无人机在救援方面的应用及发展

张 峰，佟 巍，周立冬 综述，刘爱兵 审校

灾害事件发生突然，救援活动紧急，救援环境恶劣，救援力量往往无法及时了解情况并快速到达现场。从空中观察干预救援现场是最快、最便捷的手段。与有人驾驶飞机及卫星相比，无人机具备体积小、造价低、机动灵活、使用方便等优点，对环境要求低，可在几千米高空和云下几百米到几米的低空飞行，无需机场，由于无人驾驶，回避了飞行员人身安全的风险，适于战争及救灾等危险紧急环境。随着传统手段局限性的日益凸显，无人机技术的逐渐成熟，无人机技术用途越来越广泛，在救援方面开始大显身手。汶川地震、雅安地震等突发灾害事件救援中，均表现出不可替代的作用，成为信息化救援的有力武器[1,2]。无人机在救援方面的优势促使国内外争相研发救援无人机，并取得了大量成果。

1 无人机的发展

无人机是用无线电遥控或程序控制的无人驾驶飞行器，由飞机平台、飞控系统、搭载装备和无线电遥控系统组成，可实现侦察攻击、影像音频获取传输、物品运输投放、现场干预等功能，又叫无人机系统。它集成了航天、信息、控制、测控、传感、镭射及新材料、新能源等多学科技术，代表未来航空业的发展方向，被誉为“空中机器人”。

按外形尺寸可分为：普通无人机（≥300 cm）、小型无人机（100～300 cm）、超小型无人机（15～100 cm）及微型无人机（≤15 cm）；按飞行方式可分为：固定翼、螺旋翼直升机，多旋翼飞行器，柔翼无人机等；按用途可分为军用与民用。

最小的无人机还没有手掌大，尺寸1～2 cm，重量不到2 g，有螺旋翼的和扑翅翼的。大型无人机都是固定翼，中国最大的无人机“翔龙”高空高速侦察机全长14.33 m，翼展24.86 m，机高5.413 m，正常起飞重量6800 kg，任务载荷600 kg，巡航高度18 000～20 000 m，巡航速度大于700 km/h，续航时间最长10 h[3,4]。

1.1 无人机因军事而生 1917年英国人研制了世界上第一架无人机后，无人机经历了无人靶机、预编程序控制无人侦察机、指令遥控无人侦察机和复合控制多用途无人机的发展过程，用于训练、侦查、诱饵、战斗。起初它们并不被看好，直至20世纪后期海湾战争，西方国家才渐渐认识到无人机在战争中的作用，竞相把高技术应用到无人机的研制与发展上，实现高空长航时化、隐形无人机化、空中预警化和空中格斗化。

美国已发展了重中轻型和远中近程成族、成系列的无人机装备，如“全球鹰”、“捕食者”、“死神”、“X-47B”等。以色列在无人机研究领域仅次于美国，有“竞技神”等。欧洲多采用联合研制方式，将战斗无人机作为重点发展方向，有“神经元”、“梭鱼”、“雷神”等。俄罗斯当前落后于美国和以色列，俄政府已意识到这一问题，总统普京表示需要完整系列的攻击机和侦察无人机。印度野心勃勃，对无人机重视程度不断提高，推出“辉光”无人战斗机。

中国20世纪60年代由于中苏关系紧张，苏联拒绝继续提供无人靶机，国家下决心研发出“长空一号”。北航在对被击落的“火蜂”141A进行了研究，研制了“长虹”号无人驾驶高空侦察机，成为中国第一架高空无人驾驶侦察机。现在，我国有“翔龙”、“暗剑”、“刀锋”、“WJ-600”、“翼龙”、“夜鹰”、“CH-3”等多种新型无人机。我国还研制了其他用途的军用无人机，如陆军解放军炮兵学院研制了“T-6无人机作战系统”，是炮兵对目标实施侦察、校正的重要手段。配备到连营用作侦查的微型无人机，如成都战区“猎豹”特战大队装备了空中侦察“W-1天鹰无人侦察机”。武警工程学院空中机器人研制小组研制“天眼”反恐无人直升机，担负了处突任务，垂直升空后完成捕获地面动静目标、即时自动识别、定点投弹、精确打击等任务[5,6]。

