蔡志勇，石含玥，趙紅軍，李天琦，王希宇，周堯明，4，

1．中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司，珠海 519040

2．中國特種飛行器研究所，荊門 448035

3．北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

4．北京航空航天大學(xué) 先進(jìn)無人飛行器北京市高精尖學(xué)科中心，北京 100191

森林不僅是一種重要的生產(chǎn)資料，也是重要的生態(tài)環(huán)境資源。中國是森林資源大國，森林覆蓋率超過23%，并仍處于快速發(fā)展階段，森林資源的健康發(fā)展對確保國家木材安全與生態(tài)安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義[1］。中國同時(shí)也是一個(gè)森林火災(zāi)多發(fā)的國家，僅2020 年就發(fā)生森林草原火災(zāi)1 153 起，其中重大森林火災(zāi)7 起，受災(zāi)森林面積達(dá)0.85 萬公頃（1 公頃=104m2），尤其是2020 年3 月12 日發(fā)生在四川省涼山州的造成19 人死亡、3 人受傷的重大森林火災(zāi)，在受到黨中央的高度重視和引發(fā)全國廣泛關(guān)注的同時(shí)，也暴露出中國森林航空消防體系薄弱的事實(shí)。東南林區(qū)、西南林區(qū)和東北林區(qū)是中國森林防火重點(diǎn)區(qū)域最集中的地區(qū)[2］，也是歷年來發(fā)生森林火災(zāi)次數(shù)最多、受災(zāi)面積最大的地區(qū)[3-4］。上述地區(qū)地形多為山地或丘陵，道路通行條件很差，一旦發(fā)生森林火災(zāi)，大型地面消防設(shè)備難以進(jìn)入，只能依靠大量人力制造隔離帶以控制火勢蔓延，滅火效率很低且危險(xiǎn)性很大，滅火飛機(jī)就是為了解決這個(gè)問題而誕生的。

滅火飛機(jī)是一種可以在空中投水進(jìn)行滅火作業(yè)的通用飛機(jī)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，利用飛機(jī)載水并將水投灑在火頭、火線或火點(diǎn)上，可以有效扼制火勢的蔓延，降低火災(zāi)對生命、財(cái)產(chǎn)和環(huán)境的影響[5］。相對于傳統(tǒng)的地面滅火裝備，滅火飛機(jī)最大的優(yōu)勢就是其可以從空中快速抵達(dá)火場，進(jìn)行滅火作業(yè)，這對遏制火勢在火災(zāi)初期的蔓延和擴(kuò)散極為重要。中國森林航空消防工作是由中國南方/北方航空護(hù)林總站所負(fù)責(zé)的，目前主要使用各類中小型直升機(jī)執(zhí)行森林消防滅火任務(wù)。消防航空設(shè)備數(shù)量少、性能差，專業(yè)航空消防人才儲備不足，是目前中國森林航空消防體系的主要問題。在此背景下，大型固定翼滅火飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。中國在研的大型滅火飛機(jī)有“鯤龍”AG600 的滅火型飛機(jī)，如圖1 所示。AG600 水陸兩棲飛機(jī)的滅火型（后文簡稱“兩棲滅火飛機(jī)”）是專門為森林滅火而設(shè)計(jì)的水陸兩棲飛機(jī)，滅火時(shí)可攜帶12 t 水或阻燃劑。相對于滅火直升機(jī)，大型固定翼滅火飛機(jī)用于滅火具有速度快、航程遠(yuǎn)、載水量大、續(xù)航時(shí)間長、滅火效率高、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，這對于強(qiáng)調(diào)“打早、打小、打了”的森林滅火而言，具有重大意義[6］。當(dāng)森林火災(zāi)發(fā)生時(shí)，兩棲滅火飛機(jī)可從火場附近的河流、湖泊、水庫等可用水域汲水，或在機(jī)場注水及阻燃劑飛赴火場，有效配合地面的消防力量控制火情，阻止火勢蔓延，可將因火災(zāi)造成的損失降到最低[7］。使用滅火飛機(jī)培養(yǎng)飛行員進(jìn)行真實(shí)的投水滅火、汲水訓(xùn)練具有費(fèi)用高昂、訓(xùn)練周期長、安全風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)。因此通過構(gòu)建水陸兩棲飛機(jī)滅火飛行仿真系統(tǒng)（簡稱為“滅火飛行仿真系統(tǒng)”）進(jìn)行投汲水滅火任務(wù)仿真飛行訓(xùn)練對于縮短滅火飛機(jī)飛行員的訓(xùn)練周期和節(jié)約訓(xùn)練試驗(yàn)費(fèi)用非常重要。

圖1 水陸兩棲飛機(jī)“鯤龍”AG600 滅火型飛機(jī)Fig.1 “Kun Lung” AG600 amphibious fire-fighting plane

美國、英國等發(fā)達(dá)國家較早地將仿真技術(shù)應(yīng)用于消防訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)，并已將開發(fā)的訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的訓(xùn)練，取得了良好的訓(xùn)練效果[8］。國內(nèi)對于飛機(jī)投水仿真研究大多集中于理論方面的仿真計(jì)算，進(jìn)行飛機(jī)投水的仿真系統(tǒng)的研究則很少，更沒有針對大型固定翼滅火飛機(jī)開發(fā)的投汲水滅火飛行仿真系統(tǒng)[9-10］。本文根據(jù)大型兩棲滅火飛機(jī)的投汲水任務(wù)流程設(shè)計(jì)了一種水陸兩棲飛機(jī)滅火飛行仿真系統(tǒng)，對于提高滅火飛機(jī)飛行員培訓(xùn)效率，節(jié)省培訓(xùn)費(fèi)用，節(jié)約滅火飛機(jī)飛行試驗(yàn)費(fèi)用，縮短飛行試驗(yàn)的時(shí)間，加快中國森林航空消防力量建設(shè)具有重要意義。

