Файл: Система мониторинга пожарной и медико экологической безопасности с использованием анализа видеоданных с беспилотных летательных аппаратов.pdf

79 административно-территориальных единицах, а также функции системы управления, осуществляющей посредством ЛПР и обратных связей, реализованных через подсистемы воздушного и наземного наблюдения, управление пожарной и медико-экологической безопасностью объекта мониторинга.
3
.2 Анализ подсистем автоматизированной системы мониторинга
пожарной и медико-экологической безопасности
3
.2.1 Разработка метода оптимизации функционирования модуля
воздушного наблюдения
Особенностью представленной на рисунке 3.2 структуры является то, что в состав ее подсистемы анализа и классификации данных введены модули анализа и классификации видеоданных, поступающие с БПЛА, в состав подсистемы прогнозирования введены модули оценки риска здоровья людей, находящихся в зоне мониторинга, а в состав подсистемы управления введен модуль планирования и управления полетами.
Основным источником информации в АСМПМЭБ является модуль воздушного наблюдения. При его использовании необходимо оптимизировать величину площади, перекрываемой видеокамерой БПЛА, и максимальное время нахождения БПЛА в полете. Задача определения оптимальной траектории облета заданной территории наблюдения состоит в следующем.
Имеются исходные данные:

Характеристики БПЛА;

Объект наблюдения, заданный географическими координатами опорных точек.

80
При построении оптимальной траектории БПЛА, которая определяется совокупностью координат точек, над которыми он пролетает, необходимо учитывать, что существуют три типа объектов мониторинга: точечные; линейные и площадные. Будем рассматривать только площадные объекты мониторинга, которые могут представляться выпуклыми или не выпуклыми многоугольниками.
Невыпуклые многоугольники при необходимости могут быть представлены выпуклыми, а выпуклые многоугольники могут быть представлены суперпозицией параллелограммов и треугольников. Площадь АТЕ всегда можно представить в виде этих геометрических фигур. Поэтому решаем задачу построения траектории облета конкретного объекта или АТЕ для этих геометрических фигур.
Сформируем требования для траектории БПЛА при облете площади наблюдаемого объекта:
1)
для удобства ориентации оператора БПЛА траектория должна быть простой;
2)
для возможности распространения алгоритма мониторинга некоторой единичной площади на площади произвольной формы траектория облета АТЕ должна быть цикличной;
3)
БПЛА должен прилететь в ту же точку, из которой он вылетел.
Представим площадь покрытия площади АТЕ в виде полосы, средняя линия которой является траекторией проекции оптической оси камеры БПЛА, снимающей в надир. В этом случае траектория БПЛА, представленная на рисунке
3.3, удовлетворяет всем пунктам требований для траектории БПЛА, изложенным выше.
Для построения оптимальной траектории облета площади АТЕ необходимо выполнить следующие требования:
1)
минимизировать длину траектории;
2)
минимизировать число разворотов над поверхностью АТЕ;
3)
максимизировать количество прямых участков траектории.

81
Рисунок 3.3 – Базовая траектория облета АТЕ беспилотным летательным аппаратом
Для объекта мониторинга в виде площади АТЕ, которая аппроксимируется параллелограммами и треугольниками, минимальное число разворотов, а также минимальная длина траектории будет достигаться тогда, когда участки галсов будут параллельны прямой между двумя наиболее удаленными вершинами многоугольника [45].
При планировании траектории полета БПЛА в зоне мониторинга АТЕ необходимо оптимизировать соотношения между ресурсом выбранного БПЛА, временем одного цикла облета площади АТЕ и оперативностью сбора данных по пожарной обстановке в зоне мониторинга. При решении этой задачи оптимизации также необходимо выбрать оптимальное число БПЛА над зоной мониторинга.
Это достаточно сложная многокритериальная задача. Поэтому ее решение разделим на два этапа, которые включим в итерационный процесс. На первом этапе будем оптимизировать квант площади, доступный для мониторинга одному
БПЛА. На втором этапе оптимизируется соотношение между временем

82 мониторинга и числом БПЛА, одновременно участвующих в мониторинге одной
АТЕ.
При выборе этой формы траектории руководствовались тем, что эффективная апертура видеокамеры БПЛА a должна покрыть всю площадь АТЕ за время полета БПЛА от точки старта к точке финиша, с учетом того, что они фактически совпадают. Под апертурой видеокамеры БПЛА понимаем активную апертуру, которая равна апертуре видеокамеры b
*
умноженной на коэффициент перекрытия k:





