无人机在地震救援救灾中的应用研究

无人机在地震救援救灾中的应用研究摘要随着对环境的破坏，世界各地的地震灾害事件发生的越来越频繁，这不仅严重的威胁到了许多人的生民和财产安全，并且这也影响到了社会的稳定性。而随着通信技术、人工智能等高新科技的发展，以无人机为代表的智能救援逐渐出现在灾害救援的第一线，其取代了以直升飞机和运输飞机等有人飞行器进行航空救援。无人飞行器相对于有人飞行器，其具有制造成本低下、便于救援人员操作、灵活性高等特点。在对灾区地形测绘、灾区的实时监控、构建通讯基站、物资与医疗设备的投放扮演着重要的角色。所以无人飞行器在地震救灾方面还具有非常大的发展空间。关键词：无人机航空救援地震灾害人工智能ResearchontheapplicationofUAVinearthquakereliefABSTRACTWiththedestructionoftheenvironment,moreandmoreearthquakedisastersoccurallovertheworld,whichnotonlyseriouslythreatensthesafetyofmanypeopleandproperty,butalsoaffectsthestabilityofsociety.Withthedevelopmentofcommunicationtechnology,artificialintelligenceandotherhigh-tech,theintelligentrescuerepresentedbyUAVgraduallyappearsinthefirstlineofdisasterrescue,whichreplacesthemannedaircraftsuchashelicopterandtransportaircraftforaviationrescue.Comparedwithmannedaircraft,unmannedaerialvehicle(UAV)hastheadvantagesoflowmanufacturingcost,convenientoperationforrescuepersonnelandhighflexibility.Itplaysanimportantroleintopographicmapping,real-timemonitoring,constructionofcommunicationbasestation,materialandmedicalequipmentdelivery.SoUAVhasaverylargedevelopmentspaceinearthquakerelief.Keywords:UAVAviationrescueEarthquakedisasterArtificialintelligence目录TOC\o"1-2"\h\z\t"1标题,1,1.1标题,2,1.1.1标题,3"摘要 IABSTRACT II1绪论 11.1课题背景 11.1.1无人机的简介 11.1.2无人机发展史 11.2研究的现状及其意义 21.3本文研究方法及内容 21.4本文需要解决的问题 32无人机于地震的应用 42.1地震所造成的灾害 42.2无人机在地震灾害中的实际作用 42.2.1地震灾害的预防 42.2.2灾后区域的实时监察 42.2.3重新构建灾区的通信系统 52.3无人机救援技术的发展趋势 53固定翼无人机与多旋翼无人机 63.1固定翼无人机 63.2多旋翼无人机 63.3两者在地震区域工作的优势 74无人机救援方法 85救援的效率与精度 95.1地震监测与防震工作 95.2培养灾后救援体系专业人员 95.3完善救援设备硬件配套与救援体系 96结论 11参考文献 12谢辞 131绪论1.1课题背景1.1.1无人飞行器的简介 UAV（无人机）又被叫作无人驾驶飞行器，它是由无人机机身、无人机任务载荷、飞控和地面站等系统组成的。