淺析無人機(jī)技術(shù)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

陳玉倩

南京航空航天大學(xué)，中國·江蘇 南京 210000

1 引言

中國是一個(gè)多災(zāi)害國家，根據(jù)國家應(yīng)急管理部所發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年上半年中國自然災(zāi)害以風(fēng)雹、洪澇、地震災(zāi)害為主，各種自然災(zāi)害造成經(jīng)濟(jì)損失慘重。除自然災(zāi)害外，事故災(zāi)害、公共衛(wèi)生安全事件帶來的破壞也不小，如新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)、西昌瀘山森林火災(zāi)、九寨溝地震等，這些災(zāi)害事件對(duì)中國應(yīng)急管理水平和處置工作都提出了挑戰(zhàn)。完善應(yīng)急管理體系、加強(qiáng)現(xiàn)代化能力建設(shè)是中國當(dāng)前一項(xiàng)長期且緊迫的任務(wù)。目前無人機(jī)在中國應(yīng)用已十分廣泛，《國家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中就將無人機(jī)納入應(yīng)急救援體系專業(yè)裝備，將無人機(jī)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于應(yīng)急救援工作將有利于推進(jìn)中國航空應(yīng)急救援體系的建設(shè)。

2 無人機(jī)在應(yīng)急救援領(lǐng)域的技術(shù)

2.1 無人機(jī)技術(shù)概述

無人機(jī)（UAV）是區(qū)別于載人飛機(jī)的飛行器，是利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人航空器，可實(shí)現(xiàn)操手遠(yuǎn)程控制或由機(jī)載計(jì)算機(jī)自主控制[1]。

通常，無人機(jī)根據(jù)其飛行原理可以分為固定翼飛機(jī)、單旋翼直升機(jī)以及多旋翼直升機(jī)等。無人機(jī)應(yīng)用于應(yīng)急救援優(yōu)勢(shì)明顯，逐漸呈現(xiàn)出輕型化、智能化的特點(diǎn)，并且成本低、攜帶和使用方便、對(duì)環(huán)境要求低等。隨著無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展提升，無人機(jī)已經(jīng)能夠適應(yīng)越來越復(fù)雜的不同環(huán)境，通過掛載紅外熱成像、激光雷達(dá)和應(yīng)急通信等載荷，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)滅火救援中存在的各種問題，為救援工作的部署起到強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 無人機(jī)遙感技術(shù)

無人機(jī)遙感通過定位技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器等來控制無人機(jī)飛行，包括地面控制和機(jī)載控制兩部分，地面控制通過無線通信對(duì)無人機(jī)的飛行任務(wù)下達(dá)指令，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理、建模和分析，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛行操作自動(dòng)化、智能化。此外，無人機(jī)遙感以無人機(jī)為控制遙感平臺(tái)，可搭載多種設(shè)備，包括高清攝像機(jī)、熱成像儀、紅外夜視儀、應(yīng)急通信等，能隨時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要更換設(shè)備，拍攝畫面清晰，數(shù)據(jù)傳輸效率高，極大地滿足了搶險(xiǎn)救災(zāi)的應(yīng)用需求，提高了救援效率。利用無人機(jī)遙感技術(shù)，不僅可以更加快速就能獲取這一地區(qū)的相關(guān)信息，還可以利用地面平臺(tái)更加真實(shí)性地轉(zhuǎn)載和記錄有關(guān)地區(qū)表面的自然情況和人工景觀等，也可以對(duì)人類活動(dòng)進(jìn)行全方位的跟蹤。

2.3 應(yīng)急中繼通信技術(shù)

無人機(jī)平臺(tái)應(yīng)急中繼通信是中國及其他國家在解決偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)急救援通信問題的一種常用的解決方案。可靠、靈活的緊急通信是災(zāi)難發(fā)生時(shí)搜索和救援的關(guān)鍵，也是挽救受災(zāi)群眾生命財(cái)產(chǎn)的保障。技術(shù)原理是利用無人機(jī)的飛行作業(yè)高度，通過升高通信天線方式來減少地形對(duì)無線電傳播的影響，能夠顯著改善救援隊(duì)伍通信質(zhì)量。在受災(zāi)區(qū)域的基站不再運(yùn)行的情況下，無人機(jī)可通過機(jī)載中繼機(jī)，充當(dāng)臨時(shí)通信設(shè)備，同時(shí)大中型無人機(jī)還能直接參與救援。在有條件的現(xiàn)場(chǎng)，可采用車載移動(dòng)設(shè)備，用系留無人機(jī)建立穩(wěn)定、臨時(shí)的通信基站。

