摘 要：隨著海洋經(jīng)濟(jì)的開發(fā)利用，海上活動(dòng)日益頻繁，海上遇難救援的需求持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)人機(jī)憑借其自動(dòng)化、速度快和高機(jī)動(dòng)性的優(yōu)勢(shì)，已逐漸被應(yīng)用于海上救援活動(dòng)。本文采用功能分析法對(duì)海上救援無(wú)人機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)探索，該方法通過(guò)輸入和輸出信息建立簡(jiǎn)化的功能模型，不考慮系統(tǒng)內(nèi)部的具體實(shí)現(xiàn)，從而能在創(chuàng)意階段拓寬設(shè)計(jì)者的思維，最終設(shè)計(jì)出可切換水空形態(tài)的救援設(shè)備，共用一套動(dòng)力系統(tǒng)，有效提升資源利用率和搜救效率，為海上救援提供了一種創(chuàng)新的解決方案。

關(guān)鍵詞：海上救援；無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)；功能分析法；功能集成

海洋蘊(yùn)含著豐富的資源，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展具有重要意義。我國(guó)領(lǐng)海版圖巨大，開發(fā)和利用海洋經(jīng)濟(jì)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提升國(guó)力的重要途徑，未來(lái)海洋經(jīng)濟(jì)將保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位和貢獻(xiàn)將持續(xù)鞏固，海洋經(jīng)濟(jì)將向高端化、綠色化、集群化與智能化方向發(fā)展。[1]隨著海洋經(jīng)濟(jì)的開發(fā)利用，人們海上活動(dòng)日益頻繁，大自然的不可控性引發(fā)的海上遇難救援的需求量持續(xù)增長(zhǎng)。海上遇險(xiǎn)存在多種情況，在黃金救援時(shí)間及時(shí)趕赴救援現(xiàn)場(chǎng)，配備充足的自救包并實(shí)施有效的救援方案能極大增加人員獲救概率。[2]因此，開發(fā)高效、智能化的海上救援技術(shù)已成為保障海上人員生命安全和海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

一、海上救援無(wú)人機(jī)的需求分析

（一）救援環(huán)境與任務(wù)特點(diǎn)

人類從事海洋活動(dòng)利用海洋資源的行為方式多種多樣。海洋不僅能提供石油、天然氣、礦物資源，還可以發(fā)展運(yùn)輸、漁業(yè)和旅游等產(chǎn)業(yè)。[3]據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)青壯年在近海海域的海上活動(dòng)主要為游泳、沖浪、海釣及帆船等運(yùn)動(dòng)。[4]當(dāng)近海海域發(fā)生事故時(shí)，影響救援任務(wù)的自然因素包括海上氣候多變、海內(nèi)暗流涌動(dòng)和海上風(fēng)力干擾等因素；人為因素包括事發(fā)地距離救援站點(diǎn)遠(yuǎn)、海面遼闊難以搜尋落難者以及人在海難事故中的表現(xiàn)；在人群密集處救援設(shè)備的靈活度也至關(guān)重要，直接影響著救援時(shí)間。目前國(guó)內(nèi)外普遍使用的救援方式包括直升機(jī)、無(wú)人機(jī)等航空設(shè)備懸停、拋撒急救物資或降落于遇險(xiǎn)人員附近水面，以及使用摩托艇等急救船只進(jìn)行海面搜救。[5]

（二）功能需求的確定

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)技術(shù)在海上救援中得到了廣泛應(yīng)用，相較于傳統(tǒng)的搜救艇和直升機(jī)救援方式，無(wú)人機(jī)憑借其自動(dòng)化、速度快、高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)成為海上救援的重要力量。然而，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)在海上救援應(yīng)用中仍存在一些局限性，尤其是裝載運(yùn)輸能力較弱，難以滿足復(fù)雜的海上救援任務(wù)需求。鑒于此，筆者首先將救援場(chǎng)景聚焦于近海海域，然后根據(jù)上述近海海域主要的海事活動(dòng)、救援環(huán)境及任務(wù)特點(diǎn)的分析結(jié)果，將海上救援無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)確立如下：可快速發(fā)現(xiàn)并能靈活地增援被施救者；能抵抗海上多變的氣候及海風(fēng)影響；自身攜帶有應(yīng)急急救包，能處理緊急傷病問(wèn)題；最終能夠運(yùn)送落難者至安全區(qū)域。

二、海上救援無(wú)人機(jī)的功能分析

（一）黑箱功能分析法

功能被定義為能夠轉(zhuǎn)化信息輸入和輸出之間的能力。[6]黑箱功能分析法是以設(shè)計(jì)目標(biāo)為基礎(chǔ)，明確產(chǎn)品的功能及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的范圍。其方法步驟是將產(chǎn)品所要實(shí)現(xiàn)的功能視為一個(gè)“黑箱”，特定的輸入經(jīng)過(guò)“黑箱”轉(zhuǎn)化后得到特定的輸出，通過(guò)臆想特定的輸出來(lái)拓寬“黑箱”的邊界，見(jiàn)圖1（a）；然后將“黑箱”透明化，分步得到“黑箱”中的次級(jí)功能，再找到合適實(shí)現(xiàn)次級(jí)功能的解決方案，見(jiàn)圖1（b）。

