CN113599738B - 一种航空灭火任务控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种航空灭火任务控制系统，所述系统用于固定翼灭火飞机上，包括控制运算模块、操作显示模块、水量测量模块、应急操作控制模块、汲水作动模块、汲水结构模块、投水作动模块、管路通断驱动模块、舱门位置监控模块，所述控制运算模块为作为系统的核心，控制运算模块与其余模块之间进行操作指令、控制信号以及位置状态的电气信号交联。本发明能通过地面注水及水面滑行汲水方式实现灭火，适用于多种复杂场景下灭火需求；具有多种汲水模式和投水模式，可以根据火情通过不同的汲水和投水模式实现灭火，大大提高灭火效率。
Description
技术领域
本发明涉及航空应急救援领域，具体涉及一种航空灭火任务控制系统及控制方法。
背景技术
近年来，灭火装备和灭火方法的研究随着人类对火灾认识的不断深入和科学技术的快速发展取得了长足的进步。其中，以其机动性强、不受地形限制、单次任务灭火面积大和经济安全等技术优势一路领先的航空灭火技术，自二十世纪中后期出现以来，在短短几十年内已获得了快速的发展，它将航空技术利用到了森林火灾的防火和灭火工作中，大大的提高了防火和灭火的效率。
现有技术中对于航空灭火提出了一些方案，例如申请号为201010223529.1的中国发明专利申请公开了一种航空灭火辅助装置和航空灭火方法，通过对机载航空电子系统的设计，以制定飞行计划、灭火战术；“无人直升机机载灭火装置的研究与设计，祝智强，吉林大学硕士学位论文”提供了一种机载灭火装置，可以自动定位跟踪火源和自动灭火，可应用于高层建筑灭火作业。
当前尚未提出灭火飞机任务控制及投放系统产品及相关灭火方法，不能很好地适用于复杂场景下的灭火需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空灭火任务控制系统及控制方法，以固定翼灭火飞机为应用对象，更好地适用于多种复杂场景下的灭火需求。
为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：
一种航空灭火任务控制系统，用于固定翼灭火飞机上，包括控制运算模块、操作显示模块、水量测量模块、应急操作控制模块、汲水作动模块、汲水结构模块、投水作动模块、管路通断驱动模块、舱门位置监控模块，其中：
所述控制运算模块为作为系统的核心，控制运算模块与其余模块之间进行操作指令、控制信号以及位置状态的电气信号交联；所述操作显示模块用于提供飞行员执行灭火任务时操作系统工作的人机界面，水量测量模块用于向控制运算模块、应急操作控制模块反馈水箱中的水量信息，应急操作控制模块用于在投水作动模块失效时作为备份执行投水任务；汲水作动模块按照控制运算模块发送的指令驱动汲水结构模块放下和收起，实现系统汲水功能；投水作动模块用于根据控制运算模块的投水指令驱动投水舱门进行投水任务；管路通断驱动模块用于控制汲水管路的通断，实现系统不同汲水/注水工作模式；舱门位置监控模块用于实现对系统中投水舱门/舱门机构状态的实时监控。
进一步地，所述控制运算模块与其余模块之间进行操作指令、控制信号以及位置状态的电气信号交联，包括：
控制运算模块安装在机上通舱左设备柜，接收来自主、副驾驶的操作显示模块及机上操纵系统的投水、汲水和注水指令，并综合机上燃油信息、轮载信息和舱门位置监控模块反馈的系统设备状态信息，控制及驱动汲水、投水作动模块和管路通断驱动模块等设备动作，从而实现系统的任务流程控制；同时，控制运算模块实时监控系统状态信息并上报主、副驾驶的操作显示模块、飞行数据采集器、远程数据集中器及中央告警计算机。
