智能无人应急救援装备现状及发展路径研究

陶巨 王勇,2 杨玲

在“全灾种、大应急”的背景下，智能无人应急救援装备在自然灾害、安全生产等多种突发事件的应急处置中有着迫切的需求。总体来看，现有救援装备基本无法满足救援需求，且复杂的灾害场景及其环境易对救援人员的生命健康安全造成威胁[1]。本文在梳理当前国内外多种类型的智能无人应急救援装备的基础上，着重分析了现有智能无人应急救援装备存在的问题，提出了智能无人应急救援装备发展趋势，并给出了相应的建议。

当前智能无人应急救援装备已在多种场景开展了研发和实践工作。智能无人应急救援装备种类繁多，根据救援场景、环境、功能以及用途的不同，可以分为空中救援装备、陆地救援装备、水上（水下）救援装备、通信救援装备、后勤保障装备以及其它应急救援装备。

1.1 空中救援装备

空中救援装备的分类主要以功能不同作为划分的依据。目前的空中智能无人应急救援装备主要以各种类型的智能无人机为主，其中主要可以分为空中通讯平台、路径智能规划以及灾难现场信息可视化搜集三种功能类型。

1.1.1 空中通讯平台

大灾、巨灾的破坏力强、影响范围广，使得灾害现场的基础通信设施遭到破坏而无法正常运转。智能无人空中救援装备可通过多种形式辅助救援通信工作开展。有研究提出了一种基于无人机的多种网络技术的动态方案，通过利用不同通信技术来支持救援和幸存者搜索行动[2]。除此之外，有研究提出一种基于自主回应无人机（Auto-FRD）的智能救援系统[3]，无人机在收到智能传感器发出的警报信号后，会自动部署到特定位置，该系统在帮助救援人员寻找未知受灾地区的受害者方面优于传统方法，其无人机装备实物如图1所示。

图1 基于自主回应无人机（Auto-FRD）

1.1.2 路径智能规划

路径智能规划是指根据环境条件分析后确定最优路线，提高救援效率。有研究将无人机在复杂山区应急救援中的快速配送路径问题作为一个多阶段决策问题进行研究，建立了动态规划模型，并通过求解模型来计算无人机的最优救援路径[4]。除此之外，美国运输部（DOT）开发了系列无人机装备，为交通监视、道路状况和应急响应提供“鸟瞰”[5]，如图2所示。其中，俄亥俄州立大学将最佳实用（BAT）技术用于无人机道路监控的研究，开发出一套无人机道路监控系统用于路径智能规划。

图2 航空无人机

1.1.3 灾难现场信息可视化搜集

灾害现场的情况往往复杂多变，如何从空中开展目标识别、点位确认、人员定位等信息可视化收集则对于救援成功至关重要。有研究基于无人机在自然灾害中的应用，认为应用无人机可以进行智能化、信息化、系统化的灾害情景模拟、预测分析和救援措施，形成综合的自然灾害预警系统，可以在救援现场开展信息收集工作，为决策提供基本依据[6]。除此之外，有研究提出了一种低成本的搜救无人机，用于实时发现失踪人员，开展人员定位。在这项工作中，无人驾驶空中系统被用于在室外区域搜索受伤或失踪人员（对象），而不需要与地面操作员或控制站连接。该系统通过预先定义的搜索路径，使用专用的机载硬件检测目标[7]，如图3所示。无论是安全生产事故还是自然灾害，都需要救援人员迅速和及时的救援行动。有研究开发出一套用于应急通信的多无人机边缘智能和SAR 智能可穿戴设备，有效、高效地提高搜救团队的指导和协调能力。

图3 无人机搜救装备

无人机作为重要空中智能无人应急救援装备，许多已经在救援实战中得到了应用。同时，围绕无人机装备配套其他救援装备系统开展救援已经逐渐开展，但大部分装备还停留在研究和实验阶段，面对复杂灾害场景开展实战救援的应用不足。

