無人機在救援方面的應(yīng)用及發(fā)展

張 峰，佟 巍，周立冬 綜述，劉愛兵 審校

災(zāi)害事件發(fā)生突然，救援活動緊急，救援環(huán)境惡劣，救援力量往往無法及時了解情況并快速到達現(xiàn)場。從空中觀察干預(yù)救援現(xiàn)場是最快、最便捷的手段。與有人駕駛飛機及衛(wèi)星相比，無人機具備體積小、造價低、機動靈活、使用方便等優(yōu)點，對環(huán)境要求低，可在幾千米高空和云下幾百米到幾米的低空飛行，無需機場，由于無人駕駛，回避了飛行員人身安全的風險，適于戰(zhàn)爭及救災(zāi)等危險緊急環(huán)境。隨著傳統(tǒng)手段局限性的日益凸顯，無人機技術(shù)的逐漸成熟，無人機技術(shù)用途越來越廣泛，在救援方面開始大顯身手。汶川地震、雅安地震等突發(fā)災(zāi)害事件救援中，均表現(xiàn)出不可替代的作用，成為信息化救援的有力武器[1,2]。無人機在救援方面的優(yōu)勢促使國內(nèi)外爭相研發(fā)救援無人機，并取得了大量成果。

1 無人機的發(fā)展

無人機是用無線電遙控或程序控制的無人駕駛飛行器，由飛機平臺、飛控系統(tǒng)、搭載裝備和無線電遙控系統(tǒng)組成，可實現(xiàn)偵察攻擊、影像音頻獲取傳輸、物品運輸投放、現(xiàn)場干預(yù)等功能，又叫無人機系統(tǒng)。它集成了航天、信息、控制、測控、傳感、鐳射及新材料、新能源等多學(xué)科技術(shù)，代表未來航空業(yè)的發(fā)展方向，被譽為“空中機器人”。

按外形尺寸可分為：普通無人機（≥300 cm）、小型無人機（100～300 cm）、超小型無人機（15～100 cm）及微型無人機（≤15 cm）；按飛行方式可分為：固定翼、螺旋翼直升機，多旋翼飛行器，柔翼無人機等；按用途可分為軍用與民用。

最小的無人機還沒有手掌大，尺寸1～2 cm，重量不到2 g，有螺旋翼的和撲翅翼的。大型無人機都是固定翼，中國最大的無人機“翔龍”高空高速偵察機全長14.33 m，翼展24.86 m，機高5.413 m，正常起飛重量6800 kg，任務(wù)載荷600 kg，巡航高度18 000～20 000 m，巡航速度大于700 km/h，續(xù)航時間最長10 h[3,4]。

1.1 無人機因軍事而生 1917年英國人研制了世界上第一架無人機后，無人機經(jīng)歷了無人靶機、預(yù)編程序控制無人偵察機、指令遙控無人偵察機和復(fù)合控制多用途無人機的發(fā)展過程，用于訓(xùn)練、偵查、誘餌、戰(zhàn)斗。起初它們并不被看好，直至20世紀后期海灣戰(zhàn)爭，西方國家才漸漸認識到無人機在戰(zhàn)爭中的作用，競相把高技術(shù)應(yīng)用到無人機的研制與發(fā)展上，實現(xiàn)高空長航時化、隱形無人機化、空中預(yù)警化和空中格斗化。

美國已發(fā)展了重中輕型和遠中近程成族、成系列的無人機裝備，如“全球鷹”、“捕食者”、“死神”、“X-47B”等。以色列在無人機研究領(lǐng)域僅次于美國，有“競技神”等。歐洲多采用聯(lián)合研制方式，將戰(zhàn)斗無人機作為重點發(fā)展方向，有“神經(jīng)元”、“梭魚”、“雷神”等。俄羅斯當前落后于美國和以色列，俄政府已意識到這一問題，總統(tǒng)普京表示需要完整系列的攻擊機和偵察無人機。印度野心勃勃，對無人機重視程度不斷提高，推出“輝光”無人戰(zhàn)斗機。