进一步地，飞行员通过操作显示模块向控制运算模块发送系统的操作指令从而驱动投水作动模块和汲水作动模块完成投汲水任务，并接收控制运算模块发送的系统状态信息进行显示。
进一步地，在应急模式的投水过程中，应急操作控制模块实时监控舱门、舱门机构的状态信息并进行到位指示，同时采集水箱水量信息且综合处理上报远程数据集中器。
进一步地，所述汲水结构模块安装于飞机船底断阶处，用于飞机汲水；当汲水作动模块驱动汲水结构模块放下且飞机入水时，水从汲水结构模块进入汲水管道，进而进入飞机水箱。
进一步地，舱门位置监控模块检测到的水箱舱门/舱门机构位置状态信息上报控制运算模块、应急操作控制模块或远程数据集中器进行信号处理及逻辑判断，以便于实现系统的任务程序执行。
一种航空灭火任务控制方法，包括：
当有火情发生时，飞机飞往合适水域汲水、机场注水或地面加注灭火药剂混合液后飞往火区上空，按照灭火观察员灭火策略要求，飞行员在适当的时机打开投水舱门将水箱中的水投下，执行灭火任务；控制运算模块综合机上信息、操作显示模块的操作指令以及设备的状态信息，根据系统的控制逻辑向汲水作动模块输出控制信号、向机上系统输出系统工作状态并作显示或告警；在紧急任务状态下，系统接收应急操作控制模块指令，进行投水舱门的应急放下和收起，从而实现应急投水。
进一步地，当需要执行灭火任务且无合适汲水水域时，如飞机处于地面状态且水箱无水，同时投水舱门处于收到位，舱门机构处于上锁到位状态；此时系统可执行地面注水任务；
控制运算模块接收机上燃油余量信息，计算得出当前飞机最大可注水量，并将当前可注水量信息通过总线发送给操作显示模块进行显示；飞行人员根据画面显示选择注水模式，通过操作显示模块向控制运算模块发送地面注水指令，系统进入地面注水工作模式；
地面注水操作指令有效，控制运算模块向管路通断驱动模块输出动作控制信号，驱动管路通断驱动模块执行动作，切断注水管路，地勤人员通过地面注水设备连接注水接口执行地面注水操作。
进一步地，当需要执行灭火任务且有合适汲水水域，且飞机处于空中状态且水箱无水，同时投水舱门处于收到位、舱门机构处于上锁到位状态时，系统可执行汲水任务：
控制运算模块接收机上燃油余量信息，计算得出当前飞机最大可汲水量，并将当前可汲水量信息通过总线发送给操作显示模块进行显示；飞行人员根据画面显示选择汲水模式，通过操作显示模块向控制运算模块发送汲水指令，系统进入汲水工作模式；
飞行员选择完成当前汲水模式后，再通过操作显示模块发送汲水准备指令，此时汲水结构模块放操作指令激活，控制运算模块向汲水作动模块输出动作控制信号，驱动汲水结构模块执行放下动作，各管路通断驱动模块按照选定的汲水模式打开或关闭；飞行员操纵飞机实现水面滑行汲水，汲水过程中，测量测量模块实时上报水箱水量信息，汲水完成后飞行员通过操作显示模块手动执行汲水结构模块收起或控制运算模块自动延时发送汲水结构模块收起控制指令，驱动汲水作动模块动作，完成汲水结构模块收起，同时延时驱动管路通断驱动模块关闭。
进一步地，当飞机处于空中状态、水箱载水时，系统可执行投水任务，控制运算模块根据当前载水量将可执行的投水模式信息发送给操作显示模块进行显示，飞行员通过操作显示模块选择相应的投水模式向控制运算模块发送相应的投水指令，系统进入对应的投水模式；
系统正常投水中，水量测量模块将采集到的水量信息通过429总线上传给控制运算模块，控制运算模块将水量信息综合处理后通过429总线上报给操作显示模块进行当前载水量和可执行投水模式显示；飞行员根据火情通过操作显示模块选择相应的投水模式，控制运算模块根据选定的投水模式进入对应的投水流程：