1 滅火飛行仿真系統(tǒng)構(gòu)建

滅火飛行仿真是典型的人在環(huán)仿真?，F(xiàn)今使用比較廣泛的仿真系統(tǒng)架構(gòu)主要是高層體系結(jié)構(gòu)（HLA）和分布式交互仿真（DIS）。因?yàn)榛贒IS 架構(gòu)的系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、實(shí)時(shí)性高、復(fù)現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足飛行仿真模擬器對高實(shí)時(shí)性和高復(fù)現(xiàn)性的需要，故本文基于DIS架構(gòu)構(gòu)建了水陸兩棲飛機(jī)滅火飛行仿真系統(tǒng)，如圖2 所示。本滅火飛行仿真系統(tǒng)由投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)、仿真管理子系統(tǒng)、綜合航電模擬子系統(tǒng)、操縱與動(dòng)力子系統(tǒng)、視景仿真子系統(tǒng)5 個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)組成，如圖3 所示。各個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)間采取用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）作為通信協(xié)議通過高速以太網(wǎng)進(jìn)行連接。滅火飛機(jī)飛行仿真過程中對于投汲水任務(wù)流程的仿真實(shí)現(xiàn)主要涉及投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)、視景仿真子系統(tǒng)中的滅火飛機(jī)投水滅火場景構(gòu)建、仿真管理子系統(tǒng)中的投水?dāng)?shù)據(jù)處理與滅火效能評估3 部分。投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)、滅火飛機(jī)投水滅火仿真、投水?dāng)?shù)據(jù)處理與滅火效能評估3 個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)與功能是本滅火飛行仿真系統(tǒng)與通用的民航飛機(jī)飛行仿真系統(tǒng)主要的區(qū)別，故本文僅對上述3 個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)功能：投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)、滅火飛機(jī)投水滅火仿真、投水?dāng)?shù)據(jù)處理與滅火效能評估進(jìn)行研究與構(gòu)建。

圖2 水陸兩棲滅火飛機(jī)仿真系統(tǒng)Fig.2 Amphibious fire-fighting aircraft simulation system

圖3 滅火飛行仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of fire-fighting flight simulation system

1.1 投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)組成

投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)是投水與滅火飛行仿真系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其構(gòu)建了滅火飛機(jī)投汲水任務(wù)仿真的硬件環(huán)境基礎(chǔ)與軟件環(huán)境基礎(chǔ)，規(guī)定了滅火飛機(jī)執(zhí)行投汲水滅火任務(wù)的操作流程與規(guī)范，監(jiān)控滅火飛機(jī)在執(zhí)行投汲水任務(wù)過程中任務(wù)相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)變化。投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)其組成包括投汲水滅火仿真激勵(lì)計(jì)算機(jī)、投汲水滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)、投汲水滅火任務(wù)面板，如圖4 所示。

圖4 投汲水滅火仿真任務(wù)子系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of pumping water extinguishing simulation task subsystem

投汲水滅火仿真激勵(lì)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行有滅火仿真激勵(lì)軟件，其作用是構(gòu)建開展投水滅火任務(wù)與汲水任務(wù)仿真的軟件環(huán)境，對投水滅火任務(wù)仿真過程中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與查看，同時(shí)也是連接滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)與仿真管理子系統(tǒng)的橋梁，負(fù)責(zé)將來自仿真管理子系統(tǒng)的狀態(tài)信息傳遞給滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)，并將來自滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)的投汲水任務(wù)指令傳遞給仿真管理子系統(tǒng)。

投汲水滅火任務(wù)計(jì)算機(jī)是滅火飛機(jī)進(jìn)行投水滅火任務(wù)與汲水任務(wù)仿真的信息處理核心，主要負(fù)責(zé)將投汲水滅火任務(wù)面板上傳來的滅火飛機(jī)飛行員的操作指令進(jìn)行邏輯判斷與處理，生成相應(yīng)的投汲水任務(wù)指令與響應(yīng)機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，然后通過投汲水滅火仿真激勵(lì)計(jì)算機(jī)發(fā)給仿真管理子系統(tǒng)，于此同時(shí)也將接收到任務(wù)信息與相關(guān)狀態(tài)量，進(jìn)行判斷與處理后展示到投汲水滅火任務(wù)面板上，供滅火飛機(jī)飛行員查看。

投汲水滅火任務(wù)面板提供滅火飛機(jī)飛行員與投汲水滅火任務(wù)計(jì)機(jī)信息交互的渠道，通過投汲水滅火任務(wù)面板，滅火飛機(jī)飛行員可以查看投汲水任務(wù)相關(guān)機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)、水艙水量、藥劑攜帶量、可選擇任務(wù)選項(xiàng)等信息，并通過投汲水滅火任務(wù)面板上的按鍵選擇下一步要執(zhí)行的任務(wù)進(jìn)程或做出任務(wù)參數(shù)設(shè)定。

1.2 滅火飛機(jī)投汲水滅火場景構(gòu)建

本節(jié)研究了典型森林火場以及水域場景的構(gòu)建技術(shù)，構(gòu)建出的不同氣象條件下的典型火場和水域場景，用于不同模式的演示驗(yàn)證試驗(yàn)的場景配置。進(jìn)一步地，建立了滅火飛機(jī)投水模型，用半物理形式的模型較為精確地描述水體投落的過程。本文使用Unity3D 引擎開發(fā)并構(gòu)建了高分辨率的森林火災(zāi)、水陸兩棲飛機(jī)水面汲水以及滅火飛機(jī)投水的可視化仿真場景，實(shí)現(xiàn)了大型兩棲滅火飛機(jī)進(jìn)行投水滅火和水面汲水并起飛的高精度可視化仿真。