 


2 1
*
k
b
b
(3.1)
На рисунке 3.4 представлена иллюстрация, поясняющая процесс вычисления активной апертуры.
Рисунок 3.4 – Иллюстрация вычисления активной апертуры

83
При подготовке параллельного маршрута необходимо учитывать максимальную ширину поля зрения фотокамеры БПЛА на заданной высоте его полета [47]. Маршрут прокладывается так, чтобы края поля зрения камеры перекрывали соседние поля примерно на k = 15% …20%. Если известна высота полета БПЛА h и угол зрения фотокамеры

2

х
, то ширина поля зрения камеры на этой высоте согласно рисунку 3.4 определяется как

tg
h
b


 2
(3.2)
Ширина зоны перекрытия изображения соседнего поля будет равна:
k
b
d


100
(3.3)
Схема алгоритма реализации первого этапа оптимизации представлена на рисунке 3.5. В блоке 1 вводятся параметры БПЛА, определяющие его ресурсные характеристики: максимальное полетное время T и средняя скорость V. Кроме этих двух величин необходимо ввести высоту полета h. Имея эти параметры полета, в блоке 2 вычисляем максимальное доступное расстояние для БПЛА, а в блоке 3 апертуру мониторинга (формулы (3.2) и (3.3)). В блоке 4 вводятся параметры АТЕ, которые целесообразно аппроксимировать описанным параллелограммом или прямоугольником. В блоке 5 определяется необходимый ресурс БПЛА по длительности полета, необходимый для осуществления мониторинга АТЕ. Далее сравнивается необходимый ресурс БПЛА и фактический ресурс БПЛА (блок 6). Если ресурс БПЛА достаточен, в блоке 9 планируется траектория полета и осуществляется ее вывод в блоке 10. В противном случае осуществляется декомпозиция площади АТЕ (блок 7). Декомпозиция осуществляется посредством итерационного процесса, на каждой итерации которого расстояние облета БПЛА уменьшается в два раза.

84
Начало
T, V, R
Вычисление 2L
b
A, B
Декомпозиция площади АТЕ
Планирование мониторинга БПЛА
Вывод оптимального маршрута БПЛА
Конец
Ресурсы БПЛА
Определяем доступное для
БПЛА расстояние L=V*T
Вычисление апертуры видеокамеры БПЛА
Вводим размеры АТЕ
Определяем необходимый ресурс БПЛА
да нет
Рисунок 3.5 – Схема алгоритма первого этапа оптимизации
Итерационный процесс уменьшения доступного расстояния при каждой итерации иллюстрирует рисунок 3.6.
????
∗
=
???? − ????
2???? + ????
????
∗
< ????
????
∗
= ????
∗
/2 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10

85 4
1 2
3 5
6 7
Рисунок 3.6 – Итерационный процесс уменьшения расстояния
Если разделить прямоугольную область АТЕ на две части диагональю прямоугольника, то расстояние облета в каждом треугольнике будет приблизительно в два раза меньше, чем в прямоугольнике. Если ресурса БПЛА недостаточно и в этом случае, то процесс декомпозиции продолжается и очередной треугольник делится еще на два треугольника.
На рисунке 3.6 стороны каждого треугольника выделены уникальным цветом. Если сторона треугольника принадлежит разным треугольникам, то она изображается двумя параллельными отрезками, цвета которых соответствуют треугольникам, которым отрезки принадлежат.
Процесс декомпозиции будет продолжаться до тех пор, пока условие в блоке 6 не выполнится. В блоке 9 планируется траектория полета для треугольного фрагмента АТЕ. Примеры таких траекторий представлены на рисунке 3.7.

86
Рисунок 3.7 – Примеры траекторий полета для треугольного фрагмента АТЕ

87
На втором этапе оптимизируем число БПЛА в зоне мониторинга АТЕ.
Учитывая, что для каждого объекта декомпозиции необходим один БПЛА, то число БПЛА равно числу объектов декомпозиции при условии, что все БПЛА имеют одинаковый ресурс. Если БПЛА имеют различные ресурсы и, учитывая, что ресурс уменьшается в порядке номера i БПЛА в вариационном ряде 2L/(2
i-
1
), для оптимизации числа БПЛА по стоимости предложен алгоритм, схема которого представлена на рисунке 3.8.
Алгоритм предполагает, что доступны для применения n типов БПЛА.
Стоимость одного БПЛА i-го типа составляет С
i
. Алгоритм минимизирует суммарную стоимость БПЛА, участвующих в мониторинге АТЕ, при условии, что при формировании группировки приоритет отдается БПЛА с более высоким ресурсом, то есть




