野外火灾对国土安全构成直接威胁,因为它们造成严重的个人、经济和社会压力。随着无人驾驶飞行器(UAV)蜂群的使用越来越普遍,它们很可能作为一线消防航空资产,提高空中灭火飞行的操作速度,从而提高消防员的安全。这篇论文探讨了使用无人机蜂群作为火灾扑救方法的概念,在一个现实的火灾场景中,将理论上的无人机蜂群与传统的航空资产进行比较,然后使用系统工程方法来定义在林野空间实施无人机蜂群的压力点。这项研究的结果支持无人机蜂群的继续发展,并明确界定了在实施大规模无人机蜂群飞行之前必须解决的领域。灭火无人机蜂群系统显示出巨大的前景,因为它具有相对的便携性,并且能够为无法随时获得传统灭火飞机的地区提供空中灭火选择。然而,在实施之前,解决无人机蜂群系统的后勤和通信限制,将是至关重要的。

执行摘要

野外火灾对美国国土安全构成了明显的威胁,因为它影响了自然资源,降低了以森林产品工业为生的人们的经济稳定性,造成了财产和房屋的损失,并可能造成生命损失。认真对待野地火灾的威胁,并寻求实施增加安全和保障的技术进步是至关重要的。荒地消防战术的下一个重大进展可能是使用成群的无人驾驶飞行器(UAVs)对荒地火灾进行火力攻击。

随着全球变暖和火季延长的趋势,促进荒地消防领域的创新至关重要,以确保消防部队的最大影响,同时提高消防员的安全。在一项回顾性研究中,巴特勒发现,从2000年到2013年,有78名野外消防员的死亡,即26.2%,与航空有关。国家机构间消防中心报告说,在过去10年中,"每年平均有62,693场野火,每年平均有750万英亩受到影响。"国家消防局估计,现在每年用于扑灭野火的费用为16亿美元。尽管有所有这些事实,这些年用于扑灭这些火灾的资源基本上保持不变。由于野外火灾的威胁使公民面临财产损失、高额的扑灭费用和潜在的生命损失,目前有必要探索基于无人机的火灾扑灭。无人机群可能比目前的航空资产更有效地执行空中灭火的关键任务。

无人机蜂群是在特定参数下部署的半自主的航空器群,以完成一项任务。这些飞机在发射和回收时得到人类控制器的协助,但随后被允许在特定参数下完成任务。无人机蜂群可以被证明是快速部署的空中资产,可以在地面部队到达之前找到并压制火势。利用无人机群进行灭火行动可以提高消防员和公众的安全,使火势保持小规模和可控,提供早期探测和扑灭野地火灾,并释放传统的航空资产以部署到关键的火场。

使用传统的固定翼和旋转翼飞机来扑灭火灾有其局限性,即飞机无法在浓烟条件下、天气事件和黑暗的夜晚飞行。在不受控制的环境中,在靠近活跃的野地火灾时驾驶飞机,不允许有任何误差,其结果可能是灾难性的。由于无人机和无人机群有能力在夜间和许多有机组人员的飞机无法做到的条件下飞行,因此利用无人机和无人机群可以实现更高的操作速度。致力于使用无人机群进行空中灭火可能会减少消防员因空中事故而死亡的人数,同时使火势更小、更容易控制。

这篇论文旨在回答这样一个问题:新兴的无人机群技术如何在野外环境中作为一种火灾攻击方法来实施。研究设计采用了一种三管齐下的方法。首先是概念验证法,通过参与先进机器人系统工程实验室(ARSENL)和海军研究生院的机器人和无人系统教育与研究集团的实际无人机群飞行任务来促进。在测试过程中,我们飞行了多种类型的无人机群,并将无人驾驶的地面车辆整合到群中。实际测试表明了在荒地部署无人机群的可行性,并强调了在全面部署前必须解决的问题。