它现在的动力来源是油动或者是电动，其利用无线的飞行遥控设备和地面站程序对无人飞行器进行操作和控制。在飞行器上可以搭载各种各样的装备，使其可以进行航拍、植保、侦察和监视、物资投放、救援灭火等功能。无人机从技术角度可以分为：多旋翼无人飞行器、固定翼无人飞行器、无人驾驶直升机等；从其他不同方法对无人机进行分类还可以分为很多种。无人机相对于载人飞行器相比，它的机身体积相对来说比较微小并且具备制造成本便宜、操作简易、危险系数相对较低等优点。随着先进的生物技术取得关键性进展，必将在人工智能领域获得大量应用。在5G技术出现的今天，5G具有的低延迟、高速传输的特点，将其与无人机相结合，甚至会改变有人机无人机协同作战的基本模式。1.1.2无人机发展史 1917年，应该是历史上无人机出现的一年。在那个年代由于发动机、通讯技术、航空航天技术等各种技术发展还未完善，所以当时所制造出来的无人飞行器大部分都被国家当作是靶机来进行使用。无人机在历史上的发展阶段大致可以将其粗略分为（1）靶机起步（2）当作获取战阵信息的侦察机和诱饵机（3）现代多功能、多种类、多用途、体系完善的三个阶段。靶机起步作为无人机的第一个阶段，在这个阶段无人机发展的基础被奠定了。1933年，在那个战争频发的年代，为了可以在国家防空领域中具备优势，“蜂后”靶机被英国科学人员研发了出来。而美国在无人机这个领域也不甘示弱，于1339年后也投入了大量资金与力量对靶机进行自主研发。在第二次世界大战结束之后，许多国家都发现了无人机在战争当中的重要作用，所以大部分损坏的战争飞机都被用作无人机和靶机的研究与开发，这为以后无人机的发展使用埋下了伏笔。近代，随着传感器和芯片技术的高速发展，无人机配备上高科技的传感器和芯片，在通讯技术的支持下，让无人机在除了军用方面也得到了蓬勃的发展，例如在救援救灾、农业植保等危险工作等发面都发挥了无法比拟的优势。而继续随着先进的生物技术取得关键性进展，必将在人工智能领域获得大量应用，高层次人工智能技术在无人机系统中的应用必将会显著提升无人机的自主决策能力，赋予无人机系统更大的自主权限，甚至会改变有人机无人机协同作战的基本模式。1.2研究的现状及其意义近年来，世界各地的地震灾害事件频繁发生，严重威胁到了人民的生命和财产安全，同时也对社会稳定造成了较大的影响。而随着通信技术、人工智能等高新科技的发展，以无人机为代表的智能救援逐渐出现在灾害救援的第一线，代替了大部分以运输机、直升机等飞行器进行航空救援（利用航空技术手段和设备所进行的应急救援）。相比于有人驾驶的飞行器，无人机具有成本低、易操纵、高度灵活性等特点，在空中监视、空中测绘、空中通信、空中喊话、紧急救援、应急照明等领域发挥了越来越重要的作用。并且在执行特殊任务时，无人机由于可以采用远程遥控操作，一般不会造成人员伤亡，具备其他措施无法比拟的优势。所以无人机在救援方面还具有非常大的发展空间。因此，我们应当继续深入研究无人机在地震救援救灾中的应用，寻找无人机在救援中更为适合的装备配置，扩大其优势地位，并找出其不足的地方，给予可行的改良方案。1.3本文研究方法及内容对于本次无人机在地震救援救灾中的应用研究，本人通过认真科学地收集、查阅、总结和这次毕业论文相关的材料信息；翻阅并深入了解与学习文献资料，并尽自己最大的能力扩充查阅文献与资料的范围。