Создание системы мониторинга лесных пожаров на основе беспилотных летательных аппаратов

Полный текст

Лесным пожаром называется стихийное, неуправляемое распространение огня по лесной площади. Он оказывает разрушительное воздействие на окружающую среду, ландшафт и экосистемы. Риск лесных пожаров возрастает в чрезвычайно засушливых условиях, таких как засуха, жара и сильный ветер. Дым таких пожаров представляет собой смесь опасных загрязнителей воздуха, озон, ароматические углеводороды или свинец. Они не только загрязняют воздух токсичными загрязнителями, но и одновременно влияют на климат, выбрасывая в атмосферу большое количество углекислого газа и других парниковых газов. Эти стихийные бедствия становятся все более экстремальными с точки зрения площади сожженных акров, продолжительности и интенсивности и могут нарушить работу транспорта, связи, водоснабжения, энерго и газоснабжения. 

Риск возникновения пожара обусловлен тремя главными составляющими: 

• Сухое топливо, такое как листья, трава, ветки и т.д.
• Кислород в воздухе
• Неконтролируемые источники тепла или огня

Молния является наиболее распространенным источником возгорания, вызывающим подавляющее большинство лесных пожаров. Существует два типа молний: холодная и горячая. Холодная молния обычно кратковременна и поэтому редко становится причиной лесных пожаров. Чего нельзя сказать о горячей молнии: токи в ней имеют меньшее напряжение, но возникают в течение более длительного периода времени. Из-за выделяемого ею сильного тепла это природное явление становится причиной множества лесных пожаров.

Люди также часто несут ответственность за возникновение лесных пожаров, случайно или намеренно. Связанные с деятельностью человека события, которые могут привести к возгоранию, варьируются от открытого горения, такого как костры, отказ оборудования и неисправность двигателей, до сжигания мусора, небрежного выбрасывания сигарет на сухой земле, а также других преднамеренных поджогов. Последнее является одной из наиболее частых причин лесных пожаров. 

В связи с изменением климата частота и интенсивность экстремальных погодных явлений, таких как тепловые волны, все больше и больше увеличивается. В таких условиях лесные пожары могут легко возникать и распространяться.

Согласно статистике за последние несколько лет, лесные пожары становятся все более распространенными, сегодня сжигая почти вдвое больше древесного покрова, чем 20 лет назад. В результате лесных пожаров погибло больше людей и было выжжено больше земли, чем когда-либо прежде, что подтверждается данными из разных частей света:

• По данным Европейской системы информирования о лесных пожарах (EFFIS), 2021 год стал вторым по разрушительности сезоном лесных пожаров в Европейском союзе с 2000 года. Ущерб 2021 года превзошел только ущерб 2017 года, когда в Евросоюзе сгорело более 1 миллиона гектаров (га).
• В 2020 году в Калифорнии произошло шесть из двадцати крупнейших лесных пожаров за всю историю штата. Разрушения были настолько огромными, что даже был придуман новый термин: первый в мире "гигафайр" - беспрецедентный пожар, охвативший более миллиона акров.
• В Австралии так называемое "черное лето" - сезон лесных пожаров 2019/20 года - уничтожил около 46 миллионов акров земли и почти 6 000 зданий. Практически вся территория Австралии, за исключением пустынь, подверглась масштабным лесным пожарам. Таким образом, очевидно, что проблема лесных пожаров с течением времени становится все более серьезной и требует скорейшего решения.

Беспилотные летательные аппараты и способы их использования

Беспилотные летательные аппараты (БПЛА), также известные как дроны, широко используются и привлекли к себе значительное внимание за последнее десятилетие. В большинстве исследований сообщается о мультикоптерах из-за их простоты механизмов управления и высокой точности позиционирования. В настоящее время беспилотники используются во многих военных, промышленных и коммерческих целях. Они используются в мобильных периферийных вычислениях, сотовой связи, доставке посылок, интеллектуальном здравоохранении, интеллектуальных транспортных системах, миссиях видеонаблюдения, точном земледелии, проверке линий электропередачи, дистанционном зондировании, поиске и спасании, а также выполнении операций по оказанию помощи в условиях стихийных бедствий.  БПЛА имеют возможность получать доступ к удаленным или опасным районам, облегчать мониторинг окружающей среды и получать изображения с высоким разрешением. Эти летательные аппараты полезны при мониторинге, поскольку они без проблем могут использоваться в суровых и сложных средах с ограниченным доступом.

