深井救援技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

摘要：深井救援技術(shù)是指在深井事故救援過(guò)程中對(duì)被困人員進(jìn)行救援各環(huán)節(jié)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括環(huán)境偵測(cè)技術(shù)、生命探測(cè)技術(shù)、深井快速破拆技術(shù)、應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)及保障深井事故救援順利進(jìn)行的其他輔助技術(shù)。深井救援裝備是指在深井救援技術(shù)實(shí)施過(guò)程中必要的硬件裝備和軟件平臺(tái)等。研究深井救援技術(shù)和裝備對(duì)于保障被困人員生命安全、減少事故損失至關(guān)重要。分析了深井救援裝備及關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀，指出現(xiàn)有的救援技術(shù)和裝備并不能完全滿足復(fù)雜多變的環(huán)境要求，存在救援裝備的通用性與專用性研究不足、救援裝備智能化程度有待提升、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力難以滿足救援復(fù)雜環(huán)境要求、救援裝備創(chuàng)新性研究不足等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，展望了深井救援裝備與技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)：① 深井救援裝備應(yīng)通過(guò)不同救援場(chǎng)景進(jìn)行專用性和通用性劃分，單一裝備向多功能性、高可靠性、高機(jī)動(dòng)性發(fā)展。② 救援裝備智能化、精準(zhǔn)化、自主決策化，實(shí)現(xiàn)智能裝備為主、人員為輔的救援模式。③ 構(gòu)建急速組網(wǎng)、多模式組網(wǎng)、一體化救援網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。④ 集成TDLAS 雖然目前并沒(méi)有達(dá)到救援標(biāo)準(zhǔn)，但其高分辨率、高靈敏度和可集成化在未來(lái)將會(huì)發(fā)揮重要作用，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的高集成、輕量化、高效化。

關(guān)鍵詞：深井救援；救援裝備；空天地一體；智能救援；偵測(cè)裝備；挖掘/破拆裝備；通信裝備；吊升裝備

中圖分類號(hào)：TD676 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來(lái)，深井事故頻發(fā)，給人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。深井救援是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性和危險(xiǎn)性的任務(wù)，它涉及對(duì)被困者及救援人員的安全和救援效率。事故發(fā)生環(huán)境可劃分為水井或機(jī)井、工程深井、礦井等，不同環(huán)境對(duì)救援工作提出了更加復(fù)雜的要求。惡劣的環(huán)境不僅對(duì)被困者構(gòu)成巨大威脅，也對(duì)救援人員的安全和救援效率提出了挑戰(zhàn)。事故發(fā)生后，如果能及時(shí)利用先進(jìn)的救援裝備，可顯著降低救援難度，提高成功率，減少人員傷亡、降低社會(huì)負(fù)面影響。因此，亟需針對(duì)智能化、專業(yè)化、高效化的先進(jìn)深井救援技術(shù)與裝備開展深入研究。

深井救援裝備是指專門用于地下深井環(huán)境中的救援行動(dòng)的設(shè)備，能夠滿足深井救援通信、環(huán)境及生命信息偵測(cè)、破拆救援等實(shí)際需要。這些裝備的設(shè)計(jì)和使用需考慮深井環(huán)境的特殊性，以確保救援行動(dòng)的高效性和安全性。同時(shí)，應(yīng)急管理部頒布的《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》和應(yīng)急管理部等5 部門提出的《關(guān)于高危行業(yè)領(lǐng)域安全技能提升行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施意見》要求救援人員具備的專業(yè)技能，加大對(duì)深井救援人員的培訓(xùn)力度，提高其應(yīng)對(duì)深井事故的能力，這些制度的建立為深井救援的發(fā)展提供了重要支持和保障。

深井救援作為應(yīng)急救援分支之一，起步較晚，且一直依賴于傳統(tǒng)的人力和基本設(shè)備。現(xiàn)有的救援裝備結(jié)構(gòu)笨重、效率低下，救援人員下井存在體能和安全考量，井內(nèi)易腐物體及墻壁滲透會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，增加安全風(fēng)險(xiǎn)。為了克服這些困難，減少傷亡，提升效率，深井救援裝備的研究勢(shì)在必行[1]。

隨著無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等高科技設(shè)備的廣泛應(yīng)用，深井救援的效率和安全性得到了顯著提高。但由于深井環(huán)境的特殊性，救援過(guò)程中仍面臨許多挑戰(zhàn)。深入研究深井救援技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于提高救援效率、保障救援人員的生命安全具有重要意義。

