無人機在海上救援行動中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展展望

盧姍姍，王 偉

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

自1913年世界上出現(xiàn)第一臺自動駕駛儀以來，無人機越來越受到重視，發(fā)展迅猛。無人機是由無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置實現(xiàn)飛行控制，操作人員通過全球定位系統(tǒng)、雷達(dá)、無線數(shù)傳等進(jìn)行跟蹤、定位、遙控、遙測以及數(shù)字信號傳輸。無人機本身不能自主完成任務(wù)，因此需要配置嚴(yán)密的控制系統(tǒng)和與任務(wù)相關(guān)的應(yīng)用設(shè)備，一般也將無人機稱為無人機系統(tǒng)[1]。無人機燃油需求少、成本低，在地震、洪災(zāi)等突發(fā)災(zāi)害事件救援中可進(jìn)行現(xiàn)場實時監(jiān)視、傷員搜尋、醫(yī)療用品運送和傷員轉(zhuǎn)運、通信中繼和災(zāi)情評估等工作[2-5]，已逐漸成為醫(yī)學(xué)救援領(lǐng)域中不可替代的重要裝備[6]。

無人機特有的無人化、輕便、小型、迅速起降、氣候條件適應(yīng)性強等特點，使其非常適合執(zhí)行搜救任務(wù)，包括海上搜救任務(wù)[7]。小型無人機電池續(xù)航里程有限，一般作業(yè)時間在30 min左右，加之本身體積和質(zhì)量較小，抗風(fēng)能力較弱，無法參與海上遠(yuǎn)程搜救行動，但適合近岸，尤其是海灘救援作業(yè)。在離岸較遠(yuǎn)的海上開展搜救時，需要使用續(xù)航能力強、抗風(fēng)性能好的大型無人機，而且往往使用艦艇作為無人機平臺，開展協(xié)同作業(yè)。近年來，美國、英國、以色列、澳大利亞等國都在大力發(fā)展各類可執(zhí)行海上搜救任務(wù)的無人機。本文總結(jié)了近年來各國最新研發(fā)的各類可執(zhí)行近岸及海上救援行動的無人機，并對未來無人機執(zhí)行海上軍事行動的應(yīng)用前景及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討。

1 無人機在近岸救援行動中的應(yīng)用

1.1 溺水救助

在海灘溺水急救中，考慮到海上風(fēng)浪因素，無人機比救生員到達(dá)求救位置的速度要快很多。當(dāng)無人機到達(dá)溺水人員位置時，可向其投放救生裝備，從而保證在救生員到達(dá)現(xiàn)場前溺水者能夠憑借無人機投放的救生圈保持漂浮狀態(tài)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖跃龋瑺幦「嗟木仍畷r間。法國Helper公司制造的“Helper”無人機[8]（如圖1所示）能以80 km/h的速度飛往溺水人員附近，并且通過全畫質(zhì)、超高清攝像頭實時傳回畫面，對落水人員及其周圍環(huán)境進(jìn)行初步甄別。在確定溺水人員位置后，無人機可向溺水人員投放其攜帶的救生圈。該型無人機還自帶降落傘裝置，使其在發(fā)生故障時能夠緩慢下落，避免由于飛機墜落造成溺水人員二次受傷。自2016年9月起在法國南部比斯卡羅海灘測試并使用后，“Helper”無人機已開展了超過50人次的救助[9]。同時，美國、新西蘭、西班牙等國也已在著名旅游海灘配備可攜帶救生裝備的無人機進(jìn)行溺水人員救助巡邏。

圖1 “Helper”無人機[8]

