科技為防災減災護航

都芃

5月12日，我們迎來了第15個全國防災減災日。

近年來，隨著我國科技研發(fā)水平不斷提升，越來越多的科技成果被應用于防災減災領域，一大批科技含量極高的防災減災設備投入實戰(zhàn)。

地震預測、火災救援、臺風預報……在災害來臨的緊要關頭，一批“黑科技”沖在最前線，發(fā)揮著無可替代的重要作用，最大限度地避免、減輕了災害對經(jīng)濟社會造成的損失，有力保障了人民生命財產(chǎn)安全。

衛(wèi)星監(jiān)測地震 降低震災損失

地震是我國造成人員傷亡最多的自然災害，同時我國也是世界地震災害最嚴重的國家之一。全球死亡人數(shù)超過20萬人的地震有7次，其中4次發(fā)生在我國。

從過去的“震時救災”到當前的“綜合減災”，地震監(jiān)測預報、地震災害防御、地震應急救援構筑了我國綜合減災三大體系，正在盡可能將震災損失降到最低。

地震預測一直是世界性難題，其中一大困難在于現(xiàn)有技術手段很難探知從震源到地表的全過程。雖然人類目前仍然無法深入地球的“內(nèi)心”，但當我們從太空望向地球時，觀察、研究其磁場的變化情況或許將為地震預測提供新的視角與思路。

在近期舉辦的第35屆全國空間探測學術研討會上，中國科學院國家空間科學中心研究員、國際宇航科學院院士、“張衡一號”衛(wèi)星計劃首席科學家兼工程副總設計師申旭輝，介紹了2018年發(fā)射的我國地震立體觀測體系天基觀測平臺首顆衛(wèi)星“張衡一號”在軌運行5年取得的進展。

5年時間里，電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星“張衡一號”已經(jīng)觀測到全球約60次7級以上地震、近600次6級以上地震、數(shù)萬次5級地震。

“我們發(fā)現(xiàn)，高達80%的6級以上地震在發(fā)生前半個月有明顯前兆信號，較多出現(xiàn)在震前一周左右。通常衛(wèi)星探測到的前兆信號不會出現(xiàn)在震中的正上方，往往偏離震中幾百公里。”申旭輝介紹道。

衛(wèi)星監(jiān)測突破了傳統(tǒng)地震科學研究的限制，電磁波可以從地下到太空跨圈層傳播。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，空間電磁擾動與地震發(fā)生具有明顯相關性。科學家通過衛(wèi)星可以將電磁觀測范圍拓寬至全球尺度。從震例觀測、收集的角度來講，“天上一年等于地面二三十年”。衛(wèi)星監(jiān)測可以讓科學家開展大樣本統(tǒng)計研究，為檢驗各種方法和模型提供了基礎。

“張衡一號”能夠發(fā)揮空間對地觀測的大動態(tài)、寬視角、全天候優(yōu)勢，通過獲取全球電磁場、電離層等離子體、高能粒子觀測數(shù)據(jù)，對中國及周邊區(qū)域開展電離層動態(tài)實時監(jiān)測和地震前兆跟蹤，彌補地面觀測的不足，開辟了探索地震監(jiān)測預測新途徑。

不過，申旭輝也坦言，目前大量前兆信號都是在地震發(fā)生后通過數(shù)據(jù)回溯找出來的，只有少量數(shù)據(jù)是提前發(fā)現(xiàn)的，這是因為數(shù)據(jù)處理非常復雜，在有限的人力和計算能力條件下無法對全球數(shù)據(jù)做到實時跟蹤。

申旭輝表示，現(xiàn)有空間衛(wèi)星技術手段還無法實現(xiàn)時間、地點、強度三要素具備的精確地震預報，要想真正實現(xiàn)地震預報不能單靠一顆衛(wèi)星，還要依賴地震學、電磁學、大地測量學、地球化學等多學科、多手段相結合。

探測儀“能摸會聞” 搜救廢墟被困人員

在2022年4月發(fā)生的長沙居民自建房倒塌事故中，一款由應急管理部上海消防研究所和中南大學聯(lián)合研發(fā)的基于多輸入多輸出（MIMO）雷達的人體目標辨識與定位裝備和多模融合生命探測儀大顯身手。

救援人員利用MIMO雷達人體目標辨識與定位裝備，成功探測到3名被困人員的具體位置，為后續(xù)精準救援提供技術支撐。同時，救援人員借助多模融合生命探測儀，通過視頻系統(tǒng)深入到廢墟縫隙中，確定了2名幸存者的被困位置及周圍環(huán)境，幫助救援人員科學決策、精準施救。

應急管理部上海消防研究所高級工程師李震告訴科技日報記者，這兩款新型生命探測裝備是“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目“復雜災害條件下生命搜救裝備研究與應用示范”的最新成果。

基于MIMO雷達的人體目標辨識與定位裝備具有探測距離遠、定位精度高、識別數(shù)量多的功能特點，可以準確搜索定位廢墟下被困人員位置，實現(xiàn)多個目標的三維定位，降低誤報率，提高探測結果的置信概率，使災害救援現(xiàn)場搜救效能得到顯著提升。多模融合生命探測儀則能夠綜合利用多種傳感器對廢墟內(nèi)被困人員進行探測，并將雷達回波、圖像和聲音等信息無線傳輸?shù)绞殖纸K端進行綜合判斷分析，其可有效克服單一傳感器探測的技術缺陷，提高生命搜救效率。

不只“耳聰目明”，有的新型生命探測設備還“能摸會聞”。

中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所研究員陶虎團隊受星鼻鼴鼠“觸嗅融合”感知啟發(fā)，將嗅覺、觸覺傳感器與機器學習算法融合，研發(fā)出了“觸嗅一體仿生智能機械手”（以下簡稱“智能機械手”）。該裝置可以在人體被瓦礫石堆覆蓋的場景下，協(xié)助開展應急救援。在模擬救援中，智能機械手對包括人體在內(nèi)的11種典型物體進行了識別，準確率達96.9%。

