淺析無人機在水上遇險搜救過程中的關鍵作用

摘 要：無人機由于其靈活和遠程可遙控的特性，在水上搜救工作中逐步展現了顯著的優勢。因其能夠迅速到達現場，進行險情評估、受困人員定位，并能在各種復雜環境下進行搜救工作。本論文通過分析無人機技術現狀以及在水上搜救中的應用，明確其技術優勢，并評估無人機在實際救援任務中的效果。進一步研究發現，無人機技術的加入可以明顯提升水上遇險搜救的效率和成功率，為水上交通安全及險情應急處理提供了新型技術支撐。本文旨在為無人機技術在水上搜救的應用提供理論支持和實踐指導，從而優化救援工作，進一步提升救援成功率。

關鍵詞：無人機技術；水上遇險搜救；災情評估

0 引 言

隨著無人機技術的發展，其在水上應急搜救領域得到了顯著的應用和重視。在自然災難、險情或緊急狀況發生時，迅速、有效的救援行動對于保護人民群眾的生命和財產安全至關重要。但是，針對水上遇險，傳統的搜救手段常常受到水上搜救范圍大、天氣狀況差等各種實際因素的限制，導致搜救力量難以第一時間抵達遇險現場和發現遇險人員，從而降低了搜救效率。這一背景下，無人機技術因其高度的靈活和遠程遙控的特性，為水上搜救提供了新的契機。無人機能夠在短時間內迅速抵達險情、事故地點，快速評估狀況、發送救援物資、搜尋遇險人員，從而提高緊急搜救的效果和效率。

本文還探討無人機在險情、事故應急響應、醫療支援和其在搜救任務中的應用情況，進一步評估它們在實際操作中的效能。此外，我們還探討技術障礙、信息保密等在無人機在水上搜救時遇到的難題，同時提供相應的對策。

1 無人機技術概述

1.1 無人機特性

無人機的特性一般來說包含其在飛行時的最大重量、最大載荷、無人機飛行高度以及無人機續航時間等。目前來說，“彩虹四號”（CH-4）無人機具備較高的飛行能力，其最大的起飛重量約1 330 kg，最大載荷達到345 kg，最大飛行高度8 000 m，最長續航時間提升至38 h，最大航程為3 500 km。這些核心指標促使其能夠進行長時間水上搜救任務。

1.2 搜救設備搭載

通常情況下無人機可以搭載高清相機進行空中偵察和搜尋。無人機在搜救領域的應用，可極大地提高搜救效率，例如：DJI Mavic 3 Pro無人機搭載了與哈蘇合作的L2D-20c相機，具備2 000萬像素等效24mm的4/3英寸主攝。其哈蘇主攝能夠提供高達5.1 K的分辨率，滿足專業水準的照片和視頻拍攝需求。此外，Mavic 3 Pro無人機還配備了2個額外的攝像頭：其一是4 800萬像素等效70 mm焦距的1/1.3英寸中長焦相機和另一個1 200萬像素等效166 mm的1/2英寸長焦相機。這些高水平攝像頭的組合可令Mavic 3 Pro在執行水上搜救任務時提供廣角、中長焦和長焦等多角度視野，可增強對搜救區域的偵察搜尋能力。

同時，Mavic 3 Pro還具備長時間的續航能力，這對于在廣闊水域進行搜救任務十分重要，因其允許無人機在空中停留更長時間，進而覆蓋更大的搜索范圍。另外，該型號無人機裝備了全向障礙感知及APAS 5.0技術，可通過高性能視覺計算引擎和8個廣角視覺傳感器來感知、計算各個方向上的障礙物，進而確保自身飛行安全。其新型O3+視頻傳輸技術可為Mavic 3 Pro在15 km外傳輸穩定、連貫的視頻畫面信號，且可傳輸分辨率為1 080 p 60 fps的高清畫面，這對于實時搜救評估和指揮行動至關重要，為搜救任務提供了強大的空中支援。

圖1 搭載救生圈

2 無人機搜救關鍵技術

2.1 搜索定位技術

無人機的搜索定位技術主要依賴視覺定位技術和融合導航技術。視覺定位技術是通過匹配無人機拍攝的地面圖像與衛星地圖，進行無人機的視覺自主定位。在這個過程中涉及特征提取和相似性度量模型的建立、分析，進而比對拍攝的圖像與衛星地圖庫中遙感衛星影像的特征相似度，完成較為準確的特征模型匹配。在匹配視覺定位算法過程中，無人機拍攝的影像即為查詢圖像，通過視覺上的特征提取與算法相匹配，進而在衛星地圖影像數據庫中尋找與之相對應的特征衛星影像。然后通過衛星影像的匹配結果，得到對應的地理位置信息，并將該位置信息中的經緯度更新成無人機的位置坐標。