在查阅的过程中了解无人机在地震救援救灾中的国内外应用现状，分析现阶段各类无人机所具有的优势地位和找出其存在的不足的地方，将其进行对比，找出更适合地震救援救灾的无人机，并对其弱势方面进行深一步的探索讨论，并咨询从事相关行业的人员，再通过自身所学知识和思考，给出改良该类型无人机的可行方案。本文一共分成六个部分，每个部分的相关内容如下所示：第一部分：阐述了本论文的研究背景及研究目的和意义，无人飞行器是什么，对无人飞行器的发展历史做出阐述。第二部分：举例无人机在地震救灾中的实际应用：综述无人飞行器在国内外地震救援救灾行动中的优点并介绍无人机在现代的发展方向、地位以及无人机在地震救援技术未来发展的方向和趋势；第三部分：介绍多旋翼无人飞行器与固定翼无人飞行器的异同点，分析两者在地震救援救灾中的优缺点。第四部分：在灾情严重和救援环境恶劣的情况下，研究无人机的救援方案。主要包括：无人机救援装备的配置问题，科学合理的救援方法，营救幸存者如何实施有效的救援措施等关键环节。第五部分：研究无人机灾后救援的准确性和高效性问题。第六部分：结论。1.4本文需要解决的问题1.如何提高无人机在救援中的效率与精度问题；2.无人机在灾后复杂地形中的飞行安全问题；3.无人机救援装备配置问题。2无人机于地震的应用2.1地震所造成的灾害地震对于自然界和人类来说是一种非常复杂并且极具危险的自然灾害。由地震所引发的火山灾害、海啸、放射性物质的扩散等灾害都给人类社会活动和自然界生态平衡的发展具有重大的威胁。例如在汶川大地震中，造成了68977名人员遇难；在唐山大地震中，造成了242419人不幸身亡；而在日本的福岛地震当中，不仅仅造成了人员的伤亡，还导致福岛核电站损毁，散发出了大量有害的放射性物质，对生态环境造成了严重的破坏。所以在现代社会中，加强地震监测预防工作，做好防震救灾预防措施，提升灾后救灾救援的准确性和高效性，是一项重要的任务。而当地震发生之后，我们要科学合理的运用救援办法，营救灾后幸存者，减少人民群众财产的损失，并保证救援人员的生命安全。2.2无人机在灾后救援的作用 2.2.1对地震灾害的预防 无人机具备机动性好、能实时传送消息的优势，所以给地震预测工作提供大量的实时数据资料这些工作可以让无人飞行器来执行，并且无人机造价不高，可以使用多台无人机全天候侦擦地震频发的区域，这可以给预防地震的部门提供了实时有效的第一手资料，这使防震部门获得了坚实可靠的保障。不仅如此，无人机还能够进行低空飞行进行航摄，可以在地震发生的高频区域进行二十四小时全天候的地势地质勘查，然后将一手资料传送给专业人员进行研究分析，建立系统完善的地理信息系统。 2.2.2灾后区域的实时监察 在地震发生之后，山体崩塌、地陷等灾害可能会导致救援部队和救援仪器无法第一时间进入灾区，所以很难快速有效获取灾区最新的地理信息数据。在天气状况不好的情况下，遥感卫星也会受到很大程度的影响。而无人机的机动灵活、不受天气和复杂地形的影响等特点恰好可以克服这些困难。无人机在受灾地区可以快速获取高分辨率的正射影像图，生成灾区DOM数据，紧跟着通过宽带无线通讯网络，将其获取的信息实时传送到救援指挥中心，有利于指挥中心快速指定科学合理的救灾计划。而在救援部队在进行救援时，无人机还能进行实时的监测，给与救援部队最大的帮助。 2.2.3重新构建灾区的通信系统 在受灾现场，为了更好的提高救援救灾的效率，这时候应急救援的人员首先需要的是与指挥所之间能够进行实时的通讯，所以如何保障受灾现场的通讯信号是非常关键的。随着当代各种科技的发展与不断结合，使的各种元器件的功能不断的增多和体积的不断缩小，这使得无人机的功能和任务载荷也在不断的增加，所以无人机也在不断的发展。