第二种方法是对50架无人机群和传统的单引擎空中加油机(SEAT)进行比较分析,攻击理论上的火灾。该分析允许对无人机群和传统飞机在特定时间内攻击火灾进行比较。衡量标准包括投放的灭火剂数量和每种资产的预计运营成本。这些信息被用来完成无人机群和传统飞机之间的成本比较。最后,Innoslate 4(V 4.5.1.0)基于模型的系统工程软件和建模系统被用来模拟无人机群和空中加油机的飞行方案,使用准确的飞行、加油和重新装载周期时间。这些飞行方案允许(a)确定实施的压力点,(b)了解无人机群和SEAT飞机的限制和好处,以及(c)确定无人机群操作和确保成功任务所需的地面支持人员之间的关键关系。

作为这项研究的结果,我们相信无人机群可以对野外环境中的空中灭火做出重要贡献。无人机群因其相对的便携性和对防火区有限的进入障碍而显示出巨大的前景。虽然50架无人机群对每个森林保护区来说可能并不可行,但即使有几架灭火无人机,在地面部队可以攻击它们之前,也可以控制低至中强度的火灾。然而,在这之前,必须解决许多压力点,以全面实施基于无人机群的火灾扑救。其中一些问题包括制定和实施明确的无人机群飞行政策和程序,审查联邦航空管理局关于无人机群行动的现行规则,制定支持无人机群行动的后勤最佳做法,并确保积极的通信联系以保证对无人机群的完全控制。最后,如果美国接受了将无人机群用于野外消防和其他商业行动的概念,那么支持无人机和无人机群的基础设施以及专注于建造、编程和操作的无人机具体教育就至关重要。

在野外环境中使用无人机群的概念对于提高消防行动的安全性和生产力有明确的价值。虽然有一些障碍需要克服,但未来的野外消防工作将大量涉及无人机群。预计多个运营商将寻求进入无人机群建设和运营的最前沿,这既是一个商业机会,也是一个协助解决日益严重的野外火灾问题的机会。虽然无人机灭火不太可能很快取代传统的空中灭火,但使用无人机群作为另一种空中灭火工具的能力,特别是在传统飞机不飞行的夜间,应该为火灾管理人员提供另一种快速和更安全地缓解火灾的手段。

I. 引言

荒地消防战术的下一个重大进展可能是使用无人驾驶飞行器(UAVs)群,在荒地火灾失去控制之前对其进行火力攻击。蜂群是在特定参数下部署的无人机自主团队,以完成一项任务。无人机群被允许在任务参数范围内做出自主和合作的决定,同时由一个操作员进行监督控制。这种能力与目前的无人机操作形成对比,后者需要每架飞机都有一个飞行员。利用无人机群进行灭火行动有可能提高消防员和公众的安全,提供早期探测和扑灭野地火灾,并释放传统的航空资产以部署到关键的火灾。

A. 研究的动机

野地火灾对美国国土安全构成了明显的威胁,因为它影响了自然资源,降低了以森林产品工业为生的人们的经济稳定性,造成了财产和房屋的损失,并可能造成生命损失。大规模的野地火灾所代表的危险是如此严重,以至于火灾管理人员必须尝试使用所有可用的战术来抑制它们,包括直接和间接的火灾攻击方法。这些技术需要将消防员置于危险之中,以减缓或阻止火灾的发展。2010年至2019年期间,134名消防员在扑灭野地火灾时因公殉职。"国家机构间消防中心 "报告说,在过去10年中,"平均每年有62693场野火,平均每年有750万英亩受到影响。 "然而,这些年来,对抗这些火灾的资源可用性保持不变。随着全球变暖和火季延长的趋势,促进野地消防领域的创新至关重要,以确保消防部队的最大影响,同时提高消防员的安全。

1. 用蜂群技术增强消防战术

使用单个无人机来协助收集野地火灾的情报的概念是熟悉的领域。对于大多数大型野地火灾,单个无人机可用于观察火灾的位置和运动,或监测已逃离控制线的火灾。无人机产生的情报成为火灾预测和即将到来的行动期的行动规划的一个关键因素。然而,无人机还没有被部署用于直接灭火活动,也没有在野地火灾中部署无人机群。蜂群技术正处于起步阶段,需要更多的开发才能成为应用于灭火行动的可行选择。