1.2 海灘驅(qū)鯊

鯊魚傷人是除溺水外另一個海灘常見事故。通常，人類在海里游泳時一般無法及時注意到水中的鯊魚，而使用直升機和低空飛機長期巡邏海灘監(jiān)測鯊魚，成本高昂且效率很低，使用無人機來監(jiān)測和預(yù)警鯊魚是一個新的解決方案。2016年，悉尼科技大學(xué)與商業(yè)無人機公司Little Ripper Group共同開發(fā)了無人機鯊魚監(jiān)測項目，如圖2所示[10]。研究人員通過算法“教”系統(tǒng)識別海中常見物體——游泳者、沖浪板、船只、鯊魚、其他海洋生物、波浪和巖石，以最終能夠?qū)崿F(xiàn)實時標(biāo)記鯊魚、其他海洋生物和游泳者。無人機工作時，如果發(fā)現(xiàn)鯊魚，可通過內(nèi)置揚聲器警告沖浪者和游泳者，還可投放鯊魚趨避包及其他輔助設(shè)備，以保護(hù)海中人員安全[10]。美國加利福尼亞州的旅游勝地海豹灘已經(jīng)使用中國大疆公司的Phantom 3無人機進(jìn)行近海鯊魚偵查和其他環(huán)境感知任務(wù)，以確保海灘浴場安全[11]。

圖2 在海灘巡邏的Little Ripper Group無人機[10]

1.3 物資定投

無人機最大的優(yōu)勢是快，這與醫(yī)療急救要求不謀而合，因此在近海救援中無人機能提供急救服務(wù)。對于心臟衰竭、溺水、創(chuàng)傷以及各種呼吸問題等突發(fā)疾病，發(fā)病的前幾分鐘是搶救的黃金時間。通過無人機（如圖3所示）可向緊急救援人員運輸除顫器、血液和血清等緊急醫(yī)療用品，以解決海灘或近海急救時物資缺乏問題[12]。此外，利用無人機上的個性化指令和語音通信功能，可在專業(yè)醫(yī)務(wù)人員到達(dá)現(xiàn)場前指導(dǎo)現(xiàn)場人員協(xié)助進(jìn)行醫(yī)療急救，以大幅度提高急救成功率。2016年，UPS公司與無人機制造商CyPhy Works公司開展無人機運送醫(yī)療物資可靠性和可行性測試，通過一臺小型無人機將質(zhì)量約2.72 kg的呼吸機從英國小城貝弗利運送至3 km遠(yuǎn)的與外界無公路相連的孩童島上[13]。大型無人機攜帶物資的能力強，在應(yīng)急救援中可發(fā)揮更加重要的作用，例如，洛克希德馬丁公司的“K-MAX”無人機（如圖4所示）最大載重約2.7 t，可垂直起降，適合復(fù)雜環(huán)境下大量救援物資的投遞[14]。

圖3 攜帶有心臟除顫器的無人機[12]

圖4 “K-MAX”無人機[14]

2 無人機在海上救援行動中的應(yīng)用

2.1 人員定位

在廣闊的水域搜救落水人員，僅靠船舶和人工進(jìn)行監(jiān)測難以達(dá)到理想的效果，且會出現(xiàn)許多搜尋盲點。由于無人機具有一定的飛行高度，其視頻圖像的范圍比船上的可視范圍要大數(shù)十倍甚至幾十倍，因此在搜救最初階段可使用無人機先行搜索落水人員，當(dāng)無人機鎖定水中目標(biāo)后，有人駕駛的搜救直升機或船只再前往營救，既可節(jié)省時間又可節(jié)省人力、物力，并且能提高搜救成功率。自2015年起，位于馬耳他的國際人道主義組織海上移民救助站使用CAMCOPTER?S-100無人機在地中海巡邏，已經(jīng)成功解救了超過1 000名難民[15]。CAMCOPTER?S-100無人機是Schiebel公司的高性能無人機，能夠垂直起降，可在極限氣候條件下完成6 h的飛行任務(wù)，并能傳回海上實時圖像用于定位和分析。從目前的技術(shù)來看，使用無人機對海上目標(biāo)偵測仍然較為困難，也是無人機海上搜救的關(guān)鍵技術(shù)。2015年，英國Martek Aviation公司研發(fā)的ViDAR無人機搜救系統(tǒng)采用可180°旋轉(zhuǎn)并記錄的高清相機陣列（camera arrays）將單次掃描范圍擴大了80倍，同時結(jié)合自主學(xué)習(xí)算法（autonomous learning algorithms）能夠自動偵測海上人眼無法看見的目標(biāo)，包括小艇及落水人員，并向地面操作員傳回實時圖像。該系統(tǒng)目前已被美國、英國、澳大利亞等國裝載在“掃描鷹（ScanEagle）”無人機上，用于海上目標(biāo)的搜索（如圖5所示）[16]。由于“掃描鷹”本身具有較為出色的續(xù)航能力，也具備一定的抗風(fēng)能力，可在6級海況下執(zhí)行海上搜救任務(wù)，裝載ViDAR系統(tǒng)后能夠以11 km/h的速度持續(xù)工作12 h，單次海上搜索面積可達(dá)4.6萬km2[16]。