融合導航技術是把衛星導航與慣性導航數據進行有機結合，進行復雜的算法如卡爾曼濾波，系統進行識別并修正單一導航源產生的誤差，生成更加精確的定位信息。這類似于“雙保險”策略可確保無人機在面臨單一導航系統故障或性能下降時，仍保持相當程度的定位能力。盡管慣性導航系統在運行長時間后會累積一定的誤差，但毋庸置疑，它可為無人機提供相當程度的無外部依賴的定位能力，特別是在某些情況下衛星信號較弱或者不可用時[1]。

2.2 視頻傳輸技術

無人機的視頻傳輸技術涉及視頻編解碼技術、無線傳輸技術、抗干擾技術等，是其實現全高清無線數字圖像傳輸的關鍵，見圖2。

視頻編解碼技術：視頻編解碼技術是全高清無線數字圖像傳輸的關鍵。編解碼器在這個過程中可將原始視頻信號進行壓縮，降低傳輸所需的帶寬以及存儲空間。目前，H.264壓縮技術被大量應用在無人機視頻信號傳輸，其以高壓縮、高質量和支持多種網絡的流媒體傳輸等特性著稱。

無線傳輸技術：無線傳輸技術是當前技術中可實現無人機與接收端設備間實時通信的重要依據。通常情況下運用高速、高帶寬的無線傳輸協議，比如Wi-Fi和4G/5G等技術，進而可以保障視頻信號傳輸的實時性和清晰度。

抗干擾技術：由于在無線傳輸過程中，一般會受到電磁干擾、多徑干擾等影響。通常情況下，會通過采用正交頻分復用（OFDM）、糾錯編碼技術等相應的抗干擾技術來保障視頻信號傳輸工作的穩定和可靠。

頻段選擇：無人機鏈路使用的頻段對于視頻傳輸有著十分重要的影響。2.4GHz頻段的無線模塊可通過數字信號處理器和相關軟件，把窄帶信號轉換成寬帶高頻信號，進而可進行遠距離、高質量的圖像傳輸以及數據通信。

多路徑技術和5G網絡： AI4Network研究團隊開發了Smart-Flycast系統，其通過加大無人機平臺的網絡鏈路數量，進行視頻傳輸的帶寬聚合并行傳輸，進一步增強傳輸的穩定性和可靠性。

圖2 無人機視頻傳輸技術

2.3 熱成像與紅外技術

無人機搭載的紅外熱成像技術在水上搜救中起到至關重要的作用。這項技術的核心優勢是能探測、捕捉到物體發出的紅外輻射，并將其轉換為可見的熱成像，進一步在水上搜救行動中提供高效且安全的方案。熱成像的基本原理是任何溫度高于絕對零度的物體都會發出紅外輻射，熱成像儀就是檢測這些輻射并將其轉換為電子信號，進而生成溫度分布圖，其中不同顏色代表不同的溫度，在這個前提下，溫暖的物體（如人體）在冷背景下可以進一步凸顯，見圖3。

這種技術能夠快速掃描大面積區域，提高搜救速度和效率。尤其在夜間或惡劣天氣情況下，熱成像設備可以穿透黑暗和煙霧，有效協助搜救人員第一時間找到水上遇險者。此外，無人機搭載紅外熱成像技術可以到達人類難以到達的危險地方進行檢測，減少人員安全風險，提高檢測效率和準確性。

在實際應用中，無人機拍攝的紅外熱像圖為制定科學的救援方案和行動提供數據基礎，并且有利于指揮調度人員更加合理調控指揮模式。因此，在某種程度上無人機搭載的紅外熱成像技術為水上搜救中提供了高效、安全且多用途的解決方案，它的技術優勢不光體現在快速搜尋定位和搜救效率的提升上，更是體現在全天候工作能力和對搜救人員安全的保護上。

圖3 熱成像與紅外技術

3 無人機搜救應用案例分析

3.1 水上災情偵查

無人機在水上災情偵查中能夠提供快速、全面、精確的信息，極大地提高了救援效率和成功率。

快速獲取災情全貌：首先，無人機可以利用高空視角的便利條件，快速獲取事故險情的全面態勢。大疆經緯M30型號的系列無人機具備IP55防護性能等級，使其可以在風雨中執行任務，進一步提升偵查效率。