1.2 无人机在民用领域的广泛应用 民用领域的技术性能和成本较低，例如，无人机在民用领域不需军用发动机，普通电机就可以满足需求；控制系统要求也较低，不需要考虑通讯保密和隐身等问题。中国民用无人机的发展历程并不长，自2006年的尖兵之翼——第一届中国无人机大会开始，2008年开始慢慢升温，大众逐渐探索用无人机进行航拍，最近几年逐步迈向消费市场。

1.2.1 民用无人机早期主要应用于专业市场 2012年之前，这个行业主要是专业市场在主导，用在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力及抢险救灾等行业。无人机应用于国土测绘领域，高效便捷。在选线设计领域，可对电力、公路、铁路、石油管道、天然气管道进行选线设计和全方位监测。在环境监测领域，对环境污染进行监测，此外，海洋监测、溢油监测、水质监测、湿地监测、固体污染物监测、海岸带监测、植被生态等方面都可借助遥感无人机实施。同时，其在水利、农林领域也有重要应用。

1.2.2 多旋翼无人机使大众市场爆发式增长 2011年8月，深圳大疆公司推出了第一代多旋翼产品，导致整个无人机市场在2012年发生了巨大转折，由此前的专业市场主导，逐渐转向由大众市场主导。多旋翼无人机对人的操作要求低，机械机构简单，特别容易上手，对场地要求不高，由于智能手机的普及使大部分传感器的成本下降，以至于无人机价格更为低廉，成为个人可以购买的商品。大疆公司占据全球民用小型无人机约70%的市场份额，是全球民用领域最大的无人机企业，是世界上增长最快的科技公司，最近3年销售额增长了80倍。目前，大量企业、资金涌入无人机领域，许多救援无人机采用多旋翼飞行平台[7]。

2 国外无人机救援情况

国外无人机在救援方面的应用较早，常被用于突发灾害事件中。2011年3月11日日本福岛第一核电站在地震引发的海啸中发生严重的核泄漏事故，美国军方派出全球鹰无人机侦察核反应堆，并派出搭载测辐射传感器的微型无人机监测检查核电站附近的辐射水平。2015年3月13日，法国巴黎发生人质劫持事件，警方动用无人机参与救援行动。以色列使用“火鸟”无人机探测监视火情（图1）。美国使用“牵牛星”、“捕食者”B无人机参与森林大火救援，还使用无人机进行飓风监测和灾后搜救，使用特战无人机空投宣传品或广播对灾民进行心理干预。

图1 无人机用于火灾现场

针对救援情况，国外还研制了耐碰撞、防水、利用Wifi信号搜救、可及时运送除颤器、药品的医疗救助、通过网络远程救援、能投放救生圈的海上救援等类型无人机[8]（图2）。

图2 无人机用于抢救溺水者

3 国内无人机救援情况

地震等灾害救援最首要的就是掌握灾情和解决交通问题，无人机能快速到达灾区上空，获取灾区和通往灾区道路的遥感影像，直观地观察灾情（图3），帮助救援人员和物资在黄金72小时内到达灾区，挽救生命[9]。

3.1 无人机在四川汶川地震救援中的应用 2008年汶川地震，主干道严重破坏，对外通信、交通瞬间中断，救援人员无法进入灾区，情况不明。当时国家相关部门调集了多颗卫星和航测飞机对灾区进行航空遥感拍摄，但受四川恶劣天气（多雾多雨）和地形条件（山高、林密）影响，不能航拍，未能及时了解震区情况。在这种情况下，利用无人机遥感航拍成为当时最有效的手段，中国政府相关部门批准并派出多支无人机队伍。