2.4 無人機(jī)險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)技術(shù)

筆者曾參與開發(fā)的無人機(jī)航空攝影險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫建立模塊、區(qū)域圖像采集控制模塊和異常分析模塊。以使用無人機(jī)監(jiān)測(cè)森林火災(zāi)為例，基本原理為區(qū)域圖像采集控制模塊獲取無人機(jī)在監(jiān)測(cè)區(qū)域飛行監(jiān)測(cè)時(shí)采集到某一區(qū)域的圖像，獲取面積占比，如果面積占比大于等于分類面積占比閾值，那么無人機(jī)以第一時(shí)長持續(xù)采集該區(qū)域的區(qū)域圖像，如果面積占比小于分類面積占比閾值，那么無人機(jī)以第二時(shí)長持續(xù)采集該區(qū)域的區(qū)域圖像，其中，第一時(shí)長大于第二時(shí)長，所述異常分析模塊用于當(dāng)監(jiān)測(cè)到區(qū)域圖像中存在溫度大于等于溫度閾值的區(qū)域時(shí)，設(shè)該區(qū)域?yàn)橐伤莆ｋU(xiǎn)區(qū)域，對(duì)疑似危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行分析，判斷是否要傳輸警報(bào)信息。

如圖1所示，系統(tǒng)可通過采集到的有效樹木的數(shù)量e以及各個(gè)有效樹木之間的平均距離f，得出某檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的樹木參考指數(shù)u=e/f；人流量指數(shù)，其中，表示最近一段時(shí)間內(nèi)該個(gè)檢測(cè)區(qū)域檢測(cè)到人流量的次數(shù)， 表示第i 次檢測(cè)到人流量時(shí)檢測(cè)到人的個(gè)數(shù)，表示第i 次檢測(cè)到人流量時(shí)的人在該個(gè)檢測(cè)區(qū)域的停留時(shí)長。

圖1 無人機(jī)險(xiǎn)情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

深層分析模塊中，第一面積采集比較模塊用于獲取此時(shí)疑似危險(xiǎn)區(qū)域的面積為第一面積Sb，人員位置變化監(jiān)測(cè)模塊在疑似危險(xiǎn)區(qū)域的第一面積小于等于危險(xiǎn)面積閾值時(shí)，識(shí)別疑似危險(xiǎn)區(qū)域的周圍是否人員，當(dāng)存在人員時(shí)，獲取該人員的位置為第一位置，間隔第二時(shí)長后，獲取以第一位置為中心，第一距離為半徑畫出圓形區(qū)域內(nèi)是否存在人員，如果存在人員，無人機(jī)監(jiān)測(cè)采集下一個(gè)區(qū)域的圖像信息，否則，令時(shí)長臨時(shí)修改模塊修改無人機(jī)以第一時(shí)長持續(xù)采集該區(qū)域的區(qū)域圖像，所述面積之差比較模塊獲取間隔第一時(shí)長后溫度大于等于溫度閾值的區(qū)域的面積為第二面積Sa，如果第二面積與第一面積之差Sa-Sb 大于面積差之閾值，那么傳輸警報(bào)信息。

3 無人機(jī)技術(shù)在應(yīng)急救援中的具體應(yīng)用

3.1 探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)和指揮調(diào)度

災(zāi)情偵查。無人機(jī)可通過搭載可變焦高清攝像裝備，調(diào)整懸停高度和拍攝角度，實(shí)現(xiàn)多維度拍攝和全方位現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)展示，也可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)急測(cè)繪，通過圖傳設(shè)備將事故現(xiàn)場(chǎng)情況回傳至現(xiàn)場(chǎng)指揮部。決策者依據(jù)回傳數(shù)據(jù)能夠全面準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，做出科學(xué)有效的應(yīng)對(duì)指揮，同時(shí)還能為調(diào)度各方救援力量提供信息引導(dǎo)，組織周邊群眾及時(shí)撤離。