1.2.1 典型高分辨率森林火災(zāi)場景

本節(jié)針對森林火災(zāi)高發(fā)的西南山區(qū)典型森林進(jìn)行Unity 建模。對于不同典型森林火場火焰的燃燒、蔓延、抑制等粒子系統(tǒng)模擬問題，采用基于元胞自動(dòng)機(jī)的火焰蔓延模型，將燃料床進(jìn)行均勻正交離散化處理，結(jié)合Séro-Guillaume[11］燃燒平衡物理方程，建立蔓延各個(gè)狀態(tài)的燃燒反應(yīng)模型[12］，同時(shí)針對森林火焰的可視化仿真，采用火焰粒子離散方法，將各個(gè)粒子團(tuán)賦予相應(yīng)的屬性，如顏色、形狀、大小等等，粒子隨時(shí)間的推移不斷地改變狀態(tài)，從而模擬出火焰的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)和變化的仿真效果，從而得到不同地理、風(fēng)向下的典型森林火場仿真模型。具體來說，對于森林火場蔓延的可視化仿真主要采取了以下技術(shù)途徑：通過地形區(qū)塊映射關(guān)系，確定視景系統(tǒng)中點(diǎn)燃區(qū)域與未點(diǎn)燃區(qū)域的范圍，進(jìn)行點(diǎn)燃區(qū)域火焰粒子效果的生成，其中火焰高度數(shù)據(jù)從蔓延模型中獲取。熄滅區(qū)域林木模型替換為燒毀林木三維模型。燃盡區(qū)域根據(jù)蔓延模型中溫度數(shù)據(jù)，確定發(fā)煙的比例，并使用粒子效果，生成煙霧，仿真效果如圖5 所示。

圖5 森林火場狀態(tài)可視化仿真Fig.5 Visual simulation of forest fire situation

1.2.2 汲水任務(wù)仿真場景

兩棲滅火飛機(jī)汲水任務(wù)的可視化仿真難點(diǎn)在于水域的模擬和仿真，本文通過調(diào)研收集了海洋、湖泊等典型水域的環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)兩棲滅火飛機(jī)在水面汲水和水面起飛過程的視景仿真需求，分析了水面波浪運(yùn)動(dòng)，采用海浪譜、波浪運(yùn)動(dòng)和粒子優(yōu)化等手段著力展現(xiàn)不同水源的可視化特征，構(gòu)建了高分辨率水域環(huán)境，其構(gòu)建流程如圖6 所示。

圖6 汲水任務(wù)仿真場景構(gòu)建流程Fig.6 Construction process of water pumping task simulation scenario

形成水面波動(dòng)的原因很多，有風(fēng)、氣壓、天體引潮力、地震以及水的密度、溫度等，所以波浪往往具有各種不同頻率的波。采用Tessendorf[13］提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)海浪模型作為描述水面波紋的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，將海浪視作一塊各處高度隨函數(shù)變動(dòng)的平面，直接調(diào)整平面各個(gè)點(diǎn)的高度，生成動(dòng)態(tài)可視化海浪，結(jié)合Jensen 和Goliá?[14］的浪尖修正函數(shù)后能夠較好模擬5 級及以下的海浪。

對于海浪與海岸交界處，將海浪與海岸的交互轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｃ婧秃０兜匦吻娴膶?shí)時(shí)交互[15］，引入磁性粒子概念到海岸線的生成過程中，建立海浪與海岸交互模型，通過設(shè)置海浪海岸交匯區(qū)域海浪頂點(diǎn)的磁感應(yīng)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)海浪末端頂點(diǎn)與海岸地形自動(dòng)貼合，從而消除海浪和地形間的裂縫或者干涉。最后構(gòu)建了模擬水面波浪運(yùn)動(dòng)的高分辨率水域環(huán)境，如圖7 所示，支持了大型水陸兩棲滅火飛機(jī)在汲水及水面起飛過程中水域仿真場景的可視化實(shí)現(xiàn)，如圖8 所示。

圖7 湖泊水面可視化仿真Fig.7 Visual simulation of lake surface

圖8 兩棲滅火飛機(jī)水面滑行可視化仿真Fig.8 Visual simulation of water gliding for amphibious fire-fighting aircraft

1.2.3 投水任務(wù)仿真場景

本文在建立滅火飛機(jī)投水仿真模型過程中，根據(jù)不同階段水體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的不同，將滅火飛機(jī)投水過程劃分為投水階段、水體破裂、液滴擴(kuò)散分布3 個(gè)階段，建立了滅火飛機(jī)投水參數(shù)與水體分布之間的映射關(guān)系，進(jìn)而得到了較為精確地描述水體投落過程的半物理運(yùn)動(dòng)模型[16-17］。

投水階段假設(shè)水體為不可壓縮的理想流體，水體存儲在水箱中，待出水口打開后，水體便在重力和液面氣壓作用下流出。根據(jù)機(jī)械能守恒定律建立水體的流動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，其表達(dá)式為

式中：ρLgh為單位體積重力勢能，ρL為水體密度，g為重力加速度，h為高度；P為單位體積壓力勢能（壓差）；0.5ρLu20為豎直方向單位體積初始動(dòng)能，u0為初始速度；0.5ρLu2為豎直方向單位體積末動(dòng)能，u為水體速度。該速度均為建立在大地坐標(biāo)系下的矢量速度，初始階段，水體擁有同飛機(jī)相同的飛行速度，末階段為垂直出水速度和飛行速度的矢量和。本文的研究對象是恒壓投水系統(tǒng)，其對應(yīng)的單位體積壓力勢能在投水過程中近似不變，那么水體的出流速度可以表示為

