智能快速救援船在海上救援領(lǐng)域的應(yīng)用探討

魏永寧 王卓夫 中國交通進(jìn)出口有限公司

1.研究背景

隨著海洋資源的不斷開發(fā)，越來越多的人工作業(yè)船只日夜工作在大海之上，并且很多未知海域也在不斷地被開墾出來。由此伴隨而來的是越來越多的海洋事故的發(fā)生。因?yàn)樵谝恍┪粗Ｓ蜻M(jìn)行救援危險(xiǎn)性很高，并且很多海洋事故的發(fā)生是在被嚴(yán)重污染的海域，在這些海域進(jìn)行救援對救援人員身體傷害很大，所以迫切需要一種無人駕駛的快速救援船，來彌補(bǔ)這方面的不足，提高救援安全和效率，減少對救援人員的二次傷害，節(jié)約大量時(shí)間，提高被救者的生還率。但因無人船移動速度較慢、工作區(qū)域受限等不足而限制了其向更廣闊的任務(wù)范圍推進(jìn)。無人機(jī)機(jī)動靈活的特點(diǎn)可有效彌補(bǔ)這一缺陷，其搭載的偵察、通信等設(shè)備可有效增強(qiáng)和拓展無人船的任務(wù)能力[1]。

本文研究的無人駕駛救援船配套有無人機(jī)，主要應(yīng)用于落水船員以及海灘旅游溺水者的救援。在救援落水人員時(shí)，可以使用無人駕駛救援船，利用搭載的高分辨率攝像頭判斷被救人員的位置進(jìn)行自主快速航行。當(dāng)靠近溺水人員時(shí)利用高壓使液體二氧化碳鋼瓶釋放氣體，對船內(nèi)部的救生圈瞬間充氣彈出，使溺水者及時(shí)得到救援。同時(shí)，無人船可配備無人機(jī)對溺水人員進(jìn)行搜尋與定位。在水面有類似大水浪的情況下，無人駕駛救援船很難對溺水人員做到定位[2]。這個(gè)時(shí)候無人機(jī)在高空能對溺水人員進(jìn)行快速準(zhǔn)確定位，引導(dǎo)救援船前往溺水人員位置。

無人船-無人機(jī)的協(xié)同控制可以大大提高其在海上搜救方面的快速性和自動化性[3]。另外，對于大片水域，無人機(jī)可進(jìn)行日常巡航監(jiān)護(hù)，確保人員安全。本文所設(shè)計(jì)的無人船不僅能夠減少對救援人員的身體傷害，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一人操作多船，實(shí)時(shí)監(jiān)測海上環(huán)境，很大程度上節(jié)約了傳統(tǒng)救援的時(shí)間，大幅度地提高救援效率。

2.國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外的水上救援設(shè)備，多為大型的船只快艇。但對于部分水域（如江道河道，偏遠(yuǎn)海域，封閉水域），并不具備良好的救援條件。即使具備良好的救援條件，考慮到溺水是一類需要極其迅速救援的事故，這類設(shè)備并不能為溺水快速救援提供強(qiáng)有力支持。

目前，普通水上救援主要采用輕式救生裝備，如救生圈、救生衣、水上救生擔(dān)架、救生筏等傳統(tǒng)浮物類救生工具，或沖鋒舟/救生艇機(jī)動性較強(qiáng)的救生設(shè)備。傳統(tǒng)浮物類救生工具，在救援過程中，需要通過人工投擲，其范圍有限，且準(zhǔn)確度不高，易耽誤救援時(shí)間。沖鋒舟/救生艇機(jī)動性較強(qiáng)，能快點(diǎn)抵達(dá)事故現(xiàn)場，但是需要專業(yè)人員操控，且海況復(fù)雜或水域中存在較多障礙物時(shí)，行動會受限，救援人員的安全也會受到威脅。一些國內(nèi)外的無人救援艇也大多為救生圈或其他懸浮材料和遙控船的結(jié)合體。產(chǎn)品功能，技術(shù)手段，以及外形基本一致，種類單一，特點(diǎn)是重量大，體積大，操作性低，即使其能夠比大型人為操作的船只快艇更便攜以及更迅速，但由于其并沒有針對溺水快速救援做針對性技術(shù)開發(fā)，所以在突發(fā)事故中，也并不能為救援提供強(qiáng)力的快速支持，只能在一小部分特定場景下能夠使用。

