無人機在救援方面的應用及發展

張 峰，佟 巍，周立冬 綜述，劉愛兵 審校

災害事件發生突然，救援活動緊急，救援環境惡劣，救援力量往往無法及時了解情況并快速到達現場。從空中觀察干預救援現場是最快、最便捷的手段。與有人駕駛飛機及衛星相比，無人機具備體積小、造價低、機動靈活、使用方便等優點，對環境要求低，可在幾千米高空和云下幾百米到幾米的低空飛行，無需機場，由于無人駕駛，回避了飛行員人身安全的風險，適于戰爭及救災等危險緊急環境。隨著傳統手段局限性的日益凸顯，無人機技術的逐漸成熟，無人機技術用途越來越廣泛，在救援方面開始大顯身手。汶川地震、雅安地震等突發災害事件救援中，均表現出不可替代的作用，成為信息化救援的有力武器[1,2]。無人機在救援方面的優勢促使國內外爭相研發救援無人機，并取得了大量成果。

1 無人機的發展

無人機是用無線電遙控或程序控制的無人駕駛飛行器，由飛機平臺、飛控系統、搭載裝備和無線電遙控系統組成，可實現偵察攻擊、影像音頻獲取傳輸、物品運輸投放、現場干預等功能，又叫無人機系統。它集成了航天、信息、控制、測控、傳感、鐳射及新材料、新能源等多學科技術，代表未來航空業的發展方向，被譽為“空中機器人”。

按外形尺寸可分為：普通無人機（≥300 cm）、小型無人機（100～300 cm）、超小型無人機（15～100 cm）及微型無人機（≤15 cm）；按飛行方式可分為：固定翼、螺旋翼直升機，多旋翼飛行器，柔翼無人機等；按用途可分為軍用與民用。

最小的無人機還沒有手掌大，尺寸1～2 cm，重量不到2 g，有螺旋翼的和撲翅翼的。大型無人機都是固定翼，中國最大的無人機“翔龍”高空高速偵察機全長14.33 m，翼展24.86 m，機高5.413 m，正常起飛重量6800 kg，任務載荷600 kg，巡航高度18 000～20 000 m，巡航速度大于700 km/h，續航時間最長10 h[3,4]。

1.1 無人機因軍事而生 1917年英國人研制了世界上第一架無人機后，無人機經歷了無人靶機、預編程序控制無人偵察機、指令遙控無人偵察機和復合控制多用途無人機的發展過程，用于訓練、偵查、誘餌、戰斗。起初它們并不被看好，直至20世紀后期海灣戰爭，西方國家才漸漸認識到無人機在戰爭中的作用，競相把高技術應用到無人機的研制與發展上，實現高空長航時化、隱形無人機化、空中預警化和空中格斗化。

美國已發展了重中輕型和遠中近程成族、成系列的無人機裝備，如“全球鷹”、“捕食者”、“死神”、“X-47B”等。以色列在無人機研究領域僅次于美國，有“競技神”等。歐洲多采用聯合研制方式，將戰斗無人機作為重點發展方向，有“神經元”、“梭魚”、“雷神”等。俄羅斯當前落后于美國和以色列，俄政府已意識到這一問題，總統普京表示需要完整系列的攻擊機和偵察無人機。印度野心勃勃，對無人機重視程度不斷提高，推出“輝光”無人戰斗機。

中國20世紀60年代由于中蘇關系緊張，蘇聯拒絕繼續提供無人靶機，國家下決心研發出“長空一號”。北航在對被擊落的“火蜂”141A進行了研究，研制了“長虹”號無人駕駛高空偵察機，成為中國第一架高空無人駕駛偵察機。現在，我國有“翔龍”、“暗劍”、“刀鋒”、“WJ-600”、“翼龍”、“夜鷹”、“CH-3”等多種新型無人機。我國還研制了其他用途的軍用無人機，如陸軍解放軍炮兵學院研制了“T-6無人機作戰系統”，是炮兵對目標實施偵察、校正的重要手段。配備到連營用作偵查的微型無人機，如成都戰區“獵豹”特戰大隊裝備了空中偵察“W-1天鷹無人偵察機”。武警工程學院空中機器人研制小組研制“天眼”反恐無人直升機，擔負了處突任務，垂直升空后完成捕獲地面動靜目標、即時自動識別、定點投彈、精確打擊等任務[5,6]。

