基于森林火災的多類型無人機布局與控制方法

朱連熙，顏康龍，羅嘉俊

（北京郵電大學世紀學院，北京102100）

2019-11，澳大利亞東部叢林大火肆虐，災情繼續加劇。到現在火已經燒了4個多月了。這片土地的燃燒面積已經超過26萬km2，整個澳大利亞大陸的1/3被厚厚的白煙覆蓋。近3 000棟房屋倒塌成瓦礫，數十人在大火中喪生。

經過研究，決定建立兩個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無人機和無線電中繼無人機的最佳數量和混合比。在第二個計劃中，我們將建立一個模型來優化超高頻懸掛式甚高頻/超高頻無線電中繼器的位置，以應對不同地形上不同規模的火災。

同時，還將分析和預測澳大利亞未來的森林火災趨勢，并從獲得的數據中優化之前設定的計劃。我們認為該模型不應過分簡化飛行限制。傳統的無人機協同控制算法沒有考慮地形對無人機飛行控制的影響，沒有基于森林火災熱輻射等因素設置無人機安全飛行約束，也沒有考慮風速的影響。忽略了無人機飛行的影響和煙霧對觀測的阻礙作用。因此，我們團隊針對澳大利亞森林火災的背景，提出了多種無人機分布式雙層控制方法（MUBD模型），如圖1所示。

圖1 基于兩個模型構想的MUBD模型的基本部署和控制

1 模型的建立

在森林火災蔓延的研究中，最常用的模型之一是元胞自動機。元胞自動機是研究復雜系統的典型方法，特別適用于研究空間復雜系統的時空動態模擬。在細胞自動機中，空間被離散成網格，每個網格稱為一個單元。細胞具有有限的離散狀態，遵循相同的作用規則，并按照一定的局部規則同步更新。大量的細胞通過簡單的相互作用形成了一個動態系統的演化。

經典的森林火災元胞自動機模型是由德羅塞爾和施沃布爾于1992年提出的。森林火災的元胞自動機模型是在正方形網格上定義的。細胞有三種狀態：樹（未燃燒的樹）、火（燃燒的樹）和空（開放的地面）狀態。單元格下一狀態的更新規則如下。

著火：如果一個單元格的狀態是“樹”，相鄰4個單元格的狀態是“火”，那么下一刻單元格的狀態就會從“樹”變成“火”，用來模擬火的蔓延。另外，一個狀態為“樹”的細胞，也會以很低的概率變成“火”，來模擬一次閃電引起的火災。

燃盡：狀態為“火”的細胞在下一刻會變成“空”，用來模擬一定時間后燃燒的樹。

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

接下來，將改進的森林火災元胞自動機模型應用于澳大利亞，需要基于澳大利亞植被來構造元胞自動機的初始狀態。

植被覆蓋率低的起火點在蔓延一小塊區域后自動熄滅。但多個植被覆蓋率高的火點繼續蔓延融合在一起，最終形成巨大的森林火災。這說明植被的覆蓋度決定了是否能形成大規模的火災，換句話說，即如果沒有植被，火會切斷燃料，當然很難形成大規模的火災。如果考慮風向的影響，不失一般性，我們以西風為例，模擬結果如圖2所示。結果表明，火勢有向風的方向蔓延的趨勢。

圖2 2010年澳大利亞歸一化植被指數圖

2 靈敏度測試

基于優化后的模型，我們結合MATLAB和GIS等軟件進行仿真，得到了一系列結果，如圖3所示，證實了在特定風速下混合無人機的最佳位置。

圖3 MATLAB模型仿真結果

3 結論

我們以元胞自動機為基礎，基于澳大利亞的風況，對模型進行了改進，并對未來十年澳大利亞東南部的火災進行了MATLAB仿真。MUBD模型只是一個粗略的架構模型，并不是很完整。我們希望通過以后的研究，把模型建成一個完整的系統，這樣可以解決更多的問題。