中國20世紀60年代由于中蘇關(guān)系緊張，蘇聯(lián)拒絕繼續(xù)提供無人靶機，國家下決心研發(fā)出“長空一號”。北航在對被擊落的“火蜂”141A進行了研究，研制了“長虹”號無人駕駛高空偵察機，成為中國第一架高空無人駕駛偵察機?，F(xiàn)在，我國有“翔龍”、“暗劍”、“刀鋒”、“WJ-600”、“翼龍”、“夜鷹”、“CH-3”等多種新型無人機。我國還研制了其他用途的軍用無人機，如陸軍解放軍炮兵學(xué)院研制了“T-6無人機作戰(zhàn)系統(tǒng)”，是炮兵對目標實施偵察、校正的重要手段。配備到連營用作偵查的微型無人機，如成都戰(zhàn)區(qū)“獵豹”特戰(zhàn)大隊裝備了空中偵察“W-1天鷹無人偵察機”。武警工程學(xué)院空中機器人研制小組研制“天眼”反恐無人直升機，擔負了處突任務(wù)，垂直升空后完成捕獲地面動靜目標、即時自動識別、定點投彈、精確打擊等任務(wù)[5,6]。

1.2 無人機在民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用 民用領(lǐng)域的技術(shù)性能和成本較低，例如，無人機在民用領(lǐng)域不需軍用發(fā)動機，普通電機就可以滿足需求；控制系統(tǒng)要求也較低，不需要考慮通訊保密和隱身等問題。中國民用無人機的發(fā)展歷程并不長，自2006年的尖兵之翼——第一屆中國無人機大會開始，2008年開始慢慢升溫，大眾逐漸探索用無人機進行航拍，最近幾年逐步邁向消費市場。

1.2.1 民用無人機早期主要應(yīng)用于專業(yè)市場 2012年之前，這個行業(yè)主要是專業(yè)市場在主導(dǎo)，用在警用、城市管理、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)、氣象、電力及搶險救災(zāi)等行業(yè)。無人機應(yīng)用于國土測繪領(lǐng)域，高效便捷。在選線設(shè)計領(lǐng)域，可對電力、公路、鐵路、石油管道、天然氣管道進行選線設(shè)計和全方位監(jiān)測。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，對環(huán)境污染進行監(jiān)測，此外，海洋監(jiān)測、溢油監(jiān)測、水質(zhì)監(jiān)測、濕地監(jiān)測、固體污染物監(jiān)測、海岸帶監(jiān)測、植被生態(tài)等方面都可借助遙感無人機實施。同時，其在水利、農(nóng)林領(lǐng)域也有重要應(yīng)用。

1.2.2 多旋翼無人機使大眾市場爆發(fā)式增長 2011年8月，深圳大疆公司推出了第一代多旋翼產(chǎn)品，導(dǎo)致整個無人機市場在2012年發(fā)生了巨大轉(zhuǎn)折，由此前的專業(yè)市場主導(dǎo)，逐漸轉(zhuǎn)向由大眾市場主導(dǎo)。多旋翼無人機對人的操作要求低，機械機構(gòu)簡單，特別容易上手，對場地要求不高，由于智能手機的普及使大部分傳感器的成本下降，以至于無人機價格更為低廉，成為個人可以購買的商品。大疆公司占據(jù)全球民用小型無人機約70%的市場份額，是全球民用領(lǐng)域最大的無人機企業(yè)，是世界上增長最快的科技公司，最近3年銷售額增長了80倍。目前，大量企業(yè)、資金涌入無人機領(lǐng)域，許多救援無人機采用多旋翼飛行平臺[7]。

2 國外無人機救援情況

國外無人機在救援方面的應(yīng)用較早，常被用于突發(fā)災(zāi)害事件中。2011年3月11日日本福島第一核電站在地震引發(fā)的海嘯中發(fā)生嚴重的核泄漏事故，美國軍方派出全球鷹無人機偵察核反應(yīng)堆，并派出搭載測輻射傳感器的微型無人機監(jiān)測檢查核電站附近的輻射水平。2015年3月13日，法國巴黎發(fā)生人質(zhì)劫持事件，警方動用無人機參與救援行動。以色列使用“火鳥”無人機探測監(jiān)視火情（圖1）。美國使用“牽牛星”、“捕食者”B無人機參與森林大火救援，還使用無人機進行颶風監(jiān)測和災(zāi)后搜救，使用特戰(zhàn)無人機空投宣傳品或廣播對災(zāi)民進行心理干預(yù)。