圖5 “掃描鷹”無人機[16]

2.2 海難救助

隨著海上活動的增加，海難事故的發(fā)生也日益增多。無人機除了可用于海上失事船舶人員定位、救援物資定投外，還可應(yīng)用于海上船舶或鉆井平臺的火災(zāi)救援。海上船舶或鉆井平臺一旦發(fā)生火災(zāi)就會造成嚴(yán)重的后果。無人機可作為“火情偵察兵”對失火船舶上的火情及人員傷亡情況進(jìn)行事先勘探，并及時通知救援人員。美國海軍研究局研發(fā)了一款可自動在黑暗且煙霧彌漫的艙室過道中飛行的無人機（如圖6所示），用于探測火災(zāi)發(fā)生后艦艇上的傷員情況并向終端系統(tǒng)傳回實時火情和位置。該無人機是美軍艦用自動消防機器人（shipboard autonomous firefighting robot）的一部分[17]。除了能對火情進(jìn)行感知外，大型消防無人機還可參與海上火災(zāi)撲滅[18]。目前，消防無人機已多次參與山林大火、高層建筑火災(zāi)的撲救，將來也可用于撲滅鉆井平臺、海上船舶上的火災(zāi)[19]。

圖6 美國海軍艦用自動消防機器人上攜帶的火情探測無人機[17]

2.3 傷員后送

在海上救援行動中，使用直升機開展傷員后送已經(jīng)是非常成熟的做法。但受直升機數(shù)量、海上環(huán)境、飛行員作業(yè)能力等條件限制，海上直升機傷員后送具有一定的局限性。為了解決上述直升機傷員后送的限制，特別是在惡劣氣候或核生化沾染環(huán)境下仍能安全、有效、快速地后送傷員，使用無人機不失是一種有益的選擇[20]。北約國家均在無人機進(jìn)行傷員后送領(lǐng)域開展了大量的研究。2012年，北約無人機工作組對使用無人機開展傷員后送進(jìn)行了特別會議，研究了傷員后送無人機飛行參數(shù)及遠(yuǎn)程控制、傳感器精度、傷員安全性及途中醫(yī)療支持等問題，論證了無人機在傷員后送中的可行性[21]。目前，可用于傷員后送的無人機多為概念機，仍有許多技術(shù)問題亟待解決。為數(shù)不多已完成測試的傷員后送無人機包括美國陸軍“DP-14”無人機（如圖7所示）[22]、美國海軍陸戰(zhàn)隊“K-MAX”無人機（如圖4所示）[14]和以色列的“鸕鶿”無人機（如圖 8所示）[23]。其中“DP-14”無人機不僅能在陸上著陸，還可在傾斜晃動的艦艇上著陸，具備海上傷員后送的能力。“DP-14”無人機由Dragonfly Pictures公司生產(chǎn)制造，為縱列式雙旋翼無人直升機，擁有6 ft（1.83 m）長、20 in（0.51 m）寬的內(nèi)艙，可搭載 430 lb（195 kg）載荷飛行2.4 h，巡航速度約為132 km/h，能夠抗20.6 m/s的側(cè)風(fēng)?！癉P-14”無人機使用機載激光雷達(dá)（LIDAR）或3D激光掃描，通過先進(jìn)的算法實現(xiàn)在復(fù)雜、受限環(huán)境下的自主導(dǎo)航，具備路徑規(guī)劃、航向修正、態(tài)勢感知、障礙物規(guī)避和著陸地點選擇等能力[24]。

