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智能应急救援装备发展趋势

行业资讯 On 2020-12-02

面对地震、塌方、火灾等灾害现场高效救援的需求,随着智能技术的不断发展,智能应急救援装备的发展可划分为三个阶段。第一阶段,智能应急救援装备辅助救援人员进行施救。此时,救援人员仍然是救援的主体,但智能应急救援装备能够通过主动完成小部分搜救任务,为救援人员提供有效的救援信息,起到辅助作用;第二阶段,智能应急救援装备与人协作,共同承担救援任务。此时,救援装备能够智能的完成感知、分析、推理、决策、控制等功能,独立完成部分救援工作;第三阶段,智能应急救援装备为救援主体,救援人员只需要进行辅助即可。此时,应急救援装备高度智能化,可独立完成各种复杂任务。目前国内外智能救援装备的研发仍处于第一阶级。我国在智能应急救援装备产业方面的研发具备一定的基础,基本掌握了智能救援装备的设计制造、控制系统软硬件、运动规划等相关技术,不少装备拥有自主知识产权。未来,我国智能应急救援装备的发展趋势如下。

4.1 装备结构向着面向通用/专用复杂需求的环境、结构、材料、驱动一体化设计方向发展

(1) 针对不同灾害现场的救援需求,将新型机构、新材料、新驱动等应用于救援装备的机构设计中,并采用结构、尺度一体化设计方法,使其能够灵活高效的在狭小空间等特殊场合完成既定功能,并具有结构简便、刚度高、可靠性好等优点。例如,对于部分中度及重度自然灾害,道路、桥梁损坏严重或者边远山区交通闭塞,陆地运输严重受阻,而现有水路和空中运输工具的运输能力有限,缺乏可快速抵达救援现场的有效装备,模块化的快速拆装结构是救援装备的发展趋势之一。通过结构的模块化设计并建模分析不同的模块对结构刚度和可靠性的影响,可最终实现大型智能应急救援装备高效拆分与组装,该技术可实现救援装备快速组装后投入抢险救援任务,大幅提高救援的时效性。

(2) 在机构的数学建模中,实现结构、材料、环境一体化建模。将工作空间、材料变形、环境的振动、非周期性冲击载荷等复杂环境条件作为模型中的重要因素,精确建立一体化模型,精确反映其功能特征。在此基础上,可采用神经网络等算法,实现机构智能的构型综合及设计,以满足功能要求。

(3) 通用大型工程机械装备快速转化为专用大型救援装备技术是发展趋势之一,该技术可实现通用大型工程机械装备在平时服务于国家经济建设、在灾害发生时能够转换成专用大型救援装备,在灾害救援中发挥一机多用的功能。为此,需要提出系统的结构设计方法。

4.2 装备性能向着高可靠性、低能耗以及较好的环境适应性的方向发展

在可靠性方面,应急救援装备应该在地形复杂(崎岖路面、泥泞土地等)、环境不确定因素高(余震等引起的建筑物坍塌易造成不可预知的冲击)、极端环境出现率高(高温、湿热、腐蚀性环境等)以及长时间使用的复杂条件下具有高可靠性,不易发生疲劳、磨损、腐蚀等问题。因此,应开展高温热场下防护材料、极寒条件下防护材料、自修复材料、高强度轻型材料等新型材料的研究;开展救援装备自润滑机理研究,减小摩擦磨损;对控制系统稳定性及突发条件下的自恢复方式进行研究,提高软件系统的可靠性。同时,提出面向地震、塌方等复杂灾害条件下的动态/静态相结合的可靠性分析方法,实现对不同救援装备可靠性的定量评估。

在能源利用方面,由于灾害现场能源紧张,很难及时提供大量能源供众多装备长时间使用,应急救援装备应具有能耗低的特点,即在保证运转功率和使用时长的基础上,所消耗的能量最少。此外,对于未来的智能应急救援装备,体积小、转化率高的太阳能、生物质能、地热能、氢能等新型能源装置可在救援装备上进行使用,尽可能地实现就地取材完成能量转化,以解决灾害现场紧缺的能源问题。

在环境适应性方面,灵巧的结构将使得可移动智能应急救援装备向着极端地形适应性的方向发展,具有很强的越障能力和运动效率。结合其在极端环境下信息传输的实时性与可靠性、夜间环境感知的准确性等性能,智能救援装备应能够在不同时间、不同空间、不同地形下都能够进行使用。