相比于其他交通运输工具，大部分的无人机都能在地势复杂的地方进行起飞工作，所以许多科学家都在研究如何使无人机变成一个中继通信设备。因为这会让通讯在战争和救援的过程中变得便利。随着科学家们的不断研究，中科院对“无人机遥感网络体系关键技术研究与示范”开展了大量的实验。最终，这些实验验证了无人机可以成为一个中继通讯设备来使用。因此，利用无人机搭载通讯设备，恢复地震受灾现场的通讯信号，这不仅可以提高救援人员的就在效率，让指挥部第一时间了解救援人员的情况，给他们提供强而有力的帮助。2.3无人机救援技术的发展趋势 目前，无人机技术已初步实现了对灾区进行实时图像拍摄、地形地势勘探、关键物资运输等基本功能。但在实际应用过程中，无人机还需要在以下几方面进行探索、优化：（1）首先，最需要解决的是无人机的飞行航时问题，因为现在的电池缺乏足够的动力，无人机甚至很难保持飞行时间能够超过30分钟，所以我们需要对无人机的电池能量寿命进行改善，使得它们能够具有更长的航时；（2）从长远来看，随着机器智能化和自主化的发展，人——机和机——机这种组合将成为救援任务搭配的常态，无人机通过编队合作，以最快的时间和最少的设备对受灾地区进行区域扫描分析，能最大程度的提高搜救效率；（3）机身结构智能化，随着只能科技材料技术的进步，使得无人机能够更好地适应不同情况下的飞行。新材料也使无人机具有更高的推重比和更低的雷达散射面积，可以配备更多有效的救援设备；（4）随着5G技术的全面普及和高速发展，无人机在未来的操控方法就不再是简单的使用遥控器又或者是利用飞控和地面站对无人机进行控制了。而是朝着人机交互的方向去发展，我们只需要给无人机下达任务指示，那么航线航时各种不同的数据无人机都会给我们规划好，这就是无人机的全自主控制。随着无人机与人工智能的深度结合，无人机便可以像阿尔法狗那样，可以对算法进行自我学习与自我优化，从而使无人机在以后的工作中具备更高的效率。。3固定翼无人机与多旋翼无人机3.1固定翼无人飞行器V尾布局、飞翼布局、常规布局等这些布局都是大部分固定翼无人机的机身结构，而在目前这个阶段，常规布局的固定翼无人机经常被用作航拍航测方面。虽然常规布局的固定翼无人机从制造、调控等方面相对于其他布局的无人机比较简单，但是其在飞行过程中的飞行时长和飞行稳定性与飞翼布局的无人机相比处在劣势地位。随着现代科学技术的不断发展，无人机飞控也在更新迭代，具备了越来越多的功能，进而放大了飞翼布局无人机的优势，使其在航拍航测中逐渐取代了常规布局的无人机，取得了主力位置。固定翼无人机所配备的电机电调数量少于多旋翼无人机，所以其具有较大的气动效率；并且在空中作业时间较长。如果使用的是油动力系统，其工作时长可以达到几个小时；在空中飞行时，它的飞行速度较快，飞行高度较高，这是因为机翼上下面的压差和气流冲击效应导致的，所以固定翼无人机在空气密度相对低下的环境也可以安全可靠的作业。但固定翼无人机所处在的劣势也是非常明显的：（1）由于其自身无法保持自稳，所以在空中飞行的工程中无法做出高难度的飞行动作和悬停，在高速飞行航拍的过程中，对拍摄设备的硬实力是一个巨大的挑战；（2）机身上面也需要配备数量繁多的传感器，这对飞机控制器的设计也是一个巨大的挑战；（3）固定翼飞机与大型飞机是一样的，它的起飞与降落都需要一条平滑的跑道或者配备弹射架，并且在飞机爬升的过程中，前方不能有障碍物，否则会导致飞机起飞失败，严重时还可能导致飞机坠毁。3.2多旋翼无人机多旋翼无人机主要是利用电机转动带动螺旋桨，在螺旋桨高速旋转的时候产生飞机运动的动能，这种运动方式主要是利用了气流冲击的效应。在平常，我们使用较多的都是四旋翼无人机，所以我们从四旋翼无人机来大概介绍一下多旋翼无人机。