地震救援機器人在蘆山7.0級地震中的應用

中國地震應急搜救中心 劉亢 尚紅

國外研發(fā)的地面和空中救援機器人

近年來，全球范圍的地震災害頻發(fā)，給當前的現(xiàn)場救援工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)情況下，地震現(xiàn)場存在的諸多不確定因素影響了救援人員快速、高效、安全地開展工作。因此，輔助人類進行地震搜救工作的機器人成為地震應急救援技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。

隨著“9·11”恐怖襲擊之后，許多國家都從軍事和應急角度，開始了反恐、防化、救援等特種機器人的研發(fā)。日本、美國和中國等自然災害頻發(fā)國家，都投入了大量的人力和物力，根據(jù)各自國家的研究特點和災害類型，進行救援機器人研發(fā)。尤其是日本“3·11”地震及海嘯引起的核污染災害，敲響了全球范圍地震搜索救援工作的警鐘，地震救援行動如何在有毒或核輻射環(huán)境下工作，也成為了研究的熱點，地震救援機器人的研制勢在必行。

中國地震搜救中心與中國科學院沈陽自動化研究所等科研單位在“863”計劃“救災救援危險作業(yè)機器人”項目的支持下，共同研制和開發(fā)了地震廢墟搜索與輔助救援系列機器人樣機；同時，機器人樣機在國家地震緊急救援訓練基地模擬地震廢墟環(huán)境下開展功能測試。通過對實驗的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，并在防震減災演練與國際重型救援隊分級測評(IEC)中獲得肯定，初步驗證了我國自主研發(fā)的地震輔助救援機器人的可靠性。2013年蘆山7.0級地震發(fā)生后，項目組成員第一時間攜帶廢墟搜索機器人與旋翼飛行機器人趕赴災區(qū)，協(xié)同中國國家救援隊開展搜救工作。

兩款地震輔助救援機器人

地震輔助救援機器人的研制是一個模塊功能集成化的過程。該系列機器人相對于傳統(tǒng)的人工搜索具有多種優(yōu)勢。首先，機器人可以通過履帶爬行和螺旋槳飛行，其行進速度快于在廢墟上行走的救援隊員；其次，機器人負重能力強，可以攜帶多種傳感器，實現(xiàn)廢墟內(nèi)圖、聲、氣、溫等多種檢測，可以更有效地發(fā)現(xiàn)被困者的位置；再有，機器人的機動性和搬運破拆能力都強于人類，而且通過電池補給可以連續(xù)工作，提高搜救效率；最后，機器人救援的形式，提高了救援隊員的安全系數(shù)，可以避免二次倒塌所帶來的傷亡。未來通過不斷提高機器人的性能與感知能力，以及開展大規(guī)模的救援人員操作培訓，該系列地震救援機器人便可以廣泛應用于現(xiàn)有國家地震應急救援隊的現(xiàn)場工作之中。

廢墟搜索機器人

廢墟搜索機器人可以根據(jù)任務的類型及環(huán)境而改變自身的構(gòu)型，適應多樣化地震廢墟環(huán)境。進入危險或救援人員無法進入的廢墟；搜索幸存者及可能有幸存者的空間；隨時監(jiān)視廢墟的變化，防止發(fā)生倒塌危及救援人員；提供幸存者周圍環(huán)境信息及救援通道的信息，方便施救。

廢墟搜索機器人可利用自身攜帶的紅外攝像機、聲音傳感器將廢墟內(nèi)部的圖像、語音等信息實時傳回后方控制臺，供救援人員快速確定幸存者的位置及周圍環(huán)境，為實施救援提供救援通道的信息。

旋翼飛行機器人

地震災難發(fā)生之后，在救援的“黃金72小時”內(nèi)，開展并完成救援工作能最大限度地搶救幸存者的生命，減少災害造成的損失。因此，及時了解地震現(xiàn)場情況對救援工作的有效完成具有重要意義。

目前研制的旋翼飛行機器人最大任務載荷為40千克，最大巡航距離可達到120千米，最高可在高度3000米高空（海拔）飛行，最大巡航時間1.5小時，抗風能力不小于6級。與無人駕駛飛機相比，旋翼飛行機器人有兩大優(yōu)勢：可以較長時間定點懸停，獲取目標地的詳細影像資料；能夠垂直起飛降落，不需要跑道。

小型旋翼無人機主要功能是提供房屋損毀及倒塌、畫面場景精確位置、搜救人員地面線路、救援人員現(xiàn)場作業(yè)等實時信息，并協(xié)助救援隊完成危樓建筑排查工作。

地震救援機器人在蘆山地震中的應用

蘆山地震發(fā)生后，項目組迅速啟動應急預案，北京、沈陽、成都三地進行聯(lián)動，迅速落實赴災區(qū)機器人小組成員人選。地震發(fā)生當天，地震輔助救援機器人由沈陽出發(fā)，次日下午抵達蘆山縣城抗震指揮部，途中花費29小時。

廢墟搜救機器人結(jié)構(gòu)

