面向地震應(yīng)急響應(yīng)的多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于重大地質(zhì)災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)領(lǐng)域，特別涉及到移動(dòng)通訊、基于位置的服務(wù)、地理信息系統(tǒng)以及多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃等方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，災(zāi)害種類多，發(fā)生頻率高，分布地域廣，造成的損失大，特別是近年來(lái)特大地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率以及造成的損失明顯呈上升趨勢(shì)。例如2008年的汶川地震、四川攀枝花-會(huì)理地震，2010年的玉樹(shù)地震和舟曲泥石流，以及2013年發(fā)生的雅安地震等。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有不可預(yù)料性，不僅破壞力大，而且造成了重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，已經(jīng)成為影響我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安定的重要因素之一。地震災(zāi)害發(fā)生后，積極做好災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)與救援工作是減少地震災(zāi)害破壞程度的有效方法。其中，及時(shí)準(zhǔn)確的災(zāi)情信息對(duì)于制定救災(zāi)策略與方案，提高救援效率和質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。震后重點(diǎn)受災(zāi)區(qū)域的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)不僅可以直觀地反映災(zāi)害的影響范圍、程度和分布情況等，還能夠?yàn)閲?guó)家救災(zāi)部門提供快速、準(zhǔn)確的災(zāi)情數(shù)據(jù)，有效指導(dǎo)救援工作的開(kāi)展。
[0003]通常遙感數(shù)據(jù)獲取方法主要有衛(wèi)星遙感、載人航空遙感和無(wú)人機(jī)遙感等方式。由于衛(wèi)星遙感和載人航空遙感在獲取震后信息時(shí)受時(shí)空分辨率、外界環(huán)境和使用成本的影響，其在地震應(yīng)急救援過(guò)程中的作用受到一定限制，而無(wú)人機(jī)遙感具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活、成本低、影像分辨率高等諸多特點(diǎn)，且能夠在高危地區(qū)作業(yè)，適合于地震災(zāi)害的應(yīng)急響應(yīng)與救援工作。例如2013年4月20日的雅安地震發(fā)生以后，國(guó)家測(cè)繪地理信息局緊急派出的無(wú)人機(jī)于當(dāng)天下午五時(shí)左右，成功獲取了蘆山縣核心災(zāi)區(qū)太平鎮(zhèn)的首批高分辨率的航空影像，快速準(zhǔn)確的獲取了包括房屋的受損程度和道路的通暢狀況等重要的災(zāi)情信息，為救援工作的指揮和決策者提供了珍貴的現(xiàn)勢(shì)信息，可以看出無(wú)人機(jī)遙感在重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)與求援工作中發(fā)揮了重要作用。
[0004]雖然無(wú)人機(jī)遙感是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種遙感技術(shù)，它是以無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，采用影像傳感器獲取高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)的航空遙感影像獲取方法(臧克等，2010)，并廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、評(píng)估和救援等領(lǐng)域。例如1996年10月以色列飛機(jī)工業(yè)公司利用無(wú)人機(jī)遙感實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)的全天候持續(xù)監(jiān)測(cè)，有效控制了火災(zāi)；2005年美國(guó)Nicolas Lewyckyj等人利用無(wú)人機(jī)遙感對(duì)北卡羅萊納州進(jìn)行了災(zāi)后調(diào)查，準(zhǔn)確評(píng)估了廠房和村莊的損失，為災(zāi)害的救援工作提供了及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)(Biesemans等，2005 ;高勁松等，2008;高嬌嬌，2010) ;2004年7月，馬輪基等對(duì)桂平市蒙圩鎮(zhèn)洪澇區(qū)開(kāi)展了無(wú)人機(jī)遙感調(diào)查，得到了洪澇區(qū)、退水區(qū)、非洪澇區(qū)的遙感影像，是我國(guó)無(wú)人機(jī)遙感首次在洪澇災(zāi)害中的應(yīng)用(馬輪基等，2005) ;2008汶川大地震，由民政部國(guó)家減災(zāi)中心組織的無(wú)人機(jī)小組深入到北川縣城進(jìn)行航拍，并通過(guò)衛(wèi)星傳輸網(wǎng)絡(luò)將航拍數(shù)據(jù)傳回國(guó)家減災(zāi)中心，為救災(zāi)方案的制定提供依據(jù)，有效指導(dǎo)了救援工作的展開(kāi)(曾濤等，2009 ;雷添杰等，2011)。
