中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心 劉亢 尚紅

國(guó)外研發(fā)的地面和空中救援機(jī)器人

近年來(lái)，全球范圍的地震災(zāi)害頻發(fā)，給當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)救援工作帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。大多數(shù)情況下，地震現(xiàn)場(chǎng)存在的諸多不確定因素影響了救援人員快速、高效、安全地開展工作。因此，輔助人類進(jìn)行地震搜救工作的機(jī)器人成為地震應(yīng)急救援技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

隨著“9·11”恐怖襲擊之后，許多國(guó)家都從軍事和應(yīng)急角度，開始了反恐、防化、救援等特種機(jī)器人的研發(fā)。日本、美國(guó)和中國(guó)等自然災(zāi)害頻發(fā)國(guó)家，都投入了大量的人力和物力，根據(jù)各自國(guó)家的研究特點(diǎn)和災(zāi)害類型，進(jìn)行救援機(jī)器人研發(fā)。尤其是日本“3·11”地震及海嘯引起的核污染災(zāi)害，敲響了全球范圍地震搜索救援工作的警鐘，地震救援行動(dòng)如何在有毒或核輻射環(huán)境下工作，也成為了研究的熱點(diǎn)，地震救援機(jī)器人的研制勢(shì)在必行。

中國(guó)地震搜救中心與中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等科研單位在“863”計(jì)劃“救災(zāi)救援危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人”項(xiàng)目的支持下，共同研制和開發(fā)了地震廢墟搜索與輔助救援系列機(jī)器人樣機(jī)；同時(shí)，機(jī)器人樣機(jī)在國(guó)家地震緊急救援訓(xùn)練基地模擬地震廢墟環(huán)境下開展功能測(cè)試。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并在防震減災(zāi)演練與國(guó)際重型救援隊(duì)分級(jí)測(cè)評(píng)(IEC)中獲得肯定，初步驗(yàn)證了我國(guó)自主研發(fā)的地震輔助救援機(jī)器人的可靠性。2013年蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生后，項(xiàng)目組成員第一時(shí)間攜帶廢墟搜索機(jī)器人與旋翼飛行機(jī)器人趕赴災(zāi)區(qū)，協(xié)同中國(guó)國(guó)家救援隊(duì)開展搜救工作。

兩款地震輔助救援機(jī)器人

地震輔助救援機(jī)器人的研制是一個(gè)模塊功能集成化的過(guò)程。該系列機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)的人工搜索具有多種優(yōu)勢(shì)。首先，機(jī)器人可以通過(guò)履帶爬行和螺旋槳飛行，其行進(jìn)速度快于在廢墟上行走的救援隊(duì)員；其次，機(jī)器人負(fù)重能力強(qiáng)，可以攜帶多種傳感器，實(shí)現(xiàn)廢墟內(nèi)圖、聲、氣、溫等多種檢測(cè)，可以更有效地發(fā)現(xiàn)被困者的位置；再有，機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性和搬運(yùn)破拆能力都強(qiáng)于人類，而且通過(guò)電池補(bǔ)給可以連續(xù)工作，提高搜救效率；最后，機(jī)器人救援的形式，提高了救援隊(duì)員的安全系數(shù)，可以避免二次倒塌所帶來(lái)的傷亡。未來(lái)通過(guò)不斷提高機(jī)器人的性能與感知能力，以及開展大規(guī)模的救援人員操作培訓(xùn)，該系列地震救援機(jī)器人便可以廣泛應(yīng)用于現(xiàn)有國(guó)家地震應(yīng)急救援隊(duì)的現(xiàn)場(chǎng)工作之中。

廢墟搜索機(jī)器人

廢墟搜索機(jī)器人可以根據(jù)任務(wù)的類型及環(huán)境而改變自身的構(gòu)型，適應(yīng)多樣化地震廢墟環(huán)境。進(jìn)入危險(xiǎn)或救援人員無(wú)法進(jìn)入的廢墟；搜索幸存者及可能有幸存者的空間；隨時(shí)監(jiān)視廢墟的變化，防止發(fā)生倒塌危及救援人員；提供幸存者周圍環(huán)境信息及救援通道的信息，方便施救。