控制运算模块向投水作动模块发出控制信号，驱动投水舱门机构及投水舱门依次实现解锁及放下动作，完成投水任务；并延时驱动投水舱门及机构依次实现收起并上锁。
进一步地，当控制运算模块与操作显示模块的综合控制逻辑出现故障或在紧急投水任务状态下，飞行员通过应急操作控制模块启用应急投水模式完成投水；
在执行应急投水操作时，飞行员首先通过应急操作控制模块激活投水准备，通过发送应急放指令向投水作动模块输出动作控制信号，驱动投水舱门机构解锁，实现应急投水；随后通过发送应急收指令驱动投水舱门收起并上锁。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
本发明能通过地面注水及水面滑行汲水方式实现灭火，适用于多种复杂场景下灭火需求；具有多种汲水模式和投水模式，可以根据火情通过不同的汲水和投水模式实现灭火，大大提高灭火效率。
附图说明
图1为本发明控制系统整体构架示意图；
图2为地面注水工作模式下的流程示意图；
图3为汲水工作模式下的流程示意图；
图4为汲水工作原理图；
图5为投水工作模式下的流程示意图；
图6为投水工作原理图；
图7为应急投水模式的流程示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明首先提供了一种航空灭火任务控制系统，该系统以固定翼灭火飞机为应用对象，所述控制系统包括控制运算模块、操作显示模块、水量测量模块、应急操作控制模块、汲水作动模块、汲水结构模块、投水作动模块、管路通断驱动模块、舱门位置监控模块等，其中该系统以控制运算模块为核心，该模块与其余模块之间进行操作指令、控制信号以及位置状态的电气信号交联。下面对本系统的各个模块作进一步说明。
控制运算模块安装在机上通舱左设备柜，作为系统的核心组成部分，接收来自主、副驾驶操作显示模块及机上操纵系统的投水、汲水和注水等指令，并综合机上燃油信息、轮载信息和舱门位置监控模块反馈的系统设备状态信息(包括汲水结构模块、投水舱门和舱门机构)等，控制及驱动汲水、投水作动模块和管路通断驱动模块等设备动作，从而实现系统的任务流程控制。控制运算模块实时监控系统状态信息并上报主、副驾驶操作显示模块、飞行数据采集器、远程数据集中器及中央告警计算机。
操作显示模块安装在驾驶舱内的左、右操纵台，提供飞行员执行灭火任务时操作系统工作的人机界面。飞行员通过操作显示模块向控制运算模块发送系统的操作指令从而驱动投水作动模块和汲水作动模块完成投汲水任务，接收控制运算模块发送的系统状态信息进行显示。
水量测量模块安装于飞机水箱内，用于实时测量系统中每个水箱的水量信息，并分别通过429总线和模拟量信号向控制运算模块、应急操作控制模块反馈进行处理。
应急操作控制模块安装在机上通舱右设备柜，用于投水作动模块失效时，飞行员通过该模块实现水箱舱门的开启和关闭，从而完成投水任务的执行。应急模式的投水过程中，该模块实时监控舱门、舱门机构的状态信息并进行到位指示，同时采集水箱水量信息且综合处理上报远程数据集中器。
汲水作动模块按照控制运算模块发送的指令驱动汲水结构模块放下和收起，实现系统汲水功能。
汲水结构模块安装于飞机船底断阶处，用于飞机汲水。飞机执行汲水任务时，汲水作动模块接收控制运算模块发送的指令，驱动汲水结构模块放下，飞机高速入水时，由于水与汲水结构模块的相对速度较大，水从汲水结构模块进入汲水管道，进而进入飞机水箱；汲水任务完成后，汲水作动模块驱动汲水结构模块收起，并保持在收起状态。
投水作动模块用于接收控制运算模块发送的投水指令，驱动投水舱门进行投水任务，包括解锁、开启；收回、上锁的动作。
