无人机在海上救援行动中的应用现状及发展展望

卢姗姗，王 伟

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

自1913年世界上出现第一台自动驾驶仪以来，无人机越来越受到重视，发展迅猛。无人机是由无线电遥控设备和自备的程序控制装置实现飞行控制，操作人员通过全球定位系统、雷达、无线数传等进行跟踪、定位、遥控、遥测以及数字信号传输。无人机本身不能自主完成任务，因此需要配置严密的控制系统和与任务相关的应用设备，一般也将无人机称为无人机系统[1]。无人机燃油需求少、成本低，在地震、洪灾等突发灾害事件救援中可进行现场实时监视、伤员搜寻、医疗用品运送和伤员转运、通信中继和灾情评估等工作[2-5]，已逐渐成为医学救援领域中不可替代的重要装备[6]。

无人机特有的无人化、轻便、小型、迅速起降、气候条件适应性强等特点，使其非常适合执行搜救任务，包括海上搜救任务[7]。小型无人机电池续航里程有限，一般作业时间在30 min左右，加之本身体积和质量较小，抗风能力较弱，无法参与海上远程搜救行动，但适合近岸，尤其是海滩救援作业。在离岸较远的海上开展搜救时，需要使用续航能力强、抗风性能好的大型无人机，而且往往使用舰艇作为无人机平台，开展协同作业。近年来，美国、英国、以色列、澳大利亚等国都在大力发展各类可执行海上搜救任务的无人机。本文总结了近年来各国最新研发的各类可执行近岸及海上救援行动的无人机，并对未来无人机执行海上军事行动的应用前景及关键技术进行了探讨。

1 无人机在近岸救援行动中的应用

1.1 溺水救助

在海滩溺水急救中，考虑到海上风浪因素，无人机比救生员到达求救位置的速度要快很多。当无人机到达溺水人员位置时，可向其投放救生装备，从而保证在救生员到达现场前溺水者能够凭借无人机投放的救生圈保持漂浮状态，并进行适当的自救，争取更多的救援时间。法国Helper公司制造的“Helper”无人机[8]（如图1所示）能以80 km/h的速度飞往溺水人员附近，并且通过全画质、超高清摄像头实时传回画面，对落水人员及其周围环境进行初步甄别。在确定溺水人员位置后，无人机可向溺水人员投放其携带的救生圈。该型无人机还自带降落伞装置，使其在发生故障时能够缓慢下落，避免由于飞机坠落造成溺水人员二次受伤。自2016年9月起在法国南部比斯卡罗海滩测试并使用后，“Helper”无人机已开展了超过50人次的救助[9]。同时，美国、新西兰、西班牙等国也已在著名旅游海滩配备可携带救生装备的无人机进行溺水人员救助巡逻。

图1 “Helper”无人机[8]

1.2 海滩驱鲨

鲨鱼伤人是除溺水外另一个海滩常见事故。通常，人类在海里游泳时一般无法及时注意到水中的鲨鱼，而使用直升机和低空飞机长期巡逻海滩监测鲨鱼，成本高昂且效率很低，使用无人机来监测和预警鲨鱼是一个新的解决方案。2016年，悉尼科技大学与商业无人机公司Little Ripper Group共同开发了无人机鲨鱼监测项目，如图2所示[10]。研究人员通过算法“教”系统识别海中常见物体——游泳者、冲浪板、船只、鲨鱼、其他海洋生物、波浪和岩石，以最终能够实现实时标记鲨鱼、其他海洋生物和游泳者。无人机工作时，如果发现鲨鱼，可通过内置扬声器警告冲浪者和游泳者，还可投放鲨鱼趋避包及其他辅助设备，以保护海中人员安全[10]。美国加利福尼亚州的旅游胜地海豹滩已经使用中国大疆公司的Phantom 3无人机进行近海鲨鱼侦查和其他环境感知任务，以确保海滩浴场安全[11]。

图2 在海滩巡逻的Little Ripper Group无人机[10]

