无人机在溺水救援中的应用研究★

丁子峻 何永明 陈会如

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

在我国水域灾害事故频发，严重威胁人民群众生命财产安全。据世界卫生组织统计，在全球每年有多人死于溺水事故。据统计，在我国的溺毙人群中，有超过50%是25岁以下的青少年，中小学生每天有人因溺水死亡。在0岁～14岁儿童意外死亡中，溺水死亡也占据了超过50%的比例。因此，开发合理有效的救援方式，将无人机合理利用在溺水救援事故中具有极高的研究价值和社会意义。

1 溺水事故现状与分析

1.1 溺水救援的现状

溺水事故通常有突发性强、危害性大和救援困难三个特点。溺水事故通常是突然发生的，在事发之前并没有任何征兆，受害者来不及做出任何自救行为，救援人员也需要临时进行救援准备。

溺水事故通常对受害者具有较大的人身伤害，据研究调查发现，当溺水时间超过10 min后，会出现不可逆转的脑部损伤，即使经过治疗后，也有很大的可能性出现后遗症。

目前，对于溺水事故常见的救援方法仍为直接游泳救援，该救援方法潜在风险较大，对救援人员需要较高的救援素质与能力。在我国，溺水急救普及率太低，经常会出现岸边的人“心有余而力不足”的情况，即便想要施以援手，却也不敢贸然出手。而且，从安全的角度也并不支持贸然施以援手，当现场情况不稳定时，很容易导致“一人溺水，多人死亡”的惨剧发生。即便受到专业训练的救援人员在进行溺水救援中也有很大的危险性，据统计，在2015年有多位人民警察牺牲于水域救险战斗之中，占比超过2015年人民警察在救援抢险任务中牺牲的50%。

1.2 溺水救援环境分析

出现溺水事故的环境具有多种，通常可概括为以下三类：一类是开放水域，包括江河湖海等流域面积较大、流动性较强的天然水域。一类是人工水域，包括游泳池、水塘、人工湖等面积较小、水流速度低于0.4 m/s的水域。还有一类是平静水域，包括江河涨水后留下的水洼、人工建造的蓄水池等，此种水域通常环境比第一类简单比第二类复杂，是农村和郊区地区常见的溺水事发地。

1.3 溺水救援特点分析

当发生溺水事故时，不会游泳的人通常在5 min～6 min内即会淹没，具有自救知识的人可以坚持20 min～30 min。据分析，在呼吸和供氧停止后4 min内不会对人体大脑造成损害;在4 min～6 min内，根据人体差异，可能会造成脑部组织的损伤;在6 min～10 min内，有很大的可能会造成脑部组织的损伤；当溺水时间超过10 min后，即使进行了心肺复苏和心脏除颤等急救处理后，也会对人体造成不可逆转的伤害甚至可能会出现植物人的情况。因此，在溺水事故发生的6 min内是救援的“黄金时期”。

当救援人员对溺水人群施以援助时，刚开始，由于受害者的紧张与害怕情绪，极有可能会失去理智或者做出妨碍救援的动作，因此会给救援人员带来极大的不便，造成救援时间的浪费。

2 无人机救援的发展背景与研究意义

近年来，无人机的技术不断成熟，现在军用和民用方面都有了广阔的发展空间和成熟的发展背景。多旋翼无人机可以在复杂和危险的环境下工作，具有升力大、动力强、成本低、飞行灵活、操作简便等优点。无人机可以在很短时间内到达救援人员无法到达的位置，因此通过无人机来对溺水人员进行救援具有很大的可行性和社会价值。

2.1 无人机的发展背景

2.1.1 社会背景

溺水事故频发，不光对人民群众的生命安全造成了巨大的隐患同时间接对人民群众的财产安全造成了巨大的威胁。无人机由于其航拍图像清晰以及准确的定位系统使得其应用范围越来越广，在交通调查中，无人机可以用来调查城市道路交通量；可以勘探地形；可以进行农业检测等。无人机还具有较高的速度，通过无人机事先侦察并抛投救生设备既可以缩短救援时间又可以稳定住溺水者的情绪，为后期的救援提供极大的便利条件。