术语 "无人机群 "是指由一个控制器操作的多个无人机。受控蜂群是为特定任务编程的无人机团队,由一个控制器操作。半自主的蜂群是一个由控制器协助发射和回收的无人机团队。半自主蜂群有特定的任务参数,据此它可以识别任务,决定哪些成员将完成任务,完成任务,并恢复到基站,同时在成员之间进行分工以确保成功完成。

由于必须在火场上放置大量的水或阻燃剂的灭火有效载荷,使用单个无人机进行直接灭火攻击的概念既没有被大力探索,也没有被研究。然而,随着无人机群技术的潜力,允许在站点上放置许多较小的有效载荷,以及携带多达100磅的重型无人机系统的进步,许多无人机群可能会有效地压制火灾。使用无人机群而不是传统的飞机,可能是野火扑灭的下一个巨大进步。执行这项工作的技术正在开发中,然而,目前它既不实用,也无法扩展。

2. 野地火灾越来越普遍,破坏性越来越大

野地火灾必须作为国土安全问题用广角镜头来看待。许多行动方案可以同时进行,以减少野地火灾的频率、严重程度和强度。有必要不把一个解决方案作为解决野地火灾问题的万能药,而是拥抱创新和技术,以应对减少这些破坏性火灾的挑战。

由于大火对经济、社会和情感的影响极大,野地火灾直接威胁到美国的国土安全。扑灭这些火灾的成本在货币支出和人力成本方面继续增加,包括消防员和死于野地火灾的市民的生命。国家消防局估计,现在每年用于扑灭野地火灾的费用为16亿美元。历史上,有一个指定的 "火灾季节";然而,损失巨大的野地火灾发生在一年中的所有月份,导致西部一些州放弃火灾季节的概念。

由于野地火灾继续给消防员和生活在城市-野地交界处的人们带来挑战,探索更有效和更具成本效益的方法来对抗这些破坏性的火灾变得至关重要。人们无法逃避的事实是,全球变暖正在改变森林的易燃性,使其更容易燃烧。这些煤渣干燥的条件造成了由于火势发展速度太快而导致多人丧生的情况。一个明显的例子是2018年加利福尼亚州的营地大火,85人丧生,18,804座建筑被烧毁,主要是在火灾发生的前五个小时。一个更近的例子是2021年12月30日科罗拉多州丹佛市外的马歇尔大火,在短短几个小时内,有两人丧生,991座建筑被烧毁。这场大火是由干燥的条件和超过每小时90英里的风助长的。加剧这些火灾的事实是,在人员、飞机和雇用额外援助的资金方面,打击这些火灾的资源有限。资源的稀缺已经成为一个重要的问题,特别是在火灾季节的中心地带,多个火灾正在燃烧并迅速扩大。在过去的几个火灾季节,有的时候根本没有足够的资源投入到消防工作中。当这种情况发生时,火灾管理人员必须做出艰难的决定,注销有时数千英亩的土地或数百个房屋。

3. 全球变暖和对荒地的威胁

以前被认为是史无前例的火灾和火灾行为,现在似乎已经成为每年夏天的常态。全球变暖极大地影响了荒地环境,创造了更热和更干燥的气候,使火灾持续增长。目前和遗留的关于在何处、如何以及何时灭火的政策增加了美国森林的燃料负荷。森林管理政策需要几十年才能赶上美国森林目前的燃料负荷。全球变暖和气候变化倡议可能需要几十年才能对森林产生积极的影响。根据保险信息协会的数据,2020年美国大约有1010万英亩的土地被烧毁,美国处于野火高风险或极端风险的房屋共有450万。

必须承认全球变暖和气候变化对野外环境的负面影响。全球变暖对森林最重要的影响是干旱和更高的日平均温度。这些较高的温度对植被有两个重大影响。第一是创造较低的长期燃料湿润度(从燃料中带走水分)。第二,在环境中造成蒸汽压力不足(带走空气中的水分),使植被更容易着火。11 燃料越干燥,受热时越容易着火。这两种气候变化影响共同作用,使燃料干燥,然后保持干燥。

