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地震救援机器人在芦山Ms7.0地震中的应用
2017-09-29 13:46:54 来源: 作者: 【 】 浏览:309次 评论:0

    近年来,全球范围的地震灾害不断频发,给当前的现场救援技术带来了巨大的挑战。大多数情况下,地震现场存在着诸多不确定的因素束缚了救援人员快速、高效、安全的开展工作。因此,辅助人类进行地震搜救工作的机器人成为地震应急救援发展的一个方向。

    随着9·11”恐怖袭击之后,许多国家都从军事和救援角度,开始了反恐、防化、救援等特种机器人的研发。以日本、美国和中国等自然灾害频发国家为代表,都投入了大量的人力和物力,根据各自国家的研究特点和灾害类型,进行了救援机器人研发。尤其是日本“3.11”地震及海啸引起的核污染灾害,敲响了全世界范围地震搜索救援工作的警钟,地震救援行动如何在有毒或核辐射环境下工作,也成为了研究的热点,地震救援机器人的研制势在必行。

    中国地震搜救中心与中国科学院沈阳自动化研究所等科研单位在“863”计划“救灾救援危险作业机器人”项目的支持下,共同研制和开发了地震废墟搜索与辅助救援系列机器人样机,同时针对机器人样机在国家地震紧急救援训练基地模拟地震废墟环境下开展功能测试和实验的相关数据进行了分析,并在防震减灾演练与国际重型救援队分级测评(IEC)中获得肯定,初步验证了我国自主研发的地震辅助救援机器人的可靠性。2013年芦山Ms7.0地震发生后,项目组成员第一时间携带废墟搜索机器人与旋翼飞行机器人这两款产品赶赴灾区,协同中国国家救援队开展搜救工作。

1 地震辅助救援机器人介绍

    地震辅助救援机器人的研制是一个模块功能集成化的过程。该系列机器人相对于传统的人工搜索,具有多种优势。首先,机器人可以通过履带爬行和螺旋桨飞行,其行进速度快于在废墟上行走的救援队员;其次机器人负重能力强,可以携带多种传感器,实现废墟内,图、声、气、温等多种检测可以更有效的发现被困者的位置;同时机器人的机动性和搬运破拆能力都强于普通人类,而且通过电池补给可以连续工作,提高搜救的效率;最后,机器人救援的形式,提高了救援队员的安全系数,可以避免二次倒塌所带来的伤亡。未来通过机器人的性能与感知能力的不断提高,以及大规模的救援人员操作培训,该系列地震救援机器人便可以大规模投入现有国家地震应急救援队的现场工作中。

    1.1废墟搜索机器人

    废墟搜索机器人可以根据任务的类型及环境改变自身的构型,适应更多种地震废墟(图1)。代替救援人员进入危险或无法进入的废墟;搜索幸存者及可能有幸存者的空间;随时监视废墟的变化,防止发生倒塌危及救援人员;提供幸存者周围环境信息及救援通道的信息,方便施救。

    利用自身携带的红外摄像机、声音传感器将废墟内部的图像、语音信息 实时传回后方控制台,供救援人员快速确定幸存者的位置及周围环境,为实施救援提供救援通道的信息。

 

1  废墟搜索机器人结构              图2  小型旋翼机器人工作照片

    1.2旋翼飞行机器人

    地震灾难发生之后,在救援的“黄金72小时”内,开展并完成救援工作能最大限度的抢救幸存者的生命以及减少灾难造成的损失。因此,及时了解地震现场情况对救援工作的有效完成具有重要意义。

    项目成果之一的旋翼飞行机器人最大任务载荷为40kg,最大巡航距离可达到120km,最高可在高度3000m高空(海拔)飞行,最大巡航时间1.5小时,抗风能力不小于6级。与无人驾驶飞机相比,旋翼飞行机器人有两大优势:可以较长时间定点悬停,获取目标地的详细影像资料;能够垂直起飞降落,不需要跑道(图2)。

    小型旋翼无人机主要功能是提供房屋损毁及倒塌、画面场景精确位置、搜救人员地面线路、救援人员现场作业等实时信息,并协助救援队完成危楼建筑排查工作。

2地震救援机器人在芦山地震中的应用

    北京时间2013年4月20日8时02分四川省雅安芦山县(北纬30.3,东经103.0)发生7.0级地震。震源深度13公里,震中芦山县龙门乡99%以上房屋垮塌。截至2013年4月24日10时,共发生余震4045次,3级以上余震103次,最大余震5.7级受灾人口152万,受灾面积12500平方公里地震共计造成196人死亡,失踪21人,11470人受伤。