管路通断驱动模块用于控制汲水管路的通断，实现系统不同汲水/注水模式的功能。
舱门位置监控模块安装于飞机水箱舱门处，用于实现对系统中投水舱门/舱门机构状态的实时监控。系统将检测到的水箱舱门/舱门机构位置状态信息上报控制运算模块、应急操作控制模块或远程数据集中器进行信号处理及逻辑判断，以便于实现系统的任务程序执行。
当有火情发生时，飞机飞往合适水域汲水、机场注水或地面加注灭火药剂混合液后飞往火区上空，按照灭火观察员灭火策略要求，飞行员在适当的时机打开投水舱门将水箱中的水投下，执行灭火任务；系统以控制运算模块为核心部件，综合机上信息、操作显示模块的操作指令，以及水量测量模块、投水舱门、汲水结构模块等设备的状态信息，根据系统控制逻辑向执行机构，即汲水作动模块输出控制信号、向机上系统的显示模块输出系统工作状态并作显示或告警；在紧急任务状态下(需要紧急放水情况)，系统接收应急操作控制模块指令，进行投水舱门的应急放下和收起，从而实现应急投水。
在系统执行任务过程中，操作显示模块为灭火任务控制分系统的人机交互设备，通过图形化形式展示系统各设备的实时状态，并提示系统当前的可执行操作；飞行员通过操作显示模块向控制运算模块传达系统任务的操作控制。
下面结合附图对本发明系统在不同工作模式下的控制方法作进一步说明。
1.地面注水工作模式
当需要执行灭火任务且无合适汲水水域时，如飞机处于地面状态且水箱无水，同时投水舱门处于收到位，舱门机构处于上锁到位状态；此时系统可执行地面注水任务。控制运算模块接收机上燃油余量信息，按照公式(可注水量＝飞机最大商载-燃油余量)计算得出当前飞机最大可注水量，并将当前可注水量信息通过总线发送给操作显示模块进行显示；飞行人员根据画面显示选择注水模式，通过操作显示模块向控制运算模块发送地面注水指令，系统进入地面注水工作模式；地面注水流程如图2所示。
地面注水操作指令有效，控制运算模块向管路通断驱动模块输出动作控制信号，驱动管路通断驱动模块执行动作，切断注水管路，地勤人员通过地面注水设备连接注水接口执行地面注水操作。地面注水任务过程中系统实时监测舱门、汲水结构模块、管路通断驱动模块、水量测量模块等状态信息并上报。
2.汲水工作模式
当需要执行灭火任务且有合适汲水水域时，飞机处于空中状态且水箱无水时，同时投水舱门处于收到位，舱门机构处于上锁到位状态时，系统可执行汲水任务。控制运算模块接收机上燃油余量信息，按照公式(可汲水量＝飞机最大商载-燃油余量)计算得出当前飞机最大可汲水量，并将当前可汲水量信息通过总线发送给操作显示模块进行显示；飞行人员根据画面显示选择汲水模式，通过操作显示模块向控制运算模块发送汲水指令，系统进入汲水工作模式。汲水流程如图3所示。
飞行员选择完成当前汲水模式后，再通过操作显示模块发送汲水准备指令，此时汲水结构模块放操作指令激活，控制运算模块向汲水作动模块输出动作控制信号，驱动汲水结构模块执行放下动作，各管路通断驱动模块按照选定的汲水模式打开或关闭。飞行员操纵飞机以一定速度实现水面滑行汲水，汲水过程中，测量测量模块实时上报水箱水量信息，汲水完成后飞行员通过操作显示模块手动执行汲水结构模块收起或控制运算模块自动延时发送汲水结构模块收起控制指令，驱动汲水作动模块动作，完成汲水结构模块收起，同时延时驱动管路通断驱动模块关闭。汲水任务过程中系统实时监测舱门、汲水结构模块、管路通断驱动模块等设备状态信息并上报；汲水工作原理见图4所示。
3.投水工作模式
3.1正常投水模式