傳統(tǒng)救援不僅效率低、成本大，同時(shí)需要大量的人力、以及物力，并且實(shí)際操作難度大，同時(shí)在救援協(xié)同性、全面性和實(shí)時(shí)性等方面也存在不足之處[4]。

3.救援船設(shè)計(jì)

圖1 雙抽水噴泵無人救援艇

圖2 無人機(jī)-無人船協(xié)同作業(yè)

圖3 視覺感知單元結(jié)構(gòu)圖

圖4 目標(biāo)檢測方案

（1）硬件結(jié)構(gòu)。本無人救援船選用雙抽水噴泵作為船的推進(jìn)裝置，保證了救援安全性，避免了槳葉劃傷被救人員的可能性。雙抽水噴泵增加了無人船的機(jī)動性，使得無人船能在較高的動力下行進(jìn)，以最快的速度接近待救人員，同時(shí)也保證了無人船的靈活性。船頂部具有兩個(gè)救生圈窗口，在接近待救人員后救生圈從窗口處自動彈出充氣實(shí)施救援。無人船內(nèi)部具有動量輪，能夠?qū)o人船姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（2）無人救援船及無人機(jī)的控制系統(tǒng)。無人救援船主要由兩片微處理器進(jìn)行控制，在對船的運(yùn)動控制中加入了姿態(tài)調(diào)整。本船的自抗擾控制器采用一種自動姿態(tài)調(diào)節(jié)算法，在船獲取陀螺儀加速度計(jì)參數(shù)后加速動量輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生反向力矩，使得船在大風(fēng)大浪的自然環(huán)境以及突然急彎的狀況下依然能保持不側(cè)翻，當(dāng)船因?yàn)椴豢煽沽?cè)翻后，也能通過動量輪擺動進(jìn)行回正。

無人機(jī)的定高主要采用激光傳感器，由超聲波和北斗衛(wèi)星進(jìn)行輔助定高。無人機(jī)由北斗、光流以及自身進(jìn)行融合定位，確保了定位數(shù)據(jù)的精確性，使得無人機(jī)更適用于復(fù)雜多變的海上環(huán)境。無人機(jī)基于自身定位感知以及陀螺儀的姿態(tài)確認(rèn)，能在大風(fēng)的情況下進(jìn)行自穩(wěn)調(diào)節(jié)。無人機(jī)與無人船由大功率透傳進(jìn)行無線通信，通信距離達(dá) 500米以上[5]。

無人船和無人機(jī)與操作員的通信距離可達(dá) 500米以上。在無人機(jī)識別到船接近待救人員后，無人船會減速并在被救人員旁邊停下，避免撞上。無人船自身也具有人體傳感器以及超聲波傳感器，便于在在復(fù)雜環(huán)境下行駛，避免碰撞。

（3）軟件設(shè)計(jì)。軟件主要包括檢測系統(tǒng)和容錯(cuò)系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的任務(wù)是基于目標(biāo)檢測技術(shù)，識別攝像頭視野中的落水人員，獲取圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，作為無人機(jī)及無人船運(yùn)動控制的參數(shù)輸入。考慮到目標(biāo)檢測系統(tǒng)在一些極端情境下（圖像對比度突變、突發(fā)性噪聲等不可控因素）會丟失目標(biāo)，還設(shè)計(jì)了容錯(cuò)系統(tǒng)。容錯(cuò)系統(tǒng)主要通過目標(biāo)跟蹤及目標(biāo)預(yù)測技術(shù)推斷目標(biāo)丟失情況下落水人員的可能位置，并作為參數(shù)控制無人機(jī)及無人船運(yùn)動，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。

（4）目標(biāo)檢測方案。本項(xiàng)目使用的目標(biāo)檢測技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)了落水人員的目標(biāo)檢測，是在傳統(tǒng)目標(biāo)檢測技術(shù)[7]的基礎(chǔ)上做了一系列優(yōu)化工作，在自主構(gòu)建的落水人員檢測數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，使其適應(yīng)落水人員檢測任務(wù)。

