基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)

趙嘉厚 孫鳳婷 陳 浩 周君曉 馬向虎 朱海龍

（東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000）

0 研究背景

我國(guó)江河湖眾多，且存在眾多優(yōu)質(zhì)的天然海濱浴場(chǎng)，吸引了眾多游客慕名前來(lái)，給沿海城市旅游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了巨大的活力，也增加了城市的經(jīng)濟(jì)收入[1]。以大連市為例，大連市海岸線(xiàn)總長(zhǎng)超過(guò)2 200 km，截止目前，已開(kāi)發(fā)的海濱浴場(chǎng)59 個(gè)，良好的浴場(chǎng)條件、適宜的海濱氣候可以為城市帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)收入。然而我國(guó)及一些沿海發(fā)展中國(guó)家的水上救援措施較為落后，每年都有許多人因?yàn)椴荒塬@得及時(shí)救助而失去寶貴的生命?？茖W(xué)研究表明，溺水救援的黃金時(shí)間為4 min，因此，快速救援對(duì)溺水者有至關(guān)重要的意義。

傳統(tǒng)的救援方案多依靠岸邊救生員肉眼發(fā)現(xiàn)遇險(xiǎn)事故，再?gòu)陌哆咇{駛沖鋒舟或橡膠艇前往事發(fā)地點(diǎn)進(jìn)行救援，現(xiàn)有救援方案存在救援效率低、救援不及時(shí)等問(wèn)題，并且靠救生員肉眼發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情存在一定的延遲。因此，尋找一種高效率的救援方式十分重要。

在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的歐美沿海國(guó)家，救援設(shè)施較為先進(jìn)，例如采用無(wú)人機(jī)或水上機(jī)器人救援。楊淮清、肖興貴等人針對(duì)海濱浴場(chǎng)救援研究設(shè)計(jì)了一種實(shí)用化水面救援機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)由視頻監(jiān)控對(duì)救援對(duì)象進(jìn)行搜尋，利用機(jī)器人速度快的優(yōu)點(diǎn)，先由機(jī)器人抵達(dá)被救助對(duì)象附近并投擲救生器材以及其他施救器械，再由救生員進(jìn)行人為救助；王小龍等人[2]研究了一種高處無(wú)人機(jī)救援裝置，包括全景攝像機(jī)及高處救援機(jī)構(gòu)；美國(guó)oceanα 公司研制了Dolphin1 遙控救生裝置，該設(shè)備可從岸邊或船上投放，遙控至被救人員身邊進(jìn)行救援。但上述救援設(shè)施存在救援成本高、被救人員使用不舒適等缺點(diǎn)，因此針對(duì)該救援方式，如何降低救援成本、考慮使用中的人機(jī)工程學(xué)就顯得尤為重要。

1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 救援流程

根據(jù)以上分析，該文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)，該救援系統(tǒng)由救援手環(huán)、伺服救援裝置以及管理監(jiān)護(hù)終端3 個(gè)部分組成，其中伺服救援裝置包括浮子和救援機(jī)器人，管理監(jiān)護(hù)終端包括可視化微信小程序和救援人員使用的監(jiān)護(hù)終端。救援手環(huán)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴人員的安全狀態(tài)并將信息傳回監(jiān)控終端，一旦發(fā)生危險(xiǎn)，救援手環(huán)將向監(jiān)控終端發(fā)出報(bào)警信號(hào)，由監(jiān)控終端的救援人員遙控控制伺服救援裝置對(duì)救援對(duì)象實(shí)施救助，實(shí)現(xiàn)救援對(duì)象與救援裝置的“一對(duì)一”精準(zhǔn)快速救援。

救援手環(huán)設(shè)有2 種求救方式：1）佩戴人員主動(dòng)求救。如果佩戴人員有意識(shí)，可按下主動(dòng)求救按鈕尋求救援。2）被動(dòng)求救。如果佩戴人員無(wú)自主行動(dòng)能力，則由血氧檢測(cè)模塊判斷是否處于危險(xiǎn)情況，處于危險(xiǎn)情況就發(fā)送求救信號(hào)。