1.2 無人機在民用領域的廣泛應用 民用領域的技術性能和成本較低，例如，無人機在民用領域不需軍用發動機，普通電機就可以滿足需求；控制系統要求也較低，不需要考慮通訊保密和隱身等問題。中國民用無人機的發展歷程并不長，自2006年的尖兵之翼——第一屆中國無人機大會開始，2008年開始慢慢升溫，大眾逐漸探索用無人機進行航拍，最近幾年逐步邁向消費市場。

1.2.1 民用無人機早期主要應用于專業市場 2012年之前，這個行業主要是專業市場在主導，用在警用、城市管理、農業、地質、氣象、電力及搶險救災等行業。無人機應用于國土測繪領域，高效便捷。在選線設計領域，可對電力、公路、鐵路、石油管道、天然氣管道進行選線設計和全方位監測。在環境監測領域，對環境污染進行監測，此外，海洋監測、溢油監測、水質監測、濕地監測、固體污染物監測、海岸帶監測、植被生態等方面都可借助遙感無人機實施。同時，其在水利、農林領域也有重要應用。

1.2.2 多旋翼無人機使大眾市場爆發式增長 2011年8月，深圳大疆公司推出了第一代多旋翼產品，導致整個無人機市場在2012年發生了巨大轉折，由此前的專業市場主導，逐漸轉向由大眾市場主導。多旋翼無人機對人的操作要求低，機械機構簡單，特別容易上手，對場地要求不高，由于智能手機的普及使大部分傳感器的成本下降，以至于無人機價格更為低廉，成為個人可以購買的商品。大疆公司占據全球民用小型無人機約70%的市場份額，是全球民用領域最大的無人機企業，是世界上增長最快的科技公司，最近3年銷售額增長了80倍。目前，大量企業、資金涌入無人機領域，許多救援無人機采用多旋翼飛行平臺[7]。

2 國外無人機救援情況

國外無人機在救援方面的應用較早，常被用于突發災害事件中。2011年3月11日日本福島第一核電站在地震引發的海嘯中發生嚴重的核泄漏事故，美國軍方派出全球鷹無人機偵察核反應堆，并派出搭載測輻射傳感器的微型無人機監測檢查核電站附近的輻射水平。2015年3月13日，法國巴黎發生人質劫持事件，警方動用無人機參與救援行動。以色列使用“火鳥”無人機探測監視火情（圖1）。美國使用“牽牛星”、“捕食者”B無人機參與森林大火救援，還使用無人機進行颶風監測和災后搜救，使用特戰無人機空投宣傳品或廣播對災民進行心理干預。

圖1 無人機用于火災現場

針對救援情況，國外還研制了耐碰撞、防水、利用Wifi信號搜救、可及時運送除顫器、藥品的醫療救助、通過網絡遠程救援、能投放救生圈的海上救援等類型無人機[8]（圖2）。

圖2 無人機用于搶救溺水者

3 國內無人機救援情況

地震等災害救援最首要的就是掌握災情和解決交通問題，無人機能快速到達災區上空，獲取災區和通往災區道路的遙感影像，直觀地觀察災情（圖3），幫助救援人員和物資在黃金72小時內到達災區，挽救生命[9]。

3.1 無人機在四川汶川地震救援中的應用 2008年汶川地震，主干道嚴重破壞，對外通信、交通瞬間中斷，救援人員無法進入災區，情況不明。當時國家相關部門調集了多顆衛星和航測飛機對災區進行航空遙感拍攝，但受四川惡劣天氣（多霧多雨）和地形條件（山高、林密）影響，不能航拍，未能及時了解震區情況。在這種情況下，利用無人機遙感航拍成為當時最有效的手段，中國政府相關部門批準并派出多支無人機隊伍。

