無人機在溺水救援中的應(yīng)用研究★

丁子峻 何永明 陳會如

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

在我國水域災(zāi)害事故頻發(fā)，嚴重威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，在全球每年有多人死于溺水事故。據(jù)統(tǒng)計，在我國的溺斃人群中，有超過50%是25歲以下的青少年，中小學(xué)生每天有人因溺水死亡。在0歲～14歲兒童意外死亡中，溺水死亡也占據(jù)了超過50%的比例。因此，開發(fā)合理有效的救援方式，將無人機合理利用在溺水救援事故中具有極高的研究價值和社會意義。

1 溺水事故現(xiàn)狀與分析

1.1 溺水救援的現(xiàn)狀

溺水事故通常有突發(fā)性強、危害性大和救援困難三個特點。溺水事故通常是突然發(fā)生的，在事發(fā)之前并沒有任何征兆，受害者來不及做出任何自救行為，救援人員也需要臨時進行救援準備。

溺水事故通常對受害者具有較大的人身傷害，據(jù)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當溺水時間超過10 min后，會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的腦部損傷，即使經(jīng)過治療后，也有很大的可能性出現(xiàn)后遺癥。

目前，對于溺水事故常見的救援方法仍為直接游泳救援，該救援方法潛在風(fēng)險較大，對救援人員需要較高的救援素質(zhì)與能力。在我國，溺水急救普及率太低，經(jīng)常會出現(xiàn)岸邊的人“心有余而力不足”的情況，即便想要施以援手，卻也不敢貿(mào)然出手。而且，從安全的角度也并不支持貿(mào)然施以援手，當現(xiàn)場情況不穩(wěn)定時，很容易導(dǎo)致“一人溺水，多人死亡”的慘劇發(fā)生。即便受到專業(yè)訓(xùn)練的救援人員在進行溺水救援中也有很大的危險性，據(jù)統(tǒng)計，在2015年有多位人民警察犧牲于水域救險戰(zhàn)斗之中，占比超過2015年人民警察在救援搶險任務(wù)中犧牲的50%。

1.2 溺水救援環(huán)境分析

出現(xiàn)溺水事故的環(huán)境具有多種，通常可概括為以下三類：一類是開放水域，包括江河湖海等流域面積較大、流動性較強的天然水域。一類是人工水域，包括游泳池、水塘、人工湖等面積較小、水流速度低于0.4 m/s的水域。還有一類是平靜水域，包括江河漲水后留下的水洼、人工建造的蓄水池等，此種水域通常環(huán)境比第一類簡單比第二類復(fù)雜，是農(nóng)村和郊區(qū)地區(qū)常見的溺水事發(fā)地。

1.3 溺水救援特點分析

當發(fā)生溺水事故時，不會游泳的人通常在5 min～6 min內(nèi)即會淹沒，具有自救知識的人可以堅持20 min～30 min。據(jù)分析，在呼吸和供氧停止后4 min內(nèi)不會對人體大腦造成損害;在4 min～6 min內(nèi)，根據(jù)人體差異，可能會造成腦部組織的損傷;在6 min～10 min內(nèi)，有很大的可能會造成腦部組織的損傷；當溺水時間超過10 min后，即使進行了心肺復(fù)蘇和心臟除顫等急救處理后，也會對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害甚至可能會出現(xiàn)植物人的情況。因此，在溺水事故發(fā)生的6 min內(nèi)是救援的“黃金時期”。

當救援人員對溺水人群施以援助時，剛開始，由于受害者的緊張與害怕情緒，極有可能會失去理智或者做出妨礙救援的動作，因此會給救援人員帶來極大的不便，造成救援時間的浪費。

2 無人機救援的發(fā)展背景與研究意義

近年來，無人機的技術(shù)不斷成熟，現(xiàn)在軍用和民用方面都有了廣闊的發(fā)展空間和成熟的發(fā)展背景。多旋翼無人機可以在復(fù)雜和危險的環(huán)境下工作，具有升力大、動力強、成本低、飛行靈活、操作簡便等優(yōu)點。無人機可以在很短時間內(nèi)到達救援人員無法到達的位置，因此通過無人機來對溺水人員進行救援具有很大的可行性和社會價值。

2.1 無人機的發(fā)展背景

2.1.1 社會背景

溺水事故頻發(fā)，不光對人民群眾的生命安全造成了巨大的隱患同時間接對人民群眾的財產(chǎn)安全造成了巨大的威脅。無人機由于其航拍圖像清晰以及準確的定位系統(tǒng)使得其應(yīng)用范圍越來越廣，在交通調(diào)查中，無人機可以用來調(diào)查城市道路交通量；可以勘探地形；可以進行農(nóng)業(yè)檢測等。無人機還具有較高的速度，通過無人機事先偵察并拋投救生設(shè)備既可以縮短救援時間又可以穩(wěn)定住溺水者的情緒，為后期的救援提供極大的便利條件。

