無人機在寒區(qū)衛(wèi)勤保障中的應用

徐廣振，岳海云，劉同亭，孫文波，朱偉杰*

（1.聯(lián)勤保障部隊第960 醫(yī)院神經外科，濟南 250031；2.聯(lián)勤保障部隊第960 醫(yī)院基礎醫(yī)學實驗室，濟南 250031；3.聯(lián)勤保障部隊第960 醫(yī)院消化科，濟南 250031；4.聯(lián)勤保障部隊第960 醫(yī)院醫(yī)學工程科，濟南 250031）

0 引言

我國國土遼闊、地形復雜、氣候類型多樣，根據月平均氣溫等氣候因素，分為溫區(qū)、熱區(qū)和寒區(qū)三大部分。與溫區(qū)相比，受氣候、地形、戰(zhàn)況等因素，寒區(qū)的衛(wèi)勤保障更為困難[1]。無人機又稱無人駕駛飛行器系統(tǒng)，作為通過無線遙控或自主智能飛行系統(tǒng)控制的無人駕駛飛行器，其取消了駕駛員及其保障系統(tǒng)，因此尺寸更小、質量更輕、負載更多、起降更靈活，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中重要的空中作戰(zhàn)力量。隨著無人機系統(tǒng)的成熟，其在搶險救災、戶外遇險人員搜救等非軍事行動中取得了良好成效，但目前無人機應用于寒區(qū)部隊衛(wèi)勤保障領域的報道相對較少。本文通過研究寒區(qū)衛(wèi)勤保障面臨的具體困難，詳細闡述無人機在衛(wèi)勤保障中的重要作用，以及無人機在寒區(qū)應用中存在的不足和建議。

1 寒區(qū)衛(wèi)勤保障面臨的難點

寒區(qū)年平均氣溫低、環(huán)境惡劣、地形復雜、運輸困難、醫(yī)療資源供應不足，低溫、降雪、復雜地形地貌等因素給寒區(qū)戰(zhàn)時傷員救治、物資運輸等帶來諸多不利因素[2]。

1.1 環(huán)境惡劣，疾病發(fā)生率高

寒區(qū)氣溫低，常發(fā)生暴風雪、冰凍等極端天氣，在低溫環(huán)境中易發(fā)生凍傷、消化系統(tǒng)疾病、呼吸系統(tǒng)疾病等，且寒冷環(huán)境中抵抗力下降，容易感染傳染病，在部隊聚集性居住的環(huán)境下，易出現(xiàn)傳染病的暴發(fā)和流行，造成非戰(zhàn)斗減員[3]。

1.2 溫區(qū)轉入寒區(qū)，防寒訓練緊迫，冷習服周期長

我國各戰(zhàn)區(qū)部隊有不同的作戰(zhàn)任務區(qū)，但隨著國際及周邊形勢的復雜化，各戰(zhàn)區(qū)、各軍兵種跨戰(zhàn)區(qū)、跨氣候區(qū)作戰(zhàn)將成為常態(tài)，作戰(zhàn)部隊駐地與作戰(zhàn)任務區(qū)的氣候差異會給部隊衛(wèi)勤保障帶來較多困難，而由溫區(qū)轉為寒區(qū)所面臨的困難尤為明顯。部隊由溫區(qū)迅速轉入寒區(qū)，部分官兵缺乏寒區(qū)生活經歷，人員、裝備對寒區(qū)氣候適應性較差，衛(wèi)生勤務人員缺乏相應環(huán)境下的訓練，增加了救治難度[4]。

1.3 地形復雜，傷員搜救困難

高原寒冷地區(qū)地廣人稀、地形地貌復雜，給傷員的搜救帶來非常大的困難。常規(guī)傷員搜救方式主要依賴各排衛(wèi)生員，搜索方式單一且搜救效率較低、時效性較差，極易造成遺漏，導致傷員不能得到及時救治。

1.4 冰雪環(huán)境交通不便，傷員前接后送困難

目前寒區(qū)傷員的后送方式主要通過陸運，包括鐵路運輸和公路運輸。鐵路運輸容易受鐵路線路影響，公路運輸相對靈活方便[5]。但是冬季嚴寒地區(qū)易積雪，道路易結冰，險阻地段較多，車輛人員通行困難。寒區(qū)地形地貌與溫區(qū)不同，尤其是那些永久性凍土、永久性積雪區(qū)缺乏正規(guī)道路，通行條件差，加之高原地域廣闊，后送線路長，較長時間處于低溫缺氧環(huán)境，加重了傷員的病情，同時增加了后送人員的負荷量，造成事故隱患增加[5]。這些因素都嚴重影響了傷員的積極后送和救治[6]。

