多旋翼無人機在水利行業中的應用

王春雨，鐘嘉奇，王博超，王昱文

(1.黑龍江省水利學校，黑龍江 大慶 163000；2.黑龍江省大慶地區防洪工程管理處，黑龍江 大慶 163000)

中國發生的自然災害類型多、發生頻率高，尤其受全球氣候變化影響，極端天氣加劇水災害的發生，嚴重影響國計民生，致使國家財富和人民生命財產受到嚴重損失。目前中國在旱澇災害防治與監測、水資源合理分配與保護方面，借助無人機低空平臺，利用航空技術、網絡信息技術、通信技術和3S(遙感、地理信息系統、全球定位系統)技術優勢，在水災害防治、水資源監測、水污染突發事件應急處置等多方面開展探索性工作。

1 旋翼無人機概述

無人駕駛航空器，又稱無人駕駛飛機(以下簡稱無人機)，英文縮寫"UAV"。廣義上是指不需要駕駛員登機駕駛的各式遙控或自主智能航空器，利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全地或間歇地自主地操作。

1.1 多旋翼無人機分類

從技術角度無人機可以分為固定翼無人機、旋翼無人機兩類，其中旋翼無人機又可分為單軸的直升無人機和多旋翼無人機。多旋翼無人機作為旋翼無人機的一種，因起降場地的限制低、操控相對簡單，已經廣泛應用到經濟建設的各個領域。根據多旋翼無人機動力軸的數量，多旋翼無人機分為3個軸、4個軸、6個軸、8個軸，甚至18個軸；根據多旋翼無人機動力軸的布局形態，又可以劃分為4軸X型，4軸十字型等。

1.2 旋翼無人機組成

多旋翼無人機系統主要包括飛機機體、電機、ESC電調、螺旋槳、飛行控制系統、遙控裝置、數據鏈系統、GPS模塊、電源系統等。飛控，也稱為飛行管理和控制系統，相當于無人機系統的"CPU"部分。它對無人機的穩定性，數據傳輸的可靠性，準確性和實時性能有重要影響，對其飛行性能起決定性的作用；數據鏈路系統確保遠程命令的準確傳輸以及無人機接收和發送的信息的實時性和可靠性。確保及時有效的信息反饋，并順利，準確地完成任務。發射回收系統確保無人機順利起飛達到安全的高度和飛行速度，并在任務完成后安全地返回地面。

1.3 多旋翼無人機特點

1)在操作方面，多旋翼的操控是最容易控制。多旋翼可以隨時垂直起降，也可以人工手持起降，并且可以在起飛后可在空中懸停。其控制原理簡單，操控器的4個遙感操作對應于飛行器的前，后，左，右，上下和偏航方向的運動。在自動駕駛儀方面，GPS模塊的干預使得多旋翼自駕儀控制方法簡單，并且控制器參數調整也非常簡單。

2)在可靠性和安全性方面，多旋翼也是最出色的。如果只考慮機器的可靠性和安全性，多旋翼沒有活動部件，其可靠性主要取決于無刷電機的可靠性，因此可靠性高。相比之下，固定翼和直升機具有活動的連接部件，在飛行期間會有磨損導致可靠性降低。此外，多旋翼可以在固定點懸停，方便控制飛行范圍，相對比較來說多旋翼相對更安全。

3)在可維護性方面，多旋翼是最易維護的。因其結構簡單，模塊化設計。如果機架、電機、ESC、電池和撥片損壞，更換操作簡便易行。相比之下，固定翼和直升機結構復雜、零部件較多，并且安裝復雜，需要技巧，難度較大。

4)在可持續飛行方面，多旋翼始終具有優勢。隨著石墨烯電池的技術革命，電池的連續性得到了極大的提高，機身材料的輕量化和機載設備的小型化，也進一步凸顯多旋翼的優勢。因此，在各個領域，優良的"剛性"需求最終導致人們選擇了多旋翼無人機。

2 無人機實踐應用與展望

無人機按照應用領域可分為軍用無人機、民用無人機，其中民用無人機與行業應用的結合，是無人機應用的剛性需求和未來發展方向，廣泛應用在公安執法、農業植保、測繪航拍、快遞運輸、災難救援、電力巡檢、油田巡查、影視拍攝等領域。無人機系統在水利主要用于快速反應、蓄滯洪區預警、防汛指揮調度、實時數據采集、河(湖)長制信息化管理等方面。

2.1 應急快速反應

2018年8月，黑龍江省大慶地區防洪工程管理處所轄河道肇蘭新河青肯泡段遭遇上游強降雨所帶來的蓄滯洪區，河道水位迅速上漲，部分地區堤防和河道出現險情。在此次應急搶險中，管理處的無人機組接到指令快速反應，第一時間進入出險空域，空中觀察河道和堤防工程，飛入人車無法進入區域，觀測險情水情，巡查現場，查找來水方向，對比歷史數據，并將現場圖像數據傳輸給指揮人員，為防汛指揮決策提供準確依據。無人機在防洪搶險中快速反應的實踐證明，多旋翼無人機具有的體積小、重量輕、操作簡單、超視距飛行等特點，在災害和事故現場偵測方面具有廣泛的應用前景。多旋翼無人機洪澇災害處置和防汛抗旱應急，見圖1。

圖1 多旋翼無人機洪澇災害處置和防汛抗旱應急

2.2 蓄滯洪區預警

通過無人機機載設備獲取遙感航拍圖像和數據，可以構建三維模型已成為能夠協助水管部門進行直觀分析和決策指揮。在汛情旱情監測、水域規劃、水利工程三維仿真系統中起到巨大的作用。無人機還可以完成實時水文監測，河道比較，水庫水位監測，洪水區域檢查，淹沒區域和水毀橋梁統計。肇蘭新河青肯泡段水災前后通過航拍圖可以對比效果。2018年8月肇蘭新河青肯泡段航拍圖，見圖2；2018年5月GoogleEarth對比圖，見3。