1.2 陆地救援装备

陆地救援装备的种类相对更加丰富，按照结构形式和应用场景需求，可以分为救援机器人、智能无人挖掘机、智能无人救援保障装备、多机协同救援装备等。

1.2.1 救援机器人

由于灾后地理环境复杂，还常常伴随着危险情况的发生，不仅影响了救援人员的行动，还有可能造成救援人员生命健康受到威胁。废墟中形成的狭小空间使得救援人员甚至搜救犬也无法进入，但救援机器人可以很好地解决以上问题[9]。

早在20世纪80年代，国外就已经有对机器人应用于救援工作的探讨。以牵引和运动方式的不同救援机器人主要可分为以下几类[10]：履带式机器人、轮式机器人、足式机器人等。除此之外，有研究提出了多种形式的智能搜救机器人，如用于城市搜救的有袋类和变形机器人[11]，如图4所示。

图4 RWI/ISR 有袋类机器人团队

许多研究人员试图开发灾害预防或预警、灾害干预和灾害恢复的机器人技术，在确保服务质量和人类安全的前提下，执行各种可能的相关任务。如用于提高人员安全性和工作效率的救援和危险干预机器人[12]，如图5所示。

图5 救援和危险干预SR-10 检查机器人

国内对救援机器人的研究起步较晚，但受到的重视程度较高，比如国家“十二五”科技支撑计划的重点项目“龙虾”救援机器人，同时也是目前世界上最大的救援机器人。我国对履带式机器人的研究也取得了一定成果，如北京航空航天大学研制的可重构履腿机器人、沈阳自动化研究所研制的CLMBER 机构履腿机器人、北京理工大学研制的四履腿机器人等。

1.2.2 智能无人挖掘机

无人驾驶挖掘机系统最近已成为灾难现场救援的一种解决方案。有研究利用时滞控制（TDC）方法，证明了在不考虑液压系统和机体动力学状态的情况下，挖掘机调节控制在关节空间中的全局稳定性。该方法可以帮助用户在不修改的情况下，通过快速的自动化操作，安全的响应紧急情况的需求[13]。

由于施工过程的不精确和大部分工地的外部环境不稳定，挖掘本身就是一个危险的过程。为此，有研究关注施工危险作业无人挖掘机车载系统的开发，提出了一种机械装置，能够从附近的安全位置（如现场办公室）远程操作挖掘机开展救援工作[14]。

在应急救援实践中，已有多种类型的智能无人遥控挖掘机设备投入使用，如图6和图7所示。这些现代遥控挖掘机的应用虽然在控制策略、反馈显示、感知、延迟、主从技术和可持续性等方面存在问题和风险，但为智能无人大型设备的发展提供了未来方向[15]。

图6 无人挖掘机

图7 水下遥控挖掘机

智能挖掘机的类型多样，以矿井救援为例，地下开采存在着地表移动（顶/边落）、淹水、空爆等问题，无论事故的原因、类型、破坏程度如何，营救被困矿工是一项艰巨的任务。解决方案则是部署一个无线机器人，配备各种气体传感器和摄像头，以帮助提升在极低的光线条件下的能见度。除此之外，韩国近期开发了一款智能挖掘机器人，通过在智能挖掘机器人上安装传感器，使其具备整个土方工程现场的全球三维建模能力和智能任务规划系统[9]。

1.2.3 智能无人救援保障装备

智能无人救援保障装备的类型主要有医疗、机器养护、环境保护等。例如基于视觉的无人搜救车辆生命体征远程测量方法，利用视频放大技术和远程光电容积描写（RPPG）技术从车载摄像机拍摄的人脸视频中测量心率和呼吸频率[16]。

1.2.4 多机协同救援装备

有研究对多智能体机器人系统在地震救援中的应用进行了探索[10]。研究提出了将多智能体机器人系统应用于搜救行动中，以提高救援效率，并建立了多智能体搜救模型。

总体上来看，有关陆地智能无人应急救援装备国内外已取得了大量的研究成果。许多陆地救援装备已经在救援实战中得到了应用。其中，智能搜救机器人、大型智能无人工程救援装备的相关研究和装备研制应用实践已经较为深入，同时，后勤保障装备的智能化研究具有重要的意义及广阔的应用前景。