1 深井救援概述

1.1 深井事故案例分析

筆者統(tǒng)計(jì)分析了2018?2023 年我國(guó)新聞報(bào)道的115 起深井困人事故，共造成127 人被困，12 人遇難，如圖1 所示。根據(jù)救援場(chǎng)景將深井劃分為廢棄枯井、市政深井、水井或機(jī)井、工程深井和其他窖井（如姜井、排煙井等）5 類，工程深井、各類市政深井造成墜井事故最多， 其中市政深井事故共21 起，造成7 人死亡， 分別占事故總起數(shù)和死亡人數(shù)的18% 和58%，造成慘痛傷亡和惡劣社會(huì)影響。除上述場(chǎng)景外，礦山事故的井下救援場(chǎng)景也屬于深井救援的范疇，我國(guó)礦山安全形勢(shì)嚴(yán)峻，僅2022 年發(fā)生礦山安全事故367 起，造成518 人死亡，深井救援任務(wù)艱巨。

1.2 深井事故特點(diǎn)

深井存在形狀、深度、內(nèi)部結(jié)構(gòu)各異等狀況，不規(guī)則的形狀不利于人員及大型器械深入救援，增加救援難度。深井事故具有以下特點(diǎn)：1） 風(fēng)險(xiǎn)性和空間復(fù)雜性。由于深井的特殊環(huán)境和地下工作面的復(fù)雜性，深井中存在高溫、高壓、有毒氣體等危險(xiǎn)因素，且地形復(fù)雜，通道狹窄，地下水流、巖層崩塌等情況都會(huì)增加救援難度。

2） 時(shí)效性和信息不對(duì)稱性。事故中被困人員往往面臨缺氧、水源匱乏等生存困難，救援的時(shí)效性能夠最大程度地減少被困人員傷亡，且深井事故中地下情況難以準(zhǔn)確獲取，井上下信息存在不對(duì)稱性。

3） 發(fā)生偶然性和自救排他性。深井事故發(fā)生存在偶然性，事故一旦發(fā)生，被困人員自救可能性小，生還概率低。

4） 反復(fù)性。井下空氣補(bǔ)給困難，多數(shù)深井在距井口5～10 m 有足夠空氣可供人員呼吸，深入救援需送風(fēng)或補(bǔ)氧來(lái)解決被困和救援人員的吸氧問(wèn)題，一項(xiàng)救援任務(wù)需多次反復(fù)進(jìn)行。

1.3 深井救援技術(shù)與裝備

深井救援技術(shù)是指在深井事故救援過(guò)程中對(duì)被困人員進(jìn)行救援各環(huán)節(jié)涉及的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括環(huán)境偵測(cè)技術(shù)、生命探測(cè)技術(shù)、深井快速破拆技術(shù)、應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)及保障深井事故救援的其他輔助技術(shù)。技術(shù)保障是實(shí)施救援的首要任務(wù)之一，例如：應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建技術(shù)是深井救援重要保障，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)指揮中心與救援人員、被困人員的實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。

深井救援裝備是指在深井救援技術(shù)實(shí)施過(guò)程中必要的硬件裝備和軟件平臺(tái)等。使用專用的救援裝備不僅能夠?qū)Ρ焕藛T提供救援支持，還能為搜救人員提供安全保護(hù)。例如：作為深井救援核心技術(shù)之一的生命探測(cè)技術(shù)，是準(zhǔn)確探測(cè)和定位被困人員所在的重要支持，生命信息探測(cè)儀的研發(fā)為科學(xué)高效地進(jìn)行生命探測(cè)提供了有效手段。

2 深井救援技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀

2.1 偵測(cè)裝備

深井偵測(cè)裝備用于地質(zhì)勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生命信息獲取，包括地質(zhì)勘測(cè)儀器、氣體檢測(cè)儀、井下相機(jī)等，能夠提供關(guān)鍵的地質(zhì)信息、環(huán)境數(shù)據(jù)和生命跡象，為深井救援工作提供準(zhǔn)確的偵測(cè)和監(jiān)測(cè)信息。

