基于多模態的急救車載無人機設計研究

摘要：本研究旨在對無人機進行創新設計，在多模態理論的指導下，提高急救車駕駛場景下其他車輛駕駛人員的反應效率以提升患者的存活率。首先通過分析系統急救場景的全流程得出本研究的重要性，隨后深入急救場景對利益相關者的行為和心理進行細致剖析，得出本文擬解決的問題，并分析得出可以通過視覺和聽覺的信息傳達來敦促其正確駕駛從而提高其反應速度，之后將多模態理論介入無人機產品設計，并得出基于多模態理論的急救車載無人機設計模型，基于該理論模型，最終輸出一套完整的設計實踐。理論與實踐均表明，基于多模態理論的急救車載無人機設計研究在設計者的設計過程中確實起到了積極的作用。這將為其他急救場景下的產品設計者以及無人機產品設計者提供參考，在一定程度上可促進我國急救車相關產品產業的發展。

關鍵詞：無人機；創新設計；多模態理論；急救車駕駛場景；產品設計

中圖分類號：TP701 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）20-0096-05

引言

目前院前急救在緊急處理急危重癥患者、保障公眾生命安全方面扮演著至關重要的角色。然而，與公眾對生命底線更高的安全保障持續追求相比，仍存在差距。這種差距的產生，部分原因在于院前急救設備的不足以及社會公眾對急救認知的滯后。特別是在急救車通行環節，仍有改進的空間和必要[1]。許多駕駛者未能及時為急救車讓道，主要原因在于他們無法準確判斷急救車的來向和距離，以及急救意識的相對薄弱。針對這一問題，無人機技術有著巨大的潛力。憑借其自身的獨特優勢，無人機可以配合多模態警示系統（包括聽覺和視覺提示），從多感官角度將避讓警示有效地擴展至更遠的距離，從而顯著提升道路急救的響應速度和效率。

一、目前急救系統場景分析

（一）急救模式多樣性

在我國，院前急救模式尚未形成統一的標準化體系。由于地域差異和實際情況的多樣性，現存多種急救模式并存。綜合各地實踐，主要可歸納為6 種類型：獨立型模式；指揮型模式；院前型模式；依托型模式；聯動型模式；與消防結合型模式。

多種模式并存導致難以形成統一規范的行業標準，但這種靈活性也有其優勢，能夠根據不同地區的實際情況和需求進行因地制宜的急救流程設計，從而有效提高急救效率[2]。

（二）急救流程

根據以上6 種急救模式，在杭州地區進行了相關的實地調研以及對醫療部門的電話采訪，整理歸納得出一份在杭州地區的醫療急救流程（如圖1）。

根據歸納得出的院前急救全景圖，我們可以得出以下分析：

（1）當前急救流程繁瑣復雜，這往往導致急救人員在執行任務之前必須耗費大量時間進行車輛調度和人員緊急配置等工作。這種情況不可避免地延長了急救響應時間，進而對急救服務的及時性產生了不利影響。

（2）在急救途中，還可能遇到多種潛在的交通問題。例如，城市中普遍存在的交通擁堵現象會嚴重影響急救車輛的通行效率；部分駕駛員可能因為趕時間或不了解急救車輛的優先通行規則而違反交通規則，這進一步加劇了急救途中的交通壓力。

（3）此外，某些地區的道路狀況可能較差，如路面坑洼不平、施工占道或道路封閉等情況，都會對急救車輛的通行造成阻礙。

（三）利益相關者，如圖2

主要利益相關者分別：急救人員，警示效果弱，道路開辟效率存在提升空間；患者，對于救援時間的緊迫需求；路人司機，無法獲得明確避讓指引，并進行及時規范的讓行。

次要利益相關者：政府，如今城市道路交通壓力不斷增加，急救效率面臨著更大的挑戰，需要滿足民眾不斷提高的安全感和幸福感；病患家屬，對急救運輸速度有著迫切要求，希望急救系統更加完善；無人機公司，急救這一產品賽道處于空白期，可順應國家政策發展開辟新業務板塊。