四旋翼无人机的运动过程是由于其机身上面的电机转动的速率的不同所导致的；当后面两个螺旋桨的转速大于前面两个螺旋桨的转速，这就会使无人机后半部分产生的升力大于前半部分，从而使得无人机向前飞行。诸如此类，我们通过控制无人机电机的转速就可以精确的控制无人机的飞行姿态。并且多旋翼无人机的飞行过程比较稳定。可以进行垂直起降和空中悬停，所以多旋翼无人机在一些地势相对复杂的地方也可以安全飞行和执行任务。当旋翼的个数增多，这会使无人机的飞行稳定性进一步增强，并且可以进一步保证无人机的飞行安全。当其中一个旋翼失去动力时，也可以保证无人机的稳定飞行，从而使无人机飞行员获得宝贵的返航降落时间。而且多旋翼无人机的操作控制也相对简单，使操作者更容易入手练习。但与固定翼无人机相比，多旋翼无人机也具有无法掩盖的缺点。由于多旋翼无人机具有的电机数量多，所以对于电池的消耗很大，导致其在空中作业的时间较短，具有较低的飞行效率。并且在空气密度较大的区域，由多个电机转化的升力效率较低，所以飞行效率和飞行安全无法保障。3.3两者在地震区域工作的优势对于固定翼无人机来说，其相对于多旋翼无人机的优势是飞行速度块和飞行时间长，所以固定翼无人机可以用于地震刚发生后对受灾全部区域进行航测侦察，完成大体的受灾区域的建模分析，使救援团队能够第一时间获取灾区信息。但是固定翼无人机起飞需要跑道或者弹射架，飞机爬升一定高度需要一片空旷区域，不能做到垂直起降，飞机降落需要伞降或者滑跑降落，降落精度和安全性不高，所以无法对灾区进行物资的投放和在灾区自由起降，所以地震受灾区域在一定程度上局限了固定翼无人机的工作能力，并且固定翼无人机无法配备过多的救援设备，因此不能对受灾群众进行准确的搜救。而对于多旋翼无人机来说，其具有飞行高度低、高机动性、能配备多种装备的特点，可以在近距离探测损毁建筑物，并各类传感器监测建筑物内有无幸存者。而且多旋翼无人机还能进行垂直起降，不需要弹射器、发射架进行发射，这给在地势复杂的受灾区域工作的救援部队提供了起飞条件。并且其可以在空中悬飞的能力，使其能够在地震灾区紧急搭建临时的通讯网络。但是多旋翼无人机的飞行速度要比固定翼飞机的速度慢、续航时间短。 但是总的来说，多旋翼无人飞行器跟适合在地震灾区等复杂地形的地方展开救援工作。 4无人机救援方法现阶段的无人机由于机身的体积关系，使其无法配备过多的救援装备，所以导致单独的一台无人机无法完整的完成救援任务，这就需要多台无人机进行编队配合，并且协助救援队员完成救援任务。而在灾后救援的首要任务就是对受灾区域进行地图测绘，这就利用了无人机三维建模技术，可以绘制三维灾区图和灾区地质灾害评估二维地图，从不同角度对灾区可能发生的次生灾害类型、规模、区域、临界因素等重要信息进行详细标识，还能估算出滑坡体的最大方量，从而针对性制定施工人员撤离路线图和疏散方案，为救灾工作提供进一步的保障。无人机要进行测绘一般需要：传感器、飞行平台、地面系统、数据处理等四部分组成。地面系统包括用于作业指挥、后勤保障的车辆等；影像获悉系统包括：GPS、航摄管理系统、航空投影仪、云台等；数据处理系统包括：空三测量、立体测图、正射纠正等；飞行平台包括：无人机、通讯系统。在对受灾区域完成了地图测绘之后，由指挥中心安排合理的线路使救援部队安全进入灾区对幸存者进行营救。而无人机则可以作为有力的救援设备，帮助救援部队完成工作。在灾区救援的过程中，无人机可以进行远距离的视频传输，让指挥部实时了解救援进度。若需要进行视频传输，机上必须载有合成孔径雷达、电视摄像机、红外探测器三种侦察设备和数字通信设备。研究表明，确保伤员在“白金10分钟，黄金1小时”内得到有效救治，可以提升火线伤员的早期救治效率，最大限度减少人员的死亡和伤残[1]。