摘要：在國家突發(fā)事件應(yīng)急處置體系中，應(yīng)急運輸保障體系是各類應(yīng)急物資及時生產(chǎn)、供應(yīng)的重要基礎(chǔ)。為進一步提高自然災(zāi)害應(yīng)急運輸保障能力，確保自然災(zāi)害應(yīng)急處置與救援工作高效順利開展，本文針對當前自然災(zāi)害應(yīng)急運輸保障技術(shù)與裝備的研發(fā)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢展開研究，并從專業(yè)化程度、技術(shù)水平、保障體系、投送速度等方面，對其中核心的理論與技術(shù)問題進行了剖析。

關(guān)鍵詞：自然災(zāi)害；應(yīng)急運輸保障；現(xiàn)狀問題；發(fā)展趨勢；核心技術(shù)

中圖分類號：U492.8 文獻標識碼：A 文章編號：1673-6478（2023）01-0091-04

Present Situation and Development Trend of Natural Disaster Emergency

Transportation Support Technology and Equipment

JIANG Huifu，ZHOU Wei，ZHANG Guosheng

（Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Automobile Transportation Research Center，

Beijing 100088，China）

Abstract：In the national emergency response system，the emergency transportation support system is an important basis for the timely production and supply of all kinds of emergency materials. In order to further improve the support capacity of natural disaster emergency transportation，ensure emergency disposal and rescue for natural disaster can be implemented efficiently and successfully，this paper studied the current research and development status，and the development trend of emergency transportation support technologies and equipment for natural disaster，and analyzed the core theoretical and technical problems from the aspects of the degree of specialization，technical level，support system and delivery speed.

Key words：natural disaster；emergency transportation support；current situation and problems；development trend；core technology

0 引言

當前全球范圍內(nèi)各類重大自然災(zāi)害頻發(fā)，呈現(xiàn)出事件種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、危害程度大等特點，嚴重威脅人類的生命財產(chǎn)安全。進入21世紀以來，人類先后遭受了印度洋海嘯、美國卡特里娜颶風、中國汶川5.12特大地震、日本3.11特大地震及海嘯等重特大自然災(zāi)害，導致大面積道路損毀、交通運輸阻斷，對交通運輸生產(chǎn)以及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

交通運輸行業(yè)既是自然災(zāi)害的受害者，又是抗災(zāi)防災(zāi)的先行官和重要保障，承擔著為自然災(zāi)害應(yīng)急處置與救援提供運力保障的任務(wù)。自然災(zāi)害應(yīng)急運輸保障能力直接關(guān)系到災(zāi)后物資輸送、應(yīng)急處置與救援工作的快速開展，是各國應(yīng)急救援的重要基石。

針對當前復(fù)雜多變的自然災(zāi)害環(huán)境，現(xiàn)有應(yīng)急運輸保障體系中缺少專業(yè)、高效、適用的特種運輸裝備，且實時災(zāi)情感知與應(yīng)急運輸裝備組織決策保障技術(shù)不足，自裝卸技術(shù)智能化程度低，造成災(zāi)情不明、決策不準、運力不符、裝卸不足、系固不牢等突出問題，難以在道路條件較差的情況下實現(xiàn)快速投送、轉(zhuǎn)移和高強度后勤保障。

為提升自然災(zāi)害應(yīng)急處置與救援保障水平，確保人員、裝備和物資能夠運進去、運出來，本文針對偵測、指揮、運輸、裝卸全鏈條應(yīng)急運輸保障技術(shù)裝備的現(xiàn)狀問題與發(fā)展需求進行總結(jié)分析。

