基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)

趙嘉厚 孫鳳婷 陳 浩 周君曉 馬向虎 朱海龍

（東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 研究背景

我國江河湖眾多，且存在眾多優(yōu)質的天然海濱浴場，吸引了眾多游客慕名前來，給沿海城市旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的活力，也增加了城市的經(jīng)濟收入[1]。以大連市為例，大連市海岸線總長超過2 200 km，截止目前，已開發(fā)的海濱浴場59 個，良好的浴場條件、適宜的海濱氣候可以為城市帶來巨大的經(jīng)濟收入。然而我國及一些沿海發(fā)展中國家的水上救援措施較為落后，每年都有許多人因為不能獲得及時救助而失去寶貴的生命?？茖W研究表明，溺水救援的黃金時間為4 min，因此，快速救援對溺水者有至關重要的意義。

傳統(tǒng)的救援方案多依靠岸邊救生員肉眼發(fā)現(xiàn)遇險事故，再從岸邊駕駛沖鋒舟或橡膠艇前往事發(fā)地點進行救援，現(xiàn)有救援方案存在救援效率低、救援不及時等問題，并且靠救生員肉眼發(fā)現(xiàn)險情存在一定的延遲。因此，尋找一種高效率的救援方式十分重要。

在經(jīng)濟發(fā)達的歐美沿海國家，救援設施較為先進，例如采用無人機或水上機器人救援。楊淮清、肖興貴等人針對海濱浴場救援研究設計了一種實用化水面救援機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由視頻監(jiān)控對救援對象進行搜尋，利用機器人速度快的優(yōu)點，先由機器人抵達被救助對象附近并投擲救生器材以及其他施救器械，再由救生員進行人為救助；王小龍等人[2]研究了一種高處無人機救援裝置，包括全景攝像機及高處救援機構；美國oceanα 公司研制了Dolphin1 遙控救生裝置，該設備可從岸邊或船上投放，遙控至被救人員身邊進行救援。但上述救援設施存在救援成本高、被救人員使用不舒適等缺點，因此針對該救援方式，如何降低救援成本、考慮使用中的人機工程學就顯得尤為重要。

1 總體設計思路

1.1 救援流程

根據(jù)以上分析，該文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)，該救援系統(tǒng)由救援手環(huán)、伺服救援裝置以及管理監(jiān)護終端3 個部分組成，其中伺服救援裝置包括浮子和救援機器人，管理監(jiān)護終端包括可視化微信小程序和救援人員使用的監(jiān)護終端。救援手環(huán)實時監(jiān)測佩戴人員的安全狀態(tài)并將信息傳回監(jiān)控終端，一旦發(fā)生危險，救援手環(huán)將向監(jiān)控終端發(fā)出報警信號，由監(jiān)控終端的救援人員遙控控制伺服救援裝置對救援對象實施救助，實現(xiàn)救援對象與救援裝置的“一對一”精準快速救援。

救援手環(huán)設有2 種求救方式：1）佩戴人員主動求救。如果佩戴人員有意識，可按下主動求救按鈕尋求救援。2）被動求救。如果佩戴人員無自主行動能力，則由血氧檢測模塊判斷是否處于危險情況，處于危險情況就發(fā)送求救信號。

管理監(jiān)控終端接收到求救信號后，微信小程序對傳回的狀態(tài)、位置信息進行可視化處理，救援人員根據(jù)信息遙控控制伺服救援裝置，救援機器人脫離浮子平臺前往救援。救援機器人在電機的驅動下前往求救人員的位置，達到地點后，根據(jù)救援機器人的結構設計，求救人員將救援機器人移動至適當位置后，由兩側把手為肘部提供支撐，最后氣囊充氣排水，以增強救援機器人載人后的浮力，達到調節(jié)重心的目的。

1.2 設計方案

下面對救援過程中涉及的具體救援與監(jiān)測方案和通信方案進行說明。

1.2.1 監(jiān)護與救援方案

伺服救援裝置可根據(jù)實際需要在監(jiān)護區(qū)域外圍及中間排布，從而實現(xiàn)多角度、高效率的監(jiān)護與救援，伺服救援裝置呈陣列式分布在海域內。當游客求救時，由距離最近的救援機器人脫離浮子平臺，對游客進行救援。該方案對保障近岸水上人員的安全、提高救援效率具有積極意義。