1） 地質(zhì)偵測(cè)設(shè)備。隨著地質(zhì)勘測(cè)和深井偵測(cè)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，水下機(jī)器人在地質(zhì)勘測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和救援行動(dòng)中扮演著越發(fā)重要的角色。水下機(jī)器人可分為自主水下機(jī)器人（Autonomous UnderwaterVehicle， AUV） 和有纜遙控水下機(jī)器人（RemotelyOperated Vehicle， ROV） 。2020 年， 加拿大DeepTrekker 公司[2]研制出DTG3 ROV 小型潛水機(jī)器人（圖2），配備了攝像機(jī)、聲吶、超短基線定位等傳感器，能夠更加準(zhǔn)確、快速地獲取井下環(huán)境信息。英國(guó)Saab Seaeye 小型ROV[3]通過(guò)螺旋槳矢量推進(jìn)，主要用于水下觀測(cè)，可安裝機(jī)械臂進(jìn)行簡(jiǎn)單抓取。為解決淺水水域搜救的難題，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心（702 所）研發(fā)了一款適用于淺水水域搜救的遙控機(jī)器人， 能夠勝任水下傷員搜索和輔助打撈等任務(wù)[4]。AUV 能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍探測(cè)，作業(yè)不受電纜限制，但數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和作業(yè)時(shí)間受到影響。ROV 依靠臍帶電纜提供動(dòng)力，較AUV 的數(shù)據(jù)傳輸性能和續(xù)航能力更優(yōu)越，但限制了作業(yè)范圍，目前仍未有一種較好平衡作業(yè)范圍需求、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)有效傳輸、續(xù)航時(shí)間的水下機(jī)器人方案，不能很好地滿足深井救援的需求。現(xiàn)有方案只能執(zhí)行探測(cè)任務(wù)及簡(jiǎn)單的輔助打撈任務(wù)，對(duì)救援人員的操作能力提出了較高要求，仍需深入研究水下切割、抓捕等復(fù)雜功能。同時(shí)，由于水域、環(huán)境不同，對(duì)搜救裝備的要求也不同，例如淡水水域和海水水域下的水下搜救裝備應(yīng)根據(jù)環(huán)境在功能和性能上有所側(cè)重。

2） 環(huán)境信息偵測(cè)設(shè)備。該種設(shè)備能夠幫助救援人員實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下空氣質(zhì)量，檢測(cè)有毒氣體濃度，提供安全氣體濃度范圍，確保救援人員的安全，為救援行動(dòng)提供重要的安全保障。

MultiRAE 無(wú)線便攜式六合一氣體檢測(cè)儀是美國(guó)華瑞公司研制的一種多功能小型井下氣體檢測(cè)儀（圖3），可以檢測(cè)多種氣體含量，還可以進(jìn)行模塊化裝卸[5]。這種小型井下氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)使其成為救援和監(jiān)測(cè)井下環(huán)境中有毒氣體的理想選擇，提供了一種有效的手段來(lái)確保救援人員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)的安全。幾種典型氣體檢測(cè)儀檢測(cè)性能對(duì)比見表1。

聶琿等[6]提出的基于NB?IoT 的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠獲取豐富且有效的環(huán)境信息。戴海發(fā)等[7]提出利用傳感器測(cè)量值之間的差值自適應(yīng)建立傳感器的后驗(yàn)概率分布模型，通過(guò)剔除異常值使多傳感器數(shù)據(jù)自適應(yīng)融合。

3） 生命信息偵測(cè)設(shè)備。UWB 雷達(dá)人員定位在深井救援中起關(guān)鍵作用。通過(guò)在深井內(nèi)部部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)，UWB 雷達(dá)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)追蹤并提供高精度的定位信息，幫助救援人員快速準(zhǔn)確地找到被困人員的位置（圖4）。這種定位系統(tǒng)適用于復(fù)雜的深井環(huán)境，可在狹窄、昏暗或有障礙物的條件下工作[8]。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控被困人員的位置，救援人員可更好地制定救援計(jì)劃和采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)，提高救援效率和安全性[9]。西安科技大學(xué)研發(fā)出一種新型礦山鉆孔救援裝置，引入通信、網(wǎng)絡(luò)、圖像處理及多媒體技術(shù)，將井下災(zāi)區(qū)的圖像、語(yǔ)音實(shí)時(shí)上傳至地面救災(zāi)指揮部和礦山救援指揮中心，在救援過(guò)程中能夠快速準(zhǔn)確獲取鉆孔通道信息、被困人員位置、災(zāi)區(qū)氣體環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)井下被困人員與井上救援指揮人員的雙向視音頻通信[10-11]。

美國(guó)研發(fā)的Lifelocator 3+型生命探測(cè)雷達(dá)采用UWB 技術(shù)，可在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)幫助救援人員在2～3 min內(nèi)探測(cè)到被困人員，但無(wú)法穿透大面積純金屬板[12]。Z. Pawel 等[13]研究了地下密閉空間失蹤人員搜尋技術(shù)，主要通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)預(yù)定聲學(xué)模式的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)人員位置辨別。Jiao Mingke 等[14]研究了可以探測(cè)到被廢墟、瓦礫、建筑物等掩埋或隱藏的人員的儀器。上述生命信息偵測(cè)設(shè)備均為固定器械，需對(duì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行前期勘探或使用重型器械預(yù)打孔洞后投入使用，靈活性差，不適用于不開闊空間及含水深井等救援場(chǎng)景。