当飞机处于空中状态、水箱载水时，系统可执行投水任务，控制运算模块根据当前载水量将可执行的投水模式信息发送给操作显示模块进行显示，飞行员通过操作显示模块选择相应的投水模式向控制运算模块发送相应的投水指令，系统进入对应的投水模式。正常投水流程如图5所示。
系统正常投水模块中，水量测量模块将采集到的水量信息通过429总线上传给控制运算模块，控制运算模块将水量信息综合处理后通过429总线上报给操作显示模块进行当前载水量和可执行投水模式显示。飞行员根据火情通过操作显示模块选择相应的投水模式，控制运算模块根据选定的投水模式进入对应的投水流程，按照图5所示的流程执行对应的操作同时激活投水准备。控制运算模块向投水作动模块发出控制信号，驱动投水舱门机构及投水舱门依次实现解锁及放下动作，完成投水任务；并延时驱动投水舱门及机构依次实现收起并上锁。投水任务过程中系统实时检测舱门、管路通断驱动模块、水量测量模块等状态信息并上报。投水原理见图6。
3.2应急投水模式
当控制运算模块与操作显示模块的综合控制逻辑出现故障或在紧急投水任务状态下，飞行员可以通过应急操作控制模块启用应急投水模式完成投水。应急投水流程如图7所示。
在执行应急投水操作时，飞行员首先通过应急操作控制模块激活投水准备，通过发送应急放指令向投水作动模块输出动作控制信号，驱动投水舱门机构解锁，实现应急投水；随后通过发送应急收指令驱动投水舱门收起并上锁。在执行应急投水时，应急操作控制模块设置有指示灯，实时对舱门状态进行指示；同时舱门位置监控模块和水量测量模块实时上报舱门和水量状态信息；应急投水原理见图6所示。
以上实施例仅用于说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种航空灭火任务控制系统，其特征在于，所述系统用于固定翼灭火飞机上，包括控制运算模块、操作显示模块、水量测量模块、应急操作控制模块、汲水作动模块、汲水结构模块、投水作动模块、管路通断驱动模块、舱门位置监控模块，其中：
所述控制运算模块为作为系统的核心，控制运算模块与其余模块之间进行操作指令、控制信号以及位置状态的电气信号交联；所述操作显示模块用于提供飞行员执行灭火任务时操作系统工作的人机界面，水量测量模块用于向控制运算模块、应急操作控制模块反馈水箱中的水量信息，应急操作控制模块用于在投水作动模块失效时作为备份执行投水任务；汲水作动模块按照控制运算模块发送的指令驱动汲水结构模块放下和收起，实现系统汲水功能；投水作动模块用于根据控制运算模块的投水指令驱动投水舱门进行投水任务；管路通断驱动模块用于控制汲水管路的通断，实现系统不同汲水/注水工作模式；舱门位置监控模块用于实现对系统中投水舱门/舱门机构状态的实时监控；
所述控制运算模块与其余模块之间进行操作指令、控制信号以及位置状态的电气信号交联，包括：
控制运算模块安装在机上通舱左设备柜，接收来自主、副驾驶的操作显示模块及机上操纵系统的投水、汲水和注水指令，并综合机上燃油信息、轮载信息和舱门位置监控模块反馈的系统设备状态信息，控制及驱动汲水、投水作动模块和管路通断驱动模块等设备动作，从而实现系统的任务流程控制；同时，控制运算模块实时监控系统状态信息并上报主、副驾驶的操作显示模块、飞行数据采集器、远程数据集中器及中央告警计算机；
当有火情发生时，飞机飞往合适水域汲水、机场注水或地面加注灭火药剂混合液后飞往火区上空，按照灭火观察员灭火策略要求，飞行员在适当的时机打开投水舱门将水箱中的水投下，执行灭火任务；控制运算模块综合机上信息、操作显示模块的操作指令以及设备的状态信息，根据系统的控制逻辑向汲水作动模块输出控制信号、向机上系统输出系统工作状态并作显示或告警；在紧急任务状态下，系统接收应急操作控制模块指令，进行投水舱门的应急放下和收起，从而实现应急投水；
