基于无人机的海上遇险人员搜救系统设计

冯逸飞，刘 旭，戴志鑫，赵方捷，张鹭鹭

（海军军医大学卫生勤务学系卫生勤务学教研室，上海 200433）

0 引言

随着我国21世纪海上丝绸之路、长江经济带和海洋强国、交通强国战略的实施，海洋科学勘探、维权护航、军事对外交流等活动和任务越来越频繁，海上搜救任务日益繁重，搜救难度越来越大，仅我国水域内每年死亡和失踪人员约1 000人，遇险财产损失达百亿元以上，对海上搜救工作提出了新的更高要求[1]。无人机通过智能飞行控制系统实现了无人、轻便、小型、迅速起降、环境适应性强等特点，受到中国、美国、法国、英国、以色列等国家的重视，可实现图像传输、地图绘制、物资运送、火力打击、现场评估等功能，广泛应用于海上巡逻、边防安检、森林防火、农业种植、灾害救援等领域，并取得较好的应用效果[2]。基于此，本课题设计了基于无人机的海上遇险人员搜救系统，以期拓展无人机在海上遇险人员搜救中的功能价值与应用范围，为开展海上遇险人员搜救演练与“实战”工作提供手段与工具。

1 需求分析

1.1 现实需求

（1）事发突然，情况紧急：海上事故发生突然、形势严峻，时间、地点、规模，遇险人员的伤病情况，现场环境及海上气象条件等无法预知，救援人员往往是在应急情况下受领任务，准备时间仓促，对现场情况缺乏全面评估与准备[3]。（2）责任重大，要求更高：海难事故面临小型水面船只、大型舰艇邮轮等情况，规模不确定，搜救工作对人力、物力、财力预备和展开提出更高要求，遇险人员可能伴随有骨折、颅脑损伤、烧伤、爆炸伤、化学毒物沾染、淹溺、低体温等伤病情况，对搜救预案制订与实施保障提出更高的要求[4]。（3）环境复杂，形势危险：海上气象及洋流条件直接影响搜救能见度和遇险人员的定位搜索救援，云、雾、雨使海上能见度降低，增加了救援难度，风、浪、涌直接威胁遇险人员和救援人员的生命安全，增加了海上搜救、舰船靠帮作业和协同救援的风险；船上噪声、油气以及作战、航行、海洋生物威胁等环境造成船员心理、生理功能障碍，军事行动中可能面临敌方火力打击，搜救危险系数大大增加[5]。（4）困难突出，需求专业：海上遇险人员的险情多样性、复杂性和紧急性对海上搜救的专业能力有着很高的要求，专业力量、高水平、大强度投入才能实现有力的保障，包括专业队伍、专业装备和专业技术，搜救的通信、医疗、打捞、定位等设备技术，特别是很多伤员的搜索和定位以及伤病情紧急处置和后送受海上特殊的自然环境及救援力量和海难位置的限制，困难比较突出，搜救环节层次多，人员、物质、技术专业化程度需求高[6]。

1.2 功能分析

现有无人机执行搜救任务过程中，逐渐重视现场监视、人员搜寻、物资运送、通信中继和灾情评估等成熟功能。然而对于海上救援专项任务来说，各功能模块集成度不高，且缺乏针对落水伤病人员伤情评估与海上搜索定位、智能决策等功能模块[7]。开展基于无人机系统的海上遇险人员搜救工作，其任务职能应该包括人员搜索定位、紧急救援监测、指挥通信、后送导航、智能决策等。海上遇险伤员由于海况复杂，特别是落水伤员搜救时效性要求更高，需要救援力量在尽可能短的时间内发现伤员并进行定位，为后续救援展开明确目标；针对遇险人员出现的特殊险情与伤病情，及时分析并回传其伤病信息，条件允许情况下尽快予以救治，防止险情扩大，错失最佳救治时机；面对海上多部门、多力量参与的搜救行动，准确实现信息传递，保证指挥协同高效有序；遇险人员的后送与救援导航路线规划等也是海上搜救工作开展的重难点[8]。通过以上功能的实现，确保无人机贯穿遇险人员搜救工作的全流程，充分发挥其特点、功能与技术优势。