該救援方案具有以下3 個特點：1）采用水上伺服救援的方式，救援機器人可在第一時間到達事發(fā)地點，救援效率高；設計救援機器人時，充分考慮了人機工程學，為被救人員提供全方位可靠的支撐，且可以通過氣囊調節(jié)重心，避免被救人員受到二次傷害。2）邊界區(qū)域往往是傳統(tǒng)救援的死角，通過合理布置浮子平臺，利用浮子平臺上的攝像頭，可對邊界區(qū)域進行重點監(jiān)控，從而實現(xiàn)對海域的全方位監(jiān)護。3）游客主動求助與被動求助相結合，與傳統(tǒng)靠救生員肉眼發(fā)現(xiàn)救援對象相比，該方案可以實現(xiàn)求救及危險信息的多路傳送，有更高的時效性。

1.2.2 通信解決方案

該系統(tǒng)將2.4 GHz 非聯(lián)網(wǎng)方案與4G+MQTT 輕量物聯(lián)網(wǎng)方案相結合。

考慮到救援手環(huán)的成本問題，在不影響傳輸效率的前提下，救援手環(huán)將監(jiān)護人員定位、狀態(tài)等信息通過2.4 GHz 非聯(lián)網(wǎng)解決方案發(fā)送給浮子平臺，浮子平臺利用2.4 GHz 模塊接收消息后，通過4G 模塊將信息發(fā)送給部署在阿里云服務器上的MQTT 服務器。管理監(jiān)護終端通過微信小程序向MQTT服務器訂閱有關主題從而獲取信息，最終形成將救援手環(huán)的報警、位置等信息傳輸給監(jiān)控管理終端的方案。此外，救援機器人的定位信息、視頻圖像以及語音通話等也將傳輸給監(jiān)控終端。救援人員利用2.4 GHz 非聯(lián)網(wǎng)方案遙控救援機器人。

該通信方案適用于海上受限環(huán)境，且在不降低傳輸效率的前提下，降低救援手環(huán)與系統(tǒng)部署的成本。具體通信方案如圖1 所示。

圖1 通信解決方案

1.3 手環(huán)設計

基于Arduino Nano 開發(fā)板設計的救援手環(huán)，設有血氧監(jiān)測模塊、NEO-8MGPS 追蹤模塊、主動按鈕以及OLED 顯示屏模塊。考慮到救援手環(huán)小體積、低成本的需求，采用2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)解決方案將血氧、GPS 位置等信息以浮子平臺上的信號基站為中轉通過物聯(lián)網(wǎng)實時發(fā)送給管理監(jiān)護終端。

設計的手環(huán)實物圖如圖2 所示。

圖2 救援手環(huán)（拆除防水罩）

1.4 伺服式救援裝置設計

伺服救援裝置包括救援機器人和浮子平臺2 個部分。伺服狀態(tài)下，救援機器人固定于浮子平臺上，有救援任務或其他任務時，救援機器人脫離浮子平臺進行工作。

1.4.1 浮子平臺

浮子平臺的主要功能有固定救援機器人、信息中轉、救援機器人供電以及邊界監(jiān)控等。

浮子平臺通過錨系固定部署在監(jiān)護區(qū)。其上設有高功率2.4G 模塊和4G 透傳模塊。2.4G 模塊用于接收所有救援手環(huán)發(fā)送的位置、狀態(tài)信息，采用4G 模塊將上述信息發(fā)送給部署在阿里云上的MQTT 服務器，實現(xiàn)信息中轉。浮子上的充電模塊可以為固定在浮子上的救援機器人供電，攝像頭可實現(xiàn)對海濱浴場邊界的監(jiān)控。

1.4.2 救援機器人

救援機器人的主要功能包括及時趕到事發(fā)地點救起遇險人員并將其固定帶回岸邊、在浴場邊界巡邏喊話等。

救援機器人為雙體結構形式，與單體形式相比有更高的穩(wěn)定性。機器人裝有GPS 定位模塊，用于在大范圍內確定救援路線；上部裝有防抖攝像頭，用于操控人員對救援對象進行小范圍搜尋和狀態(tài)觀察。機器人裝有喇叭和拾音器，用于與被救人員或其他游客對話。此外，在設計的過程中，充分考慮了人機工程學，設有肘部支撐、胸部支撐，以保證救援對象的正常姿態(tài)，防止人員脫離救援機器人，且后部裝有可調節(jié)氣囊，當被救人員到達機器人規(guī)定的位置時，氣囊充氣排水，可增強浮力、調節(jié)重心。

