馮逸飛，劉 旭，戴志鑫，趙方捷，張鷺鷺

（海軍軍醫(yī)大學(xué)衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)系衛(wèi)生勤務(wù)學(xué)教研室，上海 200433）

0 引言

隨著我國21世紀(jì)海上絲綢之路、長江經(jīng)濟帶和海洋強國、交通強國戰(zhàn)略的實施，海洋科學(xué)勘探、維權(quán)護航、軍事對外交流等活動和任務(wù)越來越頻繁，海上搜救任務(wù)日益繁重，搜救難度越來越大，僅我國水域內(nèi)每年死亡和失蹤人員約1 000人，遇險財產(chǎn)損失達百億元以上，對海上搜救工作提出了新的更高要求[1]。無人機通過智能飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)了無人、輕便、小型、迅速起降、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，受到中國、美國、法國、英國、以色列等國家的重視，可實現(xiàn)圖像傳輸、地圖繪制、物資運送、火力打擊、現(xiàn)場評估等功能，廣泛應(yīng)用于海上巡邏、邊防安檢、森林防火、農(nóng)業(yè)種植、災(zāi)害救援等領(lǐng)域，并取得較好的應(yīng)用效果[2]?；诖?，本課題設(shè)計了基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)，以期拓展無人機在海上遇險人員搜救中的功能價值與應(yīng)用范圍，為開展海上遇險人員搜救演練與“實戰(zhàn)”工作提供手段與工具。

1 需求分析

1.1 現(xiàn)實需求

（1）事發(fā)突然，情況緊急：海上事故發(fā)生突然、形勢嚴(yán)峻，時間、地點、規(guī)模，遇險人員的傷病情況，現(xiàn)場環(huán)境及海上氣象條件等無法預(yù)知，救援人員往往是在應(yīng)急情況下受領(lǐng)任務(wù)，準(zhǔn)備時間倉促，對現(xiàn)場情況缺乏全面評估與準(zhǔn)備[3]。（2）責(zé)任重大，要求更高：海難事故面臨小型水面船只、大型艦艇郵輪等情況，規(guī)模不確定，搜救工作對人力、物力、財力預(yù)備和展開提出更高要求，遇險人員可能伴隨有骨折、顱腦損傷、燒傷、爆炸傷、化學(xué)毒物沾染、淹溺、低體溫等傷病情況，對搜救預(yù)案制訂與實施保障提出更高的要求[4]。（3）環(huán)境復(fù)雜，形勢危險：海上氣象及洋流條件直接影響搜救能見度和遇險人員的定位搜索救援，云、霧、雨使海上能見度降低，增加了救援難度，風(fēng)、浪、涌直接威脅遇險人員和救援人員的生命安全，增加了海上搜救、艦船靠幫作業(yè)和協(xié)同救援的風(fēng)險；船上噪聲、油氣以及作戰(zhàn)、航行、海洋生物威脅等環(huán)境造成船員心理、生理功能障礙，軍事行動中可能面臨敵方火力打擊，搜救危險系數(shù)大大增加[5]。（4）困難突出，需求專業(yè)：海上遇險人員的險情多樣性、復(fù)雜性和緊急性對海上搜救的專業(yè)能力有著很高的要求，專業(yè)力量、高水平、大強度投入才能實現(xiàn)有力的保障，包括專業(yè)隊伍、專業(yè)裝備和專業(yè)技術(shù)，搜救的通信、醫(yī)療、打撈、定位等設(shè)備技術(shù)，特別是很多傷員的搜索和定位以及傷病情緊急處置和后送受海上特殊的自然環(huán)境及救援力量和海難位置的限制，困難比較突出，搜救環(huán)節(jié)層次多，人員、物質(zhì)、技術(shù)專業(yè)化程度需求高[6]。

