水上多功能遙控救生裝置設計

高超楠， 王帥軍， 李永平， 潘震， 田智齊， 陳雨彬

（浙江海洋大學 港航學院，浙江 舟山316022）

0 引 言

隨著我國經濟的發展，人們收入水平和消費水平顯著提高，促使第三產業和旅游產業的不斷發展與成熟，水上娛樂成為旅游產品中最受歡迎的項目之一，而水上安全問題也凸顯出來。據世界衛生組織（WHO）調查顯示[1]，世界各地每年溺水死亡數估計為36萬例，而在我國大約每年有57 000人死于溺水，相當于每天有150 多人。據有關水上救援資料顯示，水上救援黃金時間只有5 min，但現有的救援方式在手段、時效性等方面限制了人們對溺水者的有效救援[2]，而其中一部分人的死因就是由于采用了傳統的、落后的救援方式導致的。

1 傳統救援方式存在的問題

目前對溺水者的救援方式主要有拋擲救生圈、救生員救援、救生艇救援等，這些傳統救援方式存在時效性差、救援方式落后、成本高、風險大、對救援人員要求高等問題[3-5]。

1.1 拋投救生圈

拋投救生圈的方式大致有三種：一是人工直接拋投，這種方式最為簡單，但存在拋投范圍小、投遞精確度無法把握的問題，且易受天氣、水面狀況的影響；二是彈射器拋投，這種方式是投射者通過彈射器進行拋投，定位不準確、距離不易掌控；三是無人機定點投放[6]，這種方式受環境影響大、成本高。

1.2 救生人員下水救援

救生人員下水救援是最直接的救援方式，但這種方式時效性差，對救援人員的身體素質和技能要求高。在救援過程中被溺水者拉下水的風險較大。

1.3 其他救援方式

其他救援方式如皮劃艇、沖鋒舟、救生筏等，雖然這些方式救援效率較高，但是救援不及時，且在靠近落水人員過程中會形成強勁的擾流，嚴重時還會產生漩渦存在將人拖入水下等風險，人力物力消耗過大，成本高。

2 水上多功能遙控救生裝置的設計

2.1 總體設計要求

針對傳統救生方式存在時效性差、救援方式落后、成本高、風險大、對救援人員要求高等問題。本文設計了一種多功能新型救生裝置，其設計要求包括以下三方面：

1）針對救援效率低、救援風險大、救援精度不高的問題，救生裝置應配有無線控制系統和動力系統，其結構需進行優化設計減小其在水中的運動阻力，便于快速救援，實現精準救援，減少救援時間。

2）救生裝置需具有強度高、耐蝕性好等特性，使其適用于淡水和海水環境，具有較長的使用壽命；需滿足成本低、操作簡單安全、便于維修保養和攜帶的要求。考慮多種環境因素和救援實際情況的影響，需設計更加全面、多功能化的設備。

3）適用范圍廣，可應用于海上救援、抗洪救災、船舶安全配備等方面，面向船舶企業、水上救援部門，也可用于海濱游場、游泳館、水上樂園等地。

2.2 工作原理

利用AutoCAD軟件平臺設計出的水上多功能遙控救生裝置的示意圖如圖1所示。

圖1 水上多功能遙控救生裝置設計圖

圖1包括呈U形的救生裝置本體、設于裝置本體兩側的推進機構、置于裝置本體內的無線控制系統及蓄電池，無線控制系統與推進機構及蓄電池用電路連接，且控制系統通過通信信號與遙控器連接。

使用時將裝置放入水中，操作者在岸上通過使用遙控器發出指令，救生裝置上的接收器接收信號控制電動機驅動救生裝置運動以實施快速準確的救援。如遇到黑夜、大霧天氣可打開燈光照明。

當救生裝置到達溺水者身旁時，溺水者可根據救生裝置發出的警報聲來判斷救生圈的位置，并通過抓住防滑繩進入救生裝置內。救援人員根據救援情況操作救生裝置將其安全帶回。其工作流程如圖2所示。

圖2 救生裝置工作流程圖

2.3 主要組成部分

1)無線控制系統。主要由信號發射器、信號接收轉換器兩部分組成，信號發射器安裝在遙控端，發射器通過遙控信號的編碼轉化成無線電波發射到救生裝置的信號接收端，接收端收到載有遙控信號的無線電波，放大、解碼，得到原先的控制電信號，該電信號再通過功率放大器來驅動相關的電氣元件實現無線遙控[7]。