井下偵測(cè)救援無(wú)人機(jī)是一種專門應(yīng)用于井下救援的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用緊湊靈活的設(shè)計(jì)，配備高精度傳感器和相機(jī)，能夠在狹窄的井道環(huán)境中進(jìn)行搜索和監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)被困人員的位置。無(wú)人機(jī)具備強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性，能夠輕松進(jìn)入井道并進(jìn)行搜尋[15-16]。同時(shí)，它還具備實(shí)時(shí)圖像傳輸和數(shù)據(jù)分析功能，能夠提供準(zhǔn)確的目標(biāo)定位信息。救援人員可通過(guò)遙控操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)傳回的圖像和數(shù)據(jù)，快速判斷被困人員的狀況和位置，從而制定救援方案[17-18]。如瑞士ELIOS 3 防碰撞偵測(cè)無(wú)人機(jī)（圖5）配備圖像和聲音傳輸功能，專為在惡劣環(huán)境下操作設(shè)計(jì)，具備防碰撞功能。井下偵測(cè)救援無(wú)人機(jī)的應(yīng)用可大大提高救援效率，縮短救援時(shí)間，降低救援風(fēng)險(xiǎn)，但目前無(wú)人機(jī)多傳感器融合技術(shù)和防爆處理依然有待攻關(guān)，這極大限制了無(wú)人機(jī)在井下等惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。

2.2 挖掘/破拆裝備

深井救援中的挖掘/破拆裝備是用于解救被困在地下深井或井下作業(yè)場(chǎng)所的人員的關(guān)鍵工具，包括鉆探設(shè)備、爆破器械、挖掘機(jī)器人等。鉆探設(shè)備用于鉆孔，以便救援人員進(jìn)入被困區(qū)域；爆破器械用于破壞巖石或其他障礙物，以便開辟通道，目前較為先進(jìn)的有激光爆破技術(shù)[19-20]、無(wú)人駕駛挖掘機(jī)等。這些裝備需具備高效、靈活、安全的特點(diǎn)，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的救援環(huán)境和緊急情況。

日本消防研究所開發(fā)了T?53（圖6）履帶式自動(dòng)救援機(jī)器人，它配備了2 個(gè)具有7 個(gè)自由度的機(jī)械臂， 能進(jìn)行精細(xì)操作[21]。波蘭科學(xué)技術(shù)大學(xué)的D. Derlukiewicz 等[22]通過(guò)有限元分析優(yōu)化，增強(qiáng)了在極端環(huán)境下使用的遙控拆除機(jī)器人的魯棒性。M. Haga 等[23]開發(fā)了一種自動(dòng)控制挖掘深度的挖掘機(jī)裝置，顯著提升了挖掘效率。江蘇八達(dá)重工機(jī)械有限公司制造了一種雙動(dòng)力雙臂的大型救援機(jī)器人（圖7），在四川雅安地震中[24]被投入使用。這類高效救援設(shè)備能迅速將標(biāo)準(zhǔn)工程機(jī)械改造為特定的重型救援工具，在災(zāi)害發(fā)生后立即部署，不僅加快了救援進(jìn)程，還增強(qiáng)了重型救援機(jī)械在生命救助方面的能力。但由于其體型龐大，僅適用于開闊地面作業(yè)，無(wú)法完成井下或密閉空間的破拆工作，目前針對(duì)狹窄深井等受限空間內(nèi)快速破拆方法的研究和應(yīng)用較少。

2.3 通信裝備

在救援中通信起著至關(guān)重要的作用。由于救援的特殊性，救援人員面臨許多困難和挑戰(zhàn)，如狹小的空間、惡劣的環(huán)境和高風(fēng)險(xiǎn)等。因此，有效的通信系統(tǒng)是確保救援工作順利開展的關(guān)鍵。2021 年“7·20 鄭州特大暴雨”導(dǎo)致鄭州292 人遇難，47 人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)532 億元，鄭州通信基站大面積退服，多條通信光纜受損，通信基礎(chǔ)設(shè)施受損嚴(yán)重，給救援行動(dòng)增加了極大的困難。在此次救援中，衛(wèi)星通信與無(wú)人機(jī)成為重要的應(yīng)急通信利器，在局部區(qū)域構(gòu)筑起高機(jī)動(dòng)、高可靠性的空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)。空天地一體化通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的通信覆蓋，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和通信穩(wěn)定性[25]，適用范圍優(yōu)勢(shì)在于可在偏遠(yuǎn)地區(qū)、災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)和無(wú)法覆蓋的地區(qū)提供可靠的通信支持，為救援行動(dòng)中的信息傳遞和指揮調(diào)度提供技術(shù)保障。空天地一體化應(yīng)急通信裝備體系如圖8 所示。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)已對(duì)災(zāi)后移動(dòng)通信搜救裝備進(jìn)行了研究。劉志博等[26]設(shè)計(jì)了一種基于碼分多址接入（Code Division Multiple Access，CDMA）通信系統(tǒng)的終端結(jié)合應(yīng)急基站方法，并建立了完整的搜救指揮系統(tǒng)。姜鐵增[27]提出了基于LTE 信號(hào)的災(zāi)后環(huán)境下信道建模與定位算法，并設(shè)計(jì)了基于無(wú)線電平臺(tái)的災(zāi)后救援裝備。但上述研究對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的時(shí)間同步和低功耗等關(guān)鍵問(wèn)題仍未給出解決方案。K. Takahata 等[28]將WiFi 網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，建立了一種在災(zāi)難發(fā)生之后用于通信的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信鏈路具有多個(gè)信道，可根據(jù)距離、功率和傳輸信道頻率選擇最佳信道。近年來(lái)，隨著5G 技術(shù)的成熟和不斷應(yīng)用，有些學(xué)者利用雙工通信、NOMA、Femtocell 等技術(shù)， 對(duì)5G 移動(dòng)通信系統(tǒng)容量和頻譜效率進(jìn)行研究改進(jìn)，如周彥果[29]提出了無(wú)線全雙工網(wǎng)絡(luò)中兩階段競(jìng)爭(zhēng)的全雙工媒體接入控制協(xié)議，解決了全雙工通信中隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，并增加了全雙工通信鏈路建立的機(jī)會(huì)。

