劉曉靜，閆程錦，馬曉敏

我國長期未能重視溺水問題，據(jù)我國衛(wèi)生部的不完全估計，全國每年約有6萬人死于溺水，據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，中國溺亡人數(shù)約占世衛(wèi)組織西太平洋區(qū)域總溺亡人數(shù)的80%[1]。而夏秋兩季屬于溺水多發(fā)時段。溺水水域大多情況復(fù)雜，溺水一旦發(fā)生，短時間內(nèi)即面臨著較高的死亡風(fēng)險，且現(xiàn)場施救人需具備一定的救援水平，往往因救援不及時或盲目救援而造成事故。鑒于以上原因，特研發(fā)此無人機溺水救援系統(tǒng)。該溺水救援系統(tǒng)結(jié)合無人機救援裝置與捕魚裝置基本原理，從而實現(xiàn)無人機的溺水救援。

1 背景及發(fā)展

1.1 我國溺水現(xiàn)狀及難點 溺水又名淹溺，是大量水液被吸入肺內(nèi)后，引起人體缺氧窒息的危急病癥，溺水可能使機體處于病危狀態(tài)，最主要的表現(xiàn)是窒息導(dǎo)致的全身缺氧，缺氧時間較長會導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)病變遺留有后遺癥，一般認為淹溺后于24 h內(nèi)死亡者稱為溺死。

據(jù)國家衛(wèi)生和計劃生育委員會和公安部的統(tǒng)計，我國每年有近5萬名0-14歲的兒童死于意外傷害，其中因溺水身亡的兒童就多達2萬[8]。全球兒童安全組織與中國疾病預(yù)防控制中心于2017年發(fā)布的《中國青少年兒童傷害現(xiàn)狀回顧報告2010-2015》中提到，0-14歲階段，中國青少年兒童的首位死因是溺水，占比約34.2%，其次為道路交通傷害，占比23.1%，如圖1。

圖1 中國0-14歲兒童死因構(gòu)成圖

世界衛(wèi)生組織在2014年首次發(fā)布的《全球溺水報告》中預(yù)估，每年會有37.2萬人溺水死亡，其中半數(shù)以上為青少年和兒童，溺水已成我國兒童非正常死亡的頭號死因，全國每年約有5.7萬人溺亡，其中14歲以下的占比高達56.58%[2]。

當(dāng)溺水時間超過10 min后，即使進行了心肺復(fù)蘇和心臟除顫等急救處理，也會對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害，甚至可能會出現(xiàn)植物人的情況。溺水事故發(fā)生的6 min內(nèi)為救援的“黃金時期”[9]。當(dāng)救援人員對開始溺水人群施以援助時，因多種因素如被施救者緊張做出妨礙救援的動作，會造成救援時間的浪費。

1.2 無人機發(fā)展現(xiàn)狀 我國出臺了一系列政策大力扶持無人機，尤其是民用無人機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，助力經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，培育無人機產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟增長點，見表1，無人機已被列入國家戰(zhàn)略重點發(fā)展方向之一[3]。

表1 各專業(yè)無人機的應(yīng)用領(lǐng)域及性能指標(biāo)

由于產(chǎn)品定位和目標(biāo)人群不同，未來在消費級無人機市場的競爭會更加激烈[4]。專業(yè)級無人機市場由于應(yīng)用領(lǐng)域的多元化，市場規(guī)模遠大于消費級無人機，根據(jù)圖2預(yù)計未來將有長足的發(fā)展。

圖2 2016-2024年中國無人機市場結(jié)構(gòu)及預(yù)測

救援無人機相對于其他救援設(shè)備，不僅應(yīng)用優(yōu)勢突出，而且能夠滿足救援任務(wù)各個不同環(huán)節(jié)的各種需求，如災(zāi)情偵察、現(xiàn)場實時監(jiān)控、救援物資運輸、重點區(qū)域巡邏和應(yīng)急通信等。救援無人機的多元化功能，既為救援作業(yè)帶來了巨大利好，也為其自身帶來了一片廣闊市場。