1 應(yīng)急運輸保障現(xiàn)狀及問題

1.1 應(yīng)急運輸組織決策

美國交通運輸協(xié)調(diào)中心研發(fā)了災(zāi)害運輸管理系統(tǒng)，通過實時獲取運輸裝備信息、全程跟蹤救災(zāi)物資，實現(xiàn)救災(zāi)物資的調(diào)撥和運輸[1]。日本道路交通情報中心開發(fā)了交通信息提供系統(tǒng)，該系統(tǒng)以警察機構(gòu)和道路管理者為信息源，通過收集、處理、提供和使用四個環(huán)節(jié)的配合，實現(xiàn)了應(yīng)急運輸裝備的有效組織[2]。我國哈爾濱工業(yè)大學提出了“行為分析→需求預(yù)測→多目標、多階段、多結(jié)構(gòu)協(xié)同管理→仿真與評價”的應(yīng)急運輸集成管理方法與技術(shù)體系，基于預(yù)測實現(xiàn)短時域災(zāi)情動態(tài)感知與調(diào)度[3]。交通運輸部公路科學研究所研制了道路運輸應(yīng)急保障系統(tǒng)，具備跨省跨區(qū)域應(yīng)急運輸保障指揮決策功能。

1.2 重型應(yīng)急運輸專用載運平臺

目前全球普遍采用民用重型運輸車和軍用運輸車完成重型救援裝備的應(yīng)急運輸任務(wù)，如美國奧什科什、德國MAN、捷克TATRA等重型運輸車，具有一定的復(fù)雜地形通過能力，但單車載重能力有限。德國TITAN、加拿大FOREMOST、依維柯ASTRA等特種運輸車輛，具備高抗壓性寬體底盤、先進的傳動系統(tǒng)和簡單的電子架構(gòu)，最大額定載荷可達50噸及以上，廣泛應(yīng)用于沙漠起伏地形環(huán)境下的重型石油設(shè)備的運輸[4]。北京理工大學、陸軍軍事交通學院研發(fā)的重型載運平臺動力傳動系統(tǒng)設(shè)計與控制技術(shù)，利用傳感器識別車重與道路坡度等參數(shù)，提高了重型載運平臺的縱向運動能力[5]。中國重汽泰安五岳專用車有限公司研發(fā)的油田裝備運輸超重型底盤，采用高強度鋼板與成型方管結(jié)構(gòu)，提高了車架強度、剛度及承載能力，實現(xiàn)了超重貨物運輸，且采用懸架系統(tǒng)布置優(yōu)化技術(shù)，大幅提高了車輛行駛平順性、操穩(wěn)性、通過性[6]。

目前重型應(yīng)急運輸專用載運平臺方面未能突破針對特殊災(zāi)害環(huán)境的適應(yīng)性關(guān)鍵技術(shù)，包括車架與車橋設(shè)計及加工技術(shù)、可靠性與穩(wěn)定性優(yōu)化技術(shù)、動力傳動系統(tǒng)匹配與優(yōu)化技術(shù)、通過性評估與智能化輔助駕駛技術(shù)等，無法滿足重型貨物或工程裝備安全、高效的投送要求。

1.3 輕型應(yīng)急運輸專用載運平臺

在極端惡劣的災(zāi)害環(huán)境下，應(yīng)急救援過程中重型救援裝備運輸速度受環(huán)境限制較多，不利于搶占應(yīng)急救援的“黃金72小時”。因此，各國常輔以輕型全地形運輸車輛來完成輕型救援人員與裝備的突擊搶運，提高受困人員營救成功率。加拿大阿爾戈研發(fā)的兩棲全地形車，具備極強的通過能力和一定的兩棲浮渡能力[7]。瑞典BV206系列全地形車，采用獨特的雙節(jié)鉸接式四履帶結(jié)構(gòu)，具備極強的越障能力和兩棲通過能力[8]。國內(nèi)重慶嘉陵全域機動車輛有限公司“山貓”8×8輕型全地形車，采用動力后置、鏈條傳動、剛性懸掛設(shè)計方案，具備兩棲浮渡能力。哈爾濱第一機械集團有限公司“蟒式”系列雙節(jié)鉸接式四履帶全地形車，具備水陸兩棲全地域通行能力，可滿足多種運輸需求[9]。