管理監(jiān)控終端接收到求救信號(hào)后，微信小程序?qū)骰氐臓顟B(tài)、位置信息進(jìn)行可視化處理，救援人員根據(jù)信息遙控控制伺服救援裝置，救援機(jī)器人脫離浮子平臺(tái)前往救援。救援機(jī)器人在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下前往求救人員的位置，達(dá)到地點(diǎn)后，根據(jù)救援機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，求救人員將救援機(jī)器人移動(dòng)至適當(dāng)位置后，由兩側(cè)把手為肘部提供支撐，最后氣囊充氣排水，以增強(qiáng)救援機(jī)器人載人后的浮力，達(dá)到調(diào)節(jié)重心的目的。

1.2 設(shè)計(jì)方案

下面對(duì)救援過(guò)程中涉及的具體救援與監(jiān)測(cè)方案和通信方案進(jìn)行說(shuō)明。

1.2.1 監(jiān)護(hù)與救援方案

伺服救援裝置可根據(jù)實(shí)際需要在監(jiān)護(hù)區(qū)域外圍及中間排布，從而實(shí)現(xiàn)多角度、高效率的監(jiān)護(hù)與救援，伺服救援裝置呈陣列式分布在海域內(nèi)。當(dāng)游客求救時(shí)，由距離最近的救援機(jī)器人脫離浮子平臺(tái)，對(duì)游客進(jìn)行救援。該方案對(duì)保障近岸水上人員的安全、提高救援效率具有積極意義。

該救援方案具有以下3 個(gè)特點(diǎn)：1）采用水上伺服救援的方式，救援機(jī)器人可在第一時(shí)間到達(dá)事發(fā)地點(diǎn)，救援效率高；設(shè)計(jì)救援機(jī)器人時(shí)，充分考慮了人機(jī)工程學(xué)，為被救人員提供全方位可靠的支撐，且可以通過(guò)氣囊調(diào)節(jié)重心，避免被救人員受到二次傷害。2）邊界區(qū)域往往是傳統(tǒng)救援的死角，通過(guò)合理布置浮子平臺(tái)，利用浮子平臺(tái)上的攝像頭，可對(duì)邊界區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海域的全方位監(jiān)護(hù)。3）游客主動(dòng)求助與被動(dòng)求助相結(jié)合，與傳統(tǒng)靠救生員肉眼發(fā)現(xiàn)救援對(duì)象相比，該方案可以實(shí)現(xiàn)求救及危險(xiǎn)信息的多路傳送，有更高的時(shí)效性。

1.2.2 通信解決方案

該系統(tǒng)將2.4 GHz 非聯(lián)網(wǎng)方案與4G+MQTT 輕量物聯(lián)網(wǎng)方案相結(jié)合。

考慮到救援手環(huán)的成本問(wèn)題，在不影響傳輸效率的前提下，救援手環(huán)將監(jiān)護(hù)人員定位、狀態(tài)等信息通過(guò)2.4 GHz 非聯(lián)網(wǎng)解決方案發(fā)送給浮子平臺(tái)，浮子平臺(tái)利用2.4 GHz 模塊接收消息后，通過(guò)4G 模塊將信息發(fā)送給部署在阿里云服務(wù)器上的MQTT 服務(wù)器。管理監(jiān)護(hù)終端通過(guò)微信小程序向MQTT服務(wù)器訂閱有關(guān)主題從而獲取信息，最終形成將救援手環(huán)的報(bào)警、位置等信息傳輸給監(jiān)控管理終端的方案。此外，救援機(jī)器人的定位信息、視頻圖像以及語(yǔ)音通話(huà)等也將傳輸給監(jiān)控終端。救援人員利用2.4 GHz 非聯(lián)網(wǎng)方案遙控救援機(jī)器人。

該通信方案適用于海上受限環(huán)境，且在不降低傳輸效率的前提下，降低救援手環(huán)與系統(tǒng)部署的成本。具體通信方案如圖1 所示。

圖1 通信解決方案

1.3 手環(huán)設(shè)計(jì)