2.1.2 技术背景

利用无人机进行溺水救援主要需要的技术为航迹规划技术、定位技术和航拍摄影技术。

1)航迹规划技术。航迹规划是根据预设或突发的地形数据，通过导航技术，在规定的时间内计算出最佳或次佳的航迹，要求符合无人机机动性能约束并使综合代价最小。2)定位技术。Global Positioning System(GPS)是1958年美国军方的一个项目，称为全球定位系统。GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，可以为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。3)航拍摄影技术。无人机作为一个飞行平台，都配备了高清摄像机，目前市场上的无人机已经配备了1080甚至4 K超高清摄像头，可以清晰的反映实际情况。

2.2 无人机救援的意义

当前无人机的速度可以达到80 km/h～120 km/h，平均可抗风速8 m/s，最高等级达到14 m/s，因此，在大多数天气情况下，无人机救援可以适用。根据前文所述，溺水事故发生6 min内是救援的黄金时期，我们按照无人机平均速度100 km/h计算，在黄金救援时期内的6 min，无人机可以飞行大致10 km的距离，因此，我们定义10 km为安全距离，在已经发生过的溺水事件中，几乎没有进行过如此长距离的救援，因此10 km的安全距离我们认为在日常救援中是具有极大的安全意义的。

3 无人机救援的工作原理

3.1 无人机航迹规划

国外专家Stephane等早在1998年就开展了无人机航迹规划的相关研究，S.J.Asseo提出将最速下降法应用于求解地形跟踪及地形规避。Iris Hong Yangy和James Doebble分别研究了规避地形障碍物的实时航迹规划问题，所得的航迹可以自动实现地形回避，并且实时性较强。

3.2 无人机定位分析

由于黑体辐射的存在，任何高于绝对零度即-273.15 ℃的物体都依据温度的不同对外进行电磁波辐射，而且随着温度的升高，物体的分子或者原子的运动也会随之变得激烈，分子或原子活动越激烈，红外辐射的能量就越大。因为不同物体之间存在着温度差异，所以不同物质具有不同的红外辐射能量。波长为2.0 μm～1 000 μm的部分称为热红外线。热红外线成像通过对热红外敏感CCD对物体进行成像，能反映出物体表面的温度场。根据热力学第三定律，任何物体都达不到绝对0 ℃，因此所有物体都会形成热红外线辐射状态。

热成像是通过非接触探测红外能量(热量)，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并可以对温度进行计算的一种检测设备(见图1)。

红外热像仪是通过红外辐射来成像，成像过程不需要借助光线，因此，利用红外热像仪，不论是白天还是晚上，都可以进行搜寻。并且，红外热像仪还包括了测温、数字图像增强和伪彩色三大功能(见图2)，这三项功能可以帮助工作人员在最短的时间定位，尤其是在夜晚，可以及时准确的定位到被救援人员，及时抛投救援设备。

3.3 遥控设备

无人机的遥控部分选用无线遥控器，通过在无人机上安装舵机控制器上连接无线接收模块，将舵机控制器与无线遥控器通过无线频率相连。通过对应的无线信号实现对无人机的相应控制。

4 无人机设计要求及救援流程设计

4.1 无人机设计要求

当前的无人机都根据空气动力学角度出发，充分考虑了外界环境对无人机飞行的影响。但是无人机的机体小，续航能力差，携带物品能力仍较差等特点都应进行不断改进，并且根据人机工程学的角度来尽量避免对被救援人员和无关人员的伤害。

4.2 无人机救援流程设计

针对不同的救援情况和救援特点设计不同的救援模式，达到在最短的时间内实现救援。模式一：主要针对天气晴朗，可见度较高的情况下，当肉眼可见落水者的具体位置时，救援人员可以直接用遥控器操纵无人机进行救援，无人机的航线大致上为一条直线(见图3)。模式二：主要针对恶劣天气，或者是夜晚，当受到求救信息时，无人机进行搜救，这时热成像技术便得到了更好的应用。可以搜寻到人的肉眼不能及时发现的落水者，即使展开救援(见图4)。

5 结语

近年来，无人机的发展可谓迅猛，无人机的应用范围也越来越广，本文探讨的利用无人机进行快速运输救生设备实现对溺水人群的救援具有重要意义。并且无人机操纵简便，溺水人群的救援时间可谓“一寸光阴一寸金”，利用无人机救援可以极大的节省救援时间，减轻对溺水人群的伤害。由于现在并没有专业的救援无人机，因此接下来需要加强对救援方面的研究与建设，实现专业救援的水平。无人机救援也可不断发展，在接下来的发展中，可以利用无人机对水域进行巡航，制订巡航线路，一旦发生溺水事故，便可直接进行救援并报警，减轻对人民群众造成的伤害。