溺水事故頻發(fā)，對人民群眾的生命財產(chǎn)造成了巨大的威脅。傳統(tǒng)的救援方式需要較長的救援時間和對被施救者的安撫工作。無人機還具有較高的速度，較強的定位能力，快速準(zhǔn)確判斷溺水者的位置及情況，通過遠程安撫減少救援時間，從而提高救援效率。與此同時，可以快速直接地安撫被施救者情緒，減少施救阻力。

現(xiàn)有水上救援除簡單的無人機救援外，多為紅外定位溺水者位置，設(shè)有彈射裝置，通過超聲測距得出船體與落水者的距離，準(zhǔn)確彈射出救生圈到落水者附近。該方式需要溺水者有清晰的判斷和對被施救者的清醒程度有所要求，而往往針對不同人群的溺水時間會有所不同，而已經(jīng)溺水且無法進行清晰判斷的被施救者無法實現(xiàn)抓取游泳圈的自救手段。根據(jù)捕魚裝置并不需要魚對捕魚裝置有主觀能動性的特點，研制依據(jù)捕魚裝置原理的無人機救援系統(tǒng)。

2 無人機救援系統(tǒng)

溺水水域多情況復(fù)雜，溺水一旦發(fā)生在短時間內(nèi)即面臨著較高的死亡風(fēng)險，且施救人需具備一定的救援水平，結(jié)合無人機救援裝置與捕魚裝置基本原理，對無人機溺水救援系統(tǒng)進行了研究。一旦發(fā)生溺水事件，水域附近的人可就近擊破保護罩，激活無人機救援系統(tǒng)進行施救，避免了救援過程中對施救者與溺水者可能會造成的傷害。

2.1 無人機救援系統(tǒng)組成 無人機溺水救援系統(tǒng)主要由多功能無人機防護警報基站、高荷載自巡航交互式無人機和高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置三種裝置組成，如圖3。

圖3 無人機溺水救援系統(tǒng)的組成

2.1.1 多功能無人機防護警報基站 無人機救援系統(tǒng)需要提供相應(yīng)的基站為其日常的運行保養(yǎng)提供相應(yīng)的場所，如圖4。該基站具有高強度、低密度、抗疲勞和耐腐蝕等性能，配備低能環(huán)保的太陽能自動充電裝置[5]，無人機自動監(jiān)測與維護保養(yǎng)裝置，同時具有一個基站與多個緊急啟動裝置。無人機外出救援時，基站開啟警報系統(tǒng)；人員救出水域后，可向醫(yī)護人員遠程視頻連線，幫助指導(dǎo)他人對溺水者實施搶救。

圖4 多功能無人機防護警報基站

2.1.2 高荷載自巡航交互式無人機 高荷載自巡航交互式無人機續(xù)航可達23 min[6]，速度100 kg/h，承重220 kg，設(shè)備裝有：（1）人體檢測模塊，可以檢測溺水者位置以及是否有意識，能將急救信息傳送給急救中心，方便醫(yī)護人員的搶救； （2）飛行控制模塊，未檢測到溺水人員將自動返航； （3）高度檢測器，可檢測飛行高度，救援后將提升飛行高度保證溺水者安全；（4）氣壓計，可以準(zhǔn)確估計上升與下降速度。設(shè)備配置有整機降落傘高荷載自巡航交互式無人機，續(xù)航可達23 min[7]，故障時，對無人機實行最大限度的保護，如圖5。

圖5 高荷載自巡航交互式無人機

高荷載自巡航交互式無人機配置以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）處理器：信號處理器的信號輸出端經(jīng)紅外線發(fā)射電路與紅外線發(fā)射器連接；信號輸入端經(jīng)紅外線接收電路與紅外線接收器連接，其反饋信號輸出端與外圍控制電路連接，從而完成人體位置的感應(yīng)。

（2）溺水/水下判斷檢測模塊：用于安裝在無人機上的紅外線檢測器實時檢測人體是否在水下，利用攝像頭檢測所述人體是否溺水，若溺水則分析溺水人體情況，檢測附近水域情況。

（3）人體分析模塊：利用攝取影像來分析人體是否為無意識狀態(tài)；并將分析結(jié)果發(fā)向醫(yī)護工作者。根據(jù)人體基本形狀比例特征，利用目標(biāo)區(qū)域的高寬比和垂直邊緣對稱性等特征確定目標(biāo)，有效排除非人體目標(biāo)，提高精確性。