第三方利益相關者：路人，急救意識不足，認知欠缺；導航平臺/ 云計算平臺，目前仍在不斷發展中，導航精確性仍有提高空間。

（四）當前急救系統面臨的社會環境挑戰及亟待解決的問題

在當今社會環境下，我國的急救系統面臨多方面的挑戰，主要包括城市交通的擁擠狀況、復雜的道路條件以及公眾對急救的認知不足等。通過對當前情況的調研，我們發現急救系統存在以下亟待解決的問題。

1. 民眾意識

然而，從民眾的視角來探討急救道路的路權問題，我們不難發現，很多時候并非他們不愿避讓急救車，而是由于對急救車的行駛方向、與自身的相對距離、何時進行避讓以及具體的避讓方式等信息的缺乏了解。此外，駕駛者在試圖遵循路權規則進行急救避讓時，很可能會觸犯交通法規，從而給自己帶來不必要的困擾，而選擇正常行駛則無此風險。此外，在許多大中型城市中，急救車在執行任務時常常因“路權優先”得不到有效保障而遭遇交通擁堵。這種情況不僅違背了醫療急救所追求的“及時、有效”的核心原則，更對患者的生命安全構成了直接威脅[3]。

2. 交通問題

我國城市道路目前大多沒有設置應急車道（國外稱生命通道），社會車輛大多沒有給急救車讓行的意識或有讓行意識但讓行的技能缺失；高速公路均設有應急通道，但當高速公路發生交通事故、出口處車流量大等原因堵車時，其他非應急車輛占用應急車道，致使急救車“遇堵”。

3. 醫療資源

我國急救車輛在設備配置上存在不足之處，這直接影響了應急響應隊伍的整體效能和應對能力。在院前與院內的銜接過程中，“斷鏈”問題尤為突出，導致急救的“黃金時間”往往無法得到充分把握和利用。其次，近年來我國突發公共衛生事件頻發，院前急救需求和出車次數均呈現出逐年上升的趨勢[4]。然而，由于交通事故的頻繁發生等原因，急救需求與現有急救能力之間的矛盾愈發突出，給急救系統帶來了巨大壓力。

針對以上問題，雖然目前已經有一些解決方案被提出并實施，但這些方案大多集中在調整醫療系統[5] 或完善相關規章制度[6] 等方面，對急救系統進行優化。然而，這些方案在實施過程中往往面臨著涉及條例多、實施難度大等挑戰。同時，部分解決方案的地域屬性較強，普適性相對較弱，難以在全國范圍內推廣實施。因此，我們需要進一步深入研究和探討有效的解決方式，以提升我國急救系統的運行效能和服務質量。

二、多模態急救車載無人機設計研究

根據上文調研分析，本次將聚焦于急救車道路行駛情境，主要目標解決點為救援車與道路行駛車輛兩者之間的關系處理，眾多駕駛者往往難以為急救車輛及時讓道，其根本原因在于他們難以精確預估救護車的接近方向和距離，同時，他們的急救意識也較為薄弱。面對這一難題，無人機技術展現出了巨大的應用前景。由于其獨有的特性，無人機能夠與多模態警示系統（融合了聲音和圖像提示）相結合，有效地將避讓提醒信息傳播至較遠的范圍，進而大幅提高了道路急救的反應速度和執行效率。

（一）無人機現狀

1. 類別及功能

無人機根據機翼和飛行原理分為固定翼和旋翼兩類，并有多種尺寸規格，適用于不同場景。無人機的視覺導航控制系統至關重要，包括目標檢測與追蹤、相對位姿預測、視覺伺服控制三大核心組件，能實時分析和處理圖像數據，估算無人機位置和姿態，提升飛行精度和穩定性，支撐復雜環境下的自主飛行。

隨著科技的不斷進步和創新，無人機技術有望在更多領域得到廣泛應用和推廣。特別是在急救領域，無人機憑借其快速響應、靈活機動、高效作業等優勢，有望為急救系統帶來革命性的變革。例如，利用無人機進行空中救援、快速運送急救物資等任務，可以有效緩解城市交通擁堵等問題對急救系統造成的壓力；同時，無人機還可以搭載高清攝像頭等先進設備進行現場勘查和實時監控，為急救人員提供更為準確、全面的信息支持，從而顯著提升急救效率和成功率。因此，未來我國應進一步加大對無人機技術的研發和應用推廣力度，以更好地滿足社會發展和人民生活的多樣化需求[7]。

