[發(fā)明專利]一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略規(guī)劃方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110883425.1
• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113325735B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉虎;王希宇;田永亮;劉思良;成杰元
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京天匯航智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

1.一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：建立投水模型，包括如下步驟：

S11：基于地面二維網(wǎng)格建立數(shù)值化投水模型，得到投水策略與水體投水分布的關(guān)系；

S12：利用多邊形表征水體投水分布中的主要投水分布區(qū)，建立描述化投水模型，得到投水策略與水體投水分布多邊形的關(guān)系；

S13:基于所述描述化投水模型生成投水策略與水體投水分布多邊形的多組數(shù)據(jù)，將該多組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立代理投水模型，得到投水策略與水體投水分布多邊形的擬合關(guān)系；

S2：建立火場模型，得到預(yù)測火場區(qū)域并對其進(jìn)行離散化，得到火場離散點(diǎn)；

S3：基于步驟S13中得到的投水策略與水體投水分布多邊形的擬合關(guān)系和步驟S2中得到的火場離散點(diǎn)，確定評估指標(biāo)，建立滅火效能評估指標(biāo)模型；

S4: 利用粒子群算法，通過生成以投水策略為變量的種群，利用所建立的代理投水模型計(jì)算每一個投水策略下的水體投水分布多邊形，進(jìn)而利用滅火效能評估指標(biāo)模型計(jì)算優(yōu)化目標(biāo)，在迭代數(shù)內(nèi)收斂到較優(yōu)的投水策略，完成投水策略的優(yōu)化。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S11具體過程為：

將投水過程分為初始投水階段、水體破裂運(yùn)動階段和擴(kuò)散分布階段，輸入?yún)?shù)包括投水參數(shù)、物理參數(shù)、風(fēng)場參數(shù)和投水策略參數(shù)；所述投水參數(shù)包括水箱參數(shù)、初始投水速度和等效投水半徑；所述物理參數(shù)包括重力加速度和水粘性系數(shù)；所述投水策略參數(shù)包括飛行器飛行高度、飛行速度、投水起始坐標(biāo)點(diǎn)和投水起始方位角；假定所述投水參數(shù)、所述物理參數(shù)和所述風(fēng)場參數(shù)固定不變；

在初始投水階段，利用所述物理參數(shù)和所述投水參數(shù)中的水箱參數(shù)計(jì)算得到投水時間；

在水體破裂階段，利用所述投水參數(shù)中的初始投水速度和等效投水半徑以及所述物理參數(shù)計(jì)算水體的第一次破裂半徑和第二次破裂半徑；之后，基于投水時間、第一次破裂半徑、第二次破裂半徑、物理參數(shù)和投水策略參數(shù)建立液滴動力學(xué)模型，通過求解液滴動力學(xué)模型得到水體中心點(diǎn)軌跡；

在擴(kuò)散分布階段，首先利用投水策略參數(shù)計(jì)算水體擴(kuò)散半徑；然后利用水體中心點(diǎn)軌跡結(jié)合水體擴(kuò)散半徑，計(jì)算得到每一個單位步長的水體截面分布，進(jìn)而整合建立投水策略與水體投水分布的關(guān)系，計(jì)算得到水體投水分布。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S12具體過程為：

考慮水體投水分布呈現(xiàn)為中間聚集和邊緣稀疏，將水體分為有效滅火區(qū)和降溫增濕區(qū)，所述有效滅火區(qū)為降水量達(dá)到最小滅火需求量的區(qū)域，為主要投水分布區(qū)，其邊界通過計(jì)算二維網(wǎng)格的單位面積落水量并與最小滅火需求量比較得到；

對于恒流量系統(tǒng)，基于數(shù)值化投水模型得到的水體投水分布，由于其分布沿飛機(jī)前進(jìn)方向均勻，使用邊緣區(qū)矩形表征水體投水分布外圍，忽略頭尾半圓形水體投水分布，使用以最小滅火用水量為邊界的矩形表征有效滅火區(qū)，降溫增濕區(qū)為邊緣區(qū)矩形與有效滅火區(qū)矩形不重合的部分；

對于恒壓投水系統(tǒng)，用梯形與三角形組合的多邊形表征條帶并用二分法找到最大水量等于最小滅火需求量的水體作為末端水體；之后根據(jù)該末端水體對應(yīng)的飛行距離將投水初端到該飛行距離的總長分為三等份，基于單個等分的長度計(jì)算第一次水體落地直徑和有效水體落地直徑，形成分別由七個點(diǎn)組成的邊緣區(qū)多邊形和有效滅火區(qū)多邊形。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S2具體過程為：

基于火場參數(shù)，考慮風(fēng)場參數(shù)，計(jì)算火線蔓延速度；

建立完全燃燒模型，輸入可燃物濕度、可燃物溫度和可燃物密度，輸出計(jì)算火場的已燃燒、燃燒和未燃燒三個階段中各個階段對應(yīng)的時長；

通過火線蔓延速度和火場各個階段對應(yīng)的時長計(jì)算出火場各個階段的蔓延長度，并結(jié)合輸入的火線前沿的位置坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)建立預(yù)測火場區(qū)域，對其進(jìn)行離散化，得到火場離散點(diǎn)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S2中，利用快速泊松碟采樣法對預(yù)測火場區(qū)域進(jìn)行離散化。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的優(yōu)化方法，其特征在于，步驟S3中，采用水體有效利用率為評估指標(biāo)。