1.3 物资定投

无人机最大的优势是快，这与医疗急救要求不谋而合，因此在近海救援中无人机能提供急救服务。对于心脏衰竭、溺水、创伤以及各种呼吸问题等突发疾病，发病的前几分钟是抢救的黄金时间。通过无人机（如图3所示）可向紧急救援人员运输除颤器、血液和血清等紧急医疗用品，以解决海滩或近海急救时物资缺乏问题[12]。此外，利用无人机上的个性化指令和语音通信功能，可在专业医务人员到达现场前指导现场人员协助进行医疗急救，以大幅度提高急救成功率。2016年，UPS公司与无人机制造商CyPhy Works公司开展无人机运送医疗物资可靠性和可行性测试，通过一台小型无人机将质量约2.72 kg的呼吸机从英国小城贝弗利运送至3 km远的与外界无公路相连的孩童岛上[13]。大型无人机携带物资的能力强，在应急救援中可发挥更加重要的作用，例如，洛克希德马丁公司的“K-MAX”无人机（如图4所示）最大载重约2.7 t，可垂直起降，适合复杂环境下大量救援物资的投递[14]。

图3 携带有心脏除颤器的无人机[12]

图4 “K-MAX”无人机[14]

2 无人机在海上救援行动中的应用

2.1 人员定位

在广阔的水域搜救落水人员，仅靠船舶和人工进行监测难以达到理想的效果，且会出现许多搜寻盲点。由于无人机具有一定的飞行高度，其视频图像的范围比船上的可视范围要大数十倍甚至几十倍，因此在搜救最初阶段可使用无人机先行搜索落水人员，当无人机锁定水中目标后，有人驾驶的搜救直升机或船只再前往营救，既可节省时间又可节省人力、物力，并且能提高搜救成功率。自2015年起，位于马耳他的国际人道主义组织海上移民救助站使用CAMCOPTER®S-100无人机在地中海巡逻，已经成功解救了超过1 000名难民[15]。CAMCOPTER®S-100无人机是Schiebel公司的高性能无人机，能够垂直起降，可在极限气候条件下完成6 h的飞行任务，并能传回海上实时图像用于定位和分析。从目前的技术来看，使用无人机对海上目标侦测仍然较为困难，也是无人机海上搜救的关键技术。2015年，英国Martek Aviation公司研发的ViDAR无人机搜救系统采用可180°旋转并记录的高清相机阵列（camera arrays）将单次扫描范围扩大了80倍，同时结合自主学习算法（autonomous learning algorithms）能够自动侦测海上人眼无法看见的目标，包括小艇及落水人员，并向地面操作员传回实时图像。该系统目前已被美国、英国、澳大利亚等国装载在“扫描鹰（ScanEagle）”无人机上，用于海上目标的搜索（如图5所示）[16]。由于“扫描鹰”本身具有较为出色的续航能力，也具备一定的抗风能力，可在6级海况下执行海上搜救任务，装载ViDAR系统后能够以11 km/h的速度持续工作12 h，单次海上搜索面积可达4.6万km2[16]。

图5 “扫描鹰”无人机[16]

2.2 海难救助

随着海上活动的增加，海难事故的发生也日益增多。无人机除了可用于海上失事船舶人员定位、救援物资定投外，还可应用于海上船舶或钻井平台的火灾救援。海上船舶或钻井平台一旦发生火灾就会造成严重的后果。无人机可作为“火情侦察兵”对失火船舶上的火情及人员伤亡情况进行事先勘探，并及时通知救援人员。美国海军研究局研发了一款可自动在黑暗且烟雾弥漫的舱室过道中飞行的无人机（如图6所示），用于探测火灾发生后舰艇上的伤员情况并向终端系统传回实时火情和位置。该无人机是美军舰用自动消防机器人（shipboard autonomous firefighting robot）的一部分[17]。除了能对火情进行感知外，大型消防无人机还可参与海上火灾扑灭[18]。目前，消防无人机已多次参与山林大火、高层建筑火灾的扑救，将来也可用于扑灭钻井平台、海上船舶上的火灾[19]。

