淺析無人機技術(shù)在應(yīng)急救援中的應(yīng)用

陳玉倩

南京航空航天大學(xué)，中國·江蘇 南京 210000

1 引言

中國是一個多災(zāi)害國家，根據(jù)國家應(yīng)急管理部所發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年上半年中國自然災(zāi)害以風(fēng)雹、洪澇、地震災(zāi)害為主，各種自然災(zāi)害造成經(jīng)濟損失慘重。除自然災(zāi)害外，事故災(zāi)害、公共衛(wèi)生安全事件帶來的破壞也不小，如新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)、西昌瀘山森林火災(zāi)、九寨溝地震等，這些災(zāi)害事件對中國應(yīng)急管理水平和處置工作都提出了挑戰(zhàn)。完善應(yīng)急管理體系、加強現(xiàn)代化能力建設(shè)是中國當(dāng)前一項長期且緊迫的任務(wù)。目前無人機在中國應(yīng)用已十分廣泛，《國家突發(fā)事件應(yīng)急體系建設(shè)“十三五”規(guī)劃》中就將無人機納入應(yīng)急救援體系專業(yè)裝備，將無人機技術(shù)經(jīng)驗應(yīng)用于應(yīng)急救援工作將有利于推進(jìn)中國航空應(yīng)急救援體系的建設(shè)。

2 無人機在應(yīng)急救援領(lǐng)域的技術(shù)

2.1 無人機技術(shù)概述

無人機（UAV）是區(qū)別于載人飛機的飛行器，是利用無線電遙控設(shè)備和自備程序控制裝置操縱的不載人航空器，可實現(xiàn)操手遠(yuǎn)程控制或由機載計算機自主控制[1]。

通常，無人機根據(jù)其飛行原理可以分為固定翼飛機、單旋翼直升機以及多旋翼直升機等。無人機應(yīng)用于應(yīng)急救援優(yōu)勢明顯，逐漸呈現(xiàn)出輕型化、智能化的特點，并且成本低、攜帶和使用方便、對環(huán)境要求低等。隨著無人機技術(shù)不斷發(fā)展提升，無人機已經(jīng)能夠適應(yīng)越來越復(fù)雜的不同環(huán)境，通過掛載紅外熱成像、激光雷達(dá)和應(yīng)急通信等載荷，有效彌補了傳統(tǒng)滅火救援中存在的各種問題，為救援工作的部署起到強有力的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 無人機遙感技術(shù)

無人機遙感通過定位技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器等來控制無人機飛行，包括地面控制和機載控制兩部分，地面控制通過無線通信對無人機的飛行任務(wù)下達(dá)指令，并收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)處理、建模和分析，實現(xiàn)無人機飛行操作自動化、智能化。此外，無人機遙感以無人機為控制遙感平臺，可搭載多種設(shè)備，包括高清攝像機、熱成像儀、紅外夜視儀、應(yīng)急通信等，能隨時根據(jù)現(xiàn)場需要更換設(shè)備，拍攝畫面清晰，數(shù)據(jù)傳輸效率高，極大地滿足了搶險救災(zāi)的應(yīng)用需求，提高了救援效率。利用無人機遙感技術(shù)，不僅可以更加快速就能獲取這一地區(qū)的相關(guān)信息，還可以利用地面平臺更加真實性地轉(zhuǎn)載和記錄有關(guān)地區(qū)表面的自然情況和人工景觀等，也可以對人類活動進(jìn)行全方位的跟蹤。

2.3 應(yīng)急中繼通信技術(shù)

無人機平臺應(yīng)急中繼通信是中國及其他國家在解決偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)急救援通信問題的一種常用的解決方案?？煽?、靈活的緊急通信是災(zāi)難發(fā)生時搜索和救援的關(guān)鍵，也是挽救受災(zāi)群眾生命財產(chǎn)的保障。技術(shù)原理是利用無人機的飛行作業(yè)高度，通過升高通信天線方式來減少地形對無線電傳播的影響，能夠顯著改善救援隊伍通信質(zhì)量。在受災(zāi)區(qū)域的基站不再運行的情況下，無人機可通過機載中繼機，充當(dāng)臨時通信設(shè)備，同時大中型無人機還能直接參與救援。在有條件的現(xiàn)場，可采用車載移動設(shè)備，用系留無人機建立穩(wěn)定、臨時的通信基站。

2.4 無人機險情監(jiān)測技術(shù)

筆者曾參與開發(fā)的無人機航空攝影險情監(jiān)測系統(tǒng)，包括監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建立模塊、區(qū)域圖像采集控制模塊和異常分析模塊。以使用無人機監(jiān)測森林火災(zāi)為例，基本原理為區(qū)域圖像采集控制模塊獲取無人機在監(jiān)測區(qū)域飛行監(jiān)測時采集到某一區(qū)域的圖像，獲取面積占比，如果面積占比大于等于分類面積占比閾值，那么無人機以第一時長持續(xù)采集該區(qū)域的區(qū)域圖像，如果面積占比小于分類面積占比閾值，那么無人機以第二時長持續(xù)采集該區(qū)域的區(qū)域圖像，其中，第一時長大于第二時長，所述異常分析模塊用于當(dāng)監(jiān)測到區(qū)域圖像中存在溫度大于等于溫度閾值的區(qū)域時，設(shè)該區(qū)域為疑似危險區(qū)域，對疑似危險區(qū)域進(jìn)行分析，判斷是否要傳輸警報信息。

如圖1所示，系統(tǒng)可通過采集到的有效樹木的數(shù)量e以及各個有效樹木之間的平均距離f，得出某檢測區(qū)域內(nèi)的樹木參考指數(shù)u=e/f；人流量指數(shù)，其中，表示最近一段時間內(nèi)該個檢測區(qū)域檢測到人流量的次數(shù)， 表示第i 次檢測到人流量時檢測到人的個數(shù)，表示第i 次檢測到人流量時的人在該個檢測區(qū)域的停留時長。

