[發明專利]一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略規劃方法

有效

• 申請號: 202110883425.1
• 申請日: 2021-08-03
• 公開（公告）號: CN113325735B
• 公開（公告）日: 2021-10-15
• 發明（設計）人: 劉虎;王希宇;田永亮;劉思良;成杰元
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G05B17/02
• 分類號: G05B17/02
• 代理公司: 北京天匯航智知識產權代理事務所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發明屬于計算機仿真領域，提出了一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略優化方法。本發明在整合現有投水模型的基礎上引入火場的約束，并建立相應的滅火效能評估指標；同時，對火場約束予以離散化表示并對數值化投水模型的地面分布用多邊形構建的描述化投水模型予以表征；利用神經網絡建立飛機投水策略與地面分布的代理投水模型；最終利用代理投水模型以滅火效能為優化目標，利用粒子群算法進行快速尋優制定投水策略，以確定當前飛機該以何種高度、何種速度、以何種角度從什么航跡點進行投水作業。本發明有利于機組更快應對林火險情，提高投水階段的滅火效率，借此提高整個滅火任務的效率，增強面向森林滅火的航空應急能力。

技術領域

本發明屬于計算機仿真領域，特別涉及一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略規劃方法，具體涉及基于代理投水模型和離散化火場模型的飛行器單架次快速投水滅火策略的優化。

背景技術

森林是陸地生態系統的主體，其作為極其重要的生態保護屏障，對于可持續發展和生態保護建設有著重要的影響。而火災卻對森林資源和生態環境的破壞十分嚴重。據統計，全世界每年發生森林火災幾十萬次,受災面積達幾百萬公頃。森林火災應急救援的形勢十分嚴峻。然而，由于森林地面情況復雜，地面滅火行動難度較大，同時，考慮到在火情初期就快速開展滅火行動可以更好地控制火勢，降低損失，因此需要一種快速、高效的滅火方式。

航空器機動性強、可快速奔赴任務區域和具有受地形、地物限制較少的優點使得航空滅火成為世界上普遍采用的高效快捷的滅火手段。特別地，相較于直升機，固定翼飛機載重大、速度快的獨特優勢在投水滅火任務中能夠發揮更大的作用。在整個固定翼飛機滅火任務當中，作為關鍵環節，投水階段直接決定著投出的水體能否有效覆蓋目標火場達到滅火的效果，不同于直升機可以低速、懸停投水，固定翼飛機需要確定合適的速度、高度與航跡進行投水，以此保證較好的滅火效果。

現有的投水研究已基本可以建立起包括飛行速度、高度和軌跡等在內的飛行投水策略與落水分布的關系。在實際執行任務當中，飛行機組需要根據火場和環境態勢快速優化如上的投水策略進行投水以達到較好的滅火效果。但是，現有投水研究與應用存在如下兩個問題：第一，應用現有投水模型可以預測到水體在地面的分布，但依舊需要憑借機組的經驗和專業知識判斷如何覆蓋火場，缺乏納入火場因素的對滅火效能的考量：第二，現有投水模型的復雜程度依舊很高，基于這類模型構建的方法在現有的計算資源無法快速優化投水策略，很難滿足快速應急的需求，不具備現場輔助決策支持能力。

發明內容

針對上述問題，本發明提出了一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略優化方法，其是一種面向固定翼飛機的快速投水策略優化方法。本發明在整合現有投水模型的基礎上引入火場的約束，并建立相應的滅火效能評估指標；同時，對火場約束予以離散化表示并對數值化投水模型的地面分布用多邊形構建的描述化投水模型予以表征；進一步地，利用神經網絡建立飛機投水策略與地面分布的代理投水模型；最終利用代理投水模型以滅火效能為優化目標，利用粒子群算法進行快速尋優制定投水策略，以確定當前固定翼飛機該以何種高度、何種速度、以何種角度從什么航跡點進行投水作業。本發明有利于機組更快應對林火險情，提高投水階段的滅火效率，借此提高整個滅火任務的效率，增強面向森林滅火的固定翼飛機航空應急能力。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于粒子群算法的快速投水滅火策略優化方法，包括如下步驟：

S1：建立投水模型，包括如下步驟：

S11：基于地面二維網格建立數值化投水模型，得到投水策略與水體投水分布的關系；

S12：利用多邊形表征水體投水分布中的主要投水分布區，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據，將該多組數據作為訓練樣本訓練神經網絡，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系；