圖7 “DP-14”無人機[22]

圖8 以色列“鸕鶿”無人機開展傷員轉(zhuǎn)運訓(xùn)練[23]

3 無人機在海上軍事救援行動中的應(yīng)用展望

作為現(xiàn)代空中軍事力量中的一員，無人機在情報偵察、信息對抗、軍事打擊、通信中繼等領(lǐng)域已發(fā)揮了巨大作用，但在軍事醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的使用還并不多見。隨著無人機及輔助技術(shù)的發(fā)展，未來無人機可在機動性/資源受限環(huán)境或拒止環(huán)境下為作戰(zhàn)指揮官提供一種衛(wèi)勤救援兵力的補充，尤其是在海上環(huán)境不適合有人機部署時，開展醫(yī)療行動的支援。

3.1 醫(yī)療救援物資投送

無人機具備一定的額外掛載能力，搭載并投放急救藥品、器材到指定地域是其參與醫(yī)學(xué)救援的主要方式[25]，其在遠(yuǎn)距離運送、緊急運送，傳染病重災(zāi)區(qū)、核輻射區(qū)、自然災(zāi)害地區(qū)等場景下優(yōu)勢尤為明顯。在軍事演習(xí)中，使用無人機可使醫(yī)療物資獲得時間從2 h縮短至22 min左右[26]。在海上軍事救援過程中無人機也可廣泛應(yīng)用。進(jìn)行失事潛艇救援時，可先行派出無人機搜索、定位失事潛艇，偵測上浮艇員生命體征，并在傘降潛水醫(yī)療隊無法部署時，空投海上救援物資，盡可能延長遇險艇員海上生存時間。艦艇編隊執(zhí)行任務(wù)期間，由于醫(yī)療中心往往僅部署在編隊旗艦上，當(dāng)單艦上產(chǎn)生傷員時，可能由于單艦醫(yī)療能力有限且遠(yuǎn)離醫(yī)療中心，加上海況或戰(zhàn)事無法保證直升機開展及時后送，出現(xiàn)貽誤救治的情況，此時可使用無人機從醫(yī)療中心轉(zhuǎn)運所需醫(yī)療物資及血液制品[27]，幫助單艦開展傷員損傷控制性手術(shù)。

3.2 海上傷員轉(zhuǎn)運

現(xiàn)代海戰(zhàn)會造成批量傷員，必須要利用多種手段進(jìn)行及時援救和后送，海上傷員轉(zhuǎn)運是其中的重要環(huán)節(jié)，海上傷員換乘更是轉(zhuǎn)運行動中的重點與難點[28]。海上傷員換乘一般指傷員在海上后送工具間的轉(zhuǎn)換，常用的方法包括舷遞法、舷吊法、滑車傳送法、吊桿法、鋼纜傳送法以及直升機換乘法[29]。美軍的戰(zhàn)場傷員后送醫(yī)學(xué)無人機系統(tǒng)能夠在不同環(huán)境中自動起飛、航行、著陸，并與戰(zhàn)地醫(yī)護(hù)人員和后方地勤人員協(xié)調(diào)合作，實現(xiàn)在救援黃金時間內(nèi)對于傷員的適當(dāng)護(hù)理和有效后送[30]。

在海上的艦船之間通過無人機進(jìn)行傷員轉(zhuǎn)運，可提高傷員換乘效率和安全性。一方面，相比直升機換乘和基于直升機的傷員吊籃換乘[31]，動用的資源更少、準(zhǔn)備時間更短、對艦船甲板環(huán)境要求更低、使用便捷性更高；另一方面，相比傳統(tǒng)的舷靠傳送、滑車傳送、吊桿和鋼纜傳送等轉(zhuǎn)運方法，無人機傳送對轉(zhuǎn)運條件要求更為寬松、操作更簡潔、安全性更高。對于危重傷員，更快的轉(zhuǎn)運時間和更便捷安全的轉(zhuǎn)運方式，既能確保“黃金一小時”內(nèi)得到必要的手術(shù)干預(yù)，也能最大程度避免轉(zhuǎn)運過程中的二次損傷。