廢墟搜索機器人開展搜救工作

進入災區(qū)后，廢墟搜索機器人全程配合救援隊進行廢墟排查工作。龍門鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地受災較重，街道上多處門店受地震破壞嚴重，主承重墻受損，有隨時倒塌的可能。加之震后余震不斷，極大地威脅到搜救隊員的人身安全。此刻，廢墟搜索機器人的作用凸顯而出。在研發(fā)人員的熟練操作下，該款機器人順利進入嚴重破壞的建筑物中，由樓梯爬上二樓，傳送回實時清晰畫面。對整個樓層進行搜索，確定無人員受困之后，機器人安全返回，完成對該棟危樓的排查工作。

在救援隊工作期間，有村民告訴救援隊，在龍門鄉(xiāng)紅星村有一處廢墟，原來是一棟“7”字型的二層樓房，地震發(fā)生前二個月，住在樓內(nèi)的一對夫妻帶小孩外出打工，村民不知道地震時家里是否有人居住。經(jīng)廢墟搜索機器人進入廢墟搜索，經(jīng)過排查，未發(fā)現(xiàn)被埋壓人員。

小型旋翼無人機在救援工作中的應用

小型旋翼無人機可以作為30～40人規(guī)模的救援分隊裝備，作業(yè)范圍為鄉(xiāng)級（約50平方千米），需配備操作人員3人，可進行自主/遙控飛行模式自由切換。

在指揮部下達廢墟搜索命令后，該機器人成功完成自主起飛、空中懸停、航跡點跟蹤飛行、超低空信息獲取、自主降落等科目，實現(xiàn)了對地震廢墟區(qū)域的快速信息獲取與實時影像回傳。在震中龍門鄉(xiāng)、清仁鄉(xiāng)等6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了交通情況勘查、宏觀災情采集、廢墟搜索、危樓排查等工作，為搜救行動效率的提升貢獻了力量，為救援隊有針對性地調(diào)度和部署提供了決策依據(jù)，相關(guān)信息也為當?shù)卣拐鹁葹臎Q策提供了幫助。

機器人參與蘆山地震救援的思考

地震救援輔助機器人參與蘆山7.0級地震救援行動是其第一次真正進入實戰(zhàn)。通過該次救援行動，這兩款機器人根據(jù)所處廢墟環(huán)境，充分發(fā)揮自身特點，為地震救援工作提供了幫助。

歸納起來，蘆山地震中使用的兩款機器人具有如下優(yōu)點：體積相對比較小巧，可以抵達廢墟現(xiàn)場；設(shè)備性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常，可以正常工作；小飛機獲取的實時圖像清晰，提供畫面場景位置信息精確，可完全滿足應急救援需求。

然而，在實戰(zhàn)應用中，也暴露了一些實驗室測試中未發(fā)現(xiàn)的問題。

小型旋翼機器人工作照片

首先，從機器人出發(fā)到抵達指揮部，途中花費29小時，時間太長。必須反思如何提高機器人的運送效率。產(chǎn)品設(shè)計要合理，如果存在運輸中違禁的配件等要提早發(fā)現(xiàn)，妥善處置。平時要建立起可行的聯(lián)動機制，一旦發(fā)生地震，就要有多方面力量聯(lián)動，以保證救援機器人快速、安全抵達災區(qū)。

其次，相對而言，廢墟搜索機器人在蘆山7.0級地震救援中并未充分發(fā)揮出其功能。主要是由于震區(qū)位于山區(qū)，損壞的建筑物多以土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)構(gòu)造的民宅為主，房屋倒塌后，很難形成適合該款機器人工作的廢墟環(huán)境。通過該次救援行動說明，它更適合能形成較寬闊空間的城市地區(qū)震后的廢墟環(huán)境救援。

再次，建立救援輔助機器人與救援隊的協(xié)同工作機制，提高搜救效率，需要在救援隊日常訓練中加入救援機器人，逐步建立起救援輔助機器人與救援隊的聯(lián)動機制，全面發(fā)揮救援輔助機器人的巨大潛力。

最后，這兩款救援機器人的體積、重量還是稍大，如遇交通堵塞或通道中障礙物，則無法進入目標廢墟開展工作。同時，還需要進行人機交互技術(shù)優(yōu)化，提高其操控性，這也是未來該系列地震搜索救援機器人能廣泛推廣的重要環(huán)節(jié)。如何讓操作方式簡便、易學，實現(xiàn)良好的人機交互技術(shù)是未來研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

結(jié)語

綜合上述分析，救援輔助機器人第一時間參與蘆山7.0級地震救援行動，并在廢墟排查、獲取震區(qū)交通信息、確定建筑物破壞等方面取得了一些成績，為救援隊提供了有用的信息。然而，在實戰(zhàn)應用中也發(fā)現(xiàn)了救援輔助機器人存在的一些問題。為此，還需要不斷地強化和完善在地震救援聯(lián)動機制以保證機器人有效地開展工作，以及進一步優(yōu)化人機交互技術(shù)，提高其操控性等方面努力。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，有理由相信，在不久的將來，可以實現(xiàn)機器人智能廢墟搜索，以及水、陸、空機器人協(xié)同救援人員進行地震災區(qū)大面積、立體式搜索救援。這將極大地提高地震救援效率。