假設(shè)水箱為水平等截面體且出口截面面積是確定的，則可計(jì)算出在恒壓投水系統(tǒng)下的水體投水初始速度、流量和投水持續(xù)時(shí)間[18］。

在水體破裂階段，投放的水體的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)過程，水體與來流氣體形成的二相流的作用產(chǎn)生復(fù)雜的破裂和擴(kuò)散現(xiàn)象[17，19］，水體投放的破裂擴(kuò)散示意如圖9 所示。

圖9 水體一、二次破裂示意圖Fig.9 Schematic diagram of primary and secondary rupture of water body

投水過程中，水從水艙進(jìn)入到空氣中所形成的射流可視為圓形自由紊動(dòng)射流。根據(jù)紊動(dòng)射流理論，紊動(dòng)射流具有自保性，且混合區(qū)在射流的邊界的擴(kuò)展是線性的，故水體噴出后的擴(kuò)散半徑R是關(guān)于下降距離H的線性函數(shù)，通過試驗(yàn)可得到其擴(kuò)散系數(shù)為0.25[20］。因此，水體接地所覆蓋區(qū)域的半徑為

在液滴擴(kuò)散階段，經(jīng)多次試驗(yàn)研究表明[7］，水體在被投放后會首先進(jìn)行一次破裂形成韌帶流和大液滴，隨后流體之間的相互碰撞作用使其產(chǎn)生第二次破裂形成小液滴，宏觀上產(chǎn)生霧狀水體，進(jìn)行擴(kuò)散下落[16，21］。當(dāng)水體完成破裂之后形成的液滴可以近似為液滴的掉落特性，在液滴間的相互作用力、重力、空氣動(dòng)力和科里奧利力的作用下不斷擴(kuò)散到達(dá)一定高度后，液滴的蒸發(fā)和耗散會使得擴(kuò)散半徑不再擴(kuò)大，形成等半徑散落。Legendre 等[22］通過測試數(shù)據(jù)擬合得到擴(kuò)散直徑為

對于定直平飛的滅火飛機(jī)，其灑水時(shí)，水體落地形成水帶，在水帶的不同位置，水體覆蓋的程度不同。在固定機(jī)體坐標(biāo)系上，已知水體前進(jìn)方向?yàn)閤a，相對于前進(jìn)方向的橫向方向ya，則對于不同的xa和ya值，水量分布是不同的，其分布近似滿足高斯分布：

式中：ηmax為水體最大覆蓋量，與xa有關(guān)。系數(shù)λ0可由水帶寬度半徑R計(jì)算得到：

其分布如如圖10（a）所示，其中L0為飛機(jī)投水總距離，L為投水水帶總長度，λ為投水水帶寬度。當(dāng)飛機(jī)航線為曲線時(shí)，可以將航跡劃分為多個(gè)直線段與曲線的疊加。飛機(jī)沿著弧線飛行時(shí)，投下的水體形成的水帶示意圖如圖10（b）所示。

圖10 水帶分布示意圖Fig.10 Schematic diagram of water distribution

本文以面向仿真的物理模型為基礎(chǔ)，對滅火飛機(jī)空中灑水時(shí)水體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行可視化仿真，在虛擬環(huán)境中建立了符合基本物理規(guī)律的水體運(yùn)動(dòng)模型[16-17］，計(jì)算并設(shè)置物理粒子系統(tǒng)的速度模塊的參數(shù)。在水體的降落過程中，根據(jù)水體的受力計(jì)算其速度，并繪制出水體速度曲線，采用曲線控制模式對其速度進(jìn)行控制。在粒子的生命后期，逐漸增加其透明度，營造出水體滲入地面的效果。通過設(shè)置粒子轉(zhuǎn)速，在水體下落時(shí)的“水柱”邊緣塑造出水團(tuán)濺出、霧化時(shí)的動(dòng)態(tài)感，其灑水效果如圖11 所示。

圖11 滅火飛機(jī)投水過程可視化仿真Fig.11 Visual simulation of water dropping process of fire-fighting aircraft

滅火飛機(jī)在執(zhí)行投水操作命令后，對應(yīng)水艙艙門開啟，水體噴出水艙并擴(kuò)散，散落在柵格化的地面上形成水帶，通過視景仿真程序內(nèi)置算法對柵格化地面上各個(gè)單元格內(nèi)的降水量進(jìn)行記錄與統(tǒng)計(jì)后，通過網(wǎng)絡(luò)端口以UDP 協(xié)議發(fā)往仿真管理軟件對滅火飛機(jī)投水分布數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與展示，仿真管理軟件是仿真管理子系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)載體。

1.3 投水?dāng)?shù)據(jù)處理與滅火效能評估方法

滅火飛機(jī)投水分布數(shù)據(jù)在仿真管理子系統(tǒng)的投水滅火仿真模塊[23］進(jìn)行處理、計(jì)算并展示在仿真管理子系統(tǒng)軟件界面，以供仿真管理軟件操作人員查看投水分布，評估其滅火效能。仿真開始后，在滅火飛機(jī)飛行過程中由仿真管理軟件解算出飛機(jī)的飛行狀態(tài)參數(shù)，滅火飛機(jī)在執(zhí)行完投水滅火操作后，水體從飛機(jī)水艙拋灑出，經(jīng)擴(kuò)散后落到地面，由網(wǎng)格化的地面進(jìn)行投水分布統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)好的原始投水分布數(shù)據(jù)回傳給仿真管理軟件，其過程如圖12 所示。