在目標(biāo)檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目采用目標(biāo)跟蹤技術(shù)對溺水人員進(jìn)行跟蹤。該系統(tǒng)的主要目的是，如果在目標(biāo)檢測的過程中，受目標(biāo)形變、尺度變化、運(yùn)動模糊、光照、入水等不可控因素影響，造成某幾幀局部目標(biāo)丟失，可以使用目標(biāo)跟蹤技術(shù)結(jié)合目標(biāo)的歷史運(yùn)動軌跡預(yù)測一個(gè)概率密度最大的區(qū)域。該技術(shù)相比傳統(tǒng)目標(biāo)跟蹤技術(shù)，可利用檢測框和跟蹤軌跡之間的相似性，在保留高分檢測結(jié)果的同時(shí)，從低分檢測結(jié)果中去除背景，挖掘出真正的物體（遮擋、模糊等困難樣本），從而降低漏檢并提高軌跡的連貫性。

4.創(chuàng)新特色

（1）項(xiàng)目特色。目前市面上水上救援設(shè)備，多為大型的船只快艇，一些無人救援艇也大多為救生圈和遙控船的結(jié)合體，但是對于人員溺水問題，此類救援手段很難起到快速的作用。人員溺水的救援時(shí)間有限，這些救援設(shè)備普遍存在體積過大問題，而對于離岸邊較遠(yuǎn)人員溺水事故，也不能使用拋擲救生圈的方法。而我們設(shè)計(jì)的這款無人救援船，擁有體積小，速度快的特點(diǎn)，兼?zhèn)渥灾髋c半自主功能，能夠?qū)⑷藱C(jī)結(jié)合，將人機(jī)優(yōu)勢發(fā)揮到極致，充分縮短救援時(shí)間，在很大程度上提升救援效率。

本無人救援船操作簡單，能夠做到在事故發(fā)生后簡單閱讀很少的操作說明就能進(jìn)行投放救援，兼?zhèn)錈o人搜救艇方法的快捷性以及拋擲救生圈方法的簡便性。

本無人救援船可以和無人機(jī)機(jī)載平臺搭配，形成一套救援系統(tǒng)，以滿足各種需求下的救援。無人機(jī)機(jī)載平臺是專門針對快速救援而設(shè)計(jì)，簡化了大量操作，集成多種傳感器，能夠做到穩(wěn)定飛行，和救援船一樣，操作十分簡單。

（2）創(chuàng)新點(diǎn)。在無人救援船抵近溺水人員時(shí)使用二氧化碳?xì)馄克查g對救生圈充氣，縮減救援船體積，使得救援船能夠便攜，在航行時(shí)能夠更加迅猛。

利用視覺圖像定位，在救援船靠近溺水人員后自主航行、校準(zhǔn)，精準(zhǔn)駛向溺水人員，彌補(bǔ)人為操作的不足。

搭配無人機(jī)機(jī)載平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的搜救與救援，在極大程度上縮減人員搜救時(shí)間，并且本救援船船可與無人機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)統(tǒng)一救援，提高救援的成功率以及速度。

5.應(yīng)用前景以及社會價(jià)值

每年都有幾十萬人死于溺水，溺水具有突發(fā)性，所以救援時(shí)間是最為珍貴的，當(dāng)下社會對一個(gè)完備的快速救援系統(tǒng)的需求較大。

目前市場上溺水救援系統(tǒng)并不少，且國家支持本行業(yè)的大力發(fā)展，即當(dāng)下的市場環(huán)境對于此系統(tǒng)產(chǎn)品是有需求的。對于海上求生設(shè)備的研究，目前市場上沒有與本項(xiàng)目相關(guān)的智能的救生器，專門針對船員、海灘游客，災(zāi)害遇難者的智能救生器更是幾乎沒有，所以這一市場領(lǐng)域是海上救生服務(wù)業(yè)的一個(gè)短板。我們所研制的智能救生器正是迎合時(shí)代的發(fā)展趨勢，應(yīng)用前景十分樂觀。尤其是本產(chǎn)品造價(jià)低廉，容易操作且高智能化的特點(diǎn)，滿足了當(dāng)代人們的需求，因此其定將占有未來的海上救生市場。