救援過程中，救援人員通過2.4 GHz 射頻收發(fā)器遙控救援機器人進行救援。機器人由2 個電動機驅動，單個電動機功率可達到450 W，保證了救援裝置的行進速度，從而提高救援效率，電機則由鋰電池供電。機器人不載人時的水上速度可達6 m/s，載人時的速度為2 m/s。沒有救援任務時，機器人處于伺服狀態(tài)并固定在浮子平臺上，可由浮子平臺對其進行充電補給。

救援機器人渲染圖和實物圖如圖3、圖4 所示。

圖3 救援機器人渲染圖

圖4 救援機器人實物圖

1.5 監(jiān)控終端設計

微信小程序實時從MQTT 服務器獲取信息，最終實現(xiàn)在微信小程序上顯示手環(huán)佩戴人員的狀態(tài)信息以及在小程序的騰訊地圖上實時顯示手環(huán)佩戴人員以及救援機器人的位置。

2 創(chuàng)新特色

2.1 遠端多點布控，定點監(jiān)控與巡查結合

外圍遠端部署伺服救援裝置（浮子平臺和救援機器人），浮子平臺漂浮在海面上，救援機器人停泊在浮子平臺上且處于伺服狀態(tài)，一旦接收到求救信號指令，距離救援地點最近的救援機器人直接從浮子平臺出發(fā)進行施救，與傳統(tǒng)的人工救援方式相比，其救援效率更高，也更及時。

2.2 游客主動求助與被動求助相結合

救援手環(huán)設有主動求救按鈕和血氧監(jiān)測模塊，從主動求救和被動求救2 個方面保證救援對象遇險時能被及時發(fā)現(xiàn)并得到救援，與傳統(tǒng)靠救生員肉眼發(fā)現(xiàn)救援對象相比，做到了求救及危險信息的多路傳送，有更高的時效性。

2.3 采用物聯(lián)網(wǎng)技術，多路信息高效傳送

系統(tǒng)涉及浮子平臺、救援機器人以及監(jiān)護管理終端等多設備的信息交互，傳遞的信息包括聲音、視頻、定位以及求救信息等，對準確性和實時性的要求較高，該系統(tǒng)的信息傳送方案采用2.4GHz 非聯(lián)網(wǎng)解決方案與4G+MQTT 物聯(lián)網(wǎng)解決方案相結合的方式，在保證使用功能的同時，大大降低了系統(tǒng)成本，非常適合在水面等比較開闊的區(qū)域中應用。

3 應用前景

世界衛(wèi)生組織在2017 年發(fā)表的《全球溺水報告》指出，全球每小時有將近42 人死于溺水，每年溺水死亡數(shù)估計有36 萬例，占全球總死亡率的9%，溺水已經(jīng)是一個主要的公共安全問題[3]。

該文所設計的救援系統(tǒng)不僅提高了救援效率，降低人身安全損失；而且節(jié)省了救援成本，救生員無須下水即可完成救援，降低了救生員的救援危險。如果將該系統(tǒng)應用在海濱浴場，就能在長期經(jīng)營過程中降低管理者的運營成本，更大限度地保障游玩人員的安全，而且能夠給投資者帶來可觀的經(jīng)濟效益，具有可觀的市場應用前景。該系統(tǒng)還可布置在各種無人看管的近岸水上區(qū)域，最大程度地保證涉水人員的安全，從而降低人員傷亡、財產(chǎn)損失的風險。

4 結論

該文針對傳統(tǒng)近岸水上救援方式存在的缺點設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術，多路高效傳送信息，以低成本的方式提高了近岸水上救援的效率。同時，遠端多點布控，定點監(jiān)控與巡查結合、游客主動求助與被動求助相結合的救援方式，實現(xiàn)了多點、多角度、高效率的監(jiān)護體系與救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)對加強近岸水上安全性，提高水上應急救援數(shù)字化、智慧化，實現(xiàn)全民共享，優(yōu)化水路通行結構，提升服務水平，構建便捷高效、安全綠色的出行體系有一定的借鑒意義。