圖1 無人機用于火災(zāi)現(xiàn)場

針對救援情況，國外還研制了耐碰撞、防水、利用Wifi信號搜救、可及時運送除顫器、藥品的醫(yī)療救助、通過網(wǎng)絡(luò)遠程救援、能投放救生圈的海上救援等類型無人機[8]（圖2）。

圖2 無人機用于搶救溺水者

3 國內(nèi)無人機救援情況

地震等災(zāi)害救援最首要的就是掌握災(zāi)情和解決交通問題，無人機能快速到達災(zāi)區(qū)上空，獲取災(zāi)區(qū)和通往災(zāi)區(qū)道路的遙感影像，直觀地觀察災(zāi)情（圖3），幫助救援人員和物資在黃金72小時內(nèi)到達災(zāi)區(qū)，挽救生命[9]。

3.1 無人機在四川汶川地震救援中的應(yīng)用 2008年汶川地震，主干道嚴重破壞，對外通信、交通瞬間中斷，救援人員無法進入災(zāi)區(qū)，情況不明。當時國家相關(guān)部門調(diào)集了多顆衛(wèi)星和航測飛機對災(zāi)區(qū)進行航空遙感拍攝，但受四川惡劣天氣（多霧多雨）和地形條件（山高、林密）影響，不能航拍，未能及時了解震區(qū)情況。在這種情況下，利用無人機遙感航拍成為當時最有效的手段，中國政府相關(guān)部門批準并派出多支無人機隊伍。

國家減災(zāi)中心派出“千里眼”無人機深入重災(zāi)區(qū)，對北川縣城進行航拍，圖像視頻通過海事衛(wèi)星傳送到國家民政部，隨后國家減災(zāi)網(wǎng)對外發(fā)布，新華網(wǎng)、人民網(wǎng)、中華網(wǎng)等相互轉(zhuǎn)載，迅速傳遍世界。另外，還有中國兵器工業(yè)集團下屬的光電科技公司的“華鷹”無人機，西安大地測繪工程公司的微型無人機（MRS-D14、MRS-016），北京市禁毒教育基地和北京觀典航空設(shè)備公司人員的“禁毒者”A3無人機，中科院遙感應(yīng)用研究所等單位的“飛象一號”小型低空遙感無人機，都參與了救援工作[10,11]。

圖3 無人機用于災(zāi)難現(xiàn)場的航拍

3.2 無人機在青海玉樹地震等自然災(zāi)害救援中的應(yīng)用2010年4月，青海玉樹地震，青藏高原，高山大川，大江大河，地勢險峻。青海省第二測繪院采用LT150-M無人機對玉樹地區(qū)進行震后測繪，并為災(zāi)后重建后的地形地貌和建設(shè)項目進行了低空航攝工作。

其后，7月陜西安康發(fā)生特大洪災(zāi)，8月甘肅舟曲縣突降大雨發(fā)生特大泥石流災(zāi)害，2011年3月，云南盈江地震，中國四維測繪技術(shù)有限公司和北京天下圖公司派出無人機參與救援工作[12]。

3.3 無人機在四川雅安地震救援中的應(yīng)用 2013年4月，四川雅安地震，災(zāi)情嚴重，無人機救援應(yīng)用也有所發(fā)展，多個單位的無人機赴災(zāi)區(qū)參與救援工作。民政部國家減災(zāi)中心緊急啟動重大自然災(zāi)害無人機應(yīng)急合作機制，緊急趕赴災(zāi)區(qū)現(xiàn)場開展無人機遙感應(yīng)急監(jiān)測。中國人保四川分公司的中國人保號航拍無人機，成都市民彭希果的無人機，易瓦特公司的八旋翼無人機和螺旋翼無人直升機，中國國家測繪地理信息局的5架無人機，廈門美亞柏科公司的固定翼無人機和六旋翼無人機，武漢智能鳥無人機，國家地震災(zāi)害緊急救援隊的旋翼無人機等對災(zāi)區(qū)地形地貌、受損情況進行空中排查。十三集團軍某特種作戰(zhàn)旅偵察分隊攜帶無人機，

