地震灾后人员搜救先进技术

地震灾后人员搜救先进技术编者按：纵观国内外进行震后搜救工作取得的经验，受困人员的存活率与实施救助的时间成正比。由于当今社会城市化进程的推进，城市建筑高度、规模以及人口密度都在逐步增加。一旦地震发生，就会造成重大的人员伤亡。地震本是难以抗拒的自然灾害，但是如果运用以先进技术手段为支撑的搜救装备，可以显著提高救援效率，最大限度减轻人员伤亡。现代的震后搜救技术包括物理搜索、生物搜索和高科技搜索。物理搜索通常不需要特殊的设备和专业人员，是灾区群众震后进行自救和互救使用最普遍的搜救技术。生物搜索一般是指通过搜索犬进行的搜救技术，但是搜救犬易受自然环境限制，每次的有效工作时间只有20～30分钟，而且其工作效率取决于训犬人员操作方法以及搜救犬与训犬人员的配合程度。而高科技搜索通过运用特殊检测设备扩展了搜寻范围，极大地提高了救援工作的效率，成为现代搜救工作中不可或缺的技术手段。下文将重点介绍国内外部分先进的搜救技术。1地震救助生命搜索与定位技术系统国家“十五”科技攻关计划课题《地震救助生命搜索与定位技术研究》研制的“地震救助生命搜索与定位技术系统”，分为光学探生仪、声波振动探生仪、红外热像仪三部分。1.1光学生命探测仪光学生命探测仪俗称“蛇眼”，是利用光反射进行生命探测的，主要由探头、可变长金属杆和监视器等部件构成，仪器的主体非常柔韧，能在瓦砾堆中自由扭动。仪器前端细小的探头可深入极微小的缝隙探测，将信息传送回来。光学生命探测仪可以通过废墟堆积层中的空隙或专用钻机钻孔，伸入被困人员附近，确定其位置和生存状态。光学生命探测仪的工作原理是采用光源组件、球像面成像物镜、光学校正镜、图像传感器构成微光探头，把麦克风和喇叭小型化并集成在探头上；通过可变长杆体内的导线把音、视频信号传送到监视器。1.2声波振动生命探测仪声波振动生命探测安装有3～6个振动传感器，通过各传感器所获得声波的微小差异来判断被困人员的具体位置。呼救的声音最容易识别，因为设计者充分研究了人的发声频率。如果幸存者已经不能说话，只要用手指轻轻敲击，发出微小的声响，也能够被它听到。关键是噪声的影响不能太大。声波振动生命探测仪的工作原理为：建立由高灵敏传感器、高精度数据采集卡和专用计算机组成的信号处理探测系统。探测被困人员发出的微弱求救信号，确定被困人员的位置。1.3热红外生命探测仪任何物体只要在绝对零度以上，都会产生红外辐射。热红外生命探测仪利用物体的红外辐射特性与周围环境的红外辐射特性不同，以成像的方式把要搜索的目标与背景分开。根据普朗克热辐射定律可以算出，人体体温在37℃时，其红外辐射的中心波长为9.4µm，其中8～14µm占人体全部辐射能量的46％，这种光谱段就是热红外生命探测仪的一个重要技术依据。热红外生命探测仪具有夜视功能，它的原理是通过感知温度差异来判断不同的目标，因此在黑暗中也可照常工作。热红外生命探测仪不受限于工作环境照度，不需要附加照明光源，可在地震后的浓烟、大火及黑暗等环境中搜索生命。在震后救灾工作中，更适合使用头盔式热红外生命探测仪，便于搜救人员将双手解放出来，用于救援。热红外生命探测仪的工作原理是将热红外信号转换为光学信号。2雷达式非接触生命探测仪2004年，第四军医大学研究人员经过5年的艰苦攻关成功地研制出我国首台雷达式非接触生命探测仪，填补了我国卫生装备的一项空白，标志着我国拥有了具有自主知识产权的雷达式非接触生命探测技术。雷达式生命探测仪是将雷达技术和生物医学工程技术相结合，通过特殊的雷达发射微波，接收反射波后检测是否有人体生命活动所引起的各种微动，并用特殊的生物医学信号处理技术提取人的呼吸、心跳和体动等生命体征，从而探测到在一些废墟、瓦砾、建筑物下是否有人的存在。这种仪器不需要任何接触人体的电极或传感器，实现了非接触、远距离对人体生命信息的探测，探测距离可达30至50m，穿透实体砖墙厚度可达2.3m，并具有自动人体识别功能。主要性能指标达到国际先进水平。3超声波探测技术超声波是指频率在20kHz以上的声波，由换能晶片在电压激励下振动产生，具有穿透本领强、定向性高等特点。基于伪码调制的超声波测距仪，采用可编程逻辑器件实现串行伪码相关，大大缩小了系统体积，提高了系统稳定性。当系统伪码钟频为4.25kHz，米序列长度为127时，经实验测试，信噪比提高42dB，使测距仪最大无模糊距离达60m，测距精度为4cm，最小盲距为10cm。4超宽带电磁探测技术超宽带电磁脉冲是当今前沿研究领域之一。超宽带微波源是指能产生峰值功率﹥100MW、上升前沿为亚纳秒或皮秒量级、相对带宽超过25的电磁脉冲装置。其频谱可以从几十兆赫伸展到几吉赫乃至几十吉赫。虽然这是一门新发展的技术，但目前这种超宽带(UWB)辐射装置的潜在应用价值越来越受到人们的关注。