2. 發展情況

近十年來，中國無人機行業經歷了顯著的發展，據《證券日報》報道，多位業內專家表示，目前工業無人機已廣泛應用于多個領域，包括航空測繪、資源勘探、農業植保、油氣管網巡檢以及海洋監測等。此外，在建筑施工、物流貨運、邊境巡邏、安全反恐以及救災搶險等方面，工業無人機也展現出了廣闊的應用前景。本次設計的多模態急救車載無人機進一步豐富了無人機的應用場景，標志著無人機技術在急救領域的一次創新嘗試。這種跨界融合的設計思路有望為未來的無人機應用開辟更多新的領域和可能性。

（二）多模態應用概述

模態，即信息交流的渠道和媒介，包含了諸如語言、圖像、科技、色彩及音樂等多樣化的符號系統[8]。在人類感知世界的方式中，模態主要關聯于五大感官：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺。這些感官構成了人類與外部環境互動的主要途徑，各種產品則作為這種互動的媒介而存在。因此，多模態概念應運而生，并強調多種感官在信息傳遞中的共同作用。學者胡壯麟對多模態話語的本質進行了深入闡釋，他指出多模態話語是通過多種手段和符號資源，如語言、圖像、聲音、動作等進行交際的現象。這種交際方式不僅融合了語言系統與其他符號系統，更探索了這些系統如何相互協作以產生更強大的效果。在產品設計領域引入多模態理念，有助于更明確、準確地傳達產品意義，從而提升用戶體驗[9]。

針對急救車在行駛過程中面臨的道路開辟問題，本次采用多模態設計理念對其警示系統進行了優化。通過視覺和聽覺兩大感官的協同作用，對傳統警示系統進行了改進，包括拓寬警示范圍、增強警示效果以及創新警示形式等方面。這些設計旨在從多個層面引導駕駛者及時避讓，以提高急救車在道路上的通行效率。

（三）基于多模態的急救車載無人機設計研究

設計核心在于對醫療急救系統中的急救車模塊進行創新改造，我們專注于通過多模態交互方式、多感官體驗整合、自主巡航及遙控操作等關鍵技術，以提升救援過程中的道路開辟效率。這一創新特別適用于城市交通擁堵、交通違規頻發，以及路面狀況不佳等復雜環境。

1. 多模態交互方式

多模態交互在本設計中扮演著至關重要的角色。車載無人機作為新型交互工具，該無人機能夠利用多種交互模式，包括但不限于視覺信號、聲音提示以及可能的物理接觸（如通過無人機輕微觸碰車輛以提醒駕駛員），來與路面上的車輛和行人進行溝通。這種多元化的交互方式旨在應對不同的用戶感知能力和環境條件，確保信息傳達的準確性和效率。

2. 多感官體驗整合

為了全方位地強化道路開辟警示效果，整合了視覺、聽覺和觸覺3 種感官體驗。無人機搭載高亮度的LED 燈光和顯示屏，以提供明確的視覺信號；同時，無人機還配備了定向音頻設備，能夠發出清晰的聲音指令，確保即使在嘈雜的環境中也能被準確識別；在必要時，無人機還可以通過輕微的物理觸碰來提醒駕駛員采取行動。

3. 自主巡航與遙控操作

車載無人機具備高度的自主巡航能力，能夠根據預設的航線或實時識別的交通狀況進行自動飛行。通過先進的傳感器技術和數據處理能力，無人機能夠精確感知周圍環境，并自主做出避障、調整飛行路線等決策。同時，為了應對特殊情況，我們還設計了遙控操作模式，允許急救車上的工作人員根據需要手動控制無人機的飛行軌跡和行為。