所以在灾区救出伤员并对其进行简单的救治处理后，可以使用无人机在最短时间将其快速后送至专业救治机构，在这方面，我国的亿航公司研制的多旋翼式无人机——“亿航184”，这个名字的含义是：一个乘客八个螺旋桨和四支向外伸出的机臂。而随着这几年的不断开发与研究，现在亿航的无人驾驶载客飞机已经可以支持两位乘客，这可以使在救灾的过程中由医护人员在旁照顾受伤人员。并且这台无人机的任务载荷达到100kg，这也使飞机上面配备医疗设备获得了前提条件。在对伤员救治的同时，我们还可以利用无人机当作重构灾区通讯信号的载体，但由于多旋翼无人机在空中悬停需要消耗大量的电量，使得无人机无法在空中持续的发送通讯信号。而为了解决无人机的电池容量和续航问题，我们可以在灾区使用系留无人机，因为系留式无人机具备布置灵活、操作简单的特点，只需要一个工作箱即可开始工作，并且系留无人机是可以靠一条光纤进行持续的供电，这很好的解决了无人机的续航问题。而且在城区、郊区以及起伏较低的山谷、丘陵这些地势复杂的区域，系留无人机也可以通过升高飞行高度满足信号的覆盖要求。并且一台系留无人机的覆盖区域可达到5-10km。5救援的效率与精度5.1防震与监测防震减灾工作的三大体系所指的是：地震监测预报、地震灾害预防、地震紧急救援。1、地震监测预报体系：地震监测和速报；前兆信息的捕捉；地震预测预报；群众性地震动物宏观网络；建立重点地区防震减灾系统工程等。2、地震灾害预防体系：城市建设的地震安全性评价和抗震设防；地震灾害预测和评估；地下隐伏断层探测和危险性评价；抗震能力较弱建筑物的加固；村镇要建设符合抗震设防要求的公共设施和住房等。3、地震紧急救援体系：破坏性地震预案及相关预案的制定；生命线应急保障队伍的组建、完善及演练；地震应急救灾指挥中心的建设；地震应急指挥通信系统建设；地震应急专项资金、救济物资、药品等储备。5.2培养灾后救援体系专业人员现阶段我国灾后救援的人才主要源于各个正规的医学院、国家与地方部队。但由于无人机是一个新发展起来的行业，所以具有大部分救援人员对无人机的操作并不熟悉与流畅。对此，我们需要开展一个关于如何使用无人机进行救援救灾的专业，去教导与研究如何在第一时间内在现场更具效率的拯救受灾群众的生命。对此，我们可以学习外国使用无人机的救灾技术，例如在刚发生不久的尼泊尔地震，在这场抗震救灾中，无人机所发挥的作用与其他直升机相比不相上下。无人机为尼泊尔救援部队提供了灾区受灾情况的照片和实时信息；并且给救援部队投放物资，保证救援行动正常进行。但如果要想无人机在救援中发挥出巨大的作用，则需要救援人员掌握如何使用无人机或培养大量能飞会飞的无人机飞行员。在救援人员学习完飞行课程后，还可以开展一些灾后救援演习，于演习中找出可能存在的问题，并加以解决，尽可能的提高救援救灾的效率。5.3完善救援设备硬件配套与救援体系现阶段，由于无人机技术的快速发展，无人机已经可以对灾区进行图片和影像得拍摄，对地震灾区地形地势勘察，投送关键医疗物资等基本功能。但是要实现这些功能，数量过少的无人机是没有办法实现的，在地震发生的第一时间里，全国的应急无人机力量无法在第一时间由一个组织统一的调度和指挥，当地震灾害出现的时候，很可能出现有应急无人机但无法使用的情况。但现在已经进入了互联网和信息时代，全国的通讯非常的方便和快速，所以急需将这些无人机力量纳入应急救灾的体系当中。并且，随着无人机的继续发展，无论是国内还是国外，在对地震灾区进行援助的时候，都会出现无人机熟悉的身影。无人机以自己的独有的方式在为地震救援救灾中贡献出了一份独一无二的力量，也成为了救援部门的重要补充力量。虽然中国现在与无人机相关的企业繁多，，大多数的无人机相关企业的人