国家减灾中心派出“千里眼”无人机深入重灾区，对北川县城进行航拍，图像视频通过海事卫星传送到国家民政部，随后国家减灾网对外发布，新华网、人民网、中华网等相互转载，迅速传遍世界。另外，还有中国兵器工业集团下属的光电科技公司的“华鹰”无人机，西安大地测绘工程公司的微型无人机（MRS-D14、MRS-016），北京市禁毒教育基地和北京观典航空设备公司人员的“禁毒者”A3无人机，中科院遥感应用研究所等单位的“飞象一号”小型低空遥感无人机，都参与了救援工作[10,11]。

图3 无人机用于灾难现场的航拍

3.2 无人机在青海玉树地震等自然灾害救援中的应用2010年4月，青海玉树地震，青藏高原，高山大川，大江大河，地势险峻。青海省第二测绘院采用LT150-M无人机对玉树地区进行震后测绘，并为灾后重建后的地形地貌和建设项目进行了低空航摄工作。

其后，7月陕西安康发生特大洪灾，8月甘肃舟曲县突降大雨发生特大泥石流灾害，2011年3月，云南盈江地震，中国四维测绘技术有限公司和北京天下图公司派出无人机参与救援工作[12]。

3.3 无人机在四川雅安地震救援中的应用 2013年4月，四川雅安地震，灾情严重，无人机救援应用也有所发展，多个单位的无人机赴灾区参与救援工作。民政部国家减灾中心紧急启动重大自然灾害无人机应急合作机制，紧急赶赴灾区现场开展无人机遥感应急监测。中国人保四川分公司的中国人保号航拍无人机，成都市民彭希果的无人机，易瓦特公司的八旋翼无人机和螺旋翼无人直升机，中国国家测绘地理信息局的5架无人机，厦门美亚柏科公司的固定翼无人机和六旋翼无人机，武汉智能鸟无人机，国家地震灾害紧急救援队的旋翼无人机等对灾区地形地貌、受损情况进行空中排查。十三集团军某特种作战旅侦察分队携带无人机，

搭乘直升机直抵灾区震中太平镇救援（图4）。中国航天科工三院研制的海鹰HW-200B无人机在震后急赴震区航拍。海军某飞行团使用遥感飞机参与救援[13]。

图4 解放军无人机紧急驰援四川雅安地震现场

3.4 无人机在云南鲁甸地震救援中的应用 2014年，中国云南省鲁甸发生6.5级地震。武警黄金部队地质灾害调查队携带四旋翼无人机抵达震中，绘制完成首张震区地质灾害排查评估地图，并首次使用无人机快速三维建模技术，实现了地质灾害信息第一时间三维可视化，也是我国首次将无人机快速三维建模技术应用于地质灾害应急救援。这是武警警种学院与国家遥感中心联合研发的遥感科技成果[14]。

3.5 无人机在其他抗灾救援中的应用 从1993年开始，中国气象局将无人机应用于大气探测、气象灾害遥感、生态遥感、人工影响天气等课题。无人机还用于对抗火灾、风灾、水灾，海洋监测救援。2011年，我国首次成功使用Z-3直升无人机悬停在内蒙古三湖河口至昭君坟河段进行凌情应急监测[15]。

4 救援无人机的发展情况

4.1 无人机救援初期主要应用于应急测绘 无人机之所以在测绘领域受到重视，还是从救灾开始。2008年，中国民政系统第一次把无人机航拍方法运用到我国南方雨雪冰冻灾害的减灾救援行动中。汶川地震时，参与救援的无人机多是从遥感遥测、搜毒等其他用途临时转到救援工作上，作为卫星、航拍的补充。近年来，无论是地震、水灾等，测绘无人机都在第一时间到达现场，获取灾区的影像数据，为救灾部署和灾后重建工作发挥了重要作用[16]。