點面結合偵查：無人機具備一鍵全景記錄事故險情全貌的功能，可以在搜救人員難以到達的危險點位進行抵近偵察，傳輸更多重點細節，有利于指揮中心進行研判。

激光打點定位功能：無人機具備激光打點定位功能，使其能夠對不同時間段的水線位置及水位高度進行標記、記錄，便于查明事故險情區域面積及水深變化，從而讓指揮中心能夠及時進行調整、部署。

夜間偵查能力：由于夜間水上環境溫度一般較低，因此無人機在搜尋熱源時更加的清晰。同時，搭載雙光鏡頭的無人機，如DJI Mavic 3T或經緯 M30T，就是憑借紅外熱成像功能，有效幫助搜救人員迅速辨別是否存在遇險人員。

遠距離數據傳輸：無人機能夠進行遠距離的數據傳輸，為執行搜救提供技術支撐。

實時監控追蹤：無人機還能夠對受事故險情區域進行實時監控追蹤，為指揮人員提供精準的現場情況，進而最大限度地減少損失。

降低救援風險：由于無人機可以不受水面和水下障礙物的限制，降低了搜救船、沖鋒舟等搜救過程中的風險。在搜救過程中，只要發現遇險人員，就能夠用無人機投送救援物資并實時回傳現場情況，實現精準救助。

3.2 指揮研判

無人機提供的數據和圖像對于指揮研判十分有必要，因其可實時傳輸高清圖像和視頻，進而把事故現場的狀況及時反饋至指揮中心和相關救援人員，從而提高搜救效率和成功率。無人機通過高清視頻流和其他傳感器數據，使指揮中心能夠實時了解無人機的當前狀態、位置和環境情況。操作人員能夠在指揮中心對無人機進行飛行控制，從而保證無人機可以按照事先指定好的計劃進行飛行任務。同時指揮中心可以接收、處理無人機搭載的各類傳感器所采集的位置、高度、速度、溫度、濕度、風向、氣壓等數據。通過相應的數據分析工作，指揮中心能夠進一步獲取現場的實時情況，從而為后續的決策提供數據支持。

指揮中心還可以根據任務需求，為無人機制定最優的飛行路線和任務執行順序。同時，指揮中心能夠根據實時情況對任務進行動態調整，確保無人機能夠高效、安全地完成任務。指揮中心與無人機之間通過無線通信鏈路進行數據傳輸。指揮中心能夠接收無人機傳輸過來的實時畫面和視頻、飛行數據等相關信息，并將下一步控制指令發送給無人機。因此，不僅能確保數據傳輸的穩定性和實時性，還可以提高無人機的遠程控制能力。

指揮中心具備實時監控與預警功能，使其能夠實時監測到無人機的飛行狀態和安全指標。當指揮中心發現非正常的狀況時，會立即發出預警，采取相應的措施，確保無人機和人員的安全。通過大疆司空2云平臺，多路無人機畫面可進行同時回傳，并開展多端數據同步工作，便于搜救團隊實現信息高效共享。借助司空2搭配經緯M30系列無人機，還可以快速進行建模，打造2.5D電子化底圖，進行直觀研判險情，實現可視化指揮。同時，遙控器、移動設備和電腦端可實時同步標記點、規劃路線及分工作業區域，真正打破信息孤島，助力精準、高效救援[2]。

3.3 物資投放

在海上遇險搜救行動中，無人機可以攜帶食品、水以及急救藥品等救援物資，這些物資對于遇險人員的救援至關重要。甚至一些性能較好的無人機目前的最大載重量可達5 kg以上，從而可以為多個遇險人員提供必要的應急和救援物資。此外，無人機還能夠攜帶衛星電話和無線電設備等應急通信設備，這對于在偏遠海域救援時恢復現場的通信十分必要。在搜救過程中，無人機還可以攜帶救生衣、救生圈和信號彈等重要設備，這些可以投給遇險人員應急使用，發出求救信號，增加被發現的概率。

根據國際海事衛星組織的數據，無人機在海上搜救任務中的響應時間比傳統方法快3倍，并且成功率高出約30%。并且日前美國海岸警衛隊研究顯示，使用無人機進行搜救可以節省60%的搜索時間。因此，無人機在搜救行動中能夠顯著提高效率和成功率。