搭乘直升機直抵災(zāi)區(qū)震中太平鎮(zhèn)救援（圖4）。中國航天科工三院研制的海鷹HW-200B無人機在震后急赴震區(qū)航拍。海軍某飛行團使用遙感飛機參與救援[13]。

圖4 解放軍無人機緊急馳援四川雅安地震現(xiàn)場

3.4 無人機在云南魯?shù)榈卣鹁仍械膽?yīng)用 2014年，中國云南省魯?shù)榘l(fā)生6.5級地震。武警黃金部隊地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查隊攜帶四旋翼無人機抵達震中，繪制完成首張震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害排查評估地圖，并首次使用無人機快速三維建模技術(shù)，實現(xiàn)了地質(zhì)災(zāi)害信息第一時間三維可視化，也是我國首次將無人機快速三維建模技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急救援。這是武警警種學(xué)院與國家遙感中心聯(lián)合研發(fā)的遙感科技成果[14]。

3.5 無人機在其他抗災(zāi)救援中的應(yīng)用 從1993年開始，中國氣象局將無人機應(yīng)用于大氣探測、氣象災(zāi)害遙感、生態(tài)遙感、人工影響天氣等課題。無人機還用于對抗火災(zāi)、風災(zāi)、水災(zāi)，海洋監(jiān)測救援。2011年，我國首次成功使用Z-3直升無人機懸停在內(nèi)蒙古三湖河口至昭君墳河段進行凌情應(yīng)急監(jiān)測[15]。

4 救援無人機的發(fā)展情況

4.1 無人機救援初期主要應(yīng)用于應(yīng)急測繪 無人機之所以在測繪領(lǐng)域受到重視，還是從救災(zāi)開始。2008年，中國民政系統(tǒng)第一次把無人機航拍方法運用到我國南方雨雪冰凍災(zāi)害的減災(zāi)救援行動中。汶川地震時，參與救援的無人機多是從遙感遙測、搜毒等其他用途臨時轉(zhuǎn)到救援工作上，作為衛(wèi)星、航拍的補充。近年來，無論是地震、水災(zāi)等，測繪無人機都在第一時間到達現(xiàn)場，獲取災(zāi)區(qū)的影像數(shù)據(jù)，為救災(zāi)部署和災(zāi)后重建工作發(fā)揮了重要作用[16]。

4.2 無人機救援技術(shù)的發(fā)展

4.2.1 救援無人機技術(shù)改進 我國無人機遙感測繪技術(shù)在2008年汶川地震時還不是很成熟，其后不斷改進。2009年國家測繪地理信息局提出大力發(fā)展無人機低空遙感技術(shù)，多年來該項技術(shù)取得較快發(fā)展并逐漸成熟，在發(fā)動機、飛控系統(tǒng)方面已取得多項技術(shù)突破。北京天下圖公司經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，改進發(fā)動機，降低油耗，加裝了防霧除冰裝置，改用電源管理器，采用的新型機體材料，增加翼展獲得，改進飛控系統(tǒng)，縮短彈射架，可進行短距、車載、軌道起飛，傘降和水面降落等多種起降方式等，飛行時間，從2～4 h增加到13 h，可以在四川、西藏等高海拔地區(qū)、低溫及惡劣天氣下飛行，監(jiān)控半徑從50 km增至300 km[17]。

4.2.2 新型救援無人機系統(tǒng)研制 成都理工大學(xué)地球探測與信息技術(shù)教育重點實驗室與四川省山地救援總隊聯(lián)合研制“小鷹3A號”救援無人機，利用全球定位系統(tǒng)歷時一年多的課題攻關(guān)，通過對“人—飛機—地面站”三方數(shù)據(jù)鏈接，實現(xiàn)對目標的激活和定位。