1.2 功能分析

現(xiàn)有無人機執(zhí)行搜救任務(wù)過程中，逐漸重視現(xiàn)場監(jiān)視、人員搜尋、物資運送、通信中繼和災(zāi)情評估等成熟功能。然而對于海上救援專項任務(wù)來說，各功能模塊集成度不高，且缺乏針對落水傷病人員傷情評估與海上搜索定位、智能決策等功能模塊[7]。開展基于無人機系統(tǒng)的海上遇險人員搜救工作，其任務(wù)職能應(yīng)該包括人員搜索定位、緊急救援監(jiān)測、指揮通信、后送導(dǎo)航、智能決策等。海上遇險傷員由于海況復(fù)雜，特別是落水傷員搜救時效性要求更高，需要救援力量在盡可能短的時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)傷員并進行定位，為后續(xù)救援展開明確目標(biāo)；針對遇險人員出現(xiàn)的特殊險情與傷病情，及時分析并回傳其傷病信息，條件允許情況下盡快予以救治，防止險情擴大，錯失最佳救治時機；面對海上多部門、多力量參與的搜救行動，準(zhǔn)確實現(xiàn)信息傳遞，保證指揮協(xié)同高效有序；遇險人員的后送與救援導(dǎo)航路線規(guī)劃等也是海上搜救工作開展的重難點[8]。通過以上功能的實現(xiàn)，確保無人機貫穿遇險人員搜救工作的全流程，充分發(fā)揮其特點、功能與技術(shù)優(yōu)勢。

1.3 勤務(wù)定位

（1）輔助指揮協(xié)同：海上遇險人員搜救往往需要多部門、多行業(yè)領(lǐng)域，海運、打撈、醫(yī)療等多元化力量參與，指揮協(xié)同專業(yè)化程度高，各救援力量往往從事故鄰近海域相關(guān)單位抽調(diào)、派遣，包括海軍、海警、地方力量共同參與，甚至包括國際化專業(yè)救援力量[9]。在不同的任務(wù)背景和搜救模式下，通過無人機發(fā)布搜救信息、偵查救援現(xiàn)場環(huán)境、傳輸遇險人員情況，確保各部門之間信息通暢，輔助指揮協(xié)同，避免出現(xiàn)指揮脫節(jié)、無序甚至混亂的局面。（2）銜接搜救流程：海上應(yīng)急救援主要包括“搜—撈—救—送”4個環(huán)節(jié)，通常屬于不同職能部門之間的任務(wù)范圍，救援過程中流程可能銜接不夠緊密，通過無人機搜救系統(tǒng)發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢實現(xiàn)搜索定位、生理信息監(jiān)測、救援物資拋投、環(huán)境偵查導(dǎo)航、指揮決策等功能，確?！八选獡啤取汀?個環(huán)節(jié)貫通一致、預(yù)先籌備。（3）搜救決策支持：通過為救援現(xiàn)場提供現(xiàn)場環(huán)境信息偵查、遇險人員傷病情等信息分析，優(yōu)化救援路線、配置救援?dāng)y行物資、救治預(yù)案制訂等決策方案[10]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

通過需求功能分析，設(shè)計基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)，主要包括1個平臺和5個功能模塊，即通過無人機飛行平臺搭載人員搜索定位、生命體征監(jiān)測、環(huán)境偵查導(dǎo)航、救援物資拋投模塊，并在救援決策支持模塊的總體控制決策下構(gòu)成一個海上遇險人員搜救的完整閉合環(huán)路，開展海上遇險人員搜救工作，為海上搜救工作提供有效工具與技術(shù)手段。基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖1所示。