4.3 装备的智能化向着极端环境精准感知、多维信息自主决策、智能容错、多机动态协同的方向发展

在环境感知方面,微型光学结构纳米传感器、钙钛矿单晶数字图像传感器等新型的传感器及深度学习算法将应用于智能救援装备上,通过多传感器融合技术、高效的信息提取与处理技术、多任务并行及动态分析等先进的技术,并结合遥感技术及多机多信息判断,实现在坍塌或危化品爆炸后造成的废墟、浑浊复杂的水下区域、动态的杂乱环境、烟尘等造成的视线受阻等条件下实现较为准确的环境感知,为运动决策提供准确的参考。

在自主决策方面,面向救援现场复杂任务,动态概率网络决策方法、基于贝叶斯网络的决策方法等新型的决策算法将被应用于智能救援装备上,并通过突破面向大规模连续状态及具有高维空间的增强学习方法等相关技术,大幅提高决策问题的求解效率,最终实现智能应急救援装备将向着复杂任务高效的自主决策及高鲁棒性的方向发展。此外,救援人员与救援装备决策的矛盾分析与自主判断也是自主决策未来发展的方向之一。

在智能容错方面,智能应急救援装备未来应能够实现智能容错,即在部分构件或系统因不可预知因素发生故障时,可通过自适应动态规划(Adaptive dynamic programming, ADP)等智能的自学习策略改变运动方式或控制模式,最大限度地继续完成相关工作,以减少由于装备故障而对救援工作造成的影响。

在多机协同方面,智能救援装备由单一装备独立完成某一任务向着多机协同的方向发展,通过采用元启发式优化算法、动态规划算法等先进的算法,多装备共同协作完成某一任务,扩大救援装备的使用范围,完成大量单一装完无法完成的工作,将更多的救援人员从危险的救援工作中解放出来。

4.4 通信技术向着设备的极速组网、复杂空间环境多元信息远距离高穿透性精准通信的方向发展

在硬件方面,应用于灾害现场的通信装备将向着小型化、集成化、一体化的方向发展,通过移动式和固定式相结合的方式,以便能够省去繁琐的组网过程,实现在狭小空间内更加高效的硬件搭建。特别地,移动通信车辆也应向着小型化、模块化的方向发展。

在关键技术方面,5G 通信技术将被用于救援装备,高速、低功耗、低时延将大幅提高救援效率。同时,高温、高压、多重覆盖物阻隔等极端条件下的信息传播衰减机理将被揭示,语音、视频、文字多媒体通信方式同步采集及融合技术,空中、地面、地下、水下等具有复杂障碍物的多维空间的高穿透技术将被突破,最终实现极端环境下人机/机机高效通信。

4.5 救援装备向着操作便捷、人机友好的方向发展

操作的便捷性和人机交互的友好性是智能应急救援装备的发展趋势。对于前者,虽然智能装备因功能丰富,结构和控制系统都较为复杂,但操作的便捷性不可忽视,这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。对于后者,救援装备应具有友好的交互界面,以提高救援人员对复杂救援装备的接受程度。

除上述发展趋势外,结合现有应急救援装备的性能特点,建立一套完整的性能评价体系是应急救援装备领域的发展趋势之一。通过建立一系列标准体系,可以减小不必要的浪费,实现救援资源的快速整合。

结论

智能化是应急救援装备的发展趋势之一,是在重大自然灾害和人为事故救援中提高救援效率、保障救援人员和受困人员生命安全的重要途径。因此,大力发展智能应急救援装备,加强重大自然灾害的防治瓶颈技术的研发,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。智能救援装备种类繁多,根据救援环境和用途的不同,可分为空中救援装备、陆地救援装备、水下救援装备以及通用救援装备。在综述了智能应急救援装备及共性技术国内外发展现状的基础上,指出了我国智能应急救援装备的研发还存在缺乏面向通用/专用不同需求的结构设计方法、特殊灾害环境下的救援装备的性能不佳、智能化程度不高、通信基站技术不成熟、人机交互效果不佳等问题,这都使得智能救援装备尚未在大型救援现场得到广泛应用。指出智能应急救援装备将通过多学科融合,在结构设计、环境感知、自主决策与运动控制、高效通信及人机交互等方面实现智能化,最大限度地代替救援人员完成救援任务。