基于Arduino Nano 開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)的救援手環(huán)，設(shè)有血氧監(jiān)測(cè)模塊、NEO-8MGPS 追蹤模塊、主動(dòng)按鈕以及OLED 顯示屏模塊?？紤]到救援手環(huán)小體積、低成本的需求，采用2.4GHz非聯(lián)網(wǎng)解決方案將血氧、GPS 位置等信息以浮子平臺(tái)上的信號(hào)基站為中轉(zhuǎn)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送給管理監(jiān)護(hù)終端。

設(shè)計(jì)的手環(huán)實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 救援手環(huán)（拆除防水罩）

1.4 伺服式救援裝置設(shè)計(jì)

伺服救援裝置包括救援機(jī)器人和浮子平臺(tái)2 個(gè)部分。伺服狀態(tài)下，救援機(jī)器人固定于浮子平臺(tái)上，有救援任務(wù)或其他任務(wù)時(shí)，救援機(jī)器人脫離浮子平臺(tái)進(jìn)行工作。

1.4.1 浮子平臺(tái)

浮子平臺(tái)的主要功能有固定救援機(jī)器人、信息中轉(zhuǎn)、救援機(jī)器人供電以及邊界監(jiān)控等。

浮子平臺(tái)通過(guò)錨系固定部署在監(jiān)護(hù)區(qū)。其上設(shè)有高功率2.4G 模塊和4G 透?jìng)髂K。2.4G 模塊用于接收所有救援手環(huán)發(fā)送的位置、狀態(tài)信息，采用4G 模塊將上述信息發(fā)送給部署在阿里云上的MQTT 服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)信息中轉(zhuǎn)。浮子上的充電模塊可以為固定在浮子上的救援機(jī)器人供電，攝像頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)海濱浴場(chǎng)邊界的監(jiān)控。

1.4.2 救援機(jī)器人

救援機(jī)器人的主要功能包括及時(shí)趕到事發(fā)地點(diǎn)救起遇險(xiǎn)人員并將其固定帶回岸邊、在浴場(chǎng)邊界巡邏喊話(huà)等。

救援機(jī)器人為雙體結(jié)構(gòu)形式，與單體形式相比有更高的穩(wěn)定性。機(jī)器人裝有GPS 定位模塊，用于在大范圍內(nèi)確定救援路線(xiàn)；上部裝有防抖攝像頭，用于操控人員對(duì)救援對(duì)象進(jìn)行小范圍搜尋和狀態(tài)觀察。機(jī)器人裝有喇叭和拾音器，用于與被救人員或其他游客對(duì)話(huà)。此外，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，充分考慮了人機(jī)工程學(xué)，設(shè)有肘部支撐、胸部支撐，以保證救援對(duì)象的正常姿態(tài)，防止人員脫離救援機(jī)器人，且后部裝有可調(diào)節(jié)氣囊，當(dāng)被救人員到達(dá)機(jī)器人規(guī)定的位置時(shí)，氣囊充氣排水，可增強(qiáng)浮力、調(diào)節(jié)重心。

救援過(guò)程中，救援人員通過(guò)2.4 GHz 射頻收發(fā)器遙控救援機(jī)器人進(jìn)行救援。機(jī)器人由2 個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，單個(gè)電動(dòng)機(jī)功率可達(dá)到450 W，保證了救援裝置的行進(jìn)速度，從而提高救援效率，電機(jī)則由鋰電池供電。機(jī)器人不載人時(shí)的水上速度可達(dá)6 m/s，載人時(shí)的速度為2 m/s。沒(méi)有救援任務(wù)時(shí)，機(jī)器人處于伺服狀態(tài)并固定在浮子平臺(tái)上，可由浮子平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行充電補(bǔ)給。

救援機(jī)器人渲染圖和實(shí)物圖如圖3、圖4 所示。

圖3 救援機(jī)器人渲染圖

圖4 救援機(jī)器人實(shí)物圖

1.5 監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

微信小程序?qū)崟r(shí)從MQTT 服務(wù)器獲取信息，最終實(shí)現(xiàn)在微信小程序上顯示手環(huán)佩戴人員的狀態(tài)信息以及在小程序的騰訊地圖上實(shí)時(shí)顯示手環(huán)佩戴人員以及救援機(jī)器人的位置。