3.4 協同搜救

根據最新的數據統計，全球范圍內已有逾1 000人是由無人機直接參與的救援行動中獲救。在緊急情況下，無人機可以快速到達難以通過水上艦艇迅速抵達的區域，為救援工作節省了寶貴的時間。據研究，無人機在遠程醫療評估方面的正確性能也超過九成，對于偏遠水域的醫療援助工作至關重要。此外，無人機在緊急的醫療援助任務中的反應時間正常僅需15 min，減少了遇險者等待援助的危險時間，提高了存活率。同時在水上救援行動中，無人機的反應速度和搜尋能力顯著優于常規的海上巡邏艦艇，極大地增強了海上救援的信心。數據統計顯示，無人機在搜救任務中的成功率逐年提高，2017年至2020年間，無人機參與的搜救任務成功率從82%提升至91%[3]。

4 無人機搜救技術挑戰與未來發展

4.1 技術挑戰

無人機在執行長時間搜救任務時，其電池續航首先是一個重要挑戰。目前，市場上的一些無人機，雖然具備IP55防護等級，能在風雨中作業，但其續航時間通常為40 min左右。這對于需要長時間空中搜尋和救助來說，顯然是不夠的。

為了解決這一問題，業界開始探索多種解決方案。首先，通過地面對無人機進行供電，進而實現永久續航，這個技術目前已在應急指揮和救災等場景中得到應用。其次，氫動力無人機由于高出鋰電池數倍以上的能量密度，能輕松實現超過6 h的續航和360 km的航程，為廣域測繪、應急搜救等提供了新的可能。

然而，目前的挑戰是廣泛應用的鋰電池雖然便于攜帶和操作，但續航能力受限；氫燃料電池和太陽能電池雖然理論上可以提供更長的續航，但受到現有技術水平和成本的限制，無法普及投入應用。

4.2 未來發展趨勢

預計到2026年，應急搜救無人機市場規模將超過80億元人民幣，這也預示著無人機在搜救領域的潛力。隨著無人機在通信技術、控制技術和傳感技術方面提升之后，能夠更加自主、準確地完成復雜而艱巨的任務。

在通信技術上，無人機將進一步融合5G技術，能夠實現與指揮中心、救援團隊以及其他無人機之間的雙向、多向溝通，進而構建天地空一體化的信息共享、通信網絡。此類高速率、大容量的通信能力將極大地提升無人機在緊急情況下的數據傳輸和決策能力。控制技術的發展將使無人機具備更強的自主決策和協同作戰能力，減少人工干預，提高任務執行的效率和精度。智能化的趨勢意味著無人機將能夠根據實時環境和任務需求自主調整通信策略，優化數據傳輸路徑，確保信息的及時、準確傳遞。同時，傳感器技術的發展將進一步增強無人機的現場數據收集能力，使其能夠收集更多、更精確的信息，為救援行動提供全面的信息支持。而熱成像和LiDAR等先進傳感器的集成，無疑也將提高無人機在復雜天氣或惡劣的環境下的搜救能力[4]。

5 結 論

無人機在應急搜救領域的發展趨勢將表現為智能化、多樣化、模塊化以及協同作戰。而這些技術的不斷進步將使無人機成為搜救行動中不可或缺的重要工具，極大地提高搜救工作的效率和成功率。

無人機性能有望發生大幅提升，隨身攜帶、操作簡便、長續航能力、自主反應將成為其主要優點。預計到2026年，應急救援無人機市場規模將超過80億元人民幣，這也顯示了無人機在搜救領域的廣闊應用前景。但同時，無人機技術發展也面臨著技術挑戰和法律監管等方面的壓力。

參考文獻

[1] 徐箭，項有群.無人機水上遇險搜救關鍵技術研究[J].水上安全，2023 （08）.

[2] 曹德勝，桑凌志.無人機水上遇險搜救關鍵技術研究[J].交通運輸研究，2017，3（03）.

[3] 鐘南.無人機水上交通安全應急處置關鍵技術研究[J]，2014（第五屆）中國無人機大會論文集，2017（05）.

[4] 楊曉飛，於慧敏，孟子晗，梁辰雨.一種用于輔助搜救的兩棲飛行器設計[J].揚州大學學報（自然科學版），2019，22（03）.

作者簡介：

張亞彬，本科，主要從事海事管理工作，（E-mail） 1342713905@qq.com，13059981217

黃錦杰，本科，主要從事海事管理工作，（E-mail） 1033857396@qq.com，18857062680

劉登亮，本科，主要從事海事管理工作

南陳波，本科，主要從事海事管理工作