在產品設計過程中，我們充分考慮了醫療機構的實際需求和使用習慣，力求在保障有效性和易用性的同時，也確保產品的合規性和安全性。這一創新設計為急救車提供了一種全新的、系統化的道路開辟解決方案，有望在緊急救援中發揮重要作用。

設計原則如下圖所示。

三、急救車載無人機產品設計

此方案旨在引入多模態車載無人機模塊，解決急救車道路開辟效率問題。優化設計側重于高度自動化和環境適應性，結合多感官體驗和先進技術，提供高效便捷的急救道路開辟工具。考慮多種感官輸出和傳感器技術，提升產品功能性，并注重實際需求，確保全方位系統化的急救救援操作。

（一）產品定義

通過救護車與無人機結合的新型設計，依靠產品的視覺與聽覺共同輸出，從而引導道路車輛作出相應的道路動作改變，開辟高效的“生命通道”。產品的設計既可更高效地做出科學的道路規劃與判斷，又可指導普通車輛駕駛員如何做出正確的讓路行為，規避了駕駛員由于擔心違反交通規則而不讓路的心理原因，如圖4。

概念：每輛救護車都配備一臺多模態急救車載無人機，當救護車在運送搶救病人時，無人機可以被激活，進入救援車輛將要行駛的道路，并使用自身的警笛與警示燈，在救援車警示范圍內無法覆蓋的區域提供預警，提示前方車輛進行避讓。

理論上救護車的警戒范圍半徑為1000 米。考慮到各種因素，如建筑物的阻擋，汽車的噪音等，實際的預警范圍只有500 米左右。即使車輛能在距離救護車1000 米的地方聽到警報聲，也無法確定具體位置。

但基于多模態無人機的設計構思，其警示燈、警笛和廣播可以有效擴大救護車的預警范圍，對車輛進行警示，預警范圍可達2200 米。

產品功能部件的多模態設計：

1. 警示燈：作為一種重要的安全裝置，其主要功能是為道路車輛提供明顯的警示信號。當開啟警示燈時，可以有效地提醒前方的車輛注意，并使這些車輛能夠提前預知后方有救護車正在接近。通過這種方式，警示燈不僅傳達了救護車的行駛方向，還大致顯示了救護車與前方車輛之間的距離，從而有助于確保道路的暢通和安全，如圖5。

2. 視覺輔助模塊：是一個高效且實用的工具，能夠為急救人員提供前方道路的實時影像。這使得駕駛員可以清楚地了解前方的路況，包括交通狀況、障礙物以及其他可能影響行駛的因素。此外，這個模塊還具有記錄功能，可以捕捉并記錄前方的影像。這一特點對于那些因避讓救護車而可能產生的交通違章行為非常有用，因為可以為這些車主提供確鑿的證據，以證明他們的違章行為是出于必要和合理的避讓，如圖6。

3. 聲音警示模塊：是一個創新且實用的設備，通過發出語音提示來為前方車輛提供預警。當救護車接近時，該模塊會提前發出語音信息，通過特殊的出聲孔將聲音有效地傳達給前方車輛。這些語音信息不僅警告前方司機有救護車正在接近，還提供具體的疏導指令，指導他們如何合理避讓。這種功能增強了道路行駛的安全性，確保了救護車的順利通行，如圖7。

（二）技術實現

本產品能夠實時解算高精度的位置、速度、時間等數據，并與航向傳感器、高度傳感器、陀螺儀、飛行控制器以及遙測發射機等多種設備的信息相融合，為無人機提供穩定可靠的數據支持。這一技術的應用使得無人機能夠更高效地進行科學的路徑規劃與決策，從而在緊急醫療救援等任務中為病人爭取寶貴的救治時間。

無人機的技術細節，在以下幾個方面：

1. 飛行穩定性與安全性挑戰

確保無人機在各種環境下的飛行穩定性與安全性是技術上的重要挑戰。為此，無人機需要配備先進的飛行控制系統，以應對各種突發情況，如風力變化、障礙物等。同時，自動避障和自動返航功能也是保障無人機飛行安全的關鍵技術。

