基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统论证设计

李 吉，曹雪霖，李艳莹，贺 祯*

（1.军事科学院军事医学研究院，北京 100850；2.大理白族自治州民政精神病医院，云南 大理 671004）

0 引言

药材是应急医学救援的物质基础，提高药材保障的时效性、精确性对顺利完成各应急医学救援任务非常重要[1]。由于不同突发事件发生的强度、时间、地点及季节存在较大差异，造成的伤病员伤情不同，对救援药材的保障需求也不尽相同。此外，进行应急医学救援准备时间通常较短，很难进行精确的卫生需求评估，传统的药材储备与保障模式往往难以适应实际的保障需求，从而影响了应急医学救援的针对性和时效性。提高应急医学救援综合水平，除了提前准备充足的物资之外，更为重要的是完善配置体系，提高救援药材的配送效率。救援药材的及时配送关系到应急医学救援能否及时迅速展开，合理、迅速提供应急医学救援药材保障是减少人员伤亡的关键因素之一。目前通过道路运输进行救援药材补给存在成本高和效率低的问题，特别是在道路阻隔或者封锁时，道路运输补给极为困难。

无人机技术的发展为解决应急医学救援一线物资补给困难提供了新思路[2]。无人机运输具有如下特点：一是快速高效，能够高效补充物资。无人机飞行具有启动快、飞行快、路线直的特点，目前商用多旋翼无人机时速能够达到100 km/h 以上。胡超等[3]在面积7 km×7 km 的丘陵地域通过模拟对伤员集中点进行急救物资投送试验，对比应用无人机和野战急救车的保障效率，无人机组的实际机动距离小于野战急救车组，急救物资实际送达时间少于野战急救车组，差异具有统计学意义（P＜0.05）。二是机动灵活，不受道路条件限制。无人机运输不受地形限制，在高原、边境等道路交通不便的特殊环境中使用具有较大优势，能够突破道路阻隔进行救援药材补给，减少物资损耗和人员伤亡。三是成本较低，能够大幅降低运输成本。多旋翼无人机的制造成本越来越低，特别是中小型多旋翼无人机成本远低于传统运输机，特殊环境通过无人机进行小批量物资补给运输能明显降低运输成本。

我国无人机技术发展迅速，除应用于测绘、植保和航拍等行业，大型电商和物流企业相继展开了货运无人机研制和运营系统的设计。例如一飞智控公司研制的交替双桨“泰坦”无人机，有效载荷达300 kg，货舱容积为3 m3，巡航速度达到120 km/h，续航时间＞2 h，并可进行货物吊挂运输和空中抛投[4]。在应急医学救援领域，浙江省血液中心郑茵红等[5]进行了无人机应急血液保障的初步应用探索，该中心通过无人机向2 家医院进行了应急血液保障，显著地提高了效率，具有良好的前景。

目前，国内将无人机应用于救援药材运输的相关研究较少，因此本文基于无人机在物流领域的应用发展，以应急医学救援为背景，设计基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统，发挥无人机运输高效、机动和灵活的特点，满足应急医学救援一线救治机构对救援药材的保障需求。

1 典型应用场景和相关问题分析

1.1 典型应用场景

当灾害发生或者是战争爆发时，伤员多呈点状分布且道路通常受阻，应急医学救援力量往往很难携带大量救援药材到达伤员附近，紧邻救援一线展开的一级救护站和二级救护所也无法大量储备血液、抗体等需要特殊储备条件的救援药材，在救援药材短缺时通常通过人力或车辆运输进行补给。一级救护站通常前出展开，与二级救护所间的距离往往超过10 km 以上，二级救护所与后方药材仓库和血站间的距离则可能超过100 km 以上，同时因道路交通阻隔，补给所需时间往往较长甚至面临断供，高效实施多域精确保障以提高一线救治能力显得越来越重要。

根据目前面临的现实问题，为提升救援一线所需药材的保障效能，本研究构建基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统的应用场景，具体为救援一线—一级救护站—二级救护所—后方药材仓库或者血站的四级补给链路。在该补给链路中无人机由后方药材仓库或者血站飞至二级救护所，进行中等批量救援药材补给；由二级救护所飞至一级救护站，进行小批量救援药材补给；由一级救护站飞至救援一线，进行紧急救援药材空投。