2.4 吊升裝備

吊升是救援過(guò)程中的最后一步。救援吊升裝備作為一種重要的應(yīng)急救援工具，對(duì)于解救被困人員、保障生命安全具有重要意義。傳統(tǒng)的救援吊升裝備存在一些局限性，如攜帶不便、操作復(fù)雜等。為了提高救援行動(dòng)的效率和安全性，一些新的研究和產(chǎn)品逐漸興起。

丁昌鵬等[30]針對(duì)井下被困人員不同的姿勢(shì)，設(shè)計(jì)了一款井下抓取機(jī)械臂，可通過(guò)調(diào)整機(jī)械臂的抓取方式，分別對(duì)呈豎直狀態(tài)和平躺狀態(tài)的被困人員進(jìn)行救援，并通過(guò)壓力傳感器及時(shí)反饋進(jìn)行調(diào)整。李超[31]研制出一款基于柔性臂的小口徑深井救援機(jī)器人，該機(jī)器人具備設(shè)想溝通聯(lián)絡(luò)和柔性化救援等功能。張靖等[32]提出了小口徑深井救援新裝置和一種大口徑巖土鉆掘施工設(shè)備。別遠(yuǎn)輝等[33]設(shè)計(jì)了一種具有仿生結(jié)構(gòu)機(jī)械抓手的井下救援裝置，該裝置配有仿生型鉗夾結(jié)構(gòu)，可模仿人類的手和胳膊對(duì)被困人員進(jìn)行環(huán)抱抓取，從而最大限度地降低對(duì)被困人員的傷害。裴鍇等[34]提出了一種快速、高成功率的深井救援吊升裝置代替消防人員實(shí)施井下營(yíng)救（圖9）。

3 深井救援裝備存在的問(wèn)題

隨著科技的進(jìn)步，我國(guó)在應(yīng)對(duì)災(zāi)害救援方面已取得了一定的成果，對(duì)于針對(duì)性的救援裝備已有了進(jìn)一步研究，然而面對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境，現(xiàn)有的救援裝備并不能完全滿足，且沒(méi)有廣泛應(yīng)用到救援行動(dòng)中，原因分析如下。

3.1 救援裝備的通用性與專用性研究不足

救援裝備的通用性與專用性是影響其適用范圍和效能的重要因素，目前大部分救援裝備對(duì)其自身定位認(rèn)知不同，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)無(wú)法滿足救援需求。專用型裝備針對(duì)特定救援場(chǎng)景設(shè)計(jì)，能夠在特定環(huán)境下發(fā)揮出色的作用，如在高復(fù)雜性、多變性和環(huán)境惡劣性[35]的深井救援環(huán)境下，不同的井道結(jié)構(gòu)、尺寸和環(huán)境可能導(dǎo)致通用型裝備無(wú)法完全適應(yīng)，專用型裝備則能夠更好地滿足需求，如水下搜救機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)水下環(huán)境偵測(cè)和目標(biāo)探測(cè)功能，但仍存在運(yùn)動(dòng)效率較低、可靠性較差、密閉空間下通信距離較短等問(wèn)題。此外，專用型裝備的設(shè)計(jì)和制造成本較高，且需針對(duì)每種特定場(chǎng)景進(jìn)行研發(fā)，使其難以大規(guī)模推廣和應(yīng)用。造價(jià)高昂、運(yùn)維成本高、使用率低，且其他場(chǎng)景中可能無(wú)法適應(yīng)等因素，導(dǎo)致大量救援資源浪費(fèi)。