1.5 補給線路長，醫(yī)療物資供應困難

寒區(qū)衛(wèi)勤保障所需藥品耗材消耗量大，又由于低溫影響，液體類藥品容易凍結，而疫苗類藥品凍結后容易發(fā)生變性，導致免疫失效，并造成不良反應。另外部分藥品對溫濕度要求較高，即使采用保溫桶或者包裹棉被的方式，也只能短時間內維持在合適的溫度，過高或過低的溫度對藥品的藥效造成嚴重的影響，甚至造成傷員的二次傷害[7]。這就要求要盡量在短時間內快速將藥品運輸到一線，但醫(yī)療物資補給易受道路路況和自然環(huán)境的影響，往往不能及時足量供應到位。因此，迫切需要解決物資供應困難的問題。

2 無人機在寒區(qū)衛(wèi)勤保障中的應用

面對上述的諸多困難，無人機因其方便快捷、行動迅速等優(yōu)勢，正好應對寒區(qū)衛(wèi)勤保障的難點。

2.1 衛(wèi)生勤務偵察，制訂救援計劃

衛(wèi)生勤務偵察包括戰(zhàn)前搜集軍事行動區(qū)域影響戰(zhàn)斗人員健康的環(huán)境因素，也包括戰(zhàn)斗中戰(zhàn)場傷亡形勢的分析評估。傳統(tǒng)的衛(wèi)生勤務偵察依靠衛(wèi)勤人員深入作戰(zhàn)區(qū)域實地偵察，耗時耗力，且效率不高。通過無人機搭載高清攝像頭及諸多傳感器，可快速了解戰(zhàn)斗區(qū)域地形、地貌、植被、水文等相關信息，為衛(wèi)勤指揮決策提供支持。特別是在受到核化生污染的區(qū)域，利用無人機搭載的監(jiān)測儀器，查明污染范圍、污染類型，避免人員損失。另外，戰(zhàn)斗中實時監(jiān)控戰(zhàn)場環(huán)境，通過無人機視頻適時傳輸回后方指揮部，進行戰(zhàn)場環(huán)境偵察、敵方火力偵察，估計戰(zhàn)斗減員率，輔助制訂救援計劃[8]。

2.2 傷員搜救

搜救傷員或失蹤人員是救援的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的搜救方式依賴傷員呼救或衛(wèi)生員查找，效率低且浪費寶貴的救治時間，而且現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)單元小型化、作戰(zhàn)任務精確化、作戰(zhàn)地域分散化的特點使戰(zhàn)場環(huán)境更加惡劣，傷員散布在戰(zhàn)場各處，更難被發(fā)現(xiàn)和救援，戰(zhàn)場救護更加困難，僅依靠人員難以完成傷員救治的需要，給衛(wèi)勤保障帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，結合無人機完成戰(zhàn)場搜救成為了更好的選擇，在高效完成搜救的同時也避免了衛(wèi)勤人員在救援中不必要的犧牲[9]。

相比于人眼視力搜索，無人機可搭載光學、紅外、激光甚至生命探測儀等設備，在復雜環(huán)境中搜索人員的能力大大提升，更容易發(fā)現(xiàn)昏迷的傷員[10]。而且無人機居高臨下，搜索范圍更廣，不容易被植被、房屋等遮擋，效率更高，不容易遺漏。對執(zhí)行特殊任務的人員、遇險的飛行員等特殊人員，無人機比傳統(tǒng)的通過人員進行搜救的方式更具優(yōu)勢。另有研究發(fā)現(xiàn)無人機搭載多光譜相機的地面?zhèn)麊T識別技術可有效識別出戰(zhàn)場環(huán)境偽裝狀態(tài)下的傷員[11]。

多種傳感器可以增強搜索效率，但是諸多傳感器在體積、質量、功耗上都存在限制，與之相比，人體識別技術有著特殊優(yōu)勢，目前研究最廣泛的是方向梯度直方圖（histogram of oriented gradient，HOG）特征，通過算法在復雜圖像中識別出人體輪廓特征來達到搜索傷員特別是危重傷員的目的，這種方式已經在無人機視角、無人車視角等多種場景中得到驗證[12]。

