基于功能分析法的海上救援無人機設計研究

摘 要：隨著海洋經濟的開發利用，海上活動日益頻繁，海上遇難救援的需求持續增長，無人機憑借其自動化、速度快和高機動性的優勢，已逐漸被應用于海上救援活動。本文采用功能分析法對海上救援無人機進行設計探索，該方法通過輸入和輸出信息建立簡化的功能模型，不考慮系統內部的具體實現，從而能在創意階段拓寬設計者的思維，最終設計出可切換水空形態的救援設備，共用一套動力系統，有效提升資源利用率和搜救效率，為海上救援提供了一種創新的解決方案。

關鍵詞：海上救援；無人機設計；功能分析法；功能集成

海洋蘊含著豐富的資源，對人類社會發展具有重要意義。我國領海版圖巨大，開發和利用海洋經濟是我國經濟發展提升國力的重要途徑，未來海洋經濟將保持快速增長態勢，在國民經濟中的地位和貢獻將持續鞏固，海洋經濟將向高端化、綠色化、集群化與智能化方向發展。[1]隨著海洋經濟的開發利用，人們海上活動日益頻繁，大自然的不可控性引發的海上遇難救援的需求量持續增長。海上遇險存在多種情況，在黃金救援時間及時趕赴救援現場，配備充足的自救包并實施有效的救援方案能極大增加人員獲救概率。[2]因此，開發高效、智能化的海上救援技術已成為保障海上人員生命安全和海洋經濟可持續發展的關鍵。

一、海上救援無人機的需求分析

（一）救援環境與任務特點

人類從事海洋活動利用海洋資源的行為方式多種多樣。海洋不僅能提供石油、天然氣、礦物資源，還可以發展運輸、漁業和旅游等產業。[3]據統計顯示，我國青壯年在近海海域的海上活動主要為游泳、沖浪、海釣及帆船等運動。[4]當近海海域發生事故時，影響救援任務的自然因素包括海上氣候多變、海內暗流涌動和海上風力干擾等因素；人為因素包括事發地距離救援站點遠、海面遼闊難以搜尋落難者以及人在海難事故中的表現；在人群密集處救援設備的靈活度也至關重要，直接影響著救援時間。目前國內外普遍使用的救援方式包括直升機、無人機等航空設備懸停、拋撒急救物資或降落于遇險人員附近水面，以及使用摩托艇等急救船只進行海面搜救。[5]

（二）功能需求的確定

近年來，無人機技術在海上救援中得到了廣泛應用，相較于傳統的搜救艇和直升機救援方式，無人機憑借其自動化、速度快、高機動性等優勢成為海上救援的重要力量。然而，現有無人機在海上救援應用中仍存在一些局限性，尤其是裝載運輸能力較弱，難以滿足復雜的海上救援任務需求。鑒于此，筆者首先將救援場景聚焦于近海海域，然后根據上述近海海域主要的海事活動、救援環境及任務特點的分析結果，將海上救援無人機的設計目標確立如下：可快速發現并能靈活地增援被施救者；能抵抗海上多變的氣候及海風影響；自身攜帶有應急急救包，能處理緊急傷病問題；最終能夠運送落難者至安全區域。

二、海上救援無人機的功能分析

（一）黑箱功能分析法

功能被定義為能夠轉化信息輸入和輸出之間的能力。[6]黑箱功能分析法是以設計目標為基礎，明確產品的功能及系統設計的范圍。其方法步驟是將產品所要實現的功能視為一個“黑箱”，特定的輸入經過“黑箱”轉化后得到特定的輸出，通過臆想特定的輸出來拓寬“黑箱”的邊界，見圖1（a）；然后將“黑箱”透明化，分步得到“黑箱”中的次級功能，再找到合適實現次級功能的解決方案，見圖1（b）。