由武警河北總隊醫(yī)院率先研發(fā)的無人機系統(tǒng)，實現(xiàn)了復(fù)雜情況下快速高效醫(yī)療救援，獲得武警部隊科技進步一等獎，申報國家專利10項。系統(tǒng)中的遠紅外熱成像無人機能在復(fù)雜地形、特殊地域及夜間、霧天等能見度低的情況下，實現(xiàn)全天候搜救。該系統(tǒng)已在撲救秦皇島撫寧“4·12”山林大火等搶險救災(zāi)任務(wù)中得到應(yīng)用，為官兵提供了有力保障。陜西寶雞北宸航天科技有限公司研發(fā)了“消防救援及火情監(jiān)控無人機系統(tǒng)”[18]。

4.2.3 無人機救援系統(tǒng)化專業(yè)化 北京天下圖公司目前已經(jīng)在全國布有15個應(yīng)急中心，除少數(shù)地區(qū)外，均可24 h抵達全國各地。由中國航天科技、中國航天科工、中國電子科技等三大集團公司共同籌建的“天地一體化應(yīng)急救援系統(tǒng)”，一旦出現(xiàn)災(zāi)情、疫情等緊急情況，只需通過無人機監(jiān)測—衛(wèi)星報告—中控室收集信息—派出搶救隊伍的快速流程，救援隊伍能在最短時間做出反應(yīng)。

有的地區(qū)建立了專業(yè)無人機救援隊，如“四川登山協(xié)會山地救援隊無人機支隊”。有的專業(yè)救援隊引進了無人機，如貴州省青年志愿者應(yīng)急救援總隊配備無人機，專門用于地震、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害搜救。蘇州藍天救援隊自行研發(fā)救援無人機，搜索技術(shù)精湛堪稱國際領(lǐng)先，不但多次進行國內(nèi)救援，還飛赴緬甸進行國際救援。武警水電部隊轉(zhuǎn)型“應(yīng)急救援”，打造“應(yīng)急救援國家隊”品牌，配無人機等裝備。河北滄州消防支隊使用具有航拍偵查、滅火救援功能的HS-32J無人偵察直升機。甘肅省高管局采用無人機偵察道路通行情況，參與道路應(yīng)急救援和突發(fā)事件處置。南寧市應(yīng)急聯(lián)動中心應(yīng)用260天翼無人機實現(xiàn)應(yīng)急救援[19]。

5 展 望

目前，無人機在對抗自然災(zāi)害過程中主要應(yīng)用于三個方面：實時監(jiān)視、災(zāi)后搜索救援和災(zāi)后災(zāi)情評估。機型主要是中小型短近程，尤其是中小型更適于在突發(fā)救援事件中使用，多旋翼無人機在國內(nèi)外救援領(lǐng)域獲得很好的發(fā)展[20]。

救援活動對信息和物流需求急迫，未來救援無人機能繪制災(zāi)后數(shù)字地圖、對災(zāi)區(qū)進行指揮和調(diào)度、對災(zāi)區(qū)進行物資補給等。救援專用功能將更加豐富，綜合能力增加，形成系列產(chǎn)品。搭載各種救援裝備，集成多種功能，飛行平臺從微到大，飛行方式從固定翼、螺旋翼到涵道風扇等。數(shù)量將增加，各地區(qū)、各救援隊、各醫(yī)療單位、各部隊廣泛配備。如我國空軍先發(fā)展導(dǎo)彈一樣，無人機也會優(yōu)先快速發(fā)展。將從單個體向大系統(tǒng)發(fā)展，無人機可近程遠程操縱，基層和總部均可控制，各重點地區(qū)布局后，平時待命，一旦有緊急情況發(fā)生，立即升空。災(zāi)情和獲得的信息共享，最大限度地發(fā)揮作用。深化無人機救援的理論研究，進行無人機操作和圖片分析人員培訓(xùn)，空域劃分，通訊頻段劃分，出臺相應(yīng)法律法規(guī)規(guī)范管理，增強通訊傳輸能力，增加穩(wěn)定性減少墜機失控等故障。實現(xiàn)更快的速度、更短的起飛時間、更長的飛行時間、更少的人力物力、更高的效率[21]。

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