通用性裝備適用于多種救援場(chǎng)景，具有更廣泛的適應(yīng)性。其設(shè)計(jì)面向火災(zāi)、易燃易爆氣體、危化等危險(xiǎn)場(chǎng)景，自身具有適應(yīng)性強(qiáng)、極端環(huán)境可靠性高等特點(diǎn)。然而通用型裝備在特定場(chǎng)景中的專用性不足，無(wú)法充分考慮特定場(chǎng)景可能出現(xiàn)的災(zāi)害和危險(xiǎn)因素及復(fù)雜作業(yè)的可預(yù)見性，從而導(dǎo)致救援人員安全性和效率難以得到保障。此外，通用型裝備本身的設(shè)計(jì)無(wú)法滿足現(xiàn)代救援功能多樣化、結(jié)構(gòu)輕量化、操作精細(xì)化的要求，如UWB 雷達(dá)和礦山鉆孔救援技術(shù)，裝備受到自身結(jié)構(gòu)和質(zhì)量限制，需同時(shí)研究精準(zhǔn)快速垂直鉆孔技術(shù)，前期準(zhǔn)備工作過(guò)多，使用條件苛刻，僅適用于小部分的救援偵測(cè)工作。

如何在結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)通用型裝備專業(yè)化、多功能化、高效化，專用型裝備更專業(yè)化和一體化，在滿足救援需求的同時(shí)減少損耗、降低成本，是目前救援裝備領(lǐng)域存在的問(wèn)題之一。

3.2 救援裝備智能化程度有待提升

1） 感知和識(shí)別能力不足。深井救援環(huán)境復(fù)雜且危險(xiǎn)，裝備需能夠準(zhǔn)確感知和識(shí)別各種情況和障礙物。目前的裝備仍依賴于人工判斷和操作，主要原因是探測(cè)器感知和識(shí)別能力在井下難以滿足需求，如目前灰狼算法、麻雀算法等較為優(yōu)秀的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃算法，在實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)崿F(xiàn)密閉空間障礙物識(shí)別及避障，但在井下應(yīng)用時(shí)往往因?yàn)閭鞲衅餍阅芗碍h(huán)境客觀因素，無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別地下障礙物的位置和形狀，導(dǎo)致偵測(cè)行動(dòng)受限。

2） 精準(zhǔn)控制及保護(hù)措施不足。救援裝備需能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)操作和控制，目前在這方面仍存在一定困難。在救援過(guò)程中，裝備的操縱手柄或按鈕操作不夠靈活和精準(zhǔn)，導(dǎo)致救援行動(dòng)受限。吊升裝備的吊艙不能智能化控制力度和精準(zhǔn)度，導(dǎo)致被困人員在吊升時(shí)易受到不合理操作帶來(lái)的二次傷害，裝備的防護(hù)層設(shè)計(jì)薄弱，無(wú)法有效抵御外界的沖擊和傷害，導(dǎo)致救援人員面臨更大的風(fēng)險(xiǎn)。

3） 人機(jī)友好性有待提升。救援裝備應(yīng)該具有良好的操作便捷性和人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)于比較先進(jìn)的裝備，應(yīng)降低其操作門檻，使救援人員經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就能使用。人機(jī)交互系統(tǒng)能夠通過(guò)人機(jī)界面等信息傳遞媒介，從聲音、圖形等不同的途徑快速了解現(xiàn)場(chǎng)情況。狹窄深井吊升裝備應(yīng)配備柔性手臂與手爪抓取受困人員身體或衣物、柔性包裹裝置包裹受困人員、輔助照明和圖像監(jiān)控等裝置，可實(shí)現(xiàn)地面指揮操作下井自動(dòng)固定和自動(dòng)提升受困人員。

3.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同能力難以滿足救援復(fù)雜環(huán)境要求

在救援現(xiàn)場(chǎng)，通信網(wǎng)絡(luò)的建立是救援成功的前提。通信基站快速搭建需要多部分的硬件進(jìn)行部署和調(diào)制，復(fù)雜的基站搭建工作使通信難以快速恢復(fù)，極大地影響了救援進(jìn)度。

對(duì)裝備通信而言，現(xiàn)有的救援裝備在信息交互和協(xié)同操作方面存在不足。裝備之間的信息傳遞方式單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多方實(shí)時(shí)的信息共享和交流，如MultiRAE2 氣體探測(cè)器通過(guò)無(wú)線傳輸將探測(cè)信息傳遞給深入救援人員，救援人員再通過(guò)無(wú)線電傳遞至指揮中心，指揮中心再分撥信息至其他救援人員及設(shè)備，冗余操作極大地影響了信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。這導(dǎo)致救援人員在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)往往無(wú)法獲取到全面準(zhǔn)確的信息，給井下救援工作帶來(lái)困難。此外，深井救援通常需多個(gè)裝備同時(shí)進(jìn)行協(xié)同操作，以達(dá)到最佳的救援效果。目前的裝備在協(xié)同操作方面仍存在一定的困難，如裝備之間缺乏有效的協(xié)同機(jī)制和協(xié)同指令的傳遞方式，導(dǎo)致協(xié)同操作的效果不佳。這使得救援人員往往需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)裝備的行動(dòng)，從而延誤救援行動(dòng)的時(shí)間和效果。