現(xiàn)有輕型應(yīng)急運輸專用載運平臺方面未能突破高承載能力、結(jié)構(gòu)輕量化的全域應(yīng)急運輸關(guān)鍵技術(shù)，包括自然災(zāi)害復(fù)雜環(huán)境下的立體投送、動力傳動、空運空投、兩棲運輸、輪履快換、智能化輔助駕駛技術(shù)等，無法滿足復(fù)雜環(huán)境下水陸空全域機動運輸保障任務(wù)的要求。

1.4 自裝卸起重及系固裝備

應(yīng)急運輸保障過程中，由于環(huán)境復(fù)雜多變，且存在裝備調(diào)配距離遠、數(shù)量少等問題，要求載運平臺需具備裝載、運輸、卸載三大物資裝備運輸?shù)娜^程保障能力，以確保在缺乏裝卸起重裝備伴隨的情況下順利完成應(yīng)急運輸保障任務(wù)。奧地利PALFINGER、瑞典HIAB等研發(fā)的超重型折臂式隨車起重裝備，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新型材料等技術(shù)，提高了吊臂的跨度，滿足了大范圍裝卸的需求。其研發(fā)的輔助控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r感知最大載荷極限與車輛穩(wěn)定性，可滿足多種作業(yè)環(huán)境不同類型貨物智能裝卸需求[10]。HIAB研發(fā)的輔助操作系統(tǒng)通過將吊物的三維空間運動與吊臂各自由度的伸縮與旋轉(zhuǎn)運動進行映射關(guān)聯(lián)，幫助操作人員簡化操作并避免碰撞障礙物，提高安全性與效率[11]。湖北杜德起重機械有限公司通過研發(fā)的系列隨車起重機，采用高強鋼成型與加工、吊臂截面優(yōu)化技術(shù)等，實現(xiàn)高達600噸米的起重能力，廣泛應(yīng)用于道路救援領(lǐng)域。中聯(lián)重科股份有限公司及徐州工程機械集團有限公司均積極研發(fā)起重機智能吊裝技術(shù)。武漢理工大學基于單片機研發(fā)了起重配套的貨物控制捆綁裝備。

目前自裝卸起重裝備未能突破結(jié)構(gòu)輕量化、功能模塊化、操控智能化、系固專業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)，缺乏運輸過程系固狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警能力，不能滿足應(yīng)急運輸過程中自裝卸起重及系固的安全、高效需求。

2 研發(fā)需求及趨勢

2.1 基于多要素協(xié)同的應(yīng)急運輸組織決策

應(yīng)急運輸組織決策技術(shù)方面呈現(xiàn)出多要素協(xié)同的趨勢，表現(xiàn)為以下三方面：（1）利用衛(wèi)星導航、衛(wèi)星遙感、路網(wǎng)監(jiān)控、互聯(lián)網(wǎng)等渠道獲取多源災(zāi)情信息，運用邊緣計算、數(shù)據(jù)融合等技術(shù)實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)處理和在線分析，實現(xiàn)應(yīng)急組網(wǎng)通信和數(shù)據(jù)交互[12]；（2）采用似然推理和模糊案例推理等技術(shù)方法，快速評估應(yīng)急運輸任務(wù)、運輸資源需求和道路運輸條件；（3）結(jié)合災(zāi)情和需求動態(tài)演變，對異構(gòu)應(yīng)急運輸資源間的時空依賴與合作進行建模，構(gòu)建運輸資源跨區(qū)域調(diào)配-運送的協(xié)同優(yōu)化方法[13]，并可進一步采用深度學習技術(shù)對應(yīng)急運輸保障方案進行分析與診斷，實現(xiàn)決策方案再完善和自適應(yīng)。