（二）明確海上救援無(wú)人機(jī)功能

基于上述所要實(shí)現(xiàn)的功能，筆者將輸入端定義為傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)，輸出端為能面對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景且具有運(yùn)載能力的海上救援無(wú)人機(jī)，黑箱的層層透明化將實(shí)現(xiàn)該設(shè)備的二級(jí)功能（如圖2所示）。首先是具有信號(hào)識(shí)別和視覺(jué)探測(cè)的功能，這一功能將使得傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)具有快速找到并自動(dòng)增援落難者的能力。信號(hào)識(shí)別可以是落難者本身的手機(jī)衛(wèi)星信號(hào)，也可以是出海前統(tǒng)一發(fā)放的定位裝置，從而使救援無(wú)人機(jī)在廣闊近海海域快速發(fā)現(xiàn)落難者。此外視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)還能輔助無(wú)人機(jī)在復(fù)雜場(chǎng)景精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)，提高搜救效率。其次，急救包、揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的引入可使無(wú)人機(jī)具備補(bǔ)給救援能力，無(wú)人機(jī)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后為落難者提供急救物資和語(yǔ)音指導(dǎo)，提升救援的及時(shí)性和有效性，語(yǔ)音交互功能還能平復(fù)落難者的心情。最后，增加艙位可使該設(shè)備具有一定的運(yùn)載能力。在海上救援中可將裝載艙位設(shè)計(jì)為輕質(zhì)小艇，配備推進(jìn)器后，借助水面浮力增強(qiáng)該設(shè)備運(yùn)載能力。

三、海上救援無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)方案

產(chǎn)品功能決定產(chǎn)品形式。筆者根據(jù)上述需求分析及功能實(shí)現(xiàn)方式的剖析，最終提出能面對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景且具有運(yùn)載能力的海上救援無(wú)人機(jī)的概念設(shè)計(jì)方案（如圖3所示）。

該海上救援無(wú)人機(jī)的前段搭載有負(fù)責(zé)接收救援信號(hào)并搜尋落難者的搜尋模塊，集成有語(yǔ)音交互模塊。該設(shè)計(jì)亮點(diǎn)在于巧妙地將無(wú)人機(jī)的動(dòng)力模塊經(jīng)調(diào)整角度變形為救生艇提供動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)返航，運(yùn)載落難者至安全區(qū)域。該設(shè)計(jì)的可行之處是基于X形四翼無(wú)人機(jī)的電機(jī)布局特性，為克服螺旋力矩作用導(dǎo)致的自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，其電機(jī)布局中常使對(duì)角電機(jī)的轉(zhuǎn)向與相鄰電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，如圖4（a）所示。這與中小型雙槳船舶布局高度契合。雙槳船為了抵消正車前行時(shí)螺旋槳的致偏效應(yīng)，其雙車螺旋槳的布局多為相反方向的內(nèi)旋，見(jiàn)圖4（b）。

鑒于海風(fēng)會(huì)影響無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和速度，故而否定了直接在底部垂直放置救生艇的方案，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)會(huì)顯著增加空氣阻力，影響無(wú)人機(jī)的飛行穩(wěn)定性和速度。而另一種平行放置的方案雖然減小了阻力，但仍會(huì)因體積較大而受海風(fēng)影響。因此，救生艇設(shè)計(jì)為折疊充氣的小艇，這種設(shè)計(jì)不僅降低了空氣阻力，還提高了無(wú)人機(jī)的飛行靈活性和適應(yīng)性。救援物資與充氣艇均放置在無(wú)人機(jī)所攜帶的物資艙中。施救過(guò)程如圖5所示，救援無(wú)人機(jī)收到報(bào)警信號(hào)，根據(jù)信號(hào)指引趕赴事發(fā)地搜尋落難者，隨后物資艙底部的電磁鐵斷電，艙門打開，無(wú)人機(jī)打開進(jìn)氣孔塞，在事發(fā)地的上空展開救援艇為其充氣，然后調(diào)整入水角度，懸浮在水面上，上方兩個(gè)螺旋槳停止工作，底部?jī)蓚€(gè)螺旋槳為小艇提供動(dòng)力，完成由無(wú)人飛行器到救生艇的轉(zhuǎn)變；落難者在語(yǔ)音引導(dǎo)下進(jìn)行自救；在落難者皆爬上救生艇后，無(wú)人救生艇自行返回至安全區(qū)域。

四、結(jié) 語(yǔ)

筆者經(jīng)對(duì)海上救援無(wú)人機(jī)的需求分析，確定其所需功能，運(yùn)用黑箱功能分析法，逐步探尋每項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)路徑，從而創(chuàng)新海上救援無(wú)人機(jī)概念設(shè)計(jì)方案。該方案不僅具備有快速增援、靈活便捷以及適應(yīng)海上大風(fēng)氣候的優(yōu)良特性，而且運(yùn)用無(wú)人飛行器與無(wú)人救生艇共用一套動(dòng)力裝備的設(shè)計(jì)思路，合理提高有限資源的利用率，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)理念。該方案中無(wú)人機(jī)航空旋翼和救生艇推進(jìn)器螺旋槳的造型角度是否通用仍需實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，筆者將繼續(xù)深入研究，不斷優(yōu)化和完善。

（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院）

參考文獻(xiàn)

[1] 伍業(yè)鋒，周曉彤．海洋經(jīng)濟(jì)政策效力評(píng)價(jià)及其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)效應(yīng)研究[J]．統(tǒng)計(jì)研究，2024，41（12）：111-122.

[2] 黃敏東．論海上遇險(xiǎn)黃金救援時(shí)間[J]．世界海運(yùn)，2014，37（11）：33-35.

[3] 孫娜，廖維曉．論海洋資源開發(fā)管理機(jī)制構(gòu)建[J]．學(xué)術(shù)交流，2015（2）：116-121.

[4] 劉龍波．基于產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的海上救援無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2023.

[5] 方興，張文翰，明轅．基于UCD的海上救援設(shè)備設(shè)計(jì)[J]．包裝工程，2020，41（4）：103-109.

[6] 董仲元，梁一林．發(fā)展產(chǎn)品的重要方法：功能分析法[J]．西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1990（1）：7-14，71.