圖12 滅火飛機(jī)滅火作業(yè)仿真場景框架圖Fig.12 Frame diagram of simulation scene of firefighting operation by fire-fighting aircraft

原始投水分布數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一定的處理才能轉(zhuǎn)換為可用數(shù)據(jù)，其處理流程如圖13 所示，首先剔除掉遠(yuǎn)離投水中心的異常數(shù)據(jù)，然后將投水分布數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系從大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到以火場中心為原點(diǎn)的火場坐標(biāo)系中，最后把投水分布數(shù)據(jù)展示到仿真管理軟件的對應(yīng)界面上，詳見第2 節(jié)。

圖13 投水分布數(shù)據(jù)處理流程Fig.13 Water distribution data processing process

利用水體滅火的主要原理是機(jī)械作用和冷卻作用。在實(shí)際的消防任務(wù)中，下落的水體通過加速產(chǎn)生巨大的沖擊力，并通過氣化冷卻來對起火點(diǎn)進(jìn)行有效撲滅。本文以投水覆蓋面積、投水均勻度以及投水有效利用率作為滅火效能參數(shù)去衡量水體擴(kuò)散落地后對森林火災(zāi)的消防能力。投水覆蓋面積定義為滅火飛機(jī)灑水后存在落水的區(qū)域面積，單位為m2。投水有效利用率定義為有效投水水量在總投水水量之中的占比，水體落地后形成的水膜超過一定厚度即被認(rèn)為其為有效投水，對于不同類型植被上所發(fā)生的火災(zāi)，其有效投水的認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)是不同的，本文根據(jù)課題前期研究結(jié)果，取平均水膜厚度0.8 mm 作為有效投水判斷閾值。投水均勻度則為被有效投水覆蓋區(qū)域內(nèi)的平均水膜厚度，單位為mm。投水覆蓋面積、投水均勻度以及投水有效利用率的計(jì)算流程如圖14 所示。

圖14 滅火效能參數(shù)計(jì)算流程Fig.14 Calculation flow of fire extinguishing efficiency parameters

2 滅火飛行仿真系統(tǒng)仿真

將本文所設(shè)計(jì)的滅火飛行仿真系統(tǒng)應(yīng)用于水陸兩棲飛機(jī)AG600 半物理仿真系統(tǒng)，進(jìn)行兩棲滅火飛機(jī)滅火飛行仿真。

2.1 投水?dāng)?shù)據(jù)處理與滅火效能評估方法

兩棲滅火飛機(jī)執(zhí)行森林滅火任務(wù)可采取汲水滅火任務(wù)模式和注水滅火任務(wù)模式。飛機(jī)在接到森林滅火任務(wù)指令后，可以在機(jī)場地面上對飛機(jī)水艙進(jìn)行注水/滅火劑，也可利用火場附近的可用水源汲水后飛到火場上空進(jìn)行投水滅火作業(yè)，2 種任務(wù)模式可以單獨(dú)使用也可組合使用，如圖15 所示。相比較于汲水滅火任務(wù)模式，注水滅火任務(wù)模式較為簡單，其沒有汲水過程，兩棲滅火飛機(jī)僅往返于機(jī)場和火場之間，下面僅就汲水滅火任務(wù)模式進(jìn)行說明，汲水滅火任務(wù)作業(yè)流程如圖16[24］所示。

圖15 兩棲滅火飛機(jī)汲水滅火作業(yè)示意圖Fig.15 Schematic diagram of water pumping operation by amphibious fire-fighting aircraft

圖16 汲水滅火模式流程[24］Fig.16 Fire extinguishing mode work flow[24］

在做好試驗(yàn)準(zhǔn)備后，依照汲水滅火任務(wù)流程開展投水汲水滅火任務(wù)飛行仿真試驗(yàn)，流程包括飛機(jī)地面注水，滑跑、起飛、爬升、巡航飛往火場，觀察后執(zhí)行投水操作，巡航飛往可用水域、水面降落、滑行汲水、水面起飛爬升、飛往火場區(qū)域。投水任務(wù)流程與汲水任務(wù)流程仿真過程分別如圖17 和圖18 所示。

圖17 兩棲滅火飛機(jī)機(jī)場起飛執(zhí)行投水任務(wù)流程記錄Fig.17 Procedure record of amphibious fire-fighting aircraft taking off from airport and performing water dropping task

圖18 兩棲滅火飛機(jī)執(zhí)行汲水任務(wù)流程記錄Fig.18 Task record of amphibious air tanker pumping process

如圖17（f）所示，在投水仿真管理軟件的投水水量分布顯示中，每一小格代表5 m×5 m 的地面單元格，紅色區(qū)域是存在火場的區(qū)域，藍(lán)色柱代表投水水量，柱的高低代表該單元格的落水水量多少（單位mL）。通過投水汲水滅火任務(wù)飛行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的滅火飛機(jī)半物理投汲水滅火任務(wù)飛行仿真系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滅火飛機(jī)投汲水滅火任務(wù)的仿真。

2.2 投水仿真結(jié)果與真實(shí)投水試驗(yàn)對比驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的滅火飛行仿真系統(tǒng)的仿真真實(shí)性，本節(jié)將對本滅火飛行仿真系統(tǒng)在一定飛行條件下的投水仿真的投水分布結(jié)果與AG600 滅火型所作真實(shí)投水飛行試驗(yàn)的投水分布結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。AG600 飛機(jī)在2021 年做了一系列的投水飛行試驗(yàn)，投水試驗(yàn)飛行演示如圖19 所示?，F(xiàn)選取其中一組投水飛行試驗(yàn)投水分布結(jié)果作為本文設(shè)計(jì)的滅火飛行仿真系統(tǒng)進(jìn)行投水飛行仿真結(jié)果的對比對象。真實(shí)投水飛行試驗(yàn)投水分布如圖20 所示。