巡航探測(cè)生命跡象。無人機(jī)搭載生命探測(cè)儀通過電池補(bǔ)給、多機(jī)替換巡查，行動(dòng)速度快，搶救效率高，還能保障救援人員的人身安全[2]。無人機(jī)搭載紅外生命探測(cè)儀或雷達(dá)生命探測(cè)儀，依據(jù)感知溫度的差異來區(qū)分搜索目標(biāo)，人體發(fā)射出的紅外波段約在3～50μm 波段；也可以利用多普勒效應(yīng)來探測(cè)生命信息，電磁波穿透建筑廢墟等遮擋介質(zhì)對(duì)一定近空間進(jìn)行掃描，接收器接收反射回來的信號(hào)并進(jìn)行智能分析，經(jīng)過測(cè)量計(jì)算對(duì)幸存者精準(zhǔn)定位。

3.2 輔助決策

無人機(jī)配備使用關(guān)鍵器材和裝備，如配備高清攝像頭，可以使用無線圖像傳輸模塊實(shí)現(xiàn)圖像信息長距離傳輸?shù)街笓]車，然后迅速把救援現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息傳輸?shù)綖?zāi)情指揮部，有利于指揮部分析災(zāi)害事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)分析。同時(shí)無人機(jī)在空中還可以進(jìn)行大范圍多角度的現(xiàn)場(chǎng)觀察，為第一時(shí)間營救被困人員提供最佳路線和最有利時(shí)機(jī)[3]。在無人機(jī)上裝載語音系統(tǒng)和擴(kuò)音裝置，可以利用無人機(jī)喊話、下達(dá)指令。

3.3 物資投放及受災(zāi)評(píng)估

通過無人機(jī)技術(shù)可以獲取精準(zhǔn)性較高的圖像，對(duì)整個(gè)救援過程進(jìn)行更加清晰和直觀性的展示。也可以構(gòu)建三維立體模型，全面了解災(zāi)區(qū)的位置以及范圍，方便技術(shù)人員在數(shù)據(jù)分析之后得出這一災(zāi)害發(fā)生之后的損失評(píng)估和人員傷亡，有助于使救援人員根據(jù)三維立體模型確定現(xiàn)場(chǎng)的救援方案，根據(jù)隨時(shí)變化的救援動(dòng)態(tài)進(jìn)行有效的指導(dǎo)，使得救援過程高效。

同時(shí)，無人機(jī)能夠快速、精準(zhǔn)地完成物資投放。當(dāng)?shù)孛娼煌òc瘓或無法進(jìn)行海上救援時(shí)，航空運(yùn)輸是最直接有效的方式，大中型無人機(jī)都具有一定的荷載能力。無人機(jī)地面控制設(shè)備能監(jiān)測(cè)其飛行情況，為無人機(jī)規(guī)劃航線路徑，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投送，可向受困人員運(yùn)輸衣物、食物，向急需醫(yī)療救治的人員投遞醫(yī)藥物資，向救援人員提供除顫儀等救援設(shè)備等。

4 結(jié)語

論文針對(duì)無人機(jī)技術(shù)在應(yīng)急救援中的運(yùn)用，通過研究無人機(jī)救援功能，對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，保證無人機(jī)能完成目前簡單的一些事故救援保障和調(diào)查任務(wù)。現(xiàn)階段中國已將無人機(jī)應(yīng)用于各個(gè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，并取得了一定成效，但是無人機(jī)救援仍然面臨許多挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步推進(jìn)中國應(yīng)急救援體系建設(shè)，需要完善航空應(yīng)急救援體制機(jī)制，加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)飛行的管控，從手段和制度建設(shè)入手，建立管控系統(tǒng)和飛行報(bào)批程序，推動(dòng)無人機(jī)技術(shù)創(chuàng)新，加大人才培養(yǎng)，組建專業(yè)隊(duì)伍。將無人機(jī)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)有效應(yīng)用于應(yīng)急救援工作，有利于推進(jìn)中國航空應(yīng)急救援體系的建設(shè)。