圖1 基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)總體框架設(shè)計

2.1 無人機飛行平臺

海上遇險人員搜救系統(tǒng)采用某無人機公司定制設(shè)計的大型彎臂六旋翼無人機（型號：KWT-X6L），該飛行平臺具有輕巧，便于攜帶部署，飛行條件簡單，便于陸基、島礁或船載起降等優(yōu)點；采用一體化全碳纖流線型機體、模塊化插拔結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于運輸組裝；負載續(xù)航時間不低于60 min、續(xù)航里程大于40 km，動力冗余卓越，可在5 000 m高海拔處正常工作，作業(yè)距離10 km以上依然可以控制云臺鏡頭動作，確保了海上多任務(wù)復(fù)雜環(huán)境下的飛行搜索任務(wù)完成；結(jié)構(gòu)上注意防雨雪設(shè)計，可雨中飛行，具有優(yōu)秀的抗風(fēng)能力，尤其是抗鹽霧腐蝕設(shè)計，可保障海上惡劣天氣時搜救工作順利展開；跟船飛行時，加裝船上全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS），實現(xiàn)艦船航行狀態(tài)下伴隨飛行、跟隨起降；遇險人員搜索、特別是執(zhí)行落水傷病員搜救任務(wù)時，加載Full HD一體化圖傳、數(shù)據(jù)鏈模塊，配備功能強大的手持式地面站控制器，運行遠程控制決策軟件，實現(xiàn)海上遠距離飛行遙控與數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸交換[11]。

2.2 人員搜索定位模塊

相比傳統(tǒng)的無人機搜救系統(tǒng)，人員搜索定位模塊作為本系統(tǒng)的核心功能模塊，主要通過以下3種方式實現(xiàn)人員目標(biāo)的搜索定位：第一，海上航行人員在執(zhí)行任務(wù)過程中佩戴專門研制的單兵信標(biāo)機，與無人機進行數(shù)據(jù)傳輸，同步實現(xiàn)有信標(biāo)情況下的定位；第二，未佩戴單兵信標(biāo)機或該信標(biāo)機失聯(lián)狀態(tài)下，以20倍4K吊艙為基礎(chǔ)，通過加載高清、熱成像雙鏡頭載荷，升級配置30倍變焦的高清攝像鏡頭和高精度云臺實現(xiàn)海上遇險人員的熱源感知進行傷員搜索；第三，發(fā)現(xiàn)遇險人員后，通過無人機云臺俯仰和飛機航向角實時回傳位置和距離等數(shù)據(jù)，結(jié)合變焦鏡頭的視場角，計算出目標(biāo)點GPS位置，實現(xiàn)海上目標(biāo)的定位。

2.3 生命體征監(jiān)測模塊

將生命體征監(jiān)測模塊應(yīng)用于無人機系統(tǒng)搜救工作，主要是針對遇險人員出現(xiàn)傷病情況下，特別是落水人員的傷情評估。通過海上航行前組織佩戴專門研制的可穿戴單兵信標(biāo)機，以智能手表為核心裝備，通過采集血壓、血氧、心率等生理指標(biāo)數(shù)據(jù)與無人機進行數(shù)據(jù)傳輸。該信標(biāo)機可以自動激活，也可以由無人機遠程激活，降低電源功耗，支持多指標(biāo)、長續(xù)航監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)有信標(biāo)情況下的生命體征監(jiān)測。在信標(biāo)損壞、激活失敗等失聯(lián)狀態(tài)下，借助高清、熱成像雙鏡頭進行遇險人員圖像回傳，評估傷情，通過機載喊話系統(tǒng)對落水人員進行交互遠程判斷傷情，實現(xiàn)遇險人員生命體征無信標(biāo)情況下的傷情評估監(jiān)測。

2.4 救援物資拋投模塊

當(dāng)出現(xiàn)緊急情況、現(xiàn)場情況復(fù)雜或者受現(xiàn)場地理環(huán)境限制，救援力量無法立即靠近現(xiàn)場救援時，該模塊通過遇險人員圖像追蹤功能，利用無人機快速升空，用最短的時間最大限度地接近災(zāi)難現(xiàn)場，利用空中懸停的特點提供一個相對穩(wěn)定的投放平臺進行緊急救援物資拋投。應(yīng)對救援物資品類、數(shù)量進行準(zhǔn)確論證，投放精度、投放方式等技術(shù)指標(biāo)設(shè)計應(yīng)滿足負荷精確、實用、便攜、防水等要求，包括充氣式救生浮標(biāo)、緊急救援包，食品、飲用水等[10]。如針對落水人員可通過無人機搭載多個水溶救生衣，快速到達落水人員上方進行精準(zhǔn)拋投，避免落水人員溺水死亡；針對孤島遇險人員，應(yīng)投放能量食品、飲用水、應(yīng)急藥品等，延長待救援時間。