圖19 AG600 水陸兩棲滅火飛機(jī)進(jìn)行空中投水Fig.19 Water drop demonstration of an AG600 amphibious fire-fighting aircraft

圖20 投水飛行試驗(yàn)投水水量分布Fig.20 Water distribution results of water injection flight

投水飛行試驗(yàn)是AG600 滅火機(jī)型進(jìn)行6 t 齊投投水飛行試驗(yàn)所得到的，試驗(yàn)批次為第20210414 批中的第4 次；試驗(yàn)投水地形為機(jī)場的機(jī)坪草地；試驗(yàn)條件為6 t 載水6 t 齊投模式，投水時(shí)飛機(jī)速度221 km/h（即61.4 m/s），投水時(shí)飛機(jī)離地高度53 m，風(fēng)向北偏西20°，風(fēng)速6.1 m/s。圖20 表格中每一個(gè)格代表5 m×5 m 的方格區(qū)域，每一個(gè)方格區(qū)域中心布置一個(gè)長寬高為30 cm×20 cm×20 cm 的接水盒，表格中數(shù)字代表該次投水飛行試驗(yàn)中對應(yīng)方格中盒子里的接水量（單位為mL），＜代表對應(yīng)方格中接水盒接到了水但水量小于10 mL，○代表對應(yīng)方格中接水盒底沒接到水但盒壁上存在水珠，?代表對應(yīng)盒中沒有接到任何水。投水飛行試驗(yàn)需要進(jìn)行處理才能夠用來進(jìn)行對比，處理流程如下：①將＜所在方格記為5，○所在方格記為2，?所在方格記為0；②用方格中的數(shù)字除以600 再乘以250 000 作為該方格接到水量的估計(jì)量（單位為mL），得到方格估計(jì)投水量分布如圖21 所示。經(jīng)過這樣的處理后，飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)具有和投水飛行仿真投水?dāng)?shù)據(jù)同樣的單位制和顆粒度。

圖21 投水飛行試驗(yàn)格方格估計(jì)投水水量分布Fig.21 Water injection water distribution estimated by grid of water injection flight test

設(shè)計(jì)滅火飛機(jī)投水飛行仿真投水方案為投水模式6 t 齊投、投水速度61.4 m/s、投水離地高度53 m、風(fēng)向北偏西20°、風(fēng)速6.1 m/s、火場區(qū)域?yàn)槠教共莸?，進(jìn)行投水飛行仿真試驗(yàn)，得到仿真投水分布結(jié)果如圖22 所示。

圖22 投水速度61.4 m/s、投水離地高度53 m 條件下6 t 齊投的投水飛行仿真數(shù)據(jù)分布Fig.22 Data distribution of 6 t of uniform water launching flight simulation under the condition of water launching speed of 61.4 m/s and altitude of 53 m

本文使用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Kolmogorov-Smirnov test（K-S 檢驗(yàn)）方法檢驗(yàn)飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)分布與投水飛行仿真的投水?dāng)?shù)據(jù)分布是否存在顯著差異?，F(xiàn)假設(shè)H0：飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)分布與投水飛行仿真的投水?dāng)?shù)據(jù)分布不存在顯著差異。備擇假設(shè)H1：飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)分布與投水飛行仿真的投水?dāng)?shù)據(jù)分布存在顯著差異。分別取如下數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S 檢驗(yàn)：①飛行試驗(yàn)投水的全部數(shù)據(jù)和投水飛行仿真投水的全部數(shù)據(jù)；②分別沿飛機(jī)投水速度方向取出最大投水?dāng)?shù)據(jù)出現(xiàn)的方格所在直線上的所有飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)和投水飛行仿真投水?dāng)?shù)據(jù)；③分別沿垂直于飛機(jī)投水速度方向取出最大投水?dāng)?shù)據(jù)出現(xiàn)的方格所在直線上的所有飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)和投水飛行仿真投水?dāng)?shù)據(jù)。對上述3 組數(shù)據(jù)進(jìn)行K-S 檢驗(yàn)得到pvalue 分別為0.209 7、0.353 6 和0.517 4，全部大于0.05，故接受原假設(shè)，即飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)分布與投水飛行仿真的投水?dāng)?shù)據(jù)分布不存在顯著差異。通過K-S 檢驗(yàn)證明了本水陸兩棲飛機(jī)滅火飛行仿真系統(tǒng)的仿真投水?dāng)?shù)據(jù)分布與真實(shí)滅火飛機(jī)投水試驗(yàn)的投水?dāng)?shù)據(jù)分布在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上是一致的，本文所設(shè)計(jì)的滅火飛行仿真系統(tǒng)具有較高的仿真真實(shí)度。

2.3 滅火飛行仿真滅火效能評估試驗(yàn)

本文為探究在滅火飛行仿真環(huán)境中3 個(gè)投水條件：投水模式、投水高度與投水速度對1.3 節(jié)定義的3 個(gè)滅火效能參數(shù)的影響設(shè)計(jì)了如下滅火飛行仿真滅火效能評估試驗(yàn)方案。投水模式一共設(shè)計(jì)為3 種：12 t 載水12 t 齊投、12 t 載水6 t 連投（間隔2 s）、12 t 載水3 t 連投（間隔2 s）。對于每一種投水模式設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)方案：將投水高度從30 m 到70 m 以5 m 為間隔離散為9 個(gè)等級，將測試投水速度從50～80 m/s 以5 m/s 為間隔離散為7 個(gè)等級，然后將投水高度、投水速度做自由組合，形成63 個(gè)勻速直線飛行條件下的投水方案，每個(gè)投水方案做5 次投水飛行仿真試驗(yàn)，記錄每次投水飛行仿真試驗(yàn)的3 個(gè)滅火效能參數(shù)數(shù)值，取5 次均值作為該方案下的滅火效能參數(shù)數(shù)值，使用MATLAB 軟件對得到的仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合并可視化得到圖23～圖25，圖中黑色點(diǎn)為數(shù)據(jù)點(diǎn)。