1.3 勤务定位

（1）辅助指挥协同：海上遇险人员搜救往往需要多部门、多行业领域，海运、打捞、医疗等多元化力量参与，指挥协同专业化程度高，各救援力量往往从事故邻近海域相关单位抽调、派遣，包括海军、海警、地方力量共同参与，甚至包括国际化专业救援力量[9]。在不同的任务背景和搜救模式下，通过无人机发布搜救信息、侦查救援现场环境、传输遇险人员情况，确保各部门之间信息通畅，辅助指挥协同，避免出现指挥脱节、无序甚至混乱的局面。（2）衔接搜救流程：海上应急救援主要包括“搜—捞—救—送”4个环节，通常属于不同职能部门之间的任务范围，救援过程中流程可能衔接不够紧密，通过无人机搜救系统发挥其技术优势实现搜索定位、生理信息监测、救援物资抛投、环境侦查导航、指挥决策等功能，确保“搜—捞—救—送”4个环节贯通一致、预先筹备。（3）搜救决策支持：通过为救援现场提供现场环境信息侦查、遇险人员伤病情等信息分析，优化救援路线、配置救援携行物资、救治预案制订等决策方案[10]。

2 系统设计

通过需求功能分析，设计基于无人机的海上遇险人员搜救系统，主要包括1个平台和5个功能模块，即通过无人机飞行平台搭载人员搜索定位、生命体征监测、环境侦查导航、救援物资抛投模块，并在救援决策支持模块的总体控制决策下构成一个海上遇险人员搜救的完整闭合环路，开展海上遇险人员搜救工作，为海上搜救工作提供有效工具与技术手段。基于无人机的海上遇险人员搜救系统总体框架设计如图1所示。

图1 基于无人机的海上遇险人员搜救系统总体框架设计

2.1 无人机飞行平台

海上遇险人员搜救系统采用某无人机公司定制设计的大型弯臂六旋翼无人机（型号：KWT-X6L），该飞行平台具有轻巧，便于携带部署，飞行条件简单，便于陆基、岛礁或船载起降等优点；采用一体化全碳纤流线型机体、模块化插拔结构设计，便于运输组装；负载续航时间不低于60 min、续航里程大于40 km，动力冗余卓越，可在5 000 m高海拔处正常工作，作业距离10 km以上依然可以控制云台镜头动作，确保了海上多任务复杂环境下的飞行搜索任务完成；结构上注意防雨雪设计，可雨中飞行，具有优秀的抗风能力，尤其是抗盐雾腐蚀设计，可保障海上恶劣天气时搜救工作顺利展开；跟船飞行时，加装船上全球定位系统（global positioning system，GPS），实现舰船航行状态下伴随飞行、跟随起降；遇险人员搜索、特别是执行落水伤病员搜救任务时，加载Full HD一体化图传、数据链模块，配备功能强大的手持式地面站控制器，运行远程控制决策软件，实现海上远距离飞行遥控与数据稳定传输交换[11]。

2.2 人员搜索定位模块

相比传统的无人机搜救系统，人员搜索定位模块作为本系统的核心功能模块，主要通过以下3种方式实现人员目标的搜索定位：第一，海上航行人员在执行任务过程中佩戴专门研制的单兵信标机，与无人机进行数据传输，同步实现有信标情况下的定位；第二，未佩戴单兵信标机或该信标机失联状态下，以20倍4K吊舱为基础，通过加载高清、热成像双镜头载荷，升级配置30倍变焦的高清摄像镜头和高精度云台实现海上遇险人员的热源感知进行伤员搜索；第三，发现遇险人员后，通过无人机云台俯仰和飞机航向角实时回传位置和距离等数据，结合变焦镜头的视场角，计算出目标点GPS位置，实现海上目标的定位。