1.2 相关问题分析

虽然目前无人机技术已有较大发展，无人机运输也得到了应用验证，但是救援药材与普通物资相比对储运条件要求较高，需要结合各类救援药材的储运条件对无人机和储运模块进行特殊设计，并对无人机飞行高度、姿态等参数进行特殊设置，才能保证救援药材的运输安全。将无人机运输技术应用于应急医学救援药材的补给，目前主要还存在以下4个方面的问题需要解决：

一是无人机硬件性能需要提高。目前无人机运输进一步发展的技术难点主要包括载重、续航、安全性、自主航行和抗信号干扰能力等，相关技术水平还需进一步提高。同时需要针对救援药材运输要求，对飞行速度、姿态、加速度和高度等参数进行调整,根据不同救援药材的储运要求设定并形成标准，防止飞行产生的振动对救援药材造成损坏。

二是救援药材储运条件需优化。救援药材种类众多，不同救援药材储运要求不同。需要对易碎品、冷藏品和需静置的救援药材储运模块进行特殊设计。此外，还需要对救援药材储运的温湿度等进行测试和论证，形成基于无人机运输的救援药材储运标准，防止飞行气象条件对救援药材造成损坏。

三是配套支持系统需要再升级。目前在使用无人机进行电力巡检时，为实现自主起降和充电，有研究人员开发了自动充电平台，通过采用导航模块、机载摄像机实现在载机平台的精准降落和对接充电[6-7]。为了实现高效率的起降和自动化的管理，需要升级配套支持系统，除实现自动起降和充电功能外，还可以增加检测、保养等功能。

四是飞行安全控制问题需完善。飞行安全问题是目前阻碍无人机在交通运输领域大范围推广应用的原因之一，此外无人机与其他低空域飞行器存在航线交叉可能，需要解决自主航行时的航线避让问题，以保证无人机自身和其他飞行器的安全。

总之，微课非常适合学生的主动性学习，可以为学生构建起自主学习和探究的环境，帮助学生更好的理解和掌握教学内容，可以满足学生的个性化学习需求，提高学生学习的自由度，并能拓展学生的视野，提升学生的知识应用能力.高中化学教师在教学中进行微课的合理应用，可以更好的促进学生的发展，提高教学效率.微课具有共享性，教师可以针对他人提出的建议予以改进，从而不断增强自己的能力.

2 基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统设计

2.1 系统总体架构设计

本文在典型应用场景和所存在问题分析的基础上进行系统设计，构建救援一线—一级救护站—二级救护所—后方药材仓库或者血站的四级补给链路，后方逐级前出保障的典型应用场景。结合目前通过无人机进行救援药材保障存在的4 个关键技术问题，对系统模块进行设计。整个系统由多旋翼运输无人机、救援药材储运模块、可移动式载机平台和飞行管理控制系统四大功能模块组成，模块之间相对独立，其中多旋翼运输无人机为系统核心，救援药材储运模块通过快拆结构与其连接，二者共同搭载于可移动式载机平台上，飞行管理控制系统硬件部分通过可拆结构搭载于可移动式载机平台。使用时先将救援药材放置于合适的储运模块内，再将储运模块通过快拆结构与多旋翼运输无人机连接，之后无人机通过可移动式载机平台运至目标起飞地域起飞，同时在飞行管理控制系统的控制下安全飞至目标地域完成补给。系统总体架构如图1 所示。