智能機械手內(nèi)部的觸覺傳感器通過接觸撫摸感知壓力的變化，采集物體的硬度、輪廓和局部的樣貌信息。智能機械手的嗅覺傳感器中裝有特定的氣敏材料，它們在接觸特定氣體后會產(chǎn)生電阻變化。特定的氣體組合又代表特定的物質，例如硫化氫、氨氣等就是人體的特有氣味。救援人員只需讓智能機械手進行觸摸，結合傳感器采集信息，智能機械手就能夠快速判斷出被救人員的位置。

該研究第一作者、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所博士生劉孟瑋表示，模擬環(huán)境的測試已證明智能機械手具備實戰(zhàn)能力。一旦出現(xiàn)緊急災害，智能機械手即可投入救援。目前智能機械手已經(jīng)具備基礎的仿生和傳感器功能，相關研究團隊還將深化研究，通過進一步提升傳感器性能和精進算法，智能機械手未來還能夠敏銳地捕捉人體的脈搏，進而判斷其生命體征。

給臺風“做CT”提升氣象預報能力

臺風是發(fā)生在西北太平洋和南海海域的強熱帶氣旋，臺風活動有顯著的季節(jié)性特征，大多數(shù)臺風發(fā)生在夏秋季節(jié)。

臺風帶來的主要災害有暴雨、大風和風暴潮等。作為一個多臺風影響的國家，幾乎年年夏天，我國沿海省份的群眾都會緊張地關注著臺風動向，相關部門也嚴陣以待。

在廣東省茂名市電白區(qū)蓮頭半島東南方6.5公里外的海上，矗立著一座鐵塔，這是我國首個海洋氣象綜合觀測平臺——博賀海洋氣象野外科學試驗基地（以下簡稱“基地”）海上綜合觀測平臺。

這里是我國觀測臺風的最佳地點之一。近年來，該試驗基地已經(jīng)發(fā)展成為我國海洋災害性天氣研究最重要的野外觀測試驗基地，為認識和理解臺風、海霧和冬春季海上大風等天氣過程的邊界層過程和致災機理，積累了一批寶貴的實測數(shù)據(jù)，在臺風預測、海洋災害防治中發(fā)揮著重要作用。

地震預測、火災救援、臺風預報……在災害來臨的緊要關頭，一批“黑科技”沖在最前線，發(fā)揮著無可替代的重要作用。

中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所海洋氣象觀測研究組首席黃健介紹，臺風本質上是在海上生成的超大渦旋，當臺風快要登陸時，利用觀測平臺上先進的海洋氣象觀測設備，可以給臺風“做一個綜合CT掃描”，從而得到關于臺風的一些數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可以用來優(yōu)化現(xiàn)有臺風預報模型的物理過程參數(shù)化方案，進一步提升數(shù)值模式對臺風路徑和強度的預報能力，為防治臺風帶來的次生災害提供參考。

目前，依托該平臺，相關研究團隊已經(jīng)進行登陸臺風觀測試驗研究29項，包括“威馬遜”“天鴿”“暹芭”等。不僅如此，基地還首次對華南沿海海霧開展綜合觀測試驗，迄今共觀測到30多個典型華南海霧。

無人機“天降神兵” 迅速控制森林火情

5月5日，四川攀枝花東區(qū)弄弄坪街道高峰社區(qū)后山發(fā)生森林火災。經(jīng)過救援人員兩天兩夜的撲救，明火已于5月7日凌晨被撲滅。

每年我國都會發(fā)生多起森林火災，給群眾生命財產(chǎn)造成極大威脅。僅今年4月，全國就發(fā)生森林火災56起，而森林火災的消防救援一直是世界性難題。

“森林火災往往發(fā)生在干旱、氣溫較高的季節(jié)，且具有火勢大、擴散快、點多面廣的特點。而且不少森林火災發(fā)生在山區(qū)，地形崎嶇，交通不便，極大增加了滅火的危險性?！敝袊涂瞻踩芯恐行闹魅?、中國無人機產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟副理事長孫永生此前在接受科技日報記者采訪時說。

無人機可以幫助解決森林消防中“盲區(qū)多、危險性強”等問題。

此前在北京延慶區(qū)的一場森林防火實戰(zhàn)演練中，無人機應急救援團隊率先用無人機飛達消防員無法到達之地，化作“天降神兵”，展開全面無死角偵察。其搭載的多種攝像頭實時對災害現(xiàn)場進行畫面直播，觀察災害現(xiàn)場情況。無人機一旦發(fā)現(xiàn)燃點，迅速報出準確坐標，并繪出火場3D態(tài)勢圖，輔助決策者進行指揮調(diào)度，快速執(zhí)行精準救援計劃。

森林消防對無人機的基本要求是發(fā)現(xiàn)早、反應快、決策準、效果實。森林火災的起因往往是復雜的，不同的火情需要針對性的滅火方案和滅火設備。無人機可以裝載多種類型的滅火劑，并根據(jù)現(xiàn)場情況進行使用。

航天科工仿真技術有限責任公司無人機滅火系統(tǒng)設計師楊興光表示，對于森林消防來說，單一的無人機由于載重、處理能力等限制，難以直接有效撲滅火災。為了消除隱患，將火災盡量遏制在初生階段，通過采用無人機蜂群戰(zhàn)術，將智能算法注入無人機群，形成層次化布局、協(xié)同作戰(zhàn)，能夠大大提升森林火災的滅火效能。

◎ 來源|科技日報