图6 美国海军舰用自动消防机器人上携带的火情探测无人机[17]

2.3 伤员后送

在海上救援行动中，使用直升机开展伤员后送已经是非常成熟的做法。但受直升机数量、海上环境、飞行员作业能力等条件限制，海上直升机伤员后送具有一定的局限性。为了解决上述直升机伤员后送的限制，特别是在恶劣气候或核生化沾染环境下仍能安全、有效、快速地后送伤员，使用无人机不失是一种有益的选择[20]。北约国家均在无人机进行伤员后送领域开展了大量的研究。2012年，北约无人机工作组对使用无人机开展伤员后送进行了特别会议，研究了伤员后送无人机飞行参数及远程控制、传感器精度、伤员安全性及途中医疗支持等问题，论证了无人机在伤员后送中的可行性[21]。目前，可用于伤员后送的无人机多为概念机，仍有许多技术问题亟待解决。为数不多已完成测试的伤员后送无人机包括美国陆军“DP-14”无人机（如图7所示）[22]、美国海军陆战队“K-MAX”无人机（如图4所示）[14]和以色列的“鸬鹚”无人机（如图 8所示）[23]。其中“DP-14”无人机不仅能在陆上着陆，还可在倾斜晃动的舰艇上着陆，具备海上伤员后送的能力。“DP-14”无人机由Dragonfly Pictures公司生产制造，为纵列式双旋翼无人直升机，拥有6 ft（1.83 m）长、20 in（0.51 m）宽的内舱，可搭载 430 lb（195 kg）载荷飞行2.4 h，巡航速度约为132 km/h，能够抗20.6 m/s的侧风。“DP-14”无人机使用机载激光雷达（LIDAR）或3D激光扫描，通过先进的算法实现在复杂、受限环境下的自主导航，具备路径规划、航向修正、态势感知、障碍物规避和着陆地点选择等能力[24]。

图7 “DP-14”无人机[22]

图8 以色列“鸬鹚”无人机开展伤员转运训练[23]

3 无人机在海上军事救援行动中的应用展望

作为现代空中军事力量中的一员，无人机在情报侦察、信息对抗、军事打击、通信中继等领域已发挥了巨大作用，但在军事医学领域的使用还并不多见。随着无人机及辅助技术的发展，未来无人机可在机动性/资源受限环境或拒止环境下为作战指挥官提供一种卫勤救援兵力的补充，尤其是在海上环境不适合有人机部署时，开展医疗行动的支援。

3.1 医疗救援物资投送

无人机具备一定的额外挂载能力，搭载并投放急救药品、器材到指定地域是其参与医学救援的主要方式[25]，其在远距离运送、紧急运送，传染病重灾区、核辐射区、自然灾害地区等场景下优势尤为明显。在军事演习中，使用无人机可使医疗物资获得时间从2 h缩短至22 min左右[26]。在海上军事救援过程中无人机也可广泛应用。进行失事潜艇救援时，可先行派出无人机搜索、定位失事潜艇，侦测上浮艇员生命体征，并在伞降潜水医疗队无法部署时，空投海上救援物资，尽可能延长遇险艇员海上生存时间。舰艇编队执行任务期间，由于医疗中心往往仅部署在编队旗舰上，当单舰上产生伤员时，可能由于单舰医疗能力有限且远离医疗中心，加上海况或战事无法保证直升机开展及时后送，出现贻误救治的情况，此时可使用无人机从医疗中心转运所需医疗物资及血液制品[27]，帮助单舰开展伤员损伤控制性手术。