2)動力推進系統。該系統由螺旋槳、電動機組成，螺旋槳對稱安裝在救生裝置的尾部，由兩個電動機分別驅動，在保證充足動力的同時，也可實現速度的調控。電動機受到控制系統的調控來改變螺旋槳的轉速，實現救生裝置的加減速和差速轉彎[8]。

3)外部組件。組件由電量顯示器、防滑繩、安全帶、內嵌式LED燈、把手、報警裝置、入水口防護網等部件組成。電量顯示器可顯示電量；防滑繩便于落水人員抓住救生裝置；安全帶用于防止落水人員在裝置運行的過程中滑出；LED燈內嵌在裝置的兩側，能在黑夜、霧天等能見度低的環境下提供照明；把手則為落水人員提供了一個著力點；報警裝置方便提醒落水者救援設備的到來；入水口防護網用于防止水中雜物或頭發卷入螺旋槳。

3 水上多功能遙控救生裝置研究技術路線

3.1 研究路線

首先根據水上多功能救生裝置功能的設想，結合流體力學理論，初步確定U形救生裝置的形態特征。其次結合電子、通信等技術設計無線控制系統；基于數學模型和流體力學理論設計微型推進器，根據多功能化設計要求，設計能對抗環境因素和滿足救援要求的裝置；然后利用STAR-CCM+仿真軟件對Rhino軟件建立的三維模型進行數值測試，分析救生裝置在水面航行興波和浮力大小問題，探究模型在水中的速度殘差特性、阻力系數變化規律及模型穩定性問題；利用Fluent軟件調試推進器，再利用3ds Max軟件優化三維建模，借助Patran等專業有限元軟件對該結構進行受力分析，優化U形結構，預期研究路線如圖3所示。

圖3 裝置設計技術路線圖

3.2 模型實地測試方案

在游泳區或近海海域進行實地測試，首先選取實物模型的推進器處于滿電量、半電量、低電量3種情況下進行測試，多次實驗并記錄救生裝置在不同電量下的速度、運動形態及續航里程、遙控信號接受與反饋情況、裝置運作狀況等多項數據。考慮到溺水者的心理反應和行為表現，模擬溺水者在慌亂的情況下能否抓住救生裝置,并在水域中安排有救生員看護的待救人員，測試救生裝置承受不同載重量后的浮力和穩定性情況。

最后整理數據，制定裝置優化方案。實地實驗方案示意圖如圖4所示。

圖4 實地實驗方案示意圖

4 水上多功能遙控救生裝置的可行性分析

4.1 結構可行性分析

救生裝置本體和外部構件如內嵌LED燈、把手等都采用流線型設計，能夠減小裝置在水中的運行阻力，提高續航能力和運行速度，整體結構一體化；裝置內部的各個組件合理劃分區域，保護各個內部組件的同時，提高裝置在水上的運動穩定性；傾斜的入水口為動力系統提供充足的進水量；在進水口處裝有安全網，能夠有效防止水中雜物或頭發卷入動力系統中。

4.2 技術可行性分析

該裝置的無線控制技術采用單片機控制，無線發射電路模塊經過編碼芯片來進行編碼，接收模塊進行解碼并輸出指令來控制電動機轉速，能夠實現遠距離、高精度操控[9]。

該裝置適用于各種復雜水域的救援，通過無線控制技術實現遠程操控，大大縮減了救援時間，具有一定的技術可行性和實用性。

4.3 操作可行性分析

水上多功能遙控救生裝置操作簡單，一旦發現落水者，操作人員只需站在岸上將救生裝置拋至水中，手持遙控裝置操作，避免了救援人員下水因身體狀況和水下環境的影響出現安全事故，同時提高了救援效率。

5 結 語

1）本文總結了現有傳統救生方式的不足，主要存在時效性差、救援方式落后、成本高、風險大，以及對救援人員要求高、受環境影響大等問題。

2）本文從結構、技術、操作、經濟性等方面總結了水上多功能遙控救生裝置的設計要求，主要是救援效率高、操作簡單，有效地彌補了傳統救生設備的不足，可適用于復雜條件下的救援。然后，利用AutoCAD軟件設計出救生裝置，主要包含無線控制系統、動力系統及結構優化設計等，介紹了其工作原理及主要部件，并做出了救生裝置設計的研究方案和實驗方案，最后從結構、技術、操作性等方面論證了該裝置具有良好的可行性。

3）本文對該裝置的研究僅僅是理論研究，能否運用到實際救援過程中還需通過數值模擬、樣機制造、實地測試等方面做進一步的探討。