的自主控制等。因此首先须明确协同指挥控制体系结构，

以及不同指挥控制中心的功能与关系。

要实现协同控制，关键是要解决控制权限在多个指挥控制

单元之间无缝、连续、稳定的转换和迁移，根据任务需求和指

挥控制单元的能力，实时调整控制权的分配，其相关内容包括

控制权限层次化，消防无人机信息管理与共享技术。

消防无人机/有人机协同灭火体系结构消防无人机/有人机协同灭火体系包括地面消防指挥中心、

指挥飞机、消防无人机/有人机编组三类实体构成，利用高度

信息化的灭火体系实现指挥机、消防无人机和有人机之间的有

序高效协同。依据时间和空间两者构建具有层次化特征的灭火

体系结构，具有众多优点。

消防无人机/有人机协同体系运行过程（1）由地面消防指挥中心依据扑灭特大森林火灾的需求，快速生

成灭火任务，并借助消防决策系统实现灭火任务的分解。（2）指挥机对分配的灭火任务进行深度分解，形成可执行的灭火

子任务，并下发至各消防无人机/有人机混合编组。（3）各消防无人机/有人机混合编组领取任务后，对编组执行的

局部任务进行优化，并建立局部协同灭火方案。（4）各消防无人机/有人机混合编组将协同灭火任务的执行状态

反馈至指挥机和地面消防指挥中心，由指挥机统筹灭火任务

的局部执行情况，形成局部灭火态势，地面消防指挥中心统

筹灭火任务的整体执行情况，形成整体扑灭森林火灾的态势，优化局部和整体灭火方案，将灭火优化方案以灭火任务的方

式反馈至各消防无人机/有人机协同灭火混合编组。

消防无人机/有人机协同灭火模式(1)

1、消防无人机/有人机“被动集中式”协同灭火模式

灭火过程中，指挥机全程固定由消防有人机担任，消防无

人机配合消防有人机完成扑灭特大森林火灾的任务。灭火过程

中，空中只有一架消防有人机，但有多架或大量消防无人机，

消防有人机驾驶员作为灭火指挥者，负责灭火任务的分配和实

施，而消防无人机则用于执行相对危险或相对简单的单项任务。

消防无人机/有人机协同灭火模式(2)

2、消防无人机/有人机半主动分布式协同灭火模式这种灭火模式的指挥机基本固定在消防有人机上，但在局部空间也存在消防无人机独立完成灭火任务的情况，其核心思

想是不再完全依靠昂贵

的高价值消防有人机去

完成全部灭火任务，而

是将各种能力分散到众

多（或多个）消防无人

机上，让消防无人机比

较主动地承担更多的灭

火任务。

消防无人机/有人机协同灭火模式(3)

3、

消防无人机/有人机驻地分布式协同灭火模式这是一种智能化条件下的模式，也是目前在扑救森林特大

火灾中应用高级阶段的协同灭火模式，是消防无人机/有人机协

同扑灭大规模森林火灾的重要发展方向。该灭火模式的指挥机

根据灭火任务需要在消防无人机与消防有人机之间实现自由切

换，其核心思想是

消防有人机和消防

无人机都可以作为

灭火现场的指挥控

制节点，不论是消

防有人机还是消防

无人机，全部都全

程自主参与行

动。

消防无人机/有人机协同关键技术(1)

1．协同交互控制技术完整的协同交互方式必然包含一套指令集，保证消防无

人机能够识别来自系统内消防有人机的指令，同时也保证消

防有人机能够实时接收消防无人机对火场信息的监测情况。

随着人工智能理论的发展，基于自然语言的智能人机接口技

术受到越来越高的重视。指令集按功能分为三种类型：（1）消防有人机任务命令、消防无人机系统命令及指令编码。（2）命令集应尽量简单，灭火任务的执行中包含了大量的数

据传输和计算，简单的命令集是信息传输实时性的保证。（3）命令集应符合设计规范，以减少实际灭火时信息交互过

程中所存在的干扰和噪声，确保信息的正常发送和接收。

消防无人机/有人机协同关键技术(2)

2．协同态势感知技术态势研判及预测的重点是通过研究森林大火发生、燎原、

蔓延的过程和路径，深度分析火场态势的变化，对未来火场

态势进行初步预测。消防无人机/有人机协同态势感知是协同

灭火中的一个重要阶段。消防有人机接收消防无人机探测的

目标信息，从而分析火场环境，评估大火燎原、蔓延威胁，

利用火场的实时状况做出正确的决策，并将行动指令传送给

消防无人机。目前常用的消防无人机/有人机协同态势感知技

术有以下几种：（1）询问式态势感知方法。（2）多源信息态势感知方法。（3）变精度态势感知方法。

消防无人机/有人机协同关键技术(3)

3．协同任务分配技术无人机/