2.3 生命体征监测模块

将生命体征监测模块应用于无人机系统搜救工作，主要是针对遇险人员出现伤病情况下，特别是落水人员的伤情评估。通过海上航行前组织佩戴专门研制的可穿戴单兵信标机，以智能手表为核心装备，通过采集血压、血氧、心率等生理指标数据与无人机进行数据传输。该信标机可以自动激活，也可以由无人机远程激活，降低电源功耗，支持多指标、长续航监测数据传输，实现有信标情况下的生命体征监测。在信标损坏、激活失败等失联状态下，借助高清、热成像双镜头进行遇险人员图像回传，评估伤情，通过机载喊话系统对落水人员进行交互远程判断伤情，实现遇险人员生命体征无信标情况下的伤情评估监测。

2.4 救援物资抛投模块

当出现紧急情况、现场情况复杂或者受现场地理环境限制，救援力量无法立即靠近现场救援时，该模块通过遇险人员图像追踪功能，利用无人机快速升空，用最短的时间最大限度地接近灾难现场，利用空中悬停的特点提供一个相对稳定的投放平台进行紧急救援物资抛投。应对救援物资品类、数量进行准确论证，投放精度、投放方式等技术指标设计应满足负荷精确、实用、便携、防水等要求，包括充气式救生浮标、紧急救援包，食品、饮用水等[10]。如针对落水人员可通过无人机搭载多个水溶救生衣，快速到达落水人员上方进行精准抛投，避免落水人员溺水死亡；针对孤岛遇险人员，应投放能量食品、饮用水、应急药品等，延长待救援时间。

2.5 环境侦查导航模块

相对传统灾害救援，海上遇险人员搜救往往面临复杂海况与敌方火力威胁等外界因素。通过现场视频采集传输回到后方指挥部门，进行任务评估与环境侦查分析，进一步制订救援计划。根据路径规划制订救援路线，特别是针对落水人员进行图像锁定后实施追踪侦查，确保落水人员不会随着洋流、海浪飘走。救援人员锁定救援目标成功，指挥部派出救援艇后由无人机平台导航模块实施救援路径导航与返航规划，确保救援人员与被救人员安全、顺利返回。

2.6 救援决策支持模块

救援决策支持模块作为搜救系统的创新点，设计上体现了卫勤决策支持在海上搜救中的应用与发展。通过接收搜救系统回传的前述各模块信息的数据，进行视频分析，包括遇险人员数量、位置、伤情、生命体征等信息分析，决策输出包括救援优先级、搜救艇派出规模、救援物资、救援人员等救援方案，确保救援派出的精确、高效，为后方指挥部门预先开展救护工作提供决策预案信息支持，并在救援过程中适时调整救援策略，为预备后方手术、后送、物资保障等工作提供信息支持与建议。

3 系统集成与工作流程分析

基于无人机的海上遇险人员搜救系统通过由无人机飞行平台搭载人员搜索定位、生命体征监测、环境侦查导航、救援物资抛投的软硬件模块，由指挥部门进行遥控指挥，前后通信畅通确保数据传输分析；无人机搭载的救援决策支持模块可根据人员搜索定位模块输出人员地理位置、人员规模数量、救援路径生成、人员伤情数据、生命体征数据、物资抛投种类数量、抛投时机及角度、周围环境安全评估等救援信息方案等，供给后方指挥部门进行救援决策执行。以上各模块工作流程如图2所示，完整的数据链路与模块化硬件支持确保了基于无人机的海上遇险人员搜救顺利实施。

图2 基于无人机的海上遇险人员搜救系统工作流程图

4 结语

本文根据海上遇险人员救援的实际需求与勤务功能定位分析，进行了基于无人机的海上遇险人员搜救系统的总体设计，提出了有信标/无信标情况下的遇险人员搜索定位方案与落水人员生命体征监测，贯穿海上遇险人员搜救的关键环节，创新实现了遇险人员伤情监测评估与救援决策支持等功能特点。随着技术进一步发展与系统研制试验的进行，通过不断完善与多样性任务执行中的试验应用，应加强提高其适用性与稳定性，主要解决通信稳定性、数据安全性以及环境适应性等问题，特别是随着救援数据的不断积累，优化并升级救援决策支持模块，实现救援的及时、精确，以期适用于各类海况、多任务目标下的救援行动，完善其搜救功能并推广应用，不断扩大海上遇险人员搜救范围，提升搜救能力。