图1 基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统总体架构示意图

2.2 多旋翼运输无人机

选择目前技术较为成熟且飞行稳定的多旋翼无人机作为运输平台，按照我国民用航空局飞行标准司发布的规定可以将无人机划分为表1 中的九大类[8]。其中Ⅰ类为小型无人机，其载质量和稳定性均较差，不适合进行救援药材运输；Ⅺ和Ⅻ类为大型无人机，虽然载质量大、飞行高度高和航程远，但是起降要求、飞行控制和维护保养要求均较高，通常作为战略远程侦察打击和大批量物资运输使用，此外飞行高度高，特殊气温、气压条件对救援药材储运提出了更高要求，也不适合进行一线救援药材补给；Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ类无人机从功能设计上与一线救援药材运输场景使用不符。基于本系统使用的典型场景为救援一线—一级救护站—二级救护所出现救援药材保障补给困难的场景，具体解决医学救援一线1～100 km 内救援药材的运输保障，本系统的多旋翼运输无人机最终选用Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类中型无人机。其中Ⅱ类无人机空机质量为＞1.5～4 kg，起飞全重为＞1.5～7 kg，用于一级救护站至一线的补给运输，主要通过悬挂空投的方式对一线伤员直接补给耐摔类救援药材；Ⅲ类无人机空机质量为＞4～15 kg，起飞全重为＞7～25 kg，主要用于二级救护所至一级救护站的补给运输，通过配置于二级救护所的可移动式载机平台起飞，降落至一级救护站附近空旷地域；Ⅳ类无人机空机质量为＞15～116 kg，起飞全重为＞25～150 kg，主要用于后方药材仓库或者血站至二级救护所的补给运输，可以通过可移动式载机平台起降，实现不同运输工具的接续。上述3 类无人机可满足救援一线—一级救护站—二级救护所—后方药材仓库或者血站之间的救援药材补给使用。

表1 我国民用无人机划分标准单位：kg

2.3 救援药材储运模块

救援药材储运通常有一定的条件要求，特别是无人机运输时高空环境特有的温湿度和机械振动会对物资造成一定程度的损坏，因此需要设计或者改进救援药材储运模块。该模块首先应具备以下3 个基本要求：一是坚固轻便，最大程度减少自身质量，增大无人机航程，提升运输效率。二是保温防潮，能够在热带和寒区等极端环境中使用，同时能够应对高空低温潮湿环境的破坏。三是减震耐用，模块内壁需有减震缓冲设计，外壁则需耐磨、有较长使用寿命。除上述基本要求外，还需要针对不同救援药材对储运条件的特殊要求进行设计，以保证救援药材的储运安全。

救援药材有不同的分类方法，进行救援药材储运模块论证设计时，主要根据救援药材对储运条件的不同要求进行划分。按照对温度的要求分为冷藏类、常温类和恒温类。其中恒温类对温度有恒定的数值要求，在保温的基础上需要增加温度控制系统，实现恒温储存。按照对湿度的要求分为常规类、干燥类和恒湿类。其中恒湿类对湿度有恒定的数值要求，在防水基础上需要增加湿度控制系统，实现恒湿储存。按照对振动的要求分为耐摔类、易碎类和静置类。其中静置类对减震有较高要求，需要增加三轴减震系统，最大程度减少多旋翼运输无人机飞行时产生的振动影响。根据救援药材对储运条件的分类，本系统需设计包含温度控制、湿度控制和三轴减震3 个系统的救援药材储运模块。

对于常温、常规、耐摔类救援药材只需要使用满足基本要求的基础储运模块；对于需冷藏、干燥和易碎的救援药材则只需要在基础储运模块上添加冰袋、干燥袋和缓冲袋等易于获得的器材；对于需恒温、恒湿和静置的救援药材则需要在基础储运模块上增加恒温控制系统、恒湿控制系统和三轴减震系统，3 个系统目前均有成熟技术和设备支撑。

2.4 可移动式载机平台

目前应用无人机进行物资运输时，主要是通过开阔地域进行起降和物资装卸载，存在装载效率低的问题。后方药材仓库或者血站通常距离一线各级救护所较远。根据本系统的典型使用场景，主要满足应急医学救援一线1～100 km 范围一线救治机构的补给需要，设计为远距离机动主要还是依托道路交通运输，同时参考目前国内自主巡检无人机的自动管理平台，设计可装载于车辆等机动装备上的可移动式载机平台（如图2 所示），实现无人机的自主起降和充电等维护管理。该平台依靠实时动态（real-time kinematic，RTK）载波相位差分技术实现厘米级定位和视觉定位辅助无人机自主起降，通过电源接口外置平台自动接通电源进行充电，实现无人机的无人操作起降和充电管理维护。可移动式载机平台主要配置到二级救护所，如有任务需要可以加强配置至一级救护站。