廢墟搜索機(jī)器人可利用自身攜帶的紅外攝像機(jī)、聲音傳感器將廢墟內(nèi)部的圖像、語(yǔ)音等信息實(shí)時(shí)傳回后方控制臺(tái)，供救援人員快速確定幸存者的位置及周圍環(huán)境，為實(shí)施救援提供救援通道的信息。

旋翼飛行機(jī)器人

地震災(zāi)難發(fā)生之后，在救援的“黃金72小時(shí)”內(nèi)，開展并完成救援工作能最大限度地?fù)尵刃掖嬲叩纳?，減少災(zāi)害造成的損失。因此，及時(shí)了解地震現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)救援工作的有效完成具有重要意義。

目前研制的旋翼飛行機(jī)器人最大任務(wù)載荷為40千克，最大巡航距離可達(dá)到120千米，最高可在高度3000米高空（海拔）飛行，最大巡航時(shí)間1.5小時(shí)，抗風(fēng)能力不小于6級(jí)。與無(wú)人駕駛飛機(jī)相比，旋翼飛行機(jī)器人有兩大優(yōu)勢(shì)：可以較長(zhǎng)時(shí)間定點(diǎn)懸停，獲取目標(biāo)地的詳細(xì)影像資料；能夠垂直起飛降落，不需要跑道。

小型旋翼無(wú)人機(jī)主要功能是提供房屋損毀及倒塌、畫面場(chǎng)景精確位置、搜救人員地面線路、救援人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)等實(shí)時(shí)信息，并協(xié)助救援隊(duì)完成危樓建筑排查工作。

地震救援機(jī)器人在蘆山地震中的應(yīng)用

蘆山地震發(fā)生后，項(xiàng)目組迅速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，北京、沈陽(yáng)、成都三地進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，迅速落實(shí)赴災(zāi)區(qū)機(jī)器人小組成員人選。地震發(fā)生當(dāng)天，地震輔助救援機(jī)器人由沈陽(yáng)出發(fā)，次日下午抵達(dá)蘆山縣城抗震指揮部，途中花費(fèi)29小時(shí)。

廢墟搜救機(jī)器人結(jié)構(gòu)

廢墟搜索機(jī)器人開展搜救工作

進(jìn)入災(zāi)區(qū)后，廢墟搜索機(jī)器人全程配合救援隊(duì)進(jìn)行廢墟排查工作。龍門鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地受災(zāi)較重，街道上多處門店受地震破壞嚴(yán)重，主承重墻受損，有隨時(shí)倒塌的可能。加之震后余震不斷，極大地威脅到搜救隊(duì)員的人身安全。此刻，廢墟搜索機(jī)器人的作用凸顯而出。在研發(fā)人員的熟練操作下，該款機(jī)器人順利進(jìn)入嚴(yán)重破壞的建筑物中，由樓梯爬上二樓，傳送回實(shí)時(shí)清晰畫面。對(duì)整個(gè)樓層進(jìn)行搜索，確定無(wú)人員受困之后，機(jī)器人安全返回，完成對(duì)該棟危樓的排查工作。

在救援隊(duì)工作期間，有村民告訴救援隊(duì)，在龍門鄉(xiāng)紅星村有一處廢墟，原來(lái)是一棟“7”字型的二層樓房，地震發(fā)生前二個(gè)月，住在樓內(nèi)的一對(duì)夫妻帶小孩外出打工，村民不知道地震時(shí)家里是否有人居住。經(jīng)廢墟搜索機(jī)器人進(jìn)入廢墟搜索，經(jīng)過(guò)排查，未發(fā)現(xiàn)被埋壓人員。

小型旋翼無(wú)人機(jī)在救援工作中的應(yīng)用

小型旋翼無(wú)人機(jī)可以作為30～40人規(guī)模的救援分隊(duì)裝備，作業(yè)范圍為鄉(xiāng)級(jí)（約50平方千米），需配備操作人員3人，可進(jìn)行自主/遙控飛行模式自由切換。

在指揮部下達(dá)廢墟搜索命令后，該機(jī)器人成功完成自主起飛、空中懸停、航跡點(diǎn)跟蹤飛行、超低空信息獲取、自主降落等科目，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震廢墟區(qū)域的快速信息獲取與實(shí)時(shí)影像回傳。在震中龍門鄉(xiāng)、清仁鄉(xiāng)等6個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)開展了交通情況勘查、宏觀災(zāi)情采集、廢墟搜索、危樓排查等工作，為搜救行動(dòng)效率的提升貢獻(xiàn)了力量，為救援隊(duì)有針對(duì)性地調(diào)度和部署提供了決策依據(jù)，相關(guān)信息也為當(dāng)?shù)卣拐鹁葹?zāi)決策提供了幫助。

