多旋翼无人机在水利行业中的应用

王春雨，钟嘉奇，王博超，王昱文

(1.黑龙江省水利学校，黑龙江 大庆 163000；2.黑龙江省大庆地区防洪工程管理处，黑龙江 大庆 163000)

中国发生的自然灾害类型多、发生频率高，尤其受全球气候变化影响，极端天气加剧水灾害的发生，严重影响国计民生，致使国家财富和人民生命财产受到严重损失。目前中国在旱涝灾害防治与监测、水资源合理分配与保护方面，借助无人机低空平台，利用航空技术、网络信息技术、通信技术和3S(遥感、地理信息系统、全球定位系统)技术优势，在水灾害防治、水资源监测、水污染突发事件应急处置等多方面开展探索性工作。

1 旋翼无人机概述

无人驾驶航空器，又称无人驾驶飞机(以下简称无人机)，英文缩写"UAV"。广义上是指不需要驾驶员登机驾驶的各式遥控或自主智能航空器，利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。

1.1 多旋翼无人机分类

从技术角度无人机可以分为固定翼无人机、旋翼无人机两类，其中旋翼无人机又可分为单轴的直升无人机和多旋翼无人机。多旋翼无人机作为旋翼无人机的一种，因起降场地的限制低、操控相对简单，已经广泛应用到经济建设的各个领域。根据多旋翼无人机动力轴的数量，多旋翼无人机分为3个轴、4个轴、6个轴、8个轴，甚至18个轴；根据多旋翼无人机动力轴的布局形态，又可以划分为4轴X型，4轴十字型等。

1.2 旋翼无人机组成

多旋翼无人机系统主要包括飞机机体、电机、ESC电调、螺旋桨、飞行控制系统、遥控装置、数据链系统、GPS模块、电源系统等。飞控，也称为飞行管理和控制系统，相当于无人机系统的"CPU"部分。它对无人机的稳定性，数据传输的可靠性，准确性和实时性能有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用；数据链路系统确保远程命令的准确传输以及无人机接收和发送的信息的实时性和可靠性。确保及时有效的信息反馈，并顺利，准确地完成任务。发射回收系统确保无人机顺利起飞达到安全的高度和飞行速度，并在任务完成后安全地返回地面。

1.3 多旋翼无人机特点

1)在操作方面，多旋翼的操控是最容易控制。多旋翼可以随时垂直起降，也可以人工手持起降，并且可以在起飞后可在空中悬停。其控制原理简单，操控器的4个遥感操作对应于飞行器的前，后，左，右，上下和偏航方向的运动。在自动驾驶仪方面，GPS模块的干预使得多旋翼自驾仪控制方法简单，并且控制器参数调整也非常简单。

2)在可靠性和安全性方面，多旋翼也是最出色的。如果只考虑机器的可靠性和安全性，多旋翼没有活动部件，其可靠性主要取决于无刷电机的可靠性，因此可靠性高。相比之下，固定翼和直升机具有活动的连接部件，在飞行期间会有磨损导致可靠性降低。此外，多旋翼可以在固定点悬停，方便控制飞行范围，相对比较来说多旋翼相对更安全。

3)在可维护性方面，多旋翼是最易维护的。因其结构简单，模块化设计。如果机架、电机、ESC、电池和拨片损坏，更换操作简便易行。相比之下，固定翼和直升机结构复杂、零部件较多，并且安装复杂，需要技巧，难度较大。

4)在可持续飞行方面，多旋翼始终具有优势。随着石墨烯电池的技术革命，电池的连续性得到了极大的提高，机身材料的轻量化和机载设备的小型化，也进一步凸显多旋翼的优势。因此，在各个领域，优良的"刚性"需求最终导致人们选择了多旋翼无人机。

2 无人机实践应用与展望

无人机按照应用领域可分为军用无人机、民用无人机，其中民用无人机与行业应用的结合，是无人机应用的刚性需求和未来发展方向，广泛应用在公安执法、农业植保、测绘航拍、快递运输、灾难救援、电力巡检、油田巡查、影视拍摄等领域。无人机系统在水利主要用于快速反应、蓄滞洪区预警、防汛指挥调度、实时数据采集、河(湖)长制信息化管理等方面。

2.1 应急快速反应

2018年8月，黑龙江省大庆地区防洪工程管理处所辖河道肇兰新河青肯泡段遭遇上游强降雨所带来的蓄滞洪区，河道水位迅速上涨，部分地区堤防和河道出现险情。在此次应急抢险中，管理处的无人机组接到指令快速反应，第一时间进入出险空域，空中观察河道和堤防工程，飞入人车无法进入区域，观测险情水情，巡查现场，查找来水方向，对比历史数据，并将现场图像数据传输给指挥人员，为防汛指挥决策提供准确依据。无人机在防洪抢险中快速反应的实践证明，多旋翼无人机具有的体积小、重量轻、操作简单、超视距飞行等特点，在灾害和事故现场侦测方面具有广泛的应用前景。多旋翼无人机洪涝灾害处置和防汛抗旱应急，见图1。

图1 多旋翼无人机洪涝灾害处置和防汛抗旱应急

2.2 蓄滞洪区预警

通过无人机机载设备获取遥感航拍图像和数据，可以构建三维模型已成为能够协助水管部门进行直观分析和决策指挥。在汛情旱情监测、水域规划、水利工程三维仿真系统中起到巨大的作用。无人机还可以完成实时水文监测，河道比较，水库水位监测，洪水区域检查，淹没区域和水毁桥梁统计。肇兰新河青肯泡段水灾前后通过航拍图可以对比效果。2018年8月肇兰新河青肯泡段航拍图，见图2；2018年5月GoogleEarth对比图，见3。