全球变暖的第二个影响是气候变化促成的不稳定的天气模式,在雨季带来大量的雨水,在夏季带来更热和更干燥的条件。雨水在春季促进了轻型植被的生长,增加了总体燃料负荷。当更热、更干燥的夏季到来时,新生长的植被很容易干燥。这些植被现在已经 "固化",并准备好携带火种,特别是当暴露在风中时。如果该季节的植被没有燃烧,那么下一个火灾季节的燃料量就会增加。全球变暖影响的天气模式对野地火灾产生了指数级的影响,首先是增加了燃料负荷,然后是严重干燥的地区,使其更容易发生火灾。森林管理政策允许严重的灌木丛积累,在森林环境中创造了促进火灾更热、更快、更强烈的条件。

能否准确地界定什么是导致全球变暖和气候变化对野地火灾的具体影响,在未来几年将继续吸引公众的关注。全球变暖的影响每年都随着美国西部和全球其他地区的大型野火燃烧而显示出来。这些大火将要求消防管理人员接受有可能限制未来大火增长的技术和政策。莫里茨指出,国家对野火在全球变暖中的作用的理解正在改变。他说,在2003年至2007年期间,在大型野地火灾期间,通常问的问题是 "这里该怪谁?" 相反,现在问的问题是:"这些火灾是由于气候变化造成的吗?"也许认识到野火是全球变暖的一个极端结果将影响到对全球气候变化产生积极影响的政策。

4. 野地环境中航空资产的利用

随着野地火灾的威胁使公民面临潜在的生命损失,高额的货币成本,以及无人机研究的其他领域的新兴潜力,探索基于无人机的火灾扑灭,在这个时候是有必要的。了解飞机在扑灭野地火灾中的作用是至关重要的。使用消防直升机和固定翼飞机已经成为当前整体灭火计划的一个组成部分,特别是在大型快速移动的野地火灾中。一般来说,消防管理人员利用飞机的速度和能力,在火势扩大为重大火灾之前迅速扑灭。很少,如果有的话,飞机能够完全压制火灾。最终需要地面上的消防员来完全控制野地火灾。从本质上讲,飞机是用来 "争取时间",以便获得和部署其他消防力量。

然而,使用飞机是一种极其昂贵的救火方法。美国林务局(USFS)按类型和能力确定了飞机的合同费率。在2018年至2021年的合同期内,1型直升机(动力最强,能够投下最多的水)的合同费率在每飞行小时4000美元至8000美元之间,这取决于飞机类型。固定翼飞机投放缓释剂的成本可能在每飞行小时7100美元至13500美元之间,不包括缓释剂成本。美国联邦调查局在2018年 "约6.07亿美元的合同飞机,"包括旋翼和固定翼飞机。在预算紧张的时代,人们必须考虑使用飞机灭火的成本效益。如果使用无人机灭火可以证明成本较低,而且与传统航空资产一样有效,甚至比传统航空资产更有效,那么就应该深入探索无人机的使用。

使用固定翼和旋转翼飞机来扑灭火灾有其局限性,即飞机不能在浓烟条件下飞行,天气事件,夜晚的黑暗,飞行员飞行时间的限制,能够驾驶这些飞机的人有限且专业,以及在需要维修时无法进入飞机。在不受控制的环境中,在靠近活跃的野地火灾时驾驶飞机,不允许有任何误差,其结果可能是灾难性的。大量的消防员在从事灭火行动时因飞机事故而死亡。在一项回顾性研究中,巴特勒、奥康纳和林肯发现,从2000年到2013年,有78名野地消防员的死亡与航空有关,占26.2%。19在这种情况下,高度熟练的消防员和飞行员丧生,他们驾驶的机体通常被摧毁。虽然消防管理人员试图将消防员和机组人员的风险降至最低,但不幸的是,将男女人员置于危险境地以减缓或阻止野地火灾,仍然是一种有效的策略。