除了被動式搜索，目前正在開發(fā)的智能傷員手環(huán)配備人員定位通信模塊，可配合無人機系統(tǒng)實現(xiàn)主動通信，可以實現(xiàn)加密數據通信、無線電搜尋、衛(wèi)星定位、健康監(jiān)控等功能。手環(huán)既可以監(jiān)測人員生命體征，又可以作為電子傷票，一旦人員受傷，可通過手環(huán)迅速確定傷員具體位置，及時通知搜救無人機人員受傷情況并展開救援[12]。

2.3 遠程救護

戰(zhàn)現(xiàn)場急救中，時間就是生命，“白金10 分鐘，黃金1 小時”的戰(zhàn)現(xiàn)場急救理念已經深入人心。為了克服寒區(qū)道路不暢、距離較遠等不利因素及急救人員無法立即展開急救的短板，急救無人機應運而生，其搭載除顫器、呼吸輔助系統(tǒng)，能夠在短時間內到達需要搶救的傷員處，實現(xiàn)對傷員的現(xiàn)場急救[13]，甚至可以搭載移動手術機器人系統(tǒng)，通過遠程操作該系統(tǒng)，達到快速救治的目的[14]。

2.4 傷員后送

傷員后送一直是衛(wèi)勤保障中的難題，既往我軍主要依靠前送物資的車輛返程時后送傷員，且衛(wèi)勤部門一般缺少獨立的運送力量，需依賴運輸單位支援。車輛后送傷員易受到路況、天氣、地形地貌等多方面因素影響。而無人機具有垂直起降、機動性強等優(yōu)點，可以突破災害現(xiàn)場環(huán)境、交通情況、地形地貌、力量部署和場地等局限，可實現(xiàn)精準“點對點”傷員后送，將傷員快速后送至災害現(xiàn)場外的專業(yè)救治機構，減少傷員的傷亡及二次傷害，大大提高了救援工作的靈活性、快速性、精準性和高效性[15]。世界各國十分重視傷員后送無人機的論證與研究，已開展多種類型傷員后送無人機的設計與研制，取得了較好的成果。目前，傷員后送無人機基于有人駕駛飛機和非載人無人機發(fā)展而來，尚處于概念設計和測試階段，安全性和可靠性有待進一步驗證，距離實用還有很大的差距[15-17]。

2.5 醫(yī)療物資配送

無人機快速機動是其最大的優(yōu)勢，在戰(zhàn)場上，無人機的空中優(yōu)勢將有力克服高寒地區(qū)道路結冰積雪、地形地貌復雜、戰(zhàn)場環(huán)境危險等不利因素，開辟空中急救運輸通道。無人機可根據定位信息自主或人工遙控飛向目的地，將醫(yī)療物資快速投送到目標地點。例如，無人機搭載快速戰(zhàn)場止血器、止血藥等急救物資，可實現(xiàn)對傷員的快速搜索，并將傷員急需物資快速送達，起到戰(zhàn)場急救的作用[18]。無人機搭載醫(yī)學救援物資直接參與戰(zhàn)場救治的可行性和可靠性已得到驗證，我軍已經多次實施無人機物資配送，特別是山高路遠、大雪封山的高寒地區(qū)，克服大風、嚴寒等諸多不利因素，圓滿完成任務，得到了滿意的結果[19]。無人機執(zhí)行戰(zhàn)場物資配送將會是未來后勤保障領域的一個重要研究方向，其中配送任務的分配是實施戰(zhàn)場物資無人機配送的關鍵基礎，只有科學合理地分配任務，才能真正發(fā)揮無人機配送的優(yōu)勢[20]。

2.6 水質檢測

無人機平臺具有自主、遠程、高效、全天候、安全等特點，將無人機系統(tǒng)與水質檢測系統(tǒng)結合起來，旋翼無人機懸停于水面之上，可實現(xiàn)水體的pH 檢測、毒物檢測、濁度檢測等，提高檢測效率及安全性，在部隊應急救援、戰(zhàn)場偵察等特殊環(huán)境下也可實現(xiàn)全天候自主巡航水質監(jiān)測[13]。

3 無人機在寒區(qū)應用中存在的不足及建議

無人機的應用雖然廣泛，但其發(fā)展處于初級階段，仍有諸多不足，受環(huán)境因素影響也較大，特別是寒區(qū)受到低溫、大風、地形等因素影響，降低了無人機的電池性能、續(xù)航時間、飛行高度、通信距離、承載能力、安全性、可靠性等。