2.5 環(huán)境偵查導(dǎo)航模塊

相對傳統(tǒng)災(zāi)害救援，海上遇險人員搜救往往面臨復(fù)雜海況與敵方火力威脅等外界因素。通過現(xiàn)場視頻采集傳輸回到后方指揮部門，進行任務(wù)評估與環(huán)境偵查分析，進一步制訂救援計劃。根據(jù)路徑規(guī)劃制訂救援路線，特別是針對落水人員進行圖像鎖定后實施追蹤偵查，確保落水人員不會隨著洋流、海浪飄走。救援人員鎖定救援目標(biāo)成功，指揮部派出救援艇后由無人機平臺導(dǎo)航模塊實施救援路徑導(dǎo)航與返航規(guī)劃，確保救援人員與被救人員安全、順利返回。

2.6 救援決策支持模塊

救援決策支持模塊作為搜救系統(tǒng)的創(chuàng)新點，設(shè)計上體現(xiàn)了衛(wèi)勤決策支持在海上搜救中的應(yīng)用與發(fā)展。通過接收搜救系統(tǒng)回傳的前述各模塊信息的數(shù)據(jù)，進行視頻分析，包括遇險人員數(shù)量、位置、傷情、生命體征等信息分析，決策輸出包括救援優(yōu)先級、搜救艇派出規(guī)模、救援物資、救援人員等救援方案，確保救援派出的精確、高效，為后方指揮部門預(yù)先開展救護工作提供決策預(yù)案信息支持，并在救援過程中適時調(diào)整救援策略，為預(yù)備后方手術(shù)、后送、物資保障等工作提供信息支持與建議。

3 系統(tǒng)集成與工作流程分析

基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)通過由無人機飛行平臺搭載人員搜索定位、生命體征監(jiān)測、環(huán)境偵查導(dǎo)航、救援物資拋投的軟硬件模塊，由指揮部門進行遙控指揮，前后通信暢通確保數(shù)據(jù)傳輸分析；無人機搭載的救援決策支持模塊可根據(jù)人員搜索定位模塊輸出人員地理位置、人員規(guī)模數(shù)量、救援路徑生成、人員傷情數(shù)據(jù)、生命體征數(shù)據(jù)、物資拋投種類數(shù)量、拋投時機及角度、周圍環(huán)境安全評估等救援信息方案等，供給后方指揮部門進行救援決策執(zhí)行。以上各模塊工作流程如圖2所示，完整的數(shù)據(jù)鏈路與模塊化硬件支持確保了基于無人機的海上遇險人員搜救順利實施。

圖2 基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)語

本文根據(jù)海上遇險人員救援的實際需求與勤務(wù)功能定位分析，進行了基于無人機的海上遇險人員搜救系統(tǒng)的總體設(shè)計，提出了有信標(biāo)/無信標(biāo)情況下的遇險人員搜索定位方案與落水人員生命體征監(jiān)測，貫穿海上遇險人員搜救的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，創(chuàng)新實現(xiàn)了遇險人員傷情監(jiān)測評估與救援決策支持等功能特點。隨著技術(shù)進一步發(fā)展與系統(tǒng)研制試驗的進行，通過不斷完善與多樣性任務(wù)執(zhí)行中的試驗應(yīng)用，應(yīng)加強提高其適用性與穩(wěn)定性，主要解決通信穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)安全性以及環(huán)境適應(yīng)性等問題，特別是隨著救援?dāng)?shù)據(jù)的不斷積累，優(yōu)化并升級救援決策支持模塊，實現(xiàn)救援的及時、精確，以期適用于各類海況、多任務(wù)目標(biāo)下的救援行動，完善其搜救功能并推廣應(yīng)用，不斷擴大海上遇險人員搜救范圍，提升搜救能力。