2.2 災(zāi)害環(huán)境重型智能載運平臺

為滿足自然災(zāi)害復(fù)雜環(huán)境下重型裝備的運輸需求，重型載運平臺應(yīng)具備高承載能力、高通過性、高機動性三大特征，技術(shù)與裝備研發(fā)趨勢可表現(xiàn)為以下三方面：（1）基于車輛設(shè)計、信息感知、多目標系統(tǒng)優(yōu)化等理論，分析災(zāi)害環(huán)境重載車輛“車-環(huán)”系統(tǒng)耦合規(guī)律，研究高承載多層復(fù)合車架設(shè)計、重載前驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋設(shè)計和重型懸架系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、多約束條件下高承載車輛底盤設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)[14]；（2）研究重載車輛動力傳動系統(tǒng)匹配與優(yōu)化設(shè)計、傳動與裝備集成優(yōu)化設(shè)計與集成優(yōu)化運行、多工況下動力系統(tǒng)集成優(yōu)化設(shè)計技術(shù)；（3）研究面向災(zāi)害環(huán)境的車輛穩(wěn)定性集成優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、通過性動態(tài)評估技術(shù)和行駛路徑實時規(guī)劃技術(shù)，實現(xiàn)災(zāi)害環(huán)境下重載車輛智能駕駛輔助功能以提高穩(wěn)定性[15]。

2.3 輕型模塊化全域應(yīng)急運輸載運平臺

為滿足災(zāi)后多棲快速搶運的需求，輕型載運平臺需具備空運空投、兩棲運輸能力，技術(shù)與裝備研發(fā)趨勢表現(xiàn)為以下三方面：（1）結(jié)合自然災(zāi)害對輕型應(yīng)急運輸裝備的功能需求，研究自然災(zāi)害與輕型應(yīng)急運輸裝備匹配技術(shù)；（2）雙節(jié)全地形車形式成熟可靠，經(jīng)過了實戰(zhàn)驗證，可基于其主體結(jié)構(gòu)，研究增程式電傳動、輪履多模式行駛自動控制、輪履快換與高效行駛，實現(xiàn)兩棲機動與運輸能力[16]；（3）考慮疲勞壽命與損傷容限量大約數(shù)條件[17]，研究基于結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化和材料加工成型的輕量化技術(shù)，降低載運平臺自重，提高抗沖擊強度，實現(xiàn)低空吊運空投。

2.4 智能化自裝卸起重及系固裝備

為滿足復(fù)雜環(huán)境下大跨度安全裝卸，自裝卸起重裝備需滿足吊臂強度高、穩(wěn)定范圍廣、操作智能化三大特征，技術(shù)與裝備研發(fā)趨勢可表現(xiàn)為以下三方面：（1）采用結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化方法和高強鋼高頻淬火成形工藝等技術(shù)[18]，從結(jié)構(gòu)、工藝、性能三個角度提升自裝卸起重裝備高強度與輕量化水平；（2）對自裝卸起重裝備的多體系統(tǒng)進行動力學建模[19]，并基于此研究全空間多功能協(xié)同控制技術(shù)；（3）利用多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，建立復(fù)雜作業(yè)環(huán)境智能感知與裝卸過程穩(wěn)定性調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)多種作業(yè)環(huán)境下各類貨物的快速裝卸[20]；（4）采用貨物運輸單元剛?cè)狁詈狭W模型和啟發(fā)式全局優(yōu)化算法，研究不同貨物類型系固點布局優(yōu)化技術(shù)；（5）利用多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研究系固裝備載荷測量方法及運輸過程安全預(yù)警技術(shù)，實現(xiàn)應(yīng)急運輸保障全程安全。