2 創(chuàng)新特色

2.1 遠(yuǎn)端多點(diǎn)布控，定點(diǎn)監(jiān)控與巡查結(jié)合

外圍遠(yuǎn)端部署伺服救援裝置（浮子平臺(tái)和救援機(jī)器人），浮子平臺(tái)漂浮在海面上，救援機(jī)器人停泊在浮子平臺(tái)上且處于伺服狀態(tài)，一旦接收到求救信號(hào)指令，距離救援地點(diǎn)最近的救援機(jī)器人直接從浮子平臺(tái)出發(fā)進(jìn)行施救，與傳統(tǒng)的人工救援方式相比，其救援效率更高，也更及時(shí)。

2.2 游客主動(dòng)求助與被動(dòng)求助相結(jié)合

救援手環(huán)設(shè)有主動(dòng)求救按鈕和血氧監(jiān)測(cè)模塊，從主動(dòng)求救和被動(dòng)求救2 個(gè)方面保證救援對(duì)象遇險(xiǎn)時(shí)能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到救援，與傳統(tǒng)靠救生員肉眼發(fā)現(xiàn)救援對(duì)象相比，做到了求救及危險(xiǎn)信息的多路傳送，有更高的時(shí)效性。

2.3 采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多路信息高效傳送

系統(tǒng)涉及浮子平臺(tái)、救援機(jī)器人以及監(jiān)護(hù)管理終端等多設(shè)備的信息交互，傳遞的信息包括聲音、視頻、定位以及求救信息等，對(duì)準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性的要求較高，該系統(tǒng)的信息傳送方案采用2.4GHz 非聯(lián)網(wǎng)解決方案與4G+MQTT 物聯(lián)網(wǎng)解決方案相結(jié)合的方式，在保證使用功能的同時(shí)，大大降低了系統(tǒng)成本，非常適合在水面等比較開(kāi)闊的區(qū)域中應(yīng)用。

3 應(yīng)用前景

世界衛(wèi)生組織在2017 年發(fā)表的《全球溺水報(bào)告》指出，全球每小時(shí)有將近42 人死于溺水，每年溺水死亡數(shù)估計(jì)有36 萬(wàn)例，占全球總死亡率的9%，溺水已經(jīng)是一個(gè)主要的公共安全問(wèn)題[3]。

該文所設(shè)計(jì)的救援系統(tǒng)不僅提高了救援效率，降低人身安全損失；而且節(jié)省了救援成本，救生員無(wú)須下水即可完成救援，降低了救生員的救援危險(xiǎn)。如果將該系統(tǒng)應(yīng)用在海濱浴場(chǎng)，就能在長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)過(guò)程中降低管理者的運(yùn)營(yíng)成本，更大限度地保障游玩人員的安全，而且能夠給投資者帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，具有可觀的市場(chǎng)應(yīng)用前景。該系統(tǒng)還可布置在各種無(wú)人看管的近岸水上區(qū)域，最大程度地保證涉水人員的安全，從而降低人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

該文針對(duì)傳統(tǒng)近岸水上救援方式存在的缺點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的伺服式近岸水上救援系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多路高效傳送信息，以低成本的方式提高了近岸水上救援的效率。同時(shí)，遠(yuǎn)端多點(diǎn)布控，定點(diǎn)監(jiān)控與巡查結(jié)合、游客主動(dòng)求助與被動(dòng)求助相結(jié)合的救援方式，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)、多角度、高效率的監(jiān)護(hù)體系與救援系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)加強(qiáng)近岸水上安全性，提高水上應(yīng)急救援?dāng)?shù)字化、智慧化，實(shí)現(xiàn)全民共享，優(yōu)化水路通行結(jié)構(gòu)，提升服務(wù)水平，構(gòu)建便捷高效、安全綠色的出行體系有一定的借鑒意義。