[0005]然而，目前國(guó)內(nèi)面向重大地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)的無(wú)人機(jī)調(diào)度流程主要通過(guò)傳統(tǒng)的電話、傳真等方式聯(lián)系，過(guò)程繁瑣、費(fèi)時(shí)，效率較低，而且無(wú)法準(zhǔn)確、快速生成多無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)規(guī)劃方案，致使各無(wú)人機(jī)編隊(duì)進(jìn)入災(zāi)區(qū)后分工不明確，在實(shí)際地震救援工作中暴露了很多問(wèn)題。例如，在雅安地震的震后航拍任務(wù)中，有些受災(zāi)地區(qū)被多個(gè)無(wú)人機(jī)編隊(duì)多次重復(fù)航拍，不僅嚴(yán)重影響了求援飛機(jī)運(yùn)送傷員和物資的正常工作，而且浪費(fèi)了寶貴的無(wú)人機(jī)資源；有些重災(zāi)區(qū)卻遲遲沒(méi)有獲取航拍數(shù)據(jù)，無(wú)法準(zhǔn)確做出災(zāi)后評(píng)估，延誤了救援工作的開(kāi)展，無(wú)形中增加了受災(zāi)群眾的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有方法存在的不足，為滿足地震災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)與求援的需要，提供一種多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃的新方法，
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是，
[0008]一種面向地震應(yīng)急響應(yīng)的多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1:根據(jù)震源坐標(biāo)、深度、震級(jí)、烈度參數(shù)，生成地震災(zāi)區(qū)范圍，并結(jié)合居民地、道路、水系和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，生成災(zāi)區(qū)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，即任務(wù)區(qū)；
[0010]步驟2:利用路徑分析方法，計(jì)算可供調(diào)遣的各無(wú)人機(jī)單位到達(dá)災(zāi)區(qū)時(shí)間，根據(jù)計(jì)算得到的時(shí)間選取前往災(zāi)區(qū)的無(wú)人機(jī)單位，即得到無(wú)人機(jī)單位調(diào)度方案；
[0011]步驟3:無(wú)人機(jī)單位根據(jù)無(wú)人機(jī)單位調(diào)度方案向?yàn)?zāi)區(qū)派遣無(wú)人機(jī)編隊(duì)，然后根據(jù)所要派遣的無(wú)人機(jī)編隊(duì)位置與狀態(tài)，生成無(wú)人機(jī)編隊(duì)前往災(zāi)區(qū)的交通方案；
[0012]步驟4:無(wú)人機(jī)編隊(duì)按照交通方案前往災(zāi)區(qū)，然后根據(jù)所有派遣的無(wú)人機(jī)編隊(duì)的移動(dòng)情況，生成多無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)規(guī)劃方案，并根據(jù)無(wú)人機(jī)編隊(duì)實(shí)時(shí)的作業(yè)和交通狀態(tài)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃作業(yè)方案；
[0013]所述的地震災(zāi)區(qū)范圍是指利用地震烈度橢圓經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的地震烈度達(dá)到指定等級(jí)的橢圓區(qū)域；
[0014]所述的任務(wù)區(qū)域是災(zāi)區(qū)內(nèi)部需監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域，包括居民居住聚集區(qū)域、陡峭路段和水系區(qū)域；
[0015]所述的路徑分析方法采用最短路徑分析方法，通過(guò)最短路徑分析方法計(jì)算給定無(wú)人機(jī)編隊(duì)當(dāng)前位置到災(zāi)區(qū)、任務(wù)區(qū)的最佳路徑及其最小通行時(shí)間；
[0016]所述的無(wú)人機(jī)編隊(duì)是指擁有無(wú)人機(jī)的單位下屬的最小作業(yè)單元，包括操作人員、無(wú)人機(jī)和數(shù)據(jù)采集部件；