图2 可移动式载机平台

2.5 飞行管理控制系统

无人机本身是不能完成任何任务的，需要一套严密的控制系统和根据任务需要搭载的相关应用设备，所以无人机也称为无人机系统[9]。无人机飞行安全主要依靠飞行管理控制系统进行控制。飞行管理控制系统硬件融合于可移动式载机平台内，除了实现对无人机飞行中的航线规划和控制外，还可以在非工作时对无人机进行自检。飞行管理控制系统主要包括辅助起降、飞行控制、航线规划、维护管理4 个子系统，相关技术均有较为成熟的基础，本研究主要进行技术的整合优化。

辅助起降子系统应用RTK 载波相位差分技术，并通过机身装载的视觉定位摄像头，能够实现在可移动式载机平台的精确定位起降，还可以辅助系统进行目标地域的救援药材空投。飞行控制子系统通过陀螺仪确定飞行姿态实现自稳控制，另一个重要的作用是根据所运载物资的类型，通过对飞行参数的调整，保证物资的运输安全。加速度过大会加大救援药材的振动，飞行控制子系统会对无人机的加速行为在一定范围内进行限定，既可以保证飞行的效率，又可以保证救援药材的运输安全。航线规划子系统通过北斗导航系统实现自身定位，对无人机航线进行规划和实时定位，并对其他低空飞行器进行定位与预警，及时共享航线信息，避免飞行事故发生。目前对无人机运输路径规划的研究还需深入，需要对突发情况下物流无人机实时动态路径规划及多物流无人机协同货物运输路径规划进行研究[10]。维护管理子系统通过可移动式载机平台实现无人机自动充电，并且根据锂电池充放电特性，自动定期对无人机电池进行充放电维护以延长使用寿命。

3 基于典型应用场景的系统工作流程设计

使用本系统进行一线救援药材补给保障的场景与工作流程如图3 所示，主要分为3 类：一是后方药材仓库或者血站对二级救护所的补给。后方药材仓库或者血站接到指挥机构通知需要前出进行救援药材补给，并确定需要进行无人机运输时，根据需要运输的物资确定适合的救援药材储运模块，驾驶配有可移动式载机平台的车辆机动至道路受阻地域。Ⅳ类多旋翼运输无人机从可移动式载机平台起飞，飞至二级救护所后接的可移动式载机平台卸载物资后返回。二是二级救护所对一级救护站的补给。二级救护所将可移动式载机平台前出至道路受阻地域后，Ⅲ类多旋翼运输无人机从可移动式载机平台起飞，飞至一级救护站附近空旷地域降落，卸载物资后返回。三是一级救护站对一线卫生救护人员的补给。Ⅱ类多旋翼运输无人机从一级救护站起飞，飞至伤员附近后空投物资后返回。所有起飞、降落、卸载过程均由飞行管理控制系统进行控制。

图3 基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统工作流程示意图

4 结语

本研究通过构建应急医学救援一线救治机构紧急救援药材补给应用场景，结合目前无人机运输技术发展现状，创新性设计基于无人机运输的应急医学救援药材保障系统，根据救援一线需求确定多旋翼运输无人机类型，同时对救援药材储运模块进行设计，达到既符合无人机搭载要求又能够保证储运安全的要求。另外，通过可移动式载机平台进行无人机的起降和维护保养，并设计飞行管理控制系统对飞行航线等安全问题进行控制。

本系统的创新性在于将目前已经有一定研究基础的无人机运输、载机管理平台、物资储运技术等进行了科学的组合，设计了成体系的系统，并且结合应急医学救援一线救治的需要，对救援药材按照储运要求进行归类，结合使用场景进行了针对性的设计，可一定程度上满足一线救援药材的紧急补给需求。虽然本系统的论证设计取得了一定成果，但尚未进行试用测试，安全性和可靠性有待进一步验证，需要进一步完善。此外，还需要进一步完善系统运行的指挥体制，进一步提升救援一线救援药材的应急保障效率，切实提高救援一线救治能力和保障水平。另外，未来除了该应用场景的救援药材保障，还可以发展专业医疗救治无人机，通过无人机开展伤员搜寻、实现伤员后送等功能。因此还需要对诸多关键技术进行突破，例如远程生命体征识别监测和伤情辨识预警等技术的研究和应用，实现无人机在一线救援方面的功能扩展，缩短伤员急救时间，降低死亡和伤残率[11]。