3.2 海上伤员转运

现代海战会造成批量伤员，必须要利用多种手段进行及时援救和后送，海上伤员转运是其中的重要环节，海上伤员换乘更是转运行动中的重点与难点[28]。海上伤员换乘一般指伤员在海上后送工具间的转换，常用的方法包括舷递法、舷吊法、滑车传送法、吊杆法、钢缆传送法以及直升机换乘法[29]。美军的战场伤员后送医学无人机系统能够在不同环境中自动起飞、航行、着陆，并与战地医护人员和后方地勤人员协调合作，实现在救援黄金时间内对于伤员的适当护理和有效后送[30]。

在海上的舰船之间通过无人机进行伤员转运，可提高伤员换乘效率和安全性。一方面，相比直升机换乘和基于直升机的伤员吊篮换乘[31]，动用的资源更少、准备时间更短、对舰船甲板环境要求更低、使用便捷性更高；另一方面，相比传统的舷靠传送、滑车传送、吊杆和钢缆传送等转运方法，无人机传送对转运条件要求更为宽松、操作更简洁、安全性更高。对于危重伤员，更快的转运时间和更便捷安全的转运方式，既能确保“黄金一小时”内得到必要的手术干预，也能最大程度避免转运过程中的二次损伤。

4 无人机应用到海上救援领域中应当解决的技术难题

无人机在救援行动中依然存在安全性和可靠性问题，相关研究认为应当突破自主导航、稳定控制、自主起降、远程监控等关键技术[32]。相较于陆地上的救援行动，海上特殊环境对无人机在海上救援行动中的广泛应用有很大限制。海洋环境特有的高盐、高湿、强风和复杂海况，加上作战行动中通信网络限制等问题，使得无人机真正应用到海上伤员搜救和后送中仍然任重道远，亟须解决无人机复杂环境适应能力、海上目标识别精度、无人机与舰艇之间的指挥通信有效性、载人无人机安全性评估以及搜救过程中的医疗支持等[33]关键技术问题。

（1）续航能力问题。海上救援用无人机由于作业特点的要求，一般采用无人旋翼机，通常为锂电池供电。除了发动机和飞行控制系统，各种传感器、全球定位系统、摄像机等设备的功耗都很大，对于无人机的有效作业时间和飞行距离有很大的限制，严重影响无人机的使用效果。未来将重点解决无人机的供电问题，并严格控制系统功耗，可结合太阳能充电技术对锂电池进行实时充电，或者采用自主充电模式，实现无人机对自身电量的监控，并在低电量时自主寻找充电站，通过机载机器视觉定位精准降落后进行无线充电，充电结束后再次起飞作业。

（2）环境适应性问题。海上环境的高盐、高湿会严重影响无人机的使用寿命，特别是电子元器件的可靠性和稳定性，这对无人机的整体制造工艺提出很高要求；而海上救援通常出现在恶劣天气条件下，要求无人机必须具备在复杂天气条件下的作业能力，特别是强风条件下的飞行稳定性。这些都要求未来海上救援用无人机的设计研发必须满足海上特殊环境要求。

（3）飞行控制问题。除了自主飞行，无人机在起降、搜索、吊装等特殊工作阶段仍需要人工控制，海上救援复杂性对无人机操作员的水平有很高要求。除了人员培训之外，未来可进一步采用人工智能技术，提升海上救援无人机的自动搜寻、自主起降、自动识别、自适应巡航、判别告警等一系列智能化水平。

（4）信号稳定性问题。海洋环境对无人机与控制站、无人机与探测目标之间的通信影响大，无线通信信号传输稳定性在复杂海况下会急剧下降，而复杂天气又通常是救援的常态环境，因此，必须从传感技术、信号传输、无线定位软硬件各方面系统解决海上作业的信号稳定性问题。

5 结语

利用无人机开展海上搜救在成本控制、操作灵活性、救援人员安全性等方面都有着不可比拟的优势，世界各国也已将无人机广泛地应用到各类海上救援行动中，搜救效率得到了大大提高。未来，随着无人机关键技术的逐一解决，其在军事海上搜救领域的发展潜力将十分巨大，应用范围也进一步拓宽。