1.3 水上（水下）救援装备

随着海上事故的不断增多，海上搜救任务日益艰巨。当前水面救援装备正在朝着“多元化、立体化、实时化”的方向发展[17]。水上与水下无人应急救援装备有助于提升应急救援效率，国内外众多学者对水上救援装备进行了研究。

1.3.1 水上智能无人应急救援装备

现有水上智能无人应急救援装备主要以无人船和无人飞行器为主要形式，并在此基础上发展出功能多样的水上智能无人应急救援装备。有研究认为无人驾驶飞艇在应急管理周期中具有独特的潜力，并讨论了无人驾驶飞艇在监视、搜索和救援以及通信方面的应用，并对飞行控制系统的硬件基础设施和软件进行了详细设计[18]。

有关水上智能无人应急救援装备还有很多，主要以无人水面运载器（USV）为主，如Spartan USV、Proteceor USV等[19]，如图8-图11 所示。

图8 Spartan USV

图9 Proteceor USV

图10 Stingray USV

图11 天翔一号USV

美国某公司为水上救援部队专门设计了一款可折叠式便携冲锋舟。该冲锋舟采用可折叠式设计，便于应急救援行动中大批量携带，不占用运输车辆资源。同时，它可搭载各种尺寸的舷外船用推进电动机，在水中稳定性好，适合于洪涝灾害、湍急水流、河、江、海中救援使用。

美国某公司推出了一款EMILY 应急综合救援机器人及救援装备，如图12 所示，这是一款可以远程控制的无人水上航行器，具有抗风浪和在急流中平稳行驶的特性，还可以配备侧扫声纳，从而获得高分辨率的水底影像，以确定溺水人员、沉没车辆及船只的位置。

图12 美国EMILY 应急综合救援机器人携带救援装备

除上述水上智能无人应急救援装备之外，还有大量研究聚焦水上应急救援相关模块设计和协同系统建设。如有研究开发了基于STM32 的无人水面飞行器应急控制模块，作为一种无人水面飞行器应急控制装置，该设备可通过手持控制器实现8Km 范围内无线遥控接收机的应急控制[20]。还有研究聚焦多智能体协同通信的海上搜救网络建设，利用无人水面飞行器（USV）和无人机（UAV）的分布性、协同性、并行性、鲁棒性和智能化为新型海上搜救构建分层控制网络[21]。同时，有研究关注基于群移动计算的无人机、水面无人机海上搜救，利用无人机（UAV）和无人水面飞行器（USV）组成认知移动计算网络进行协同搜救，利用强化学习（RL）规划搜索路径，提高通信吞吐量[22]。

1.3.2 水下智能无人应急救援装备

水下救援装备的重点在于水下搜寻和水下救援，其特点是深水作业能力强，操作简便。目前比较著名的水下救援装备是美国Jason 系列水下救援机器人[23]。有研究设计了一种突破海上搜救能力和水平的快速、准确、科学有效的智能搜救设备。利用声纳探测技术结合GPS 导航系统和船用电池能源技术，其智能搜救设备可以快速搜索受害者的生命信息[24]。

加拿大某公司生产配备摄像头的水下机器人（ROV），可360 °查看水下情况，通过选择搭载英国生产的TriTech Micron 机械扫描式成像声纳（图13）或TriTech Gemini 720is 多波束成像声纳仪器（图14），可显著提高ROV 识别隐藏物体的能力。这两种声呐采用了压缩高强度雷达脉冲（CHIRP）技术，大大提高了距离分辨率，适用于搜救行动，可以更容易地找到落水人员、事故船只以及溺水人员。

图13 搭载TriTech Micro 机械扫描式成像声纳的ROV

图14 搭载TriTech Gemini 720is 多波束成像声纳的ROV

除水下智能无人应急救援装备外，还有研究关注应用机器学习辅助水下搜救物联网建设，并提出了一种未来海上网络体系结构，以及在信息感知、传输和处理方面的机器学习辅助关键技术[25]。