图2 2018年8月肇兰新河青肯泡段航拍图

图3 2018年5月GoogleEarth对比图

2.3 防汛指挥调度

在水情灾情发生之后，决策部门必须对灾情现场的实时发展状况进行及时掌握。首先无人机升空，对空域进行前期摸底了解。布置飞行任务，确定重点拍摄对象，确定飞行范围，确定飞行航线。然后执行飞行任务，拍摄实时全景动态影像，运用远程数据传输与通信系统将数据传回后方指挥部，让决策者直观看到灾区宏观图像，适时展现灾情变化、洪水淹没程度，使指挥决策更加高效、专业、准确。还可以将应急指挥车的移动会议系统和后方进行视频会商，确定救灾方案，使得防汛调度指挥决策专业化、高效化。

2.4 实时数据采集

利用无人机技术对其管辖范围内的水域进行动态监测，记录管辖范围内水域的实时变化，并通过水域基本数据建立水域统计和水域调查。逐步实现水域管理信息化，满足社会经济发展和水域管理的需要。利用监测结果，建立流域变化，非法占用水资源数据库，为水资源管理提供依据。第一时间，掌握水资源调查信息，掌握地面水资源利用信息和水资源调查结果。地面站可以基于实时空中监测数据清楚地分析水文数据的实时动态。

2.5 河(湖)长制信息化管理

在各级河长常态化巡河中，引入无人机遥感技术，能够自动化、智能化和快速获取国土、资源及环境等空间遥感信息，同时具有高分辨率图像实时传输，高风险区域检测，低成本和灵活性等优点。能够将河道高清影像适时导入河长制管理信息平台，对河湖岸线情况、违法占地、非法排口、治理效果等实现"精准"监测和记录，有效提升巡河效率，助力河道基础数据、工程建设情况、岸线管护成效数字化管理，推动和提升河长制下的河道治理等多方面的综合管理。

3 无人机系统在水利行业应用展望

由于无人机具有机动灵活的起降方式、低空巡航和自主飞行模式、多类型数据快速获取能力，在水利行业具有巨大的应用潜力和前景，无人机系统能够实现水情监测、河道走向、水库监测、洪灾区域检查等，还能查看水毁桥梁、淹没区域等监测和管控功能。

3.1 水利行业无人机应用机载平台选择

无人驾驶航空器系统不同于一般的民用产品，对安全性要求很高。特别是行业应用的专业级无人机，在选择无人机时，要结合"有效性、安全性、可靠性、环境适应性、操控性和携勤性"等性能，慎重选择无人机。可靠性就是使用寿命和综合故障率；环境适应性就更复杂了，包括高空抗风能力和高原高海拔雨、雪、雾等恶劣天气环境的适应性；操控性，就是操作不能太复杂，人机功效要好，要简明易懂；携勤性就是从运输、展开到空中执行任务，时间要快，便于迅速展开、快速开展工作，同时维修保养简单易学好操作。

3.2 水利行业无人机应用人才培养

随着无人机技术在农业、测绘、能源、环保、安防、工程管理方面发展,到2020年产值将达到600亿元，2025年民用无人机产值将达到1800亿元。2017年工信部发布的《关于促进和规范民用无人机制造业发展的指导意见》，明确支持普通高校和职业院校设立无人机相关专业，建立多层次、多类型的无人机人才培养和服务体系。2018年，黑龙江省水利学校设立了无人机专业，通过沈阳中测无人机科技有限公司、鹰眼电子科技有限公司的校企业合作，探索无人机职业教育所需要的应用方向、教材体系、知识结构、教师教练，建立全省水利系统无人机专业人才培训体系，从中等专业学历教育、驾驶技能和应用技能培训、AOPA无人机驾驶资格认证等方面，创新水利无人机应用，满足全行业对无人机人才的需求。

3.3 依法开展水利行业无人机应用

在大力发展无人机应用的同时，安全与秩序同时摆在从业者的面前。现有国家航空管理方面的法规有《中华人民共和国民用航空法》、《中华人民共和国飞行基本规则》、《通用航空飞行管理条例》；部门规章涉及到无人机管理的有《民用无人机驾驶航空器系统》、《空中交通管理办法》、《民用无人机驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》、《民用无人机驾驶航空器实名制登记管理规定》、《民用无人驾驶航空器从事经营性飞行活动管理办法(征求意见稿)》。2018年2月，国家空管委组织制定的《无人驾驶航空器飞行管理规定》(征求意见稿)，已经修改为《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》。尽管当前国家还没出台涉及无人机管理的法律和法规，各部门的规章制度也滞后于产业的发展。但是，水利系统开发应用无人机之初就要从顶层开始设计，在跟踪无人机产业技术和应用发展的同时，遵照国家现有法律法规，研究制定适合水利行业特点的无人机应用和监管标准规范，确保全省有序、安全、高效发展水利无人机系统的应用。

4 结 语

随着中国水利现代化建设的不断发展和进步，水利信息化水平不断提高，行业对地理信息的准确性、时效性要求也越来越高。通过无人机机载设备获取遥感航空影像，并且利用真实的影像来构建三维模型和系统，开展机载、多源水利信息快速获取、处理和融合技术研究，无人机系统的空中优势融入水利信息化建设综合体系，将大大提高雨情、水情、干旱、灾害信息采集的准确性和传输的时效性。