機(jī)器人參與蘆山地震救援的思考

地震救援輔助機(jī)器人參與蘆山7.0級(jí)地震救援行動(dòng)是其第一次真正進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)。通過(guò)該次救援行動(dòng)，這兩款機(jī)器人根據(jù)所處廢墟環(huán)境，充分發(fā)揮自身特點(diǎn)，為地震救援工作提供了幫助。

歸納起來(lái)，蘆山地震中使用的兩款機(jī)器人具有如下優(yōu)點(diǎn)：體積相對(duì)比較小巧，可以抵達(dá)廢墟現(xiàn)場(chǎng)；設(shè)備性能穩(wěn)定，未出現(xiàn)異常，可以正常工作；小飛機(jī)獲取的實(shí)時(shí)圖像清晰，提供畫面場(chǎng)景位置信息精確，可完全滿足應(yīng)急救援需求。

然而，在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中，也暴露了一些實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。

小型旋翼機(jī)器人工作照片

首先，從機(jī)器人出發(fā)到抵達(dá)指揮部，途中花費(fèi)29小時(shí)，時(shí)間太長(zhǎng)。必須反思如何提高機(jī)器人的運(yùn)送效率。產(chǎn)品設(shè)計(jì)要合理，如果存在運(yùn)輸中違禁的配件等要提早發(fā)現(xiàn)，妥善處置。平時(shí)要建立起可行的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，一旦發(fā)生地震，就要有多方面力量聯(lián)動(dòng)，以保證救援機(jī)器人快速、安全抵達(dá)災(zāi)區(qū)。

其次，相對(duì)而言，廢墟搜索機(jī)器人在蘆山7.0級(jí)地震救援中并未充分發(fā)揮出其功能。主要是由于震區(qū)位于山區(qū)，損壞的建筑物多以土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)構(gòu)造的民宅為主，房屋倒塌后，很難形成適合該款機(jī)器人工作的廢墟環(huán)境。通過(guò)該次救援行動(dòng)說(shuō)明，它更適合能形成較寬闊空間的城市地區(qū)震后的廢墟環(huán)境救援。

再次，建立救援輔助機(jī)器人與救援隊(duì)的協(xié)同工作機(jī)制，提高搜救效率，需要在救援隊(duì)日常訓(xùn)練中加入救援機(jī)器人，逐步建立起救援輔助機(jī)器人與救援隊(duì)的聯(lián)動(dòng)機(jī)制，全面發(fā)揮救援輔助機(jī)器人的巨大潛力。

最后，這兩款救援機(jī)器人的體積、重量還是稍大，如遇交通堵塞或通道中障礙物，則無(wú)法進(jìn)入目標(biāo)廢墟開展工作。同時(shí)，還需要進(jìn)行人機(jī)交互技術(shù)優(yōu)化，提高其操控性，這也是未來(lái)該系列地震搜索救援機(jī)器人能廣泛推廣的重要環(huán)節(jié)。如何讓操作方式簡(jiǎn)便、易學(xué)，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互技術(shù)是未來(lái)研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析，救援輔助機(jī)器人第一時(shí)間參與蘆山7.0級(jí)地震救援行動(dòng)，并在廢墟排查、獲取震區(qū)交通信息、確定建筑物破壞等方面取得了一些成績(jī)，為救援隊(duì)提供了有用的信息。然而，在實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了救援輔助機(jī)器人存在的一些問(wèn)題。為此，還需要不斷地強(qiáng)化和完善在地震救援聯(lián)動(dòng)機(jī)制以保證機(jī)器人有效地開展工作，以及進(jìn)一步優(yōu)化人機(jī)交互技術(shù)，提高其操控性等方面努力。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，有理由相信，在不久的將來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能廢墟搜索，以及水、陸、空機(jī)器人協(xié)同救援人員進(jìn)行地震災(zāi)區(qū)大面積、立體式搜索救援。這將極大地提高地震救援效率。