（4）揚聲器模塊：設(shè)置于無人機下方，用于發(fā)出救援信 息，進行語音提示，對溺水者進行安撫。

（5）連接模塊：包括連接繩及卡扣，用于無人機連接裝置與高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置連接；內(nèi)裝連接檢測裝置，用于檢測是否與無人機救援裝置連接。

（6）飛行控制模塊：內(nèi)設(shè)有啟動裝置和導(dǎo)航裝置。啟動裝置用于啟動無人機運行；導(dǎo)航裝置用于識別并記錄無人機的飛行路線以及無人機基站位置[11]，未檢測到溺水人員或救援結(jié)束后，將按照記錄的飛行路線返回基站。

（7）高度檢測模塊：無人機救援時，可監(jiān)測飛行高度，提示無人機將高度上升2 m左右，帶溺水者至水面以上。

（8）氣壓檢測模塊：利用大氣壓力換算出高度數(shù)據(jù)，協(xié)助無人機導(dǎo)航，上升到所需的高度，準(zhǔn)確估計上升與下降速度。

（9）降落傘模塊：無人機內(nèi)部裝有降落傘，發(fā)生故障時啟動，對無人機實行最大限度地保護。

2.1.3 高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置 漁網(wǎng)式捕撈裝置具有強度高、延伸率小、抗擊性能好、抗拉強度高、不易老化等特點，無人機安裝有電磁裝置，可以使捕撈網(wǎng)下端吸附磁鐵向四周彈開撒網(wǎng)，利用強磁性磁鐵的吸附力在水下完成收網(wǎng)，將人體完全捕撈，根據(jù)人機關(guān)系，在設(shè)計過程中捕撈裝置將大于普通人體正常尺寸，目的是不對溺水者造成二次傷害，如圖6。

圖6 高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置

2.2 無人機溺水救援系統(tǒng)運行原理 溺水事件發(fā)生時，水域附近的人可擊破緊急啟動裝置的玻璃保護罩，按下啟動按鈕，控制器接收到信號后控制基站啟動?；鞠驘o人機傳輸信號，接收到救援信號的無人機快速起飛，利用紅外線檢測器檢測感應(yīng)到溺水的人體位置，通過聲波接收器判斷是否有呼救聲及通過熱成像及圖像視覺處理判斷是否為溺水者，從而判斷人體是否溺水，實施救援。無人機外出救援時，基站內(nèi)安全警報裝置啟動，警示燈閃爍、發(fā)出警報。

無人機的紅外線探測器如未檢測到人體溺水，將按照記錄的返航航線進行智能返航；如檢測到有人溺水時，啟動人體分析模塊并開啟緊急呼救系統(tǒng)，分析人體是否有意識，呼救系統(tǒng)將分析結(jié)果發(fā)向醫(yī)護工作者，方便醫(yī)護人員的搶救。

無人機定位溺水目標(biāo)后自動巡航飛至目標(biāo)上方，氣壓模塊根據(jù)氣壓的大小準(zhǔn)確的估計上升與下降高度及飛行速度，內(nèi)部自動控制器將控制無人機經(jīng)過連接線對電磁鐵進行通電，啟動高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置。

高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置的大型磁鐵借助重力帶動捕撈網(wǎng)快速下沉到水里，將溺水者全面覆蓋包圍，用磁鐵異極相吸的原理在水下完成閉合。為防止閉合過程中夾傷溺水者，高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置裝有異物檢測傳感器，檢測到有異物時會減少吸和力，開啟一定寬度，再次吸和，直至檢測無異物。

無人機重力感應(yīng)系統(tǒng)感應(yīng)到捕獲后，將飛行高度提高2 m，將溺水者帶離水域，并飛行至基站附近。到達基站附近后，無人機通過連接線對電磁鐵進行通電，向捕獲裝置上端磁鐵發(fā)出同極的磁力，使磁體向四周彈開，將溺水者從網(wǎng)中釋放。基站會向急救中心發(fā)送遠程視頻連線信號，接收信號后醫(yī)護人員可遠程指導(dǎo)基站附近的人對溺水者第一時間進行搶救。無人機完成救援后，將按照記錄的航線返回到基站內(nèi)，進行充電、維護。