许多水上和水下救援装备已经在救援实战中得到了应用，目前已经基本形成了现代化的水上和水下救援装备体系。但从总体上来看，水上和水下智能无人应急救援装备体系需要着重提升机动性和快速反应能力，应急救援手段应从单一传感器、单一要素向多传感器、多要素协同同步转变[17]。

1.4 通信救援装备

许多灾害场景涉及地理条件复杂的山区、湖泊等场所，往往会由于缺少通信基站而影响现场的应急救援效率。有研究开发了飞行通信服务器，以一架无人机（UAV）为基本载体，提出了基于Wi-Fi 标准技术和Web 技术的三层通信体系结构，配备了一个单板计算机实现在一个Wi-Fi 基站，一个Web 服务器和一个WebRTC 服务器。即使在蜂窝电话网络/公共无线网络已经倒塌由于大规模的灾难的情况下，用户有自己的私人智能设备（如智能手机）将能够分享的视频从天空疫区，异步交换文本聊天，并进行实时视频通信[26]，如图15 所示。

图15 飞行通信服务器

在海上开展应急救援时，通信网络的顺畅也至关重要。有研究关注了基于多智能体协同通信的关键任务搜救网络，利用无人水面飞行器（USV）、无人飞行器（UAV）等智能设备可以构建多层网络[27]。该网络采用分布式集群控制方式，降低了控制中心的计算消耗，提高了搜救效率。还有研究关注了智能手机在灾害现场救援中的中继通信作用。研究提出了适用于许多不同无线技术的多跳D2D 通信网络系统的概念，第一代智能手机中继原型可以只使用用户的移动设备发送信息，允许在不相连的地区发送紧急信息，并在疏散中心聚集的人们之间共享信息[28]。除此之外，有研究提出利用社交媒体平台，在受灾地区建立有效的通信来辅助应急救援。其提出了一种以用户为中心的方法，在受灾害影响和通信中断的地区建立通信，提出的方案形成特设集群，以促进紧急通信，并将终端用户/用户设备（UE）连接到核心网络[29]。

综上所述，有关通信智能无人应急救援装备国内外已取得了大量的研究成果。许多通信智能无人应急救援装备设计和设想能够切实解决灾害中的通信问题。但从总体上来看，目前的通信智能无人应急救援装备和方案仍多停留在设计和实验阶段，需要尽快投入实战开展应用。

1.5 其它应急救援装备

近年来，自主或遥控机器人在民用领域发挥着越来越重要的作用。有研究关注了用于搜索和救援的协作多机器人系统。特别是多机器人系统具有显著提高搜救人员效率的潜力，可以更快地搜索受害者、对环境进行初步评估和测绘、实时监测和监视搜救行动，或建立应急通信网络等。此研究从算法的角度回顾和分析了现有的多机器人SAR 支持方法，重点介绍了实现机器人间协作的方法，以及通过机器视觉和多智能体主动感知的高级感知方法[29]。

目前我国智能无人应急救援装备仍处于以人为主，智能应急救援装备辅助救援人员进行施救的阶段[23]。在应急救援实战中，智能无人应急救援装备主要表现出环境自适应能力、可靠性、稳定性较差，故障率相对高，导致作业效率相对偏低等[17]。究其原因，存在以下问题。

2.1 装备结构设计方法缺少分类分级，无法满足不同救援场景的实战需求

智能无人应急救援装备的基础结构和构造是实现多方面救援功能的前提。在应急救援实战中，往往会出现复杂多变的救援场景，救援环境也存在较大差异，如果智能无人应急救援装备的结构设计缺少分类分级，则不利于救援装备在不同的救援场景中发挥其救援功能。

2.2 特殊救援场景下装备性能难以满足救援需要，整体可靠性相对较差

智能应急救援装备的应用场景多为震动、危险化学物质、高强度撞击、高温、高湿度等极端及复杂环境，在应用装备进行救援的过程中受到环境因素的影响较大，而现有研究在智能无人应急救援装备的结构设计、功能设置、系统控制等方面都未能将多方面的环境影响因素进行考量并优化装备，容易导致高投入的职能无人应急救援装备在关键实战中无法发挥其应有的作用，总体上的可靠性相对较差。