4 無人機應(yīng)用到海上救援領(lǐng)域中應(yīng)當(dāng)解決的技術(shù)難題

無人機在救援行動中依然存在安全性和可靠性問題，相關(guān)研究認(rèn)為應(yīng)當(dāng)突破自主導(dǎo)航、穩(wěn)定控制、自主起降、遠(yuǎn)程監(jiān)控等關(guān)鍵技術(shù)[32]。相較于陸地上的救援行動，海上特殊環(huán)境對無人機在海上救援行動中的廣泛應(yīng)用有很大限制。海洋環(huán)境特有的高鹽、高濕、強風(fēng)和復(fù)雜海況，加上作戰(zhàn)行動中通信網(wǎng)絡(luò)限制等問題，使得無人機真正應(yīng)用到海上傷員搜救和后送中仍然任重道遠(yuǎn)，亟須解決無人機復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力、海上目標(biāo)識別精度、無人機與艦艇之間的指揮通信有效性、載人無人機安全性評估以及搜救過程中的醫(yī)療支持等[33]關(guān)鍵技術(shù)問題。

（1）續(xù)航能力問題。海上救援用無人機由于作業(yè)特點的要求，一般采用無人旋翼機，通常為鋰電池供電。除了發(fā)動機和飛行控制系統(tǒng)，各種傳感器、全球定位系統(tǒng)、攝像機等設(shè)備的功耗都很大，對于無人機的有效作業(yè)時間和飛行距離有很大的限制，嚴(yán)重影響無人機的使用效果。未來將重點解決無人機的供電問題，并嚴(yán)格控制系統(tǒng)功耗，可結(jié)合太陽能充電技術(shù)對鋰電池進(jìn)行實時充電，或者采用自主充電模式，實現(xiàn)無人機對自身電量的監(jiān)控，并在低電量時自主尋找充電站，通過機載機器視覺定位精準(zhǔn)降落后進(jìn)行無線充電，充電結(jié)束后再次起飛作業(yè)。

（2）環(huán)境適應(yīng)性問題。海上環(huán)境的高鹽、高濕會嚴(yán)重影響無人機的使用壽命，特別是電子元器件的可靠性和穩(wěn)定性，這對無人機的整體制造工藝提出很高要求；而海上救援通常出現(xiàn)在惡劣天氣條件下，要求無人機必須具備在復(fù)雜天氣條件下的作業(yè)能力，特別是強風(fēng)條件下的飛行穩(wěn)定性。這些都要求未來海上救援用無人機的設(shè)計研發(fā)必須滿足海上特殊環(huán)境要求。

（3）飛行控制問題。除了自主飛行，無人機在起降、搜索、吊裝等特殊工作階段仍需要人工控制，海上救援復(fù)雜性對無人機操作員的水平有很高要求。除了人員培訓(xùn)之外，未來可進(jìn)一步采用人工智能技術(shù)，提升海上救援無人機的自動搜尋、自主起降、自動識別、自適應(yīng)巡航、判別告警等一系列智能化水平。

（4）信號穩(wěn)定性問題。海洋環(huán)境對無人機與控制站、無人機與探測目標(biāo)之間的通信影響大，無線通信信號傳輸穩(wěn)定性在復(fù)雜海況下會急劇下降，而復(fù)雜天氣又通常是救援的常態(tài)環(huán)境，因此，必須從傳感技術(shù)、信號傳輸、無線定位軟硬件各方面系統(tǒng)解決海上作業(yè)的信號穩(wěn)定性問題。

5 結(jié)語

利用無人機開展海上搜救在成本控制、操作靈活性、救援人員安全性等方面都有著不可比擬的優(yōu)勢，世界各國也已將無人機廣泛地應(yīng)用到各類海上救援行動中，搜救效率得到了大大提高。未來，隨著無人機關(guān)鍵技術(shù)的逐一解決，其在軍事海上搜救領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿⑹志薮?，?yīng)用范圍也進(jìn)一步拓寬。