3.4 救援裝備創(chuàng)新性研究不足

1） 傳感器融合。現(xiàn)有的裝備往往依賴于人工操作和傳感器的簡(jiǎn)單感知，目前單一的基礎(chǔ)傳感器已無(wú)法滿足復(fù)雜環(huán)境下的需求。因此，不僅需要引入先進(jìn)的傳感器技術(shù)，如多線激光雷達(dá)、紅外傳感器、可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode LaserAbsorption Spectroscopy， TDLAS）技術(shù)等，還要按照救援環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)其進(jìn)行分類，按照井下濕度、危險(xiǎn)氣體、亮度等條件因素對(duì)不同特性傳感器進(jìn)行融合，利用不同傳感器的數(shù)據(jù)差值對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行交叉互補(bǔ)，提高特定環(huán)境下的魯棒性和精準(zhǔn)性，以更好地適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，提高裝備對(duì)環(huán)境的感知能力。同時(shí)，還需要研發(fā)智能算法和模型，對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，以提供準(zhǔn)確的環(huán)境信息支持。

2） 智能決策。現(xiàn)有救援裝備在決策和規(guī)劃能力方面存在不足。水下或空中無(wú)人機(jī)在深井救援過(guò)程中為未知全圖的導(dǎo)航式探測(cè)，需要在偵測(cè)過(guò)程中進(jìn)行復(fù)雜的決策和規(guī)劃，包括路徑選擇、偵測(cè)策略制定等。然而，目前的裝備在決策和規(guī)劃方面仍依賴于人工操作和判斷，缺乏自主的決策和規(guī)劃能力。在救援過(guò)程中，裝備無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)情況快速且準(zhǔn)確地決策和規(guī)劃，延緩救援進(jìn)程，導(dǎo)致效率低下。引入先進(jìn)的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，使裝備能夠分析環(huán)境數(shù)據(jù)和歷史經(jīng)驗(yàn)，做出智能決策并執(zhí)行行動(dòng)，比如可以利用深度學(xué)習(xí)算法對(duì)救援場(chǎng)景進(jìn)行識(shí)別和分類，從而為救援人員提供準(zhǔn)確的決策支持。

3） 裝備輕量化、便攜化。由鋼鐵和鋁合金制造的救援裝備帶來(lái)的弊端是設(shè)備質(zhì)量大及結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致運(yùn)輸困難及操作不便，如2023 年重慶3 名工人被困29 m 深井，由于井下較窄、障礙物多，一般破拆裝備和吊升裝備因質(zhì)量大和攜帶困難無(wú)法使用，救援人員采用手動(dòng)工具破拆鋼筋，使得救援進(jìn)度受到嚴(yán)重影響。通過(guò)引入先進(jìn)的輕質(zhì)材料，如碳纖維復(fù)合材料和高強(qiáng)度塑料材料，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化、便攜化、多功能化優(yōu)化，可提高其耐用性和安全性，滿足救援復(fù)雜環(huán)境的需求，提高救援行動(dòng)的效率和安全性。

4 深井救援裝備發(fā)展趨勢(shì)

4.1 救援裝備通用性/專用性細(xì)分，單一裝備向多功能性、高可靠性、高機(jī)動(dòng)性發(fā)展

根據(jù)不同的深井事故環(huán)境，將廢棄枯井、市政深井、水井或機(jī)井、工程深井和其他窖井（如姜井、排煙井等）等不同環(huán)境進(jìn)行分類，針對(duì)這些環(huán)境下的救援進(jìn)行分類，對(duì)其需要使用的裝備和器械進(jìn)行細(xì)分，根據(jù)這些需求，將新結(jié)構(gòu)、新材料、新驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用于救援裝備的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，統(tǒng)一尺度。

在功能方面，保證新設(shè)備能夠靈活高效地在狹小空間等特殊場(chǎng)合完成既定功能，能夠滿足特定救援環(huán)境下的特定救援需求。

在材料方面，選用新型材料，能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、安全性高、輕量化、便攜化等特點(diǎn)，復(fù)雜條件下長(zhǎng)時(shí)間使用不易發(fā)生疲勞、磨損、腐蝕等問(wèn)題。

在組成方面，模塊化的快速拆裝結(jié)構(gòu)是救援裝備的發(fā)展趨勢(shì)之一。將部分部件進(jìn)行模塊化處理，不僅可以使救援裝備快速抵達(dá)救援現(xiàn)場(chǎng)，減少運(yùn)輸困難，提高救援的時(shí)效性，還可以快速組裝后投入搶險(xiǎn)救援任務(wù)。在救援過(guò)程中針對(duì)易損壞部件進(jìn)行更替，降低裝備維修難度。