2.3 复杂环境的通信技术有待于突破，智能化、无人化程度需进一步加强

在灾害应急救援现场，快速精准的通信是成功应用多种类型智能无人应急救援装备的基础条件，也是顺利完成救援任务的重要环节。当前的智能无人应急救援通讯工作仍停留在两个主要层面，一是在救援现场快速搭建通信基站，二是在复杂和极端环境下有效应用通信技术实现通讯要求。目前，我国智能无人应急救援装备的智能化、无人化程度相对较低，其发挥的功能有限。

2.4 不同智能无人应急救援装备之间的协同作战能力亟待加强

目前，我国在自然灾害和安全生产领域的智能无人应急救援装备很多，但存在相当数量的装备功能较为单一，且达不到国际先进水平，在应急救援实战中无法顺利完成救援任务[30]。在应急救援现场开展实际救援活动时，若想顺利高效完成救援任务，还需要无人机、大型挖掘工程设备、相关通信设备等进行统筹，提高救援效率，因此就需要加强不同智能无人应急救援装备之间的协同作战能力。

2.5 智能无人应急救援装备维护与管理模式需优化升级

智能无人应急救援装备精细化程度较高，在极端环境下会导致故障易发多发。同时，智能无人应急救援装备作为应用了前沿科技的设备，当前的维护与管理技术经验往往不充分，受到路径依赖的影响，习惯于用普通企业装备标准维护管理应急救援装备[30]，致使装备的维护与管理面临较多问题，最终影响装备在实战中的有效性。

3.1 标准化、模块化、成套化的分类分级智能无人救援术装备体系逐步形成

在面临较大灾害救援任务，尤其是巨灾场景时，往往需要统筹不同类型智能无人应急救援装备开展协同救援工作，若装备之间不通用，无法联通，在应急救援的关键时刻则无法形成合力，不利于救援工作的高效开展。因此便对装备标准化提出了更高要求，确定好智能无人应急救援装备的国家统一标准，有助于局部应急救援，甚至跨地联合救援的开展。模块化有助于提升救援装备模块的规模效应，最大程度上发挥智能无人应急救援装备模块的专业功能。成套化有助于智能无人应急救援装备的分类分级，减少在实战救援中的匹配成本。在形成标准化、模块化、成套化的智能无人应急救援装备体系后，在灾害发生时，更容易形成较强的战斗力[31]。

3.2 装备性能向着可靠性高、能耗低、环境适应性强等方向发展

在极端和复杂的救援场景下，应急救援装备的制作原材料应考虑前述震动、危险化学物质、高强度撞击、高温、高湿度等情况，同时还应对智能无人应急救援装备的控制系统稳定性进行研究，提高装备控制系统的可靠性。除此之外，操作的便捷性是智能无人应急救援装备的重要发展趋势之一。通过提高智能无人应急救援装备的操作便捷性，可以降低救援装备对操作人员的专业度要求，使得救援人员可在灾难现场快速操作救援装备，提高救援效率，从而在结构、功能、材料和操作多方面实现人机友好。

3.3 通信技术向着应用5G 设备实现极速组网和远距离高精确度通信的方向发展

在硬件方面，随着5G 技术的兴起和广泛应用，应用于救援现场的通信装备将向着微型化、集成化、一体化的方向发展。同时，移动通信车辆也应向着微型化、模块化的方向发展。除此之外，5G 技术的应用将极大的提升通讯设备的信号高穿透性，在复杂环境下保证信号传输质量，为开展救援工作提供基础条件。

3.4 智能无人综合应急救援装备的新基建化

2018年，中央经济工作会议把5G、人工智能、工业互联网、物联网定义为“新型基础设施建设”，正式提出了新基建的概念。2020年，国家正式提出把新基建作为产业转型、产业升级的重要基础工作。在新基建和应急产业融合背景下，智能无人应急救援装备的发展也将向信息化、融合化、创新化方向发展[30]。