2. 傳感器技術與數據處理能力

無人機需要搭載多種傳感器，如攝像頭、雷達、紅外線傳感器等，以獲取周邊環境信息。此外，高效的數據處理能力也至關重要，它能夠實時分析處理傳感器采集的大量數據，滿足各種實際應用需求。這種數據處理能力對于實現無人機的智能化和自主化至關重要。

3. 通信與導航技術的融合

無人機需要具備可靠的通信和導航技術，以實現與地面控制中心的穩定通信和精確定位。同時，自主導航能力也是無人機在沒有地面控制中心支持的情況下完成任務的關鍵。這些技術的融合使得無人機能夠在復雜環境下實現高效、準確的導航與通信。

4. 空域管理與規范的重要性

隨著無人機數量的不斷增加，空域管理與規范變得尤為重要。建立完善的空域管理系統有助于確保無人機的飛行安全，避免與其他航空器發生碰撞。同時，制定相關規范和標準也是促進無人機行業健康發展的重要保障。因此，我們需要關注空域管理與規范的發展動態，并積極推動相關政策的制定和實施[10]。

（三）使用流程

在實際應用中，這一體系的操作流程如下：首先，救護車司機根據實際情況啟動救護車頂燈，并激活無人機系統。隨著系統的啟動，無人機立即開始執行路徑規劃程序，以確保航行的最優化。接下來，無人機系統會綜合考慮救護車的實時位置和預定行駛路線，進行精確的路徑規劃，確定最佳的航行軌跡。同時，為了應對建筑物、汽車噪音等復雜環境因素的影響，系統會設定一個2200 米的預警范圍。在預警范圍內，無人機系統會激活其多模態預警功能，這包括視覺和聽覺兩種警示方式。無人機頂部的警示燈會閃爍，向前方車輛發出明確的視覺信號，同時，警笛功能也會通過揚聲器播放預警信息，從聽覺上提醒前方車輛注意避讓。當前方車輛的駕駛員收到這些警示信號后，會迅速意識到救護車的接近，并據此做出反應，如減速或變道，以確保救護車能夠順利通行。一旦救護車司機判斷救援任務完成，他會關閉救護車頂燈并停用無人機系統。此時，無人機將自動返回安全區域并完成關機操作。通過這種救護車與無人機協同作業的方式，我們可以有效地引導道路上的車輛及時作出避讓，為緊急救援開辟出一條高效的“生命通道”，這不僅顯著提升了救援效率，還在一定程度上消除了駕駛員因擔心違規而不愿讓路的顧慮。

（四）配套軟件設計

1. 無人機可根據預設航線進行智能自主飛行，實現對廣大區域的全面覆蓋。其不僅能持續向行駛前方發射警示信號，還可利用其視覺信息模塊，實時捕捉并更新道路交通狀況，為后續的運輸路徑選擇提供更為精準合理的決策依據。此外，無人機還能在某種程度上替代警車執行道路開辟任務，從而對急救服務系統進行了有效的優化與升級。這一創新不僅降低了人力和物力的投入，還實現了社會資源的節約。

2. 無人機可根據遙控操作進行高效巡邏，這一功能賦予了操作者極大的靈活性。在巡邏過程中，無人機能夠根據實際情況進行實時分析與判斷，對特定區域進行有針對性的重點警示。這種動態調整的能力，使得無人機在應對復雜多變的環境時展現出極高的適應性和實用性。通過遙控操作，無人機可以更加精確地執行任務，確保對關鍵區域的警示效果最大化，從而有效提升公共安全水平。

總結

在目前國內救援系統下，醫療水平、救援速度、社會認知三者都是救援患者的重要因素。文章通過對多模態理論的梳理分析，構建了創新性的急救車載多模態無人機模型設想，其中包括聲音警示、視覺引導、自巡航操控，3 種主要功能模塊輔助救援道路的開辟得以全方位、系統化的進行。但也存在著不足之處：是否符合無人機在城市中的使用規范；多重技術的功能整合是否可行；產品在真實情況下的使用效果如何，這些都需要進一步的推敲完善。在未來會有更多的從業人員會參與到救援系統的完善和發展中來，從多種全新的角度來解決問題，這對實現我國醫療救援服務效率的不斷提高有著積極意義。

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