n
i
i
i
C
a
1
min
,
(3.4) где


4
,
2
,
0

i
a
- количество БПЛА i-го типа в группировке БПЛА для мониторинга АТЕ.
Принцип формирования группировки БПЛА согласно алгоритму на рисунке
3.8
, поясняет рисунок 3.9. Если в пуле типов БПЛА нет БПЛА с ресурсом, обеспечивающим траекторию согласно рисунка 3.3, то осуществляется декомпозиция площади АТЕ, как показано на рисунке 3.9а. При этом полагаем, что БПЛА с номером один превышает ресурс L. На выходе алгоритма (блок 11) формируются коэффициенты a
i
, соответствующие выражению (3.4). В блоке 4 алгоритма (рисунок 3.8) определяется целесообразность замены одного БПЛА с более высоким ресурсом на два БПЛА с более низким ресурсом с соответствующей декомпозицией площади АТЕ (блок 5), как это показано на рисунках 3.9 б, в и г.

88 5
3 4
5 6
7 8
9 10 11 2
1
Начало
Декомпозиция площади АТЕ
i=i+1
i=n
Конец
Рисуноу 3.8 – Схема алгоритма оптимизации числа БПЛА по стоимости
????
????
= 4
Вывод ????
????
????
????
< 2 ????
????
+ 1
????
????
= 0 , ???? = 1, ????
????
????
= 0 , ???? = 1, ????
???? = 1 ; ????
????
= 2
????
????
= ????
????
− 2
???? ≤ ????
???? = ???? + 1
???? = ????

89 а) б) в) г)
2 2
3 3
3 3
3 3
4 4
4 4
3 3
4 4
5 5
5 5
Рисунок 3.9 – Декомпозиция площади ATE в зависимости от экономической целесообразности включения в группировку БПЛА с более низким ресурсом
Процесс декомпозиции площади АТЕ заканчивается, когда БПЛА с более низким ресурсом вводить в группировку экономически нецелесообразно или когда все БПЛА из пула введены в группировку (блоки 4 и 8 алгоритма на рисунке 3.8).

90
Рисунок 3.10 – Структурная схема подсистемы прогнозирования
Одним из путей повышения эффективности системы пожарного и медико- экологического мониторинга является переход к мобильным приборным платформам (МПП). Это новое направление в разработке и создании систем экологического мониторинга, основанное на применении интеллектуальных мобильных устройств совместно с БПЛА [52, 53].
МПП является автономной робототехнической системой.
Ее функционирование складывается из четырех составляющих: перемещение МПП в пространстве (механическое движение), измерение состояния окружающей среды, измерение состояния размещенных на его борту источников энергии, осуществление взаимодействия с окружающими препятствиями или другими
МПП (БПЛА).
При определенных ситуациях БПЛА может перейти в автономный режим полета к источнику загрязнения окружающей среды (пожару). В этом случае, определение координат БПЛА и управление полетом осуществляет МПП.
Остальные функции МПП (работа бортовой аппаратуры, расход ресурса) являются вспомогательными, обеспечивающими решение главной задачи. В роли

91 объекта управления может выступать как отдельная МПП (БПЛА), так и система
МПП (БПЛА), однородная или разнородная. Этот случай характерен для мониторинга больших по площади территорий [52, 53].
На рисунке 3.11 представлена структурная схема системы пожарного и экологического мониторинга на базе МПП.
Рисунок 3.11 – Структурная схема системы мониторинга на базе МПП
МПП выполнена на базе БПЛА и содержит бортовой источник электропитания, подсистему датчиков-измерителей внутреннего состояния платформы, подсистему датчиков-измерителей локальной и глобальной навигации платформы, систему измерения экологического состояния среды, бортовой вычислитель. Использование микромодулей газовых анализаторов позволяет оптимизировать систему пожарного и экологического мониторинга, так
Блок принятия решения
Блок обработки информации
МПП
Блок принятия решения
Блок обработки информации
Бортовой источник энергии
Управление электроприводом
Силовой каркас и двигатели
Сенсоры концентрации
CO, GPS
, ЛНС, t
Центральный пост наблюдения
Модуль планирования полета
Окружающая среда
ГУ МЧС
России по субъекту РФ
Комитет экологической безопасности города
Мобильные посты наблюдения
МПП