2.3 無人機溺水救援系統(tǒng)建設(shè) 多功能無人機防護警報基站建設(shè)在水域附近的空地處，旁邊設(shè)護欄，以防破壞；護欄附近設(shè)置警示牌，并裝有監(jiān)控。無人機飛行最大可控距離約為5 km，可按照水域的大小來控制基站建設(shè)的數(shù)量。緊急啟動裝置在水域附近每隔10～20 m安裝一個，并安裝夾絲玻璃，發(fā)現(xiàn)溺水者時，方便快速啟動無人機溺水救援系統(tǒng)。基站呈四邊形，可在四周分別設(shè)置（1）對無人機水中救援裝置的介紹及使用方法；（2）商業(yè)廣告區(qū)域吸引商業(yè)投資；（3）電子屏，平時滾動播放安全警示標(biāo)語，應(yīng)急救援時可與醫(yī)護人員遠程視頻連線；（4）公益廣告區(qū)域促進社會性文化公益建設(shè)。

3 無人機救援系統(tǒng)保養(yǎng)與維護

3.1 無人機救援系統(tǒng)后續(xù)維護 （1）基站日常運行中通過太陽能自動充電裝置進行充電，以及給蓄電池進行電量補充，使無人機始終保持有電備戰(zhàn)狀態(tài)[5]。（2）無人機基站建在水域附近，濕度會對無人機造成影響，基站內(nèi)部裝有除濕裝置利用物理原理將空氣中的水蒸氣液化成冷凝水，流入接水盤中，經(jīng)過水管排出基站。（3）基站內(nèi)部裝有維護裝置，攝像頭可監(jiān)視無人機的實時狀態(tài)，并有傳感器對無人機進行檢測，檢查人員可以通過傳感器的信息數(shù)據(jù)，對無人機的電子部件進行實時監(jiān)測。（4）基站在季節(jié)溫度變化時會對基站內(nèi)電子部件有所影響，基站內(nèi)裝有恒溫轉(zhuǎn)換器裝置，可對溫度進行調(diào)整，使基站內(nèi)達到一種恒溫狀態(tài)。

3.2 無人機救援系統(tǒng)后續(xù)保養(yǎng) （1）保持清潔干燥：無人機作為一種精密的電子設(shè)備，需要保持干燥清潔，每次救援完成后基站會對無人機進行除濕和除塵處理。（2）電池保養(yǎng)：無人機救援過程中，需注意外界溫度對電池的影響，以免出現(xiàn)電壓急速升高的情況。（3）螺旋槳保養(yǎng)：如無人機螺旋槳撞到障礙物后就要特別留意槳葉是否出現(xiàn)裂痕、缺口等影響無人機飛行穩(wěn)定性的問題。如果螺旋槳損傷比較嚴(yán)重則需要及時更換新的螺旋槳葉。（4）電機保養(yǎng)：電機是無人機的重要組成部分，定期對無人機進行檢測工作，防止電機出現(xiàn)意外。（5）高強度吸附網(wǎng)式捕撈裝置的維護保養(yǎng)：每次救援結(jié)束后，基站管理人員會將捕撈裝置及時進行檢查，必要時可換新。

4 結(jié) 語

未來無人救援機數(shù)量將不斷增加，種類也不斷多樣化，各地區(qū)、各救援隊、各醫(yī)療單位、各部隊都將廣泛配備，無人機將從單個體向大系統(tǒng)發(fā)展。無人救援機在緊急情況發(fā)生時，立即升空開始救援，讓救援實現(xiàn)更短的起飛時間、更快的飛行速度、更耐久的飛行時間、更少的人力物力、更高的救援效率。此外，無人機救援時獲得的共享信息也將最大限度地發(fā)揮作用。但是無人機水上救援系統(tǒng)在短時間內(nèi)還無法普及，這需要政府和社會各界長期的關(guān)注和支持。相信無人機應(yīng)急救援事業(yè)將持續(xù)不斷的發(fā)展，以最高效的方式保障人們的生命財產(chǎn)安全。