圖1 無人機險情監(jiān)測系統(tǒng)

深層分析模塊中，第一面積采集比較模塊用于獲取此時疑似危險區(qū)域的面積為第一面積Sb，人員位置變化監(jiān)測模塊在疑似危險區(qū)域的第一面積小于等于危險面積閾值時，識別疑似危險區(qū)域的周圍是否人員，當(dāng)存在人員時，獲取該人員的位置為第一位置，間隔第二時長后，獲取以第一位置為中心，第一距離為半徑畫出圓形區(qū)域內(nèi)是否存在人員，如果存在人員，無人機監(jiān)測采集下一個區(qū)域的圖像信息，否則，令時長臨時修改模塊修改無人機以第一時長持續(xù)采集該區(qū)域的區(qū)域圖像，所述面積之差比較模塊獲取間隔第一時長后溫度大于等于溫度閾值的區(qū)域的面積為第二面積Sa，如果第二面積與第一面積之差Sa-Sb 大于面積差之閾值，那么傳輸警報信息。

3 無人機技術(shù)在應(yīng)急救援中的具體應(yīng)用

3.1 探測現(xiàn)場和指揮調(diào)度

災(zāi)情偵查。無人機可通過搭載可變焦高清攝像裝備，調(diào)整懸停高度和拍攝角度，實現(xiàn)多維度拍攝和全方位現(xiàn)場細(xì)節(jié)展示，也可對現(xiàn)場進(jìn)行應(yīng)急測繪，通過圖傳設(shè)備將事故現(xiàn)場情況回傳至現(xiàn)場指揮部。決策者依據(jù)回傳數(shù)據(jù)能夠全面準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場情況，做出科學(xué)有效的應(yīng)對指揮，同時還能為調(diào)度各方救援力量提供信息引導(dǎo)，組織周邊群眾及時撤離。

巡航探測生命跡象。無人機搭載生命探測儀通過電池補給、多機替換巡查，行動速度快，搶救效率高，還能保障救援人員的人身安全[2]。無人機搭載紅外生命探測儀或雷達(dá)生命探測儀，依據(jù)感知溫度的差異來區(qū)分搜索目標(biāo)，人體發(fā)射出的紅外波段約在3～50μm 波段；也可以利用多普勒效應(yīng)來探測生命信息，電磁波穿透建筑廢墟等遮擋介質(zhì)對一定近空間進(jìn)行掃描，接收器接收反射回來的信號并進(jìn)行智能分析，經(jīng)過測量計算對幸存者精準(zhǔn)定位。

3.2 輔助決策

無人機配備使用關(guān)鍵器材和裝備，如配備高清攝像頭，可以使用無線圖像傳輸模塊實現(xiàn)圖像信息長距離傳輸?shù)街笓]車，然后迅速把救援現(xiàn)場的視頻信息傳輸?shù)綖?zāi)情指揮部，有利于指揮部分析災(zāi)害事故現(xiàn)場發(fā)展趨勢分析。同時無人機在空中還可以進(jìn)行大范圍多角度的現(xiàn)場觀察，為第一時間營救被困人員提供最佳路線和最有利時機[3]。在無人機上裝載語音系統(tǒng)和擴音裝置，可以利用無人機喊話、下達(dá)指令。

3.3 物資投放及受災(zāi)評估

通過無人機技術(shù)可以獲取精準(zhǔn)性較高的圖像，對整個救援過程進(jìn)行更加清晰和直觀性的展示。也可以構(gòu)建三維立體模型，全面了解災(zāi)區(qū)的位置以及范圍，方便技術(shù)人員在數(shù)據(jù)分析之后得出這一災(zāi)害發(fā)生之后的損失評估和人員傷亡，有助于使救援人員根據(jù)三維立體模型確定現(xiàn)場的救援方案，根據(jù)隨時變化的救援動態(tài)進(jìn)行有效的指導(dǎo)，使得救援過程高效。

同時，無人機能夠快速、精準(zhǔn)地完成物資投放。當(dāng)?shù)孛娼煌òc瘓或無法進(jìn)行海上救援時，航空運輸是最直接有效的方式，大中型無人機都具有一定的荷載能力。無人機地面控制設(shè)備能監(jiān)測其飛行情況，為無人機規(guī)劃航線路徑，實現(xiàn)精準(zhǔn)投送，可向受困人員運輸衣物、食物，向急需醫(yī)療救治的人員投遞醫(yī)藥物資，向救援人員提供除顫儀等救援設(shè)備等。

4 結(jié)語

論文針對無人機技術(shù)在應(yīng)急救援中的運用，通過研究無人機救援功能，對具體的應(yīng)用場景進(jìn)行分析，保證無人機能完成目前簡單的一些事故救援保障和調(diào)查任務(wù)?，F(xiàn)階段中國已將無人機應(yīng)用于各個生產(chǎn)和生活領(lǐng)域，并取得了一定成效，但是無人機救援仍然面臨許多挑戰(zhàn)。為進(jìn)一步推進(jìn)中國應(yīng)急救援體系建設(shè)，需要完善航空應(yīng)急救援體制機制，加強對無人機飛行的管控，從手段和制度建設(shè)入手，建立管控系統(tǒng)和飛行報批程序，推動無人機技術(shù)創(chuàng)新，加大人才培養(yǎng)，組建專業(yè)隊伍。將無人機技術(shù)經(jīng)驗有效應(yīng)用于應(yīng)急救援工作，有利于推進(jìn)中國航空應(yīng)急救援體系的建設(shè)。