4.2 无人机救援技术的发展

4.2.1 救援无人机技术改进 我国无人机遥感测绘技术在2008年汶川地震时还不是很成熟，其后不断改进。2009年国家测绘地理信息局提出大力发展无人机低空遥感技术，多年来该项技术取得较快发展并逐渐成熟，在发动机、飞控系统方面已取得多项技术突破。北京天下图公司经过技术攻关，改进发动机，降低油耗，加装了防雾除冰装置，改用电源管理器，采用的新型机体材料，增加翼展获得，改进飞控系统，缩短弹射架，可进行短距、车载、轨道起飞，伞降和水面降落等多种起降方式等，飞行时间，从2～4 h增加到13 h，可以在四川、西藏等高海拔地区、低温及恶劣天气下飞行，监控半径从50 km增至300 km[17]。

4.2.2 新型救援无人机系统研制 成都理工大学地球探测与信息技术教育重点实验室与四川省山地救援总队联合研制“小鹰3A号”救援无人机，利用全球定位系统历时一年多的课题攻关，通过对“人—飞机—地面站”三方数据链接，实现对目标的激活和定位。

由武警河北总队医院率先研发的无人机系统，实现了复杂情况下快速高效医疗救援，获得武警部队科技进步一等奖，申报国家专利10项。系统中的远红外热成像无人机能在复杂地形、特殊地域及夜间、雾天等能见度低的情况下，实现全天候搜救。该系统已在扑救秦皇岛抚宁“4·12”山林大火等抢险救灾任务中得到应用，为官兵提供了有力保障。陕西宝鸡北宸航天科技有限公司研发了“消防救援及火情监控无人机系统”[18]。

4.2.3 无人机救援系统化专业化 北京天下图公司目前已经在全国布有15个应急中心，除少数地区外，均可24 h抵达全国各地。由中国航天科技、中国航天科工、中国电子科技等三大集团公司共同筹建的“天地一体化应急救援系统”，一旦出现灾情、疫情等紧急情况，只需通过无人机监测—卫星报告—中控室收集信息—派出抢救队伍的快速流程，救援队伍能在最短时间做出反应。

有的地区建立了专业无人机救援队，如“四川登山协会山地救援队无人机支队”。有的专业救援队引进了无人机，如贵州省青年志愿者应急救援总队配备无人机，专门用于地震、泥石流等地质灾害搜救。苏州蓝天救援队自行研发救援无人机，搜索技术精湛堪称国际领先，不但多次进行国内救援，还飞赴缅甸进行国际救援。武警水电部队转型“应急救援”，打造“应急救援国家队”品牌，配无人机等装备。河北沧州消防支队使用具有航拍侦查、灭火救援功能的HS-32J无人侦察直升机。甘肃省高管局采用无人机侦察道路通行情况，参与道路应急救援和突发事件处置。南宁市应急联动中心应用260天翼无人机实现应急救援[19]。

5 展 望

目前，无人机在对抗自然灾害过程中主要应用于三个方面：实时监视、灾后搜索救援和灾后灾情评估。机型主要是中小型短近程，尤其是中小型更适于在突发救援事件中使用，多旋翼无人机在国内外救援领域获得很好的发展[20]。

救援活动对信息和物流需求急迫，未来救援无人机能绘制灾后数字地图、对灾区进行指挥和调度、对灾区进行物资补给等。救援专用功能将更加丰富，综合能力增加，形成系列产品。搭载各种救援装备，集成多种功能，飞行平台从微到大，飞行方式从固定翼、螺旋翼到涵道风扇等。数量将增加，各地区、各救援队、各医疗单位、各部队广泛配备。如我国空军先发展导弹一样，无人机也会优先快速发展。将从单个体向大系统发展，无人机可近程远程操纵，基层和总部均可控制，各重点地区布局后，平时待命，一旦有紧急情况发生，立即升空。灾情和获得的信息共享，最大限度地发挥作用。深化无人机救援的理论研究，进行无人机操作和图片分析人员培训，空域划分，通讯频段划分，出台相应法律法规规范管理，增强通讯传输能力，增加稳定性减少坠机失控等故障。实现更快的速度、更短的起飞时间、更长的飞行时间、更少的人力物力、更高的效率[21]。

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