在未来几年,无人机和无人机群可能会取代载人航空资产进行火情识别和直接灭火。由于无人机和无人机群有能力在夜间和多种条件下飞行,而有机组人员的飞机却不能,因此利用无人机和无人机群可以实现更高的操作速度。此外,无人机理论上可以飞行整整24小时,只受制于所需的维护、飞行员的休息要求,以及严重到不允许飞行的火灾条件。致力于无人机和无人机群可能会减少消防员因空中事故而死亡的人数,并使火灾更小、更容易控制。

B. 研究问题

如何将新兴的无人机群技术作为野外环境中的一种火灾攻击方法来实施?

C. 方法和研究设计

本论文探讨了无人机群如何成为直接灭火行动的一种新方法,即抑制或延缓火势发展到初期阶段,使常规消防部队有时间在火势发展到重大荒地火灾之前到达、控制和压制火势。通过与先进机器人系统工程实验室(ARSENL)和海军研究生院的机器人和无人系统教育与研究小组一起参与实际的无人机群飞行任务,使用了概念验证方法。这些飞行为情景研究的有效性提供了依据,这些研究用于开发在荒地环境中实际应用的任务。实际测试告知了部署的可能性,并强调了全面部署前必须解决的问题。此外,我们分析了商业无人机群用户的当前利用模式,以确定他们的应用与他们可能融入荒地消防行动的关系。

为了说明无人机群直接攻击火灾的潜在价值,本论文利用俄勒冈州西部的蒂拉穆克州森林的一场理论火灾。使用50架无人机群和一架单引擎固定翼空中加油机对火灾进行 "攻击"。单引擎空中加油机(SEAT)是传统上用来攻击火灾的常规飞机。对无人机群和传统的SEAT飞机攻击这场火灾进行了比较分析。符合国防部建筑框架的系统工程建模软件Innoslate 4(V 4.5.1.0)被用来模拟无人机群和空中加油机的飞行方案,使用准确的飞行、加油和重新装载周期时间。为了进行比较,飞行受制于SEAT的一个正常燃料循环。通过对两种资源所提供的总的消防产品和每加仑的比较成本,对火灾攻击方法进行了比较。这些信息导致了关于使用无人机群作为消防资产的可行性的结论,这些无人机群可以代替传统的空中消防设备,也可以作为辅助设备。最后,对目前的空中野地灭火方法进行了定量分析,明确地侧重于使用常规固定翼飞机与蜂群技术对付理论火灾的成本。通过比较分析和实际测试,建立了一个理论部署模型,解决了利益相关者的担忧和作为商业运作的无人机群行动的潜力。

D. 研究目标

  • 检验利用无人机群进行野外灭火的可行性。

  • 确定如何将无人机群应用于荒地消防工作。

  • 识别目前特定于军事的无人机群应用,这些应用可以适用于荒地消防。

E. 章节概述

这篇论文在很大程度上受到了城市-荒地交界处的消防员个人经验的影响。第一章讨论了这项研究的动机和它的关键性。野地消防是一个高度专业化的领域,带来了自己的语言和行话,所以第二章定义了关于野地消防的背景信息,并介绍了与理解本论文有关的术语。第三章涉及与论文主题和研究问题相关的学术文献。在第四章中,对比较分析的方法进行了描述和解释。由于对蜂群技术的研究有限,第四章划定了分析中的假设和限制。它还主要依靠Innoslate 4系统工程软件来图解灭火的过程。本章最后介绍了我们的实验和建模的结果。第五章讨论了传统的固定翼空中加油机和50架无人机组成的蜂群飞行之间的比较分析结果。从这个比较分析中,设计出了对未来无人机群实施的建议。第六章回顾了这些结论,并建议进行后续研究,以进一步发展无人机群在野外环境中的使用课题。该研究应加强使用无人机群进行直接火力攻击的可行性。虽然这项技术和研究的实际应用可能要在未来几年才能实现,但这些发现应该为未来的研究人员提供一个起点。

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