國家減災中心派出“千里眼”無人機深入重災區，對北川縣城進行航拍，圖像視頻通過海事衛星傳送到國家民政部，隨后國家減災網對外發布，新華網、人民網、中華網等相互轉載，迅速傳遍世界。另外，還有中國兵器工業集團下屬的光電科技公司的“華鷹”無人機，西安大地測繪工程公司的微型無人機（MRS-D14、MRS-016），北京市禁毒教育基地和北京觀典航空設備公司人員的“禁毒者”A3無人機，中科院遙感應用研究所等單位的“飛象一號”小型低空遙感無人機，都參與了救援工作[10,11]。

圖3 無人機用于災難現場的航拍

3.2 無人機在青海玉樹地震等自然災害救援中的應用2010年4月，青海玉樹地震，青藏高原，高山大川，大江大河，地勢險峻。青海省第二測繪院采用LT150-M無人機對玉樹地區進行震后測繪，并為災后重建后的地形地貌和建設項目進行了低空航攝工作。

其后，7月陜西安康發生特大洪災，8月甘肅舟曲縣突降大雨發生特大泥石流災害，2011年3月，云南盈江地震，中國四維測繪技術有限公司和北京天下圖公司派出無人機參與救援工作[12]。

3.3 無人機在四川雅安地震救援中的應用 2013年4月，四川雅安地震，災情嚴重，無人機救援應用也有所發展，多個單位的無人機赴災區參與救援工作。民政部國家減災中心緊急啟動重大自然災害無人機應急合作機制，緊急趕赴災區現場開展無人機遙感應急監測。中國人保四川分公司的中國人保號航拍無人機，成都市民彭希果的無人機，易瓦特公司的八旋翼無人機和螺旋翼無人直升機，中國國家測繪地理信息局的5架無人機，廈門美亞柏科公司的固定翼無人機和六旋翼無人機，武漢智能鳥無人機，國家地震災害緊急救援隊的旋翼無人機等對災區地形地貌、受損情況進行空中排查。十三集團軍某特種作戰旅偵察分隊攜帶無人機，

搭乘直升機直抵災區震中太平鎮救援（圖4）。中國航天科工三院研制的海鷹HW-200B無人機在震后急赴震區航拍。海軍某飛行團使用遙感飛機參與救援[13]。

圖4 解放軍無人機緊急馳援四川雅安地震現場

3.4 無人機在云南魯甸地震救援中的應用 2014年，中國云南省魯甸發生6.5級地震。武警黃金部隊地質災害調查隊攜帶四旋翼無人機抵達震中，繪制完成首張震區地質災害排查評估地圖，并首次使用無人機快速三維建模技術，實現了地質災害信息第一時間三維可視化，也是我國首次將無人機快速三維建模技術應用于地質災害應急救援。這是武警警種學院與國家遙感中心聯合研發的遙感科技成果[14]。

3.5 無人機在其他抗災救援中的應用 從1993年開始，中國氣象局將無人機應用于大氣探測、氣象災害遙感、生態遙感、人工影響天氣等課題。無人機還用于對抗火災、風災、水災，海洋監測救援。2011年，我國首次成功使用Z-3直升無人機懸停在內蒙古三湖河口至昭君墳河段進行凌情應急監測[15]。

4 救援無人機的發展情況

4.1 無人機救援初期主要應用于應急測繪 無人機之所以在測繪領域受到重視，還是從救災開始。2008年，中國民政系統第一次把無人機航拍方法運用到我國南方雨雪冰凍災害的減災救援行動中。汶川地震時，參與救援的無人機多是從遙感遙測、搜毒等其他用途臨時轉到救援工作上，作為衛星、航拍的補充。近年來，無論是地震、水災等，測繪無人機都在第一時間到達現場，獲取災區的影像數據，為救災部署和災后重建工作發揮了重要作用[16]。