    地震发生后,项目组迅速启动应急预案,北京、沈阳、成都三地进行联动,迅速落实赴灾区机器人小组成员。地震发生当天,地震辅助救援机器人由沈阳出发,次日下午,抵达芦山县城抗震指挥部,途中花费29个小时。

    2.1废墟搜索机器人开展搜救工作

    进入灾区后,废墟搜索机器人全程配合救援队进行废墟排查工作。龙门乡乡政府所在地受灾较重,街道上多处门店受地震破坏严重,主承重墙受损,有随时倒塌的可能。加之震后余震不断,极大的威胁到搜救队员的人身安全。此刻,废墟搜索机器人的作用凸显而出。在研发人员的熟练操作下,该款机器人顺利进入严重破坏的建筑物中,由楼梯爬上二楼,传送回的实时画面清晰。对整个楼层进行了搜索,确定无人员受困之后,机器人安全返回,完成该栋危楼的排查工作(图3)。

 

                    图3 典型废墟搜索工作                         图4对损毁房屋进行识别

    在救援队工作期间,有村民告诉救援队,在龙门乡红星村有一处废墟,原来是一栋“7”字型的二层楼房,地震发生前二个月,夫妻带小孩外出打工,村民不知道家里是否有别人住。经废墟搜索机器人进入废墟搜索,经过排查,未发现埋压人员。

    2.2 小型旋翼无人机在救援工作中的应用

    小型旋翼无人机可以作为30-40人规模的救援分队装备,作业范围为乡级(约50km2),需操作人员3人,可进行自主/遥控飞行模式自由切换。

    在指挥部下达废墟搜索命令后,该机器人成功完成自主起飞、空中悬停、航迹点跟踪飞行、超低空信息获取、自主降落等科目,实现了对地震废墟区域的快速信息获取与实时影像回传。在震中龙门乡、清仁乡等6个乡镇开展了交通情况勘查、宏观灾情采集、废墟搜索、危楼排查等工作,为搜救行动效率的提升贡献了力量,为救援队有针对性地调度和部署提供了决策依据,相关信息也为当地政府抗震救灾决策提供了帮助。图4为小型旋翼无人机通过视觉轮廓匹配及模板辨识技术可对损毁、倒塌房屋、人员进行识别。

3、机器人参与芦山地震救援的思考

    地震救援辅助机器人从设计到完成,参与芦山Ms7.0地震救援行动是其第一次真正进入实战。通过本次救援行动,这2款机器人根据所处废墟环境,充分发挥自身特点,为地震救援工作提供了帮助。

    归纳起来,芦山地震中使用的2款机器人具有如下优点:相对比较小巧,可以抵达废墟现场;设备性能稳定,未出现异常,可以正常工作;小飞机获取的实时图像清晰,提供画面场景位置信息精确,完全满足应急救援需求。

    然而,在实战应用中,也暴露了一些实验室测试中未发现的问题。

    首先,从机器人出发到抵达指挥部,途中花费29个小时,时间太长。必须反思如何提高机器人的运送效率。产品设计要合理,如果存在运输中违禁的配件等要提早发现,妥善处置。平时要建立起可行的联动机制,一旦发生地震,就要有多方面力量联动,保证救援机器人快速、安全抵达灾区。

    其次,相对而言,废墟搜索机器人在芦山Ms7.0地震救援中并未充分发挥出它的功能。主要由于震区位于四川山区,损坏的建筑物多以土木结构、砖木结构的民宅为主,房屋倒塌后,很难形成适合该款机器人工作的废墟环境。通过本次救援行动,我们对该款机器人的工作环境有了更清晰的认识,它更适合城市地区发生大震后的废墟环境,形成较宽阔的空间供搜索机器人工作。

    再次,如何建立救援辅助机器人与救援队的协同工作机制,提高搜救效率?这需要在平时在救援队日常训练中,救援机器人多参与进来,逐步建立起救援辅助机器人与救援队的联动机制,全面发挥救援辅助机器人的巨大潜力。

    最后,就是这2款救援机器人的体积、重量还是稍大,如遇交通堵塞的情况,则无法进入目标废墟开展工作。同时,还需要进行人机交互技术优化,提高其操控性,尤其是适合对非机器人专业的救援队员的操作,这也是未来该系列地震搜索救援机器人能广泛推广的重要环节,如何让操作方式简便、易学、实现一个良好的交互人机技术是未来研究的关键环节。

 

Tags: 责任编辑:kepu
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