圖2 2018年8月肇蘭新河青肯泡段航拍圖

圖3 2018年5月GoogleEarth對比圖

2.3 防汛指揮調度

在水情災情發生之后，決策部門必須對災情現場的實時發展狀況進行及時掌握。首先無人機升空，對空域進行前期摸底了解。布置飛行任務，確定重點拍攝對象，確定飛行范圍，確定飛行航線。然后執行飛行任務，拍攝實時全景動態影像，運用遠程數據傳輸與通信系統將數據傳回后方指揮部，讓決策者直觀看到災區宏觀圖像，適時展現災情變化、洪水淹沒程度，使指揮決策更加高效、專業、準確。還可以將應急指揮車的移動會議系統和后方進行視頻會商，確定救災方案，使得防汛調度指揮決策專業化、高效化。

2.4 實時數據采集

利用無人機技術對其管轄范圍內的水域進行動態監測，記錄管轄范圍內水域的實時變化，并通過水域基本數據建立水域統計和水域調查。逐步實現水域管理信息化，滿足社會經濟發展和水域管理的需要。利用監測結果，建立流域變化，非法占用水資源數據庫，為水資源管理提供依據。第一時間，掌握水資源調查信息，掌握地面水資源利用信息和水資源調查結果。地面站可以基于實時空中監測數據清楚地分析水文數據的實時動態。

2.5 河(湖)長制信息化管理

在各級河長常態化巡河中，引入無人機遙感技術，能夠自動化、智能化和快速獲取國土、資源及環境等空間遙感信息，同時具有高分辨率圖像實時傳輸，高風險區域檢測，低成本和靈活性等優點。能夠將河道高清影像適時導入河長制管理信息平臺，對河湖岸線情況、違法占地、非法排口、治理效果等實現"精準"監測和記錄，有效提升巡河效率，助力河道基礎數據、工程建設情況、岸線管護成效數字化管理，推動和提升河長制下的河道治理等多方面的綜合管理。

3 無人機系統在水利行業應用展望

由于無人機具有機動靈活的起降方式、低空巡航和自主飛行模式、多類型數據快速獲取能力，在水利行業具有巨大的應用潛力和前景，無人機系統能夠實現水情監測、河道走向、水庫監測、洪災區域檢查等，還能查看水毀橋梁、淹沒區域等監測和管控功能。

3.1 水利行業無人機應用機載平臺選擇

無人駕駛航空器系統不同于一般的民用產品，對安全性要求很高。特別是行業應用的專業級無人機，在選擇無人機時，要結合"有效性、安全性、可靠性、環境適應性、操控性和攜勤性"等性能，慎重選擇無人機。可靠性就是使用壽命和綜合故障率；環境適應性就更復雜了，包括高空抗風能力和高原高海拔雨、雪、霧等惡劣天氣環境的適應性；操控性，就是操作不能太復雜，人機功效要好，要簡明易懂；攜勤性就是從運輸、展開到空中執行任務，時間要快，便于迅速展開、快速開展工作，同時維修保養簡單易學好操作。

3.2 水利行業無人機應用人才培養

隨著無人機技術在農業、測繪、能源、環保、安防、工程管理方面發展,到2020年產值將達到600億元，2025年民用無人機產值將達到1800億元。2017年工信部發布的《關于促進和規范民用無人機制造業發展的指導意見》，明確支持普通高校和職業院校設立無人機相關專業，建立多層次、多類型的無人機人才培養和服務體系。2018年，黑龍江省水利學校設立了無人機專業，通過沈陽中測無人機科技有限公司、鷹眼電子科技有限公司的校企業合作，探索無人機職業教育所需要的應用方向、教材體系、知識結構、教師教練，建立全省水利系統無人機專業人才培訓體系，從中等專業學歷教育、駕駛技能和應用技能培訓、AOPA無人機駕駛資格認證等方面，創新水利無人機應用，滿足全行業對無人機人才的需求。

3.3 依法開展水利行業無人機應用

在大力發展無人機應用的同時，安全與秩序同時擺在從業者的面前。現有國家航空管理方面的法規有《中華人民共和國民用航空法》、《中華人民共和國飛行基本規則》、《通用航空飛行管理條例》；部門規章涉及到無人機管理的有《民用無人機駕駛航空器系統》、《空中交通管理辦法》、《民用無人機駕駛航空器系統駕駛員管理暫行規定》、《民用無人機駕駛航空器實名制登記管理規定》、《民用無人駕駛航空器從事經營性飛行活動管理辦法(征求意見稿)》。2018年2月，國家空管委組織制定的《無人駕駛航空器飛行管理規定》(征求意見稿)，已經修改為《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例》。盡管當前國家還沒出臺涉及無人機管理的法律和法規，各部門的規章制度也滯后于產業的發展。但是，水利系統開發應用無人機之初就要從頂層開始設計，在跟蹤無人機產業技術和應用發展的同時，遵照國家現有法律法規，研究制定適合水利行業特點的無人機應用和監管標準規范，確保全省有序、安全、高效發展水利無人機系統的應用。

4 結 語

隨著中國水利現代化建設的不斷發展和進步，水利信息化水平不斷提高，行業對地理信息的準確性、時效性要求也越來越高。通過無人機機載設備獲取遙感航空影像，并且利用真實的影像來構建三維模型和系統，開展機載、多源水利信息快速獲取、處理和融合技術研究，無人機系統的空中優勢融入水利信息化建設綜合體系，將大大提高雨情、水情、干旱、災害信息采集的準確性和傳輸的時效性。