4.2 無人機救援技術的發展

4.2.1 救援無人機技術改進 我國無人機遙感測繪技術在2008年汶川地震時還不是很成熟，其后不斷改進。2009年國家測繪地理信息局提出大力發展無人機低空遙感技術，多年來該項技術取得較快發展并逐漸成熟，在發動機、飛控系統方面已取得多項技術突破。北京天下圖公司經過技術攻關，改進發動機，降低油耗，加裝了防霧除冰裝置，改用電源管理器，采用的新型機體材料，增加翼展獲得，改進飛控系統，縮短彈射架，可進行短距、車載、軌道起飛，傘降和水面降落等多種起降方式等，飛行時間，從2～4 h增加到13 h，可以在四川、西藏等高海拔地區、低溫及惡劣天氣下飛行，監控半徑從50 km增至300 km[17]。

4.2.2 新型救援無人機系統研制 成都理工大學地球探測與信息技術教育重點實驗室與四川省山地救援總隊聯合研制“小鷹3A號”救援無人機，利用全球定位系統歷時一年多的課題攻關，通過對“人—飛機—地面站”三方數據鏈接，實現對目標的激活和定位。

由武警河北總隊醫院率先研發的無人機系統，實現了復雜情況下快速高效醫療救援，獲得武警部隊科技進步一等獎，申報國家專利10項。系統中的遠紅外熱成像無人機能在復雜地形、特殊地域及夜間、霧天等能見度低的情況下，實現全天候搜救。該系統已在撲救秦皇島撫寧“4·12”山林大火等搶險救災任務中得到應用，為官兵提供了有力保障。陜西寶雞北宸航天科技有限公司研發了“消防救援及火情監控無人機系統”[18]。

4.2.3 無人機救援系統化專業化 北京天下圖公司目前已經在全國布有15個應急中心，除少數地區外，均可24 h抵達全國各地。由中國航天科技、中國航天科工、中國電子科技等三大集團公司共同籌建的“天地一體化應急救援系統”，一旦出現災情、疫情等緊急情況，只需通過無人機監測—衛星報告—中控室收集信息—派出搶救隊伍的快速流程，救援隊伍能在最短時間做出反應。

有的地區建立了專業無人機救援隊，如“四川登山協會山地救援隊無人機支隊”。有的專業救援隊引進了無人機，如貴州省青年志愿者應急救援總隊配備無人機，專門用于地震、泥石流等地質災害搜救。蘇州藍天救援隊自行研發救援無人機，搜索技術精湛堪稱國際領先，不但多次進行國內救援，還飛赴緬甸進行國際救援。武警水電部隊轉型“應急救援”，打造“應急救援國家隊”品牌，配無人機等裝備。河北滄州消防支隊使用具有航拍偵查、滅火救援功能的HS-32J無人偵察直升機。甘肅省高管局采用無人機偵察道路通行情況，參與道路應急救援和突發事件處置。南寧市應急聯動中心應用260天翼無人機實現應急救援[19]。

5 展 望

目前，無人機在對抗自然災害過程中主要應用于三個方面：實時監視、災后搜索救援和災后災情評估。機型主要是中小型短近程，尤其是中小型更適于在突發救援事件中使用，多旋翼無人機在國內外救援領域獲得很好的發展[20]。

救援活動對信息和物流需求急迫，未來救援無人機能繪制災后數字地圖、對災區進行指揮和調度、對災區進行物資補給等。救援專用功能將更加豐富，綜合能力增加，形成系列產品。搭載各種救援裝備，集成多種功能，飛行平臺從微到大，飛行方式從固定翼、螺旋翼到涵道風扇等。數量將增加，各地區、各救援隊、各醫療單位、各部隊廣泛配備。如我國空軍先發展導彈一樣，無人機也會優先快速發展。將從單個體向大系統發展，無人機可近程遠程操縱，基層和總部均可控制，各重點地區布局后，平時待命，一旦有緊急情況發生，立即升空。災情和獲得的信息共享，最大限度地發揮作用。深化無人機救援的理論研究，進行無人機操作和圖片分析人員培訓，空域劃分，通訊頻段劃分，出臺相應法律法規規范管理，增強通訊傳輸能力，增加穩定性減少墜機失控等故障。實現更快的速度、更短的起飛時間、更長的飛行時間、更少的人力物力、更高的效率[21]。

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