Применение БПЛА в борьбе с пожарами

Беспилотные летательные аппараты обладают рядом преимуществ, которые повышают безопасность, эффективность и результативность операций по тушению пожаров. Дроны могут достигать высот, недоступных для пожарных, что сокращает время реагирования и усилия по сдерживанию пламени. Данные о поведении пожара, температуре и характере дыма, которые они получают в режиме реального времени, помогают пожарным корректировать стратегию борьбы и принимать обоснованные решения для более эффективных усилий по тушению пожара. Кроме того, беспилотники с тепловыми камерами обнаруживают горячие точки и определяют местонахождение попавших в ловушку людей. Эта информация помогает расставить приоритеты, эффективно использовать ресурсы и потенциально спасти жизни, выявляя тех, кто нуждается в немедленном спасении.

 Воздушные пожарные дроны также играют решающую роль в обеспечении связи и координации между различными группами и агентствами, участвующими в операциях по тушению пожаров. В отдаленных или пострадавших от стихийных бедствий местах, где коммуникационная инфраструктура может быть повреждена или вообще отсутствовать, БПЛА, оснащенные устройствами связи, могут выступать в качестве точек ретрансляции. 

На основе всего вышесказанного можно сделать вывод, что беспилотные летательные аппараты способны сильно помочь в борьбе с лесными пожарами и минимизировать количество жертв, поскольку позволяют контролировать ситуацию и быстро реагировать на угрозу, поэтому системы противопожарной борьбы с их применением будут крайне эффективны.

Создание системы мониторинга лесных пожаров

Созданная система мониторинга лесных пожаров основана на программе FlytNow. Это платформа автономного управления беспилотниками корпоративного уровня, которая предоставляет единую панель управления для управления парком дронов. Панель управления обеспечивает доступ к планированию миссий БПЛА, телеметрии в реальном времени и видеопотокам со всех подключенных дронов через сеть 4G/LTE/5G. Ниже приведена иллюстрация того, как работает решение (рис. 1).

Лесной пожар может гореть несколько дней, прежде чем его удастся взять под контроль, поэтому сотрудникам пожарной охраны становится важно оставаться в курсе ситуации и следить за ней.

‍ FlytNow предлагает программную платформу для автономного управления беспилотными летательными аппаратами, специально разработанную для задач по тушению пожаров, которая помогает создать локализованный командный центр для управления дронами, работающими над контролем очагов возгорания. Ниже приведены функции, которые позволят пожарным создать командный центр, и некоторые способы их использования:

• Доступ к программе можно получить через веб-браузер. Пожарный с ноутбуком может войти в панель управления FlytNow и увидеть состояние всех подключенных дронов. Подобно командному центру, он/она может управлять всеми беспилотниками с единой панели управления.
• FlytNow поставляется с расширенным планировщиком миссий, который позволяет настроить траекторию полета БПЛА. Используя планировщик миссий, пожарный может запрограммировать коптер на полет по определенному периметру и составить его карту, чтобы понять распространение огня.
• Программа позволяет транслировать живое видео и телеметрию со всех подключенных летательных аппаратов. Используя эту функцию, сотрудник пожарной охраны может видеть видеопотоки (со сверхнизкой задержкой) со всех подключенных дронов на приборной панели и даже делиться ими с различными агентствами по электронной почте или с помощью встроенной системы управления командой. 

С помощью данной программы можно организовать как общий мониторинг любой территории, так и поиск конкретных проблем. Все данные, собранные в различных режимах наблюдения, передаются в командный центр. Стоит отметить, что весь процесс патрулирования может осуществляться как полностью автономно, так и под непосредственным контролем человека.