[0017]所述的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)即DEM，是利用柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)地表高程的數(shù)據(jù)模型。
[0018]所述的一種面向地震應(yīng)急響應(yīng)的多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法，步驟I所述的生成任務(wù)區(qū)包括以下步驟:
[0019]I)根據(jù)設(shè)定的行、列數(shù)，將災(zāi)區(qū)范圍劃分成若干個(gè)正交矩形單元格；
[0020]2)計(jì)算每個(gè)單元格包含或相交的居民地多邊形要素，進(jìn)而計(jì)算各單元格居民地密度，依次將該單元格上下左右4方向相互鄰近且密度大于指定閾值的單元格所包含或相交的居民地多邊形要素聚為一個(gè)任務(wù)區(qū)域；進(jìn)而采用約束Delaunay三角網(wǎng)法計(jì)算同一任務(wù)區(qū)域居民地要素聚合邊界，即得到居民地任務(wù)區(qū)；
[0021]3)利用DEM數(shù)據(jù)生成災(zāi)區(qū)坡度圖，然后根據(jù)坡度大小對(duì)坡度圖進(jìn)行重分類，從中選取超出指定坡度值的區(qū)域；最后計(jì)算這些區(qū)域中的道路、水系范圍，生成道路、水系的坡度任務(wù)區(qū)；
[0022]所述的居民地要素是指在地圖上使用多邊形方式表達(dá)的房屋等人工建筑實(shí)體。
[0023]所述的約束Delaunay三角網(wǎng)是指同一任務(wù)區(qū)域中所有居民地多邊形頂點(diǎn)構(gòu)造的且不與居民地多邊形相交的Delaunay三角網(wǎng)；
[0024]所述的聚合邊界是利用約束Delaunay三角網(wǎng)中包含同一任務(wù)區(qū)域所有居民地多邊形的最外側(cè)三角形邊線所圍成的多邊形；
[0025]所述的重分類是在地理信息統(tǒng)中利用給定的屬性和分類區(qū)間值域，從而將空間或空間實(shí)體劃分為多個(gè)部分的一種方法。
[0026]所述的任務(wù)區(qū)包括步驟2)和3)中生成的居民地任務(wù)區(qū)和坡度任務(wù)區(qū)。
[0027]所述的一種面向地震應(yīng)急響應(yīng)的多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法，步驟2所述確定無(wú)人機(jī)單位調(diào)度方案，包括以下處理步驟:
[0028]I)結(jié)合全國(guó)路網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用路徑分析方法計(jì)算無(wú)人機(jī)單位所在地到災(zāi)區(qū)的交通時(shí)間，并生成交通時(shí)間報(bào)表；
[0029]2)選擇交通時(shí)間滿足應(yīng)急響應(yīng)要求的無(wú)人機(jī)單位并確定無(wú)人機(jī)單位調(diào)度方案，并生成無(wú)人機(jī)單位訂單報(bào)表。
[0030]所述的路網(wǎng)數(shù)據(jù)是指將全國(guó)道路數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)加工、拓?fù)涮幚砗蟮牡缆肪W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。
[0031]所述的一種面向地震應(yīng)急響應(yīng)的多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法，步驟3所述的跟蹤無(wú)人機(jī)編隊(duì)并生成交通方案報(bào)表，包括以下處理過(guò)程:
[0032]I)無(wú)人機(jī)編隊(duì)內(nèi)的無(wú)人機(jī)上傳編隊(duì)實(shí)時(shí)信息，實(shí)時(shí)信息包括實(shí)時(shí)位置、設(shè)備狀態(tài)、工作狀態(tài)以及突發(fā)事件；
[0033]2)根據(jù)實(shí)時(shí)信息，重新計(jì)算各無(wú)人機(jī)編隊(duì)到達(dá)災(zāi)區(qū)的交通時(shí)間，并生成交通方案
[0034]步驟I)中所述的突發(fā)事件包括交通中斷和無(wú)人機(jī)損毀。
[0035]步驟2)中所述的重新計(jì)算各無(wú)人機(jī)編隊(duì)到達(dá)災(zāi)區(qū)的交通時(shí)間是根據(jù)無(wú)人機(jī)編隊(duì)實(shí)時(shí)信息中的交通中斷信息進(jìn)行計(jì)算。
[0036]所述的一種面向地震應(yīng)急響應(yīng)的多無(wú)人機(jī)調(diào)度與任務(wù)規(guī)劃方法，步驟4所述的多無(wú)人機(jī)編隊(duì)任務(wù)規(guī)劃方案，包括以下處理過(guò)程:
[0037]I)利用路徑分析工具，以當(dāng)前各無(wú)人機(jī)編隊(duì)所在位置為起始結(jié)點(diǎn)，以無(wú)人機(jī)編隊(duì)到達(dá)最近任務(wù)區(qū)以及任務(wù)