（二）明確海上救援無人機功能

基于上述所要實現的功能，筆者將輸入端定義為傳統無人機，輸出端為能面對復雜場景且具有運載能力的海上救援無人機，黑箱的層層透明化將實現該設備的二級功能（如圖2所示）。首先是具有信號識別和視覺探測的功能，這一功能將使得傳統無人機具有快速找到并自動增援落難者的能力。信號識別可以是落難者本身的手機衛星信號，也可以是出海前統一發放的定位裝置，從而使救援無人機在廣闊近海海域快速發現落難者。此外視覺識別系統還能輔助無人機在復雜場景精準識別目標，提高搜救效率。其次，急救包、揚聲器和麥克風的引入可使無人機具備補給救援能力，無人機到達現場后為落難者提供急救物資和語音指導，提升救援的及時性和有效性，語音交互功能還能平復落難者的心情。最后，增加艙位可使該設備具有一定的運載能力。在海上救援中可將裝載艙位設計為輕質小艇，配備推進器后，借助水面浮力增強該設備運載能力。

三、海上救援無人機的設計方案

產品功能決定產品形式。筆者根據上述需求分析及功能實現方式的剖析，最終提出能面對復雜場景且具有運載能力的海上救援無人機的概念設計方案（如圖3所示）。

該海上救援無人機的前段搭載有負責接收救援信號并搜尋落難者的搜尋模塊，集成有語音交互模塊。該設計亮點在于巧妙地將無人機的動力模塊經調整角度變形為救生艇提供動力，從而實現自動返航，運載落難者至安全區域。該設計的可行之處是基于X形四翼無人機的電機布局特性，為克服螺旋力矩作用導致的自轉現象，其電機布局中常使對角電機的轉向與相鄰電機轉向相反，如圖4（a）所示。這與中小型雙槳船舶布局高度契合。雙槳船為了抵消正車前行時螺旋槳的致偏效應，其雙車螺旋槳的布局多為相反方向的內旋，見圖4（b）。

鑒于海風會影響無人機的飛行姿態和速度，故而否定了直接在底部垂直放置救生艇的方案，因為這種設計會顯著增加空氣阻力，影響無人機的飛行穩定性和速度。而另一種平行放置的方案雖然減小了阻力，但仍會因體積較大而受海風影響。因此，救生艇設計為折疊充氣的小艇，這種設計不僅降低了空氣阻力，還提高了無人機的飛行靈活性和適應性。救援物資與充氣艇均放置在無人機所攜帶的物資艙中。施救過程如圖5所示，救援無人機收到報警信號，根據信號指引趕赴事發地搜尋落難者，隨后物資艙底部的電磁鐵斷電，艙門打開，無人機打開進氣孔塞，在事發地的上空展開救援艇為其充氣，然后調整入水角度，懸浮在水面上，上方兩個螺旋槳停止工作，底部兩個螺旋槳為小艇提供動力，完成由無人飛行器到救生艇的轉變；落難者在語音引導下進行自救；在落難者皆爬上救生艇后，無人救生艇自行返回至安全區域。

四、結 語

筆者經對海上救援無人機的需求分析，確定其所需功能，運用黑箱功能分析法，逐步探尋每項功能的實現路徑，從而創新海上救援無人機概念設計方案。該方案不僅具備有快速增援、靈活便捷以及適應海上大風氣候的優良特性，而且運用無人飛行器與無人救生艇共用一套動力裝備的設計思路，合理提高有限資源的利用率，符合綠色可持續發展的設計理念。該方案中無人機航空旋翼和救生艇推進器螺旋槳的造型角度是否通用仍需實驗驗證，筆者將繼續深入研究，不斷優化和完善。

（延安大學西安創新學院）

參考文獻

[1] 伍業鋒，周曉彤．海洋經濟政策效力評價及其經濟增長效應研究[J]．統計研究，2024，41（12）：111-122.

[2] 黃敏東．論海上遇險黃金救援時間[J]．世界海運，2014，37（11）：33-35.

[3] 孫娜，廖維曉．論海洋資源開發管理機制構建[J]．學術交流，2015（2）：116-121.

[4] 劉龍波．基于產品系統設計的海上救援無人機設計研究[D]．哈爾濱：哈爾濱理工大學，2023.

[5] 方興，張文翰，明轅．基于UCD的海上救援設備設計[J]．包裝工程，2020，41（4）：103-109.

[6] 董仲元，梁一林．發展產品的重要方法：功能分析法[J]．西安理工大學學報，1990（1）：7-14，71.