2.1.2 技術(shù)背景

利用無人機進行溺水救援主要需要的技術(shù)為航跡規(guī)劃技術(shù)、定位技術(shù)和航拍攝影技術(shù)。

1)航跡規(guī)劃技術(shù)。航跡規(guī)劃是根據(jù)預(yù)設(shè)或突發(fā)的地形數(shù)據(jù)，通過導(dǎo)航技術(shù)，在規(guī)定的時間內(nèi)計算出最佳或次佳的航跡，要求符合無人機機動性能約束并使綜合代價最小。2)定位技術(shù)。Global Positioning System(GPS)是1958年美國軍方的一個項目，稱為全球定位系統(tǒng)。GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時等導(dǎo)航信息。3)航拍攝影技術(shù)。無人機作為一個飛行平臺，都配備了高清攝像機，目前市場上的無人機已經(jīng)配備了1080甚至4 K超高清攝像頭，可以清晰的反映實際情況。

2.2 無人機救援的意義

當前無人機的速度可以達到80 km/h～120 km/h，平均可抗風(fēng)速8 m/s，最高等級達到14 m/s，因此，在大多數(shù)天氣情況下，無人機救援可以適用。根據(jù)前文所述，溺水事故發(fā)生6 min內(nèi)是救援的黃金時期，我們按照無人機平均速度100 km/h計算，在黃金救援時期內(nèi)的6 min，無人機可以飛行大致10 km的距離，因此，我們定義10 km為安全距離，在已經(jīng)發(fā)生過的溺水事件中，幾乎沒有進行過如此長距離的救援，因此10 km的安全距離我們認為在日常救援中是具有極大的安全意義的。

3 無人機救援的工作原理

3.1 無人機航跡規(guī)劃

國外專家Stephane等早在1998年就開展了無人機航跡規(guī)劃的相關(guān)研究，S.J.Asseo提出將最速下降法應(yīng)用于求解地形跟蹤及地形規(guī)避。Iris Hong Yangy和James Doebble分別研究了規(guī)避地形障礙物的實時航跡規(guī)劃問題，所得的航跡可以自動實現(xiàn)地形回避，并且實時性較強。

3.2 無人機定位分析

由于黑體輻射的存在，任何高于絕對零度即-273.15 ℃的物體都依據(jù)溫度的不同對外進行電磁波輻射，而且隨著溫度的升高，物體的分子或者原子的運動也會隨之變得激烈，分子或原子活動越激烈，紅外輻射的能量就越大。因為不同物體之間存在著溫度差異，所以不同物質(zhì)具有不同的紅外輻射能量。波長為2.0 μm～1 000 μm的部分稱為熱紅外線。熱紅外線成像通過對熱紅外敏感CCD對物體進行成像，能反映出物體表面的溫度場。根據(jù)熱力學(xué)第三定律，任何物體都達不到絕對0 ℃，因此所有物體都會形成熱紅外線輻射狀態(tài)。

熱成像是通過非接觸探測紅外能量(熱量)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并可以對溫度進行計算的一種檢測設(shè)備(見圖1)。

紅外熱像儀是通過紅外輻射來成像，成像過程不需要借助光線，因此，利用紅外熱像儀，不論是白天還是晚上，都可以進行搜尋。并且，紅外熱像儀還包括了測溫、數(shù)字圖像增強和偽彩色三大功能(見圖2)，這三項功能可以幫助工作人員在最短的時間定位，尤其是在夜晚，可以及時準確的定位到被救援人員，及時拋投救援設(shè)備。

3.3 遙控設(shè)備

無人機的遙控部分選用無線遙控器，通過在無人機上安裝舵機控制器上連接無線接收模塊，將舵機控制器與無線遙控器通過無線頻率相連。通過對應(yīng)的無線信號實現(xiàn)對無人機的相應(yīng)控制。

4 無人機設(shè)計要求及救援流程設(shè)計

4.1 無人機設(shè)計要求

當前的無人機都根據(jù)空氣動力學(xué)角度出發(fā)，充分考慮了外界環(huán)境對無人機飛行的影響。但是無人機的機體小，續(xù)航能力差，攜帶物品能力仍較差等特點都應(yīng)進行不斷改進，并且根據(jù)人機工程學(xué)的角度來盡量避免對被救援人員和無關(guān)人員的傷害。

4.2 無人機救援流程設(shè)計

針對不同的救援情況和救援特點設(shè)計不同的救援模式，達到在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)救援。模式一：主要針對天氣晴朗，可見度較高的情況下，當肉眼可見落水者的具體位置時，救援人員可以直接用遙控器操縱無人機進行救援，無人機的航線大致上為一條直線(見圖3)。模式二：主要針對惡劣天氣，或者是夜晚，當受到求救信息時，無人機進行搜救，這時熱成像技術(shù)便得到了更好的應(yīng)用。可以搜尋到人的肉眼不能及時發(fā)現(xiàn)的落水者，即使展開救援(見圖4)。

5 結(jié)語

近年來，無人機的發(fā)展可謂迅猛，無人機的應(yīng)用范圍也越來越廣，本文探討的利用無人機進行快速運輸救生設(shè)備實現(xiàn)對溺水人群的救援具有重要意義。并且無人機操縱簡便，溺水人群的救援時間可謂“一寸光陰一寸金”，利用無人機救援可以極大的節(jié)省救援時間，減輕對溺水人群的傷害。由于現(xiàn)在并沒有專業(yè)的救援無人機，因此接下來需要加強對救援方面的研究與建設(shè)，實現(xiàn)專業(yè)救援的水平。無人機救援也可不斷發(fā)展，在接下來的發(fā)展中，可以利用無人機對水域進行巡航，制訂巡航線路，一旦發(fā)生溺水事故，便可直接進行救援并報警，減輕對人民群眾造成的傷害。