4.2 救援裝備智能化、精準(zhǔn)化、自主決策化，實(shí)現(xiàn)智能裝備為主、人員為輔的救援模式

隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)行業(yè)的快速發(fā)展，智能化救援已成為重要發(fā)展趨勢(shì)之一。智能化救援分為3 個(gè)階段。第1 階段，救援人員為主，裝備輔助。第2 階段，救援人員與裝備協(xié)同救援，共同承擔(dān)救援任務(wù)。第3 階段，智能裝備為主，救援人員為輔，提供特別決策。目前我國(guó)深井救援還停留在第1 階段，要實(shí)現(xiàn)智能救援還有很長(zhǎng)的路要走，其發(fā)展趨勢(shì)如下：

在環(huán)境感知方面，通過(guò)采用先進(jìn)的多模態(tài)傳感器技術(shù)與深度學(xué)習(xí)算法和支持向量機(jī)算法進(jìn)行優(yōu)化結(jié)合，實(shí)現(xiàn)全方位、高效的環(huán)境信息提取，通過(guò)上位機(jī)對(duì)部分任務(wù)進(jìn)行決策分析，多任務(wù)并行，實(shí)現(xiàn)災(zāi)后環(huán)境快速準(zhǔn)確感知，為下一步運(yùn)動(dòng)決策提供先決條件。

在自主決策方面，通過(guò)蒙特卡洛樹搜索算法及深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等相關(guān)技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)救援進(jìn)行多維度分析，平衡連續(xù)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)波動(dòng)，實(shí)時(shí)評(píng)估不同決策的價(jià)值，并選擇最優(yōu)的決策，大幅提高決策問(wèn)題的求解效率，使救援裝備向復(fù)雜任務(wù)高效自主決策及高魯棒性方向發(fā)展。

4.3 構(gòu)建急速組網(wǎng)、多模式組網(wǎng)、一體化救援網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

采用快速部署和自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以無(wú)人機(jī)為載體、無(wú)線通信技術(shù)為橋梁，結(jié)合不同的通信技術(shù)，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信、無(wú)線局域網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等，形成多模式組網(wǎng)，在災(zāi)后迅速建立起臨時(shí)通信網(wǎng)絡(luò)，快速連接救援人員和設(shè)備，建立一個(gè)集成各種通信技術(shù)和救援資源的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)救援指揮中心與現(xiàn)場(chǎng)救援人員之間的實(shí)時(shí)通信和信息共享。平臺(tái)集成語(yǔ)音通話、視頻傳輸、位置定位、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能，為救援行動(dòng)提供全方位的支持，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的信息傳輸和協(xié)調(diào)。采用邊緣計(jì)算、邊緣網(wǎng)絡(luò)和5G 技術(shù)，以減少數(shù)據(jù)傳輸延遲和網(wǎng)絡(luò)擁堵，提供更快速的通信和數(shù)據(jù)處理能力，支持實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能分析和決策、高清視頻傳輸、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

深井救援技術(shù)與裝備是保障人員安全和快速救援的關(guān)鍵。無(wú)人機(jī)、機(jī)器人和遙控設(shè)備的應(yīng)用，為深井救援提供了新的手段和可能性。同時(shí)，現(xiàn)代5G 及MESH（無(wú)線網(wǎng)格）組網(wǎng)等通信技術(shù)的發(fā)展，為深井救援提供了更快速、更可靠的通信手段。通過(guò)引入碳纖維復(fù)合材料和耐高溫合金等新材料、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、多樣化救援方式、智能化技術(shù)、高效數(shù)據(jù)處理和創(chuàng)新人機(jī)交互方式，提升裝備的智能化程度，滿足救援復(fù)雜環(huán)境的需求，提高救援行動(dòng)的效率和安全性。

未來(lái)深井救援裝備由單一裝備向多功能性、高可靠性、高機(jī)動(dòng)性發(fā)展，通過(guò)不同救援場(chǎng)景進(jìn)行專用性和通用性劃分；集成可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）雖然目前并沒(méi)有達(dá)到救援標(biāo)準(zhǔn)，但其高分辨率、高靈敏度和可集成化在未來(lái)將會(huì)發(fā)揮重要作用，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝備的高集成、輕量化、高效化。將以實(shí)現(xiàn)智能裝備為主、人員為輔的救援目標(biāo)，朝著更智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展。深井救援技術(shù)裝備不斷發(fā)展，為應(yīng)急搶險(xiǎn)救災(zāi)提供更加有力的保障，是在重大自然災(zāi)害和人為事故救援中提高救援效率、保障救援人員和受困人員生命安全的重要途徑。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2023YFC3010905）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52174197）；陜西省應(yīng)急救援裝備能力評(píng)估項(xiàng)目（2023HZ1554）。