圖23 12 t 齊投模式下滅火效能參數(shù)與投水高度、投水速度關(guān)系圖Fig.23 Diagram of relationship between water efficiency parameters， water height and water speed in 12 t uniform casting mode

2.4 飛行仿真滅火效能評估試驗(yàn)結(jié)果分析

為了定量分析3 個(gè)投水條件分別對3 個(gè)滅火效能參數(shù)的影響，本文在3 種投水模式下分別以投水速度和投水高度作為自變量對3 個(gè)滅火效能參數(shù)：投水覆蓋面積、投水均勻度和投水有效利用率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合：①取投水高度為30 m，以投水速度為自變量，投水覆蓋面積為因變量進(jìn)行一元線性回歸，取投水速度為50 m/s，以投水高度為自變量，投水覆蓋面積為因變量進(jìn)行一元線性回歸；②取投水高度為30 m，以投水速度為自變量，投水均勻度、投水有效利用率為因變量進(jìn)行二次回歸，取投水速度為50 m/s，以投水高度為自變量，投水均勻度、投水有效利用率為因變量進(jìn)行二次回歸。

現(xiàn)定義一元線性方程如式（8）所示：

對于任意線性方程，可由其常數(shù)系數(shù)k和b唯一確定。定義二次回歸方程如式（9）所示：

對于任意二次方程，可由其常數(shù)系數(shù)a2、a1和a0所唯一確定，本文以一元線性方程的常數(shù)系數(shù)k、b代表該一元方程進(jìn)行記錄，以二次回歸方程常數(shù)參數(shù)a2、a1和a0代表擬合方程進(jìn)行記錄，所有擬合結(jié)果如表1 所示，擬合所用工具為統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件IBM SPSS Statistics，版本號25。所有擬合結(jié)果都有R2＞0.995，說明擬合誤差較小，符合預(yù)期模型。從圖23～圖25 和表1 中可以得到3 個(gè)投水條件對3 個(gè)滅火效能參數(shù)影響。

圖24 6 t 連投模式下滅火效能參數(shù)與投水高度、投水速度關(guān)系圖Fig.24 Diagram of relationship between fire extinguishing efficiency parameters， water height and water speed in 6 t continuous dropping mode

圖25 3 t 連投模式下滅火效能參數(shù)與投水高度、投水速度關(guān)系圖Fig.25 Diagram of relationship between fire extinguishing efficiency parameters， water height and water speed in 3 t continuous dropping mode

表1 3 種投水模式下以投水速度和投水高度作為自變量對3 個(gè)滅火效能參數(shù)的擬合結(jié)果Table 1 Fitting results of three fire extinguishing efficiency parameters obtained by taking speed and height of water injection as independent variables under three water dropping modes

2.4.1 3 個(gè)投水條件對投水覆蓋面積的影響

1）隨著投水高度增加，投水覆蓋面積也隨之線性增大，其線性系數(shù)如表1 中對投水覆蓋面積數(shù)據(jù)的擬合一欄中所示。這是因?yàn)殡S著投水高度增加，水體降落過程中的擴(kuò)散也會隨之變得更為充分，其覆蓋面積也隨之增加。

2）隨著投水速度的增大，投水覆蓋面積也隨之線性增大，其線性系數(shù)如表1 中對投水覆蓋面積數(shù)據(jù)的擬合一欄中所示。這是因?yàn)橥端俣仍娇?，水體噴出水艙門后的射流失穩(wěn)發(fā)生得越早，水體破碎速率的也越大，水體擴(kuò)散的越快，覆蓋面積隨之增加。

3）通過對比以速度為自變量的線性方程的線性系數(shù)和以高度為自變量的線性方程的線性系數(shù)，可以觀察到以高度為自變量的線性方程的線性系數(shù)k 至少2 倍大于以速度為自變量的線性方程的線性系數(shù)，即相對于投水速度，投水覆蓋面積對投水高度更為敏感。故要增大投水覆蓋面積，增加投水高度比增大投水速度更有效且更安全。

4）在對投水覆蓋面積數(shù)據(jù)擬合結(jié)果中，以速度為自變量的線性方程的線性系數(shù)隨投水模式從12 t 齊投、6 t 連投到3 t 連投而出現(xiàn)明顯的遞減，說明相較于3 t 連投，12 t 齊投的水體擴(kuò)散受速度影響更大。初步分析其原因是3 t 連投產(chǎn)生的是四簇較小的水體，而12 t 齊投產(chǎn)生的是一簇較大的水體，同等高度和速度下，較小簇的水體擴(kuò)散和破碎地更充分，因?yàn)殪F化和蒸發(fā)所導(dǎo)致的損失也比大簇水體的更多，故3 t 連投模式下的水體覆蓋面積隨速度增長要緩于12 t 齊投模式。故為了減少霧化和蒸發(fā)所帶來的水體損失，應(yīng)該盡可能使用12 t 齊投，減少使用3 t 齊投，尤其是面對火場中火勢較大的區(qū)域，其熱場的蒸發(fā)作用尤為強(qiáng)烈。

5）在對投水覆蓋面積數(shù)據(jù)擬合結(jié)果中，以高度為自變量的線性方程的線性系數(shù)在12 t 齊投、6 t 連投到3 t 連投3 種投水模式下相差不超過5%，變化不大，說明這3 種投水模式下，隨高度變化的水體擴(kuò)散速率在不同模式間是一致的。