Система включает в себя два типа БПЛА: гексакоптеры и самолеты, которые выполняют разные типы задач. Что касается бортовых датчиков, то БПЛА оснащены набором подсистем, описанным ниже:

• Оптические датчики
• Тепловизор
• Цифровые датчики температуры
• Бортовой встроенный блок управления
• Модуль связи

Были выбраны гексакоптеры Leica Aibot - многофункциональные аппараты, идеально подходящие для патрулирования территорий. Они могут поднимать в воздух 6 кг полезной нагрузки и летать с ней в течение 28 минут на высоте более 4 км. Этого более чем достаточно для патрулирования. Основные характеристики этих летательных аппаратов таковы:

• Взлетный вес: 15,1 кг
• Высота полета: до 4500 м
• Макс. скорость: 50 км/ч
• Скорость подъема: 28 км/ч
• Время полета: до 24 минут

В систему также входит самолёт-беспилотник SenseFly eBee Classic. Это полностью автономный и простой в использовании картографический дрон. EBee Classic - самый простой в использовании беспилотник из всех существующих: для взлета достаточно подбросить его в воздух, что позволяет использовать его на любой местности. Благодаря небольшому весу и размаху крыльев менее метра, этот дрон можно запускать даже с небольшой открытой площадки, что удобно при наблюдении за лесами. Он имеет следующие характеристики:

• Размах крыльев: 0,96 м
• Вес: около 0,69 кг
• Крейсерская скорость: 40-90 км/ч
• Максимальное время полета: 55 минут

В созданной противопожарной системе FlytNow интегрирована с наземным оборудованием и компьютерными диспетчерскими системами, такими как служба спасения. Работа системы выглядит следующим образом:

1. Патрулируемый лесной массив разбивается на квадраты, которые рассчитываются исходя из возможностей БПЛА. С помощью программы Microsoft Excel было рассчитано, что для наиболее эффективного патрулирования нашим гексакоптером сторона квадрата должна составлять 2,5 км.
2. Точки по периметру и внутри квадрата имеют оцифрованные географические координаты.
3. Исходя из географических координат и задач патрулирования, программируются различные маршруты для БПЛА.
4. Формируется база данных маршрутов для беспилотников.
5. Лесник выезжает на патрулирование, имея при себе несколько дронов. Он перемещается вдоль границ квадратов, запуская в любой из них беспилотник, предварительно выбрав для него маршрут. Для каждого коптера предусмотрено несколько аккумуляторов, что значительно увеличивает время патрулирования одного БПЛА.
6. Данные с камер беспилотника передаются диспетчеру в командный центр. Имеется возможность использовать функции искусственного интеллекта, такие как обнаружение объектов, для идентификации определенных наземных объектов, например горячей точки.
7. При обнаружении возгорания диспетчер сообщит в пожарную службу и сообщит о пожаре.
8. Дрон продолжает миссию до тех пор, пока его батарея не разрядится. Он возвращается на станцию ​​и приземляется для подзарядки, используя функцию точной посадки. В качестве станции зарядки может использоваться транспорт лесника.

Существует три типа маршрутов:

1. Облет по периметру. Дрон летает только по периметру квадратов.
2. Полное патрулирование. Аппарат облетает всю площадь квадрата.
3. Облет туда и обратно. Беспилотник летит на максимально допустимую дальность, совершает полет на 200 м в сторону и возвращается обратно.

Параметры маршрутов приведены в таблице (табл. 1). Здесь можно увидеть время, затраченное на каждый маршрут для гексакоптера и для самолета. Также рассчитана площадь, просматриваемая дронами при выполнении задания. Самолёт пролетает над большей площадью, но осматривает ее менее детально. Гексакоптер, напротив, наблюдает за территорией очень подробно.

Таблица 1. Маршруты для БПЛА

Заключение

На основе полученных данных о способах применения беспилотников при тушении лесных пожаров, нами была создана система противопожарной борьбы на базе БПЛА и детально описан принцип её работы. Подобраны наиболее подходящие по параметрам летательные аппараты и рассчитаны маршруты патрулирования для различных способов применения представленной системы. Так как созданная в ходе работы система довольно проста в применении, ее можно использовать как точечно, на отдельных участках леса, так и на всей лесной территории. Поскольку этот метод пожаротушения можно использовать уже сейчас, это хорошая возможность приблизиться к решению одной из самых важных проблем пожаротушения, по крайней мере, в отдельных регионах.

Об авторах

Никита Алексеевич Воронин

Автор, ответственный за переписку.
Email: voroninn2004@mail.ru
Россия

Светлана Альбертовна Авдейко

Email: asa210770@mail.ru

Список литературы

Дополнительные файлы