3.1 續(xù)航時間明顯縮短

在寒冷環(huán)境下飛行會對無人機產生多方面的影響，極端的自然環(huán)境會對無人機的電池提出更高要求。最主要的是寒冷天氣會縮短電池使用時間，影響無人機續(xù)航。多數無人機使用鋰聚合物（LiPo）電池，當天氣變冷時，鋰電池轉換效率降低，從而使電池容量降低。充滿電的無人機通?？娠w行20~25 min，在寒冷環(huán)境中僅能維持10~15 min。在極端情況下，低溫會使電池容量出現(xiàn)斷崖式下降，甚至出現(xiàn)電池故障。因此，在寒冷條件下，必須有相應對策才能保障無人機的飛行安全。電池在低溫環(huán)境下的性能是無人機在寒區(qū)使用受限的重要因素，目前主流無人機設計用于在0~40 ℃的溫度范圍內飛行，在室外環(huán)境中，特別是環(huán)境溫度低于0 ℃以下時，電池必須使用預熱及保溫措施。另外，在執(zhí)行任務前必須進行檢查并將電池充滿電，最大限度地減少重型控制輸入，減少高速飛行或全油門飛行，提高無人機的續(xù)航時間。

3.2 遙控穩(wěn)定性降低

高海拔、高寒地區(qū)，氣象條件惡劣，空氣稀薄、氧氣缺少，會造成無人機爬升困難、發(fā)動機效率降低等問題。大風、低溫、大霧等也會嚴重影響無人機傳感器問題，這可能會導致無人機漂移或失控。另外，高寒低氧的環(huán)境對操作人員也有較大影響，手冷可能使操作控制更加困難，成為制約飛行安全的額外因素，甚至可能造成墜機等嚴重的后果[21]。

3.3 損壞概率增加

高寒地區(qū)氣候變化異常，降雪和降雨較多，大多數無人機都不防水，雨水可能使電動機短路或導致無人機或控制器出現(xiàn)其他故障。另外，寒區(qū)降雪和雨水可能會造成機身上的水分結冰，導致活動的零部件，特別是攝像頭組件凍結，影響攝像頭拍攝和視頻傳輸。因此，對無人機的關鍵部位進行防水和密封設計是保證其性能的方式之一。

3.4 信號抗干擾能力降低

一方面，高寒地區(qū)作戰(zhàn)地形復雜阻礙了無人機的信號接收和發(fā)射，使通信距離縮短，對無人機的偵察搜救產生巨大的影響，同時影響了無人機的飛行控制。另一方面，高寒地區(qū)的復雜地理環(huán)境使無人機更易被敵軍偵察干擾，甚至損毀。無人機普遍飛得很低很慢，在高寒地區(qū)更容易被發(fā)現(xiàn)，惡劣環(huán)境下無法生存。

現(xiàn)階段無人機在高原高寒地區(qū)面臨的以上諸多問題，可從以下方面進行探索和改進：（1）研發(fā)一種全新動力控制模式的噴氣發(fā)動機，克服一般無人機在動力上的缺陷，保證無人機能在高原低溫環(huán)境下順利啟動。（2）優(yōu)化無人機的推進系統(tǒng)，賦予其優(yōu)異的飛行性能。（3）在無人機結構上進行優(yōu)化，可采用大展弦比平直機翼設計，實現(xiàn)高升阻比。（4）在機體結構上，無人機的機身可使用新型的復合材料，以實現(xiàn)輕量化、機體結實耐用、保溫性能好，具備在高空、低溫環(huán)境下正常工作的能力。

4 結語

隨著無人機技術的不斷成熟，作為信息化戰(zhàn)爭條件下衛(wèi)勤保障的重要力量，其在戰(zhàn)場衛(wèi)勤保障中將具有廣闊的應用前景。在寒區(qū)衛(wèi)勤保障中，無人機的使用在傷員搜救、后送、醫(yī)療物資投送等方面具有明顯的優(yōu)勢，但也存在高寒條件下電池續(xù)航差、動力不足、隱身性弱、負載能力小等不足。目前國內無人機在衛(wèi)勤保障方面的應用還處在探索階段，為充分發(fā)揮無人機的重要作用，應盡快建立健全無人機應用規(guī)范。隨著信息技術、材料技術和網絡技術的發(fā)展，無人機技術必能適應高原高寒環(huán)境，在寒區(qū)衛(wèi)勤保障中發(fā)揮更重要的作用。