2.4.2 3 個(gè)投水條件對投水均勻度的影響

1）隨著速度增大，在各個(gè)投水模式下的投水均勻度都隨之減小，且近似成二次關(guān)系。

2）固定投水高度為30 m、投水速度50 m/s時(shí)，12 t 齊 投、6 t 連 投 和3 t 連 投3 種 投 水 模 式 下投水均勻度分別為：1.653 mm、1.618 mm 和1.587 mm，可以看出在投水速度較低的時(shí)候12 t齊投的投水均勻度比6 t 連投的要提高2.1%，6 t連投的投水均勻度比3 t 連投的提高1.9%，說明3 t 連投的水體擴(kuò)散是最充分的，6 t 連投次之，12 t 齊投水體擴(kuò)散程度較小。12 t 齊投具有最高的投水均勻度，其投水水體落地后形成的水膜厚度最大，能夠有效應(yīng)對火勢猛烈的火場區(qū)域進(jìn)行撲滅。

3）固定投水高度為30 m、投水速度80 m/s時(shí)，12 t 齊 投、6 t 連 投 到3 t 連 投3 種 投 水 模 式 下投水均勻度分別為：1.241 mm、1.281 mm 和1.378 mm 分別較投水高度30 m、投水速度50 m/s 條件時(shí)下降24.9%、20.8%、12.2%。

4）隨著投水高度的增加，在各個(gè)投水模式下的投水均勻度都隨之減小，且近似成二次關(guān)系。3 種投水模式的以高度為自變量、二次回歸方程參數(shù)中其常數(shù)項(xiàng)、一次項(xiàng)和二次項(xiàng)彼此之間的差別比較小，說明投水高度對投水均勻度的影響在不同模式下都是相近的。

2.4.3 3 個(gè)投水條件對投水有效利用率的影響

1）隨著速度增大，在各個(gè)投水模式下的投水均勻度都隨之減小，且近似成二次關(guān)系，其一次項(xiàng)與二次項(xiàng)系數(shù)都是負(fù)數(shù)。

2）固定投水高度為30 m、投水速度50 m/s時(shí)，12 t 齊 投、6 t 連 投 到3 t 連 投3 種 投 水 模 式 下投水有效利用率分別為：89.2%、88.8% 和88.2%，12 t 齊投的投水有效利用率比6 t 連投的提高0.4%，6 t 連投的投水有效利用率比3 t 連投的提高0.6%，12 t 齊投具有最高的投水有效利用率。

3 結(jié)論與建議

本文基于滅火飛機(jī)投水滅火任務(wù)流程，構(gòu)建了一種水陸兩棲飛機(jī)滅火飛行仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型滅火飛機(jī)投汲水任務(wù)飛行仿真，構(gòu)建了國內(nèi)首套大型固定翼滅火飛機(jī)投汲水滅火飛行仿真系統(tǒng)。同時(shí)使用K-S 檢驗(yàn)方法對仿真飛行投水?dāng)?shù)據(jù)與真實(shí)飛行試驗(yàn)投水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)，二者不具有明顯分布差異的置信度在95%以上，證實(shí)了該仿真系統(tǒng)具有較高的仿真真實(shí)度。本文還探索了投水速度和投水高度對投水覆蓋面積、投水均勻度和投水有效利用率3 個(gè)滅火效能參數(shù)的影響，并得到如下結(jié)論：

1）在各個(gè)投水模式下，投水覆蓋面積隨投水速度和投水高度的增加而線性增大，且相對于投水速度，投水覆蓋面積對投水高度更敏感。

2）在各個(gè)投水模式下，投水均勻度隨投水速度和投水高度的增大而減小，且為非線性關(guān)系，可近似擬合為二次關(guān)系。投水有效利用率也具有類似的規(guī)律。

3）不同投水模式的投水覆蓋面積、投水均勻度和投水有效利用率受投水速度影響較大，受投水高度影響較小。

4）投水高度為30 m、投水速度50 m/s 時(shí)，12 t 齊投模式的投水均勻度比3 t 連投模式大4%，投水有效利用率大1%。

本文結(jié)論為投水滅火方案的制定提出如下建議：

1）要增大投水覆蓋面積，增加投水高度比增大投水速度更有效且更安全。

2）若要提高載水的利用效率，減少霧化和蒸發(fā)，應(yīng)該盡可能使用12 t 齊投，減少使用3 t 齊投，尤其是面對火場中火勢較大的區(qū)域。

3）同等條件下，12 t 齊投具有最高的投水均勻度，其投水水體落地后形成的水膜厚度最大。

本文的研究成果同樣適用于其他固定翼滅火飛機(jī)的投水滅火仿真系統(tǒng)的構(gòu)建中。通過本文設(shè)計(jì)的水陸兩棲飛機(jī)滅火飛行仿真系統(tǒng)，可不斷地調(diào)整滅火飛機(jī)投水時(shí)機(jī)、飛行高度進(jìn)行仿真演練與評估，優(yōu)化滅火預(yù)案，提高滅火效率，節(jié)約飛行試驗(yàn)費(fèi)用，縮短飛行試驗(yàn)的時(shí)間。通過該系統(tǒng)，滅火飛機(jī)飛行員可以進(jìn)行地面投汲水滅火訓(xùn)練，使飛行員熟悉投汲水滅火任務(wù)流程，掌握設(shè)備使用方法與操作規(guī)范，縮短飛行員培訓(xùn)時(shí)間，節(jié)約培訓(xùn)費(fèi)用，這對加快我國森林航空消防力量建設(shè)具有重要意義。