3 理論與技術(shù)難點

3.1 滑移率估計方法與車輛-路面耦合機理

自然災(zāi)害后地形地貌發(fā)生變化、道路基礎(chǔ)設(shè)施損毀、地表崎嶇濕滑，為提高大負載及復(fù)雜地面狀態(tài)下的運輸車輛通過性，關(guān)鍵問題為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)（包括行駛道路狀況、車輛狀態(tài)、操作信號等）的特征壓縮和表達，以及基于該特征分析驅(qū)動特性模態(tài)，以便采用復(fù)雜地域條件下地面特性辨識方法并實現(xiàn)滑移率實時估計。在此基礎(chǔ)上，需從不同維度、不同類型的車輛及環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)中提取路面特性的有效特征，揭示其在動態(tài)駕駛環(huán)境中與車輛的耦合機理，為輔助駕駛技術(shù)中提高車輛通過性提供理論依據(jù)。

3.2 自裝卸裝備失穩(wěn)機理與穩(wěn)定性控制理論

地震、泥石流、洪澇等自然災(zāi)害現(xiàn)場復(fù)雜多變，嚴重影響自裝卸起重裝備作業(yè)的穩(wěn)定性。面向應(yīng)急運輸保障工作對貨物快速、安全裝卸的實際需求，關(guān)鍵在于適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境與多種貨物類型，核心問題為自裝卸裝備與捆綁系固裝備集成系統(tǒng)動力學行為建模，以揭示貨物裝卸過程中自裝卸裝備與系固裝備集成系統(tǒng)運動狀態(tài)對整車穩(wěn)定性的影響規(guī)律，明晰集成系統(tǒng)的失穩(wěn)機理，為構(gòu)建自裝卸裝備與捆綁系固裝備集成系統(tǒng)穩(wěn)定性耦合控制理論技術(shù)提供支撐。

3.3 面向復(fù)雜災(zāi)害工況的載運平臺行駛與作業(yè)監(jiān)控技術(shù)

為提高災(zāi)后載運平臺行駛與作業(yè)過程的穩(wěn)定性與安全性，需要對行駛和作業(yè)過程進行全過程監(jiān)控。在行駛過程中，需要明晰災(zāi)情動態(tài)演化下的人-車-環(huán)耦合關(guān)系，以求突破災(zāi)后非結(jié)構(gòu)化路面環(huán)境檢測與識別技術(shù)，結(jié)合復(fù)雜行駛環(huán)境下車輛動力學特征及控制方法，實現(xiàn)不同駕駛工況下載運平臺的穩(wěn)定與安全操縱。在作業(yè)過程中，應(yīng)著力突破復(fù)雜多工況下的運輸車輛自裝卸與系固系統(tǒng)動力學行為建模，為穩(wěn)定性自適應(yīng)控制與裝卸軌跡智能控制、專用系固裝備結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化與安全預(yù)警等技術(shù)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，增強載運平臺的通過性能與裝卸穩(wěn)定性能。

3.4 裝卸作業(yè)穩(wěn)定性調(diào)控與軌跡智能控制技術(shù)

面對重大自然災(zāi)害造成的裝卸作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、工作空間受限等不利條件，關(guān)鍵在于穩(wěn)定性監(jiān)控，難點為如何基于多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)建立車貨整體的重心實時評估技術(shù)，實現(xiàn)自裝卸起重裝備環(huán)境感知與貨物裝卸作業(yè)穩(wěn)定性調(diào)控。在保證極端工況整機與安全性的基礎(chǔ)上，需攻克智能軌跡規(guī)劃技術(shù)，根據(jù)實際需求規(guī)劃貨物的裝卸運動軌跡，從而提高自裝卸起重裝備的裝卸效率及智能化水平。

4 結(jié)語

本文針對地震、泥石流和洪澇等自然災(zāi)害，對應(yīng)急運輸保障技術(shù)與裝備的現(xiàn)狀、趨勢及核心理論技術(shù)問題進行了分析，涵蓋環(huán)境感知、組織決策、專用運輸、裝卸系固等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)問題，致力于為重型專用載運平臺和輕型全域?qū)Ｓ幂d運平臺為核心的全鏈條應(yīng)急運輸裝備體系建設(shè)提供思路。

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