3.5 开发应急救援辅助决策系统，实现应急救援装备调配智能化，提升协同作战能力

在面临大灾巨灾等应急救援场景时，需要无人机、大型挖掘工程设备、相关通信设备在灾害现场将进行统筹，全面提高救援效率，这对智能无人应急救援装备之间的协同作战能力有着较高的要求。但应急救援行动往往会出现装备重复配置、资源分散，以及在应急救援过程中无法高效统一协调作战的情况，不利于应急救援工作的开展。因此，为提升应急救援实战中的工作效率，需建立应急救援装备辅助决策系统，同时这成为未来智能无人应急救援装备的发展方向之一[32]。可利用装备基础数据库，建立装备智慧管理决策指挥系统平台[33]。

4.1 注重智能化、无人化共性前沿技术的交叉应用

大数据时代，随着数字和信息技术的快速发展，智能化、无人化技术获得了井喷式发展，人工智能等相关前沿技术得到了快速发展，智能装备可以通过利用机器视觉、语音识别、自然语言处理、知识图谱、生物特征识别等人工智能技术，独立自主完成复杂工作[34]。数字技术和信息技术成为安全生产相关行业进行风险分析与控制的关键手段[11]。作为智能无人应急救援装备的核心，智能化和无人化的需要数字和信息技术的多方面支撑。因此，需要更加注重智能化和无人化前沿技术的交叉应用，创新智能化装备救援理论、认清智能化装备救援形态、摸透智能化装备救援机理[35]，从而从根本上提升智能无人应急救援装备的水平。

4.2 紧贴实战与顶层设计综合发力

智能无人应急救援装备最重要的是保证救援装备可以在复杂的救援环境和场景中发挥作用；
同时，智能无人应急救援装备的研发成本较高，资金投入大，如果不做好顶层设计，会导致资源无法得到最大程度上的利用。

在紧贴实战层面，智能无人应急救援装备作为应急救援队伍的重要工具，对辅助提升救援效率发挥着重要作用。在“全灾种、大应急”救援背景下，应急救援将面临更加复杂、更加多样的灾害救援场景，这也对应急救援的装备配备提出了更为迫切的需求。当前的高精尖救援装备在地方往往在实战中难以发挥其应有的救援功能，不少新装备、高精尖装备仅供展示使用。因此，智能无人应急救援装备的设计和研发应该遵从应急管理的实际需求[36]。

在顶层设计层面，从完善顶层设计、优化分工协作、补齐短板弱项等方面综合发力，塑造多级融合发展格局[17]。尤其应注重高精尖应急产业的发展，在应急产业发展路径和措施上，相关企业和研发机构应坚持需求导向[37]。同时，还应健全我国应急救援装备的国家标准、行业标准、团体标准和产业企业标准，通过完善智能无人应急救援装备标准体系，推动实现跨灾种的多元标准间的互通[38]。

4.3 建立与智能无人应急救援装备发展匹配的系统性维护管理标准

智能无人应急救援装备专业性强、功能多样，在未来智能无人应急救援装备进一步专业化的背景下，若管理方法仍采用信息化程度较低的传统标准，且缺失群管群养和爱装护装，则不利于智能无人应急装备的维护。当前，还有许多地方应急管理部门的救援装备管理仍然相对落后，不能适应新时期应急救援大数据智能化管理的需要[39]。因此，需要加强装备使用的监管力度，完善相关绩效考核制度；
同时，需要强化应急救援装备维护管理标准，推动智能无人应急救援装备维护管理的标准化。还可以加强应急救援装备技术保障研究、装备性能变化规律及故障规律研究[40]。

智能化、无人化是应急救援装备的发展趋势之一，是在重大自然灾害和事故灾难救援中提高救援效率的重要途径。因此，大力发展智能无人应急救援装备，全面提升我国应急救援装备技术水平，可以为应急抢险救灾提供更加有力的保障。推动智能化无人应急救援装备的技术突破及产业化推广，有助于推进我国应急管理体系和能力建设现代化。

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