当需要执行灭火任务且无合适汲水水域时，如飞机处于地面状态且水箱无水，同时投水舱门处于收到位，舱门机构处于上锁到位状态；此时系统可执行地面注水任务；
控制运算模块接收机上燃油余量信息，计算得出当前飞机最大可注水量，并将当前可注水量信息通过总线发送给操作显示模块进行显示；飞行人员根据画面显示选择注水模式，通过操作显示模块向控制运算模块发送地面注水指令，系统进入地面注水工作模式；
地面注水操作指令有效，控制运算模块向管路通断驱动模块输出动作控制信号，驱动管路通断驱动模块执行动作，切断注水管路，地勤人员通过地面注水设备连接注水接口执行地面注水操作；
当需要执行灭火任务且有合适汲水水域，且飞机处于空中状态且水箱无水，同时投水舱门处于收到位、舱门机构处于上锁到位状态时，系统可执行汲水任务：
控制运算模块接收机上燃油余量信息，计算得出当前飞机最大可汲水量，并将当前可汲水量信息通过总线发送给操作显示模块进行显示；飞行人员根据画面显示选择汲水模式，通过操作显示模块向控制运算模块发送汲水指令，系统进入汲水工作模式；
飞行员选择完成当前汲水模式后，再通过操作显示模块发送汲水准备指令，此时汲水结构模块放操作指令激活，控制运算模块向汲水作动模块输出动作控制信号，驱动汲水结构模块执行放下动作，各管路通断驱动模块按照选定的汲水模式打开或关闭；飞行员操纵飞机实现水面滑行汲水，汲水过程中，测量模块实时上报水箱水量信息，汲水完成后飞行员通过操作显示模块手动执行汲水结构模块收起或控制运算模块自动延时发送汲水结构模块收起控制指令，驱动汲水作动模块动作，完成汲水结构模块收起，同时延时驱动管路通断驱动模块关闭；
当飞机处于空中状态、水箱载水时，系统可执行投水任务，控制运算模块根据当前载水量将可执行的投水模式信息发送给操作显示模块进行显示，飞行员通过操作显示模块选择相应的投水模式向控制运算模块发送相应的投水指令，系统进入对应的投水模式；
系统正常投水中，水量测量模块将采集到的水量信息通过429总线上传给控制运算模块，控制运算模块将水量信息综合处理后通过429总线上报给操作显示模块进行当前载水量和可执行投水模式显示；飞行员根据火情通过操作显示模块选择相应的投水模式，控制运算模块根据选定的投水模式进入对应的投水流程：
控制运算模块向投水作动模块发出控制信号，驱动投水舱门机构及投水舱门依次实现解锁及放下动作，完成投水任务；并延时驱动投水舱门及机构依次实现收起并上锁；
飞行员通过操作显示模块向控制运算模块发送系统的操作指令从而驱动投水作动模块和汲水作动模块完成投汲水任务，并接收控制运算模块发送的系统状态信息进行显示；
当控制运算模块与操作显示模块的综合控制逻辑出现故障或在紧急投水任务状态下，飞行员通过应急操作控制模块启用应急投水模式完成投水；
在执行应急投水操作时，飞行员首先通过应急操作控制模块激活投水准备，通过发送应急放指令向投水作动模块输出动作控制信号，驱动投水舱门机构解锁，实现应急投水；随后通过发送应急收指令驱动投水舱门收起并上锁。
2.根据权利要求1所述的航空灭火任务控制系统，其特征在于，在应急模式的投水过程中，应急操作控制模块实时监控舱门、舱门机构的状态信息并进行到位指示，同时采集水箱水量信息且综合处理上报远程数据集中器。
3.根据权利要求1所述的航空灭火任务控制系统，其特征在于，所述汲水结构模块安装于飞机船底断阶处，用于飞机汲水；当汲水作动模块驱动汲水结构模块放下且飞机入水时，水从汲水结构模块进入汲水管道，进而进入飞机水箱。
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