超宽带探测技术通过发射微G级超宽带信号探测目标，用雷达原理测距，通过检测探测目标的回波来判断目标的存在。与红外探测和超声波探测技术相比，超宽带探测技术不受环境温度、热物体的影响，能有效穿透介质，从根本上解决了红外探测受温度影响严重、遇物体阻挡失效及误报率高的问题，也克服了超声探测受环境杂物反射干扰和水、冰、泥土阻挡失效的问题，在地震灾害救援方面有广阔的应用前景。5基于气体测量的搜索定位技术基于气体测量的搜索定位技术主要是指电子鼻。电子鼻的研究始于20世纪90年代，实质上是一种传感器阵列（或称阵列检测器），是仿生技术发展的产物，具有广泛而重要的应用前景。目前，意大利科学家CorradoDiNatale已经利用电子鼻对人类体表皮肤气味进行了分析研究，并取得了初步结果。6低频电磁探生仪低频电磁探生技术，作为世界探生科学的先锋，其实早在20多年前已被物理学家了解，只是近年才被广泛关注。根据生物学理论，人体心脏跳动将发出一种30Hz以下超低频电波，该电波将在人体周围360°扩展形成超低频非均匀电磁场。心脏的超低频电磁场比起高频电场能量虽低，却可以很容易的穿透钢筋混凝土墙、钢板、木板、水以及其它能反射吸收高频信号的障碍物。由于人体心脏跳动产生的微弱电磁场信号的频率范围与动物有很大的差异，在生命探测器的滤波电路设计时，只允许人体产生的非均匀电场对探测器中的特殊电介质材料进行极化，正电荷和负电荷分离，并被分别收集到设备两端，这时探测器就将指示非均匀电场的最强部分，即幸存者的方位。英国研制的IADS生命探测系统，利用微波多普勒运动原理，能够探测在135英尺（41.15m）范围内人体表面的运动，包括心跳和呼吸。适用于营救那些受困于建筑物废墟内、山崖上、雪崩或泥石流中的人员，以及在化学/生物战中受伤的士兵，在空难、火车或汽车事故中的受害者，或是受困在非金属房间内的人质，具有广泛的应用前景。美国弗吉尼亚州的DK实验室（DielectroKineticLaboratories）长期从事于低频电磁救生设备的研发工作，1998年推出了DKLLifeGuard系列探生设备，2005年推出的DKLLifeGuardTM生命探测器为目前世界上最先进的搜救仪器，结合了世界上最尖端的生化、介电质、超低频传导及DNA技术研发而成，已申请多项技术专利，此型号为DKL公司目前设计最成熟的产品。DKLLifeGuardTM生命探测器是一个由以下主要部件组成的传感器：一个发送超宽频信号的发送器；一个侦测接收返回信号的接收器；一台用于读入接收器的信号并进行算法处理的电脑。传感器包含了可编程的固件。传感器产生的信号通过无线传输传送给掌上电脑（PDA控制器）进行显示。传感器和控制器有各自相互独立的电源。DKLLifeGuardTM生命探测器实际上是一个呼吸和运动探测器。雷达信号发送器连续发射电磁信号，对一定空间进行扫描，接收器不断接收反射信号并对返回信号进行算法处理。如果被探测者保持静止，返回信号是相同的。如果目标在动，则信号有差异。通过对不同时间段接受的信号进行比较等算法处理，就可以判断目标是否在动。DKLLifeGuardTM生命探测器提供抢救人员在进入搜救现场时，先行确认其内部是否有人存活，减低抢救人员搜救时的危险程度，并在第一时间侦测出任何遮挡物背后的生存者。以被动接收方式侦测远端微弱心跳介电场的方向，并只侦测存活的人类，而不受其它动物的干扰。能穿越钢板、水泥、复合材料、树丛等各种障碍物，使侦测距离在开放空间可达500m，水面上达1km以上。适用于各种恶劣的天气条件，如果配合便携式电脑及专用的人工智能软件，即可产生侦测的图像和声音信息，进一步提高操作人员的判别能力。7救援机器人前不久，日本科学家研制了一种蛇形机器人，并称它不久就能在地震救援中发挥作用。这种机器人的原理类似于前面提到的“蛇眼”搜索仪器。跟“蛇眼”相比，蛇形机器人更灵活，它的每一个关节都有一个微型马达为其提供动力，活动更为便捷。日本神户市一家国际救援系统研究机构开发的救援机器人能够感知人的体温，并能拍摄到被埋在瓦砾中的幸存者。在9·11对纽约世界贸易中心的恐怖袭击发生后几小时，美国“机器人辅助搜救中心”应纽约市紧急事务管理办公室的请求，赶赴现场，为救援行动提供了技术支持。搜救过程中，共使用了4种机器人系统：Foster-Miller公司的Talon系统；SOIEM系统；Inuktun公司的VGTV（可变形线控跟踪车辆）系统；Microtrac系统。同时，也暴露出了许多问题，如：机器人的防水性能不能适应现场要求，耐久性差，控制线等一些部件加工不够牢固。但随着各单项搜寻技术的不断完善，以及人工智能技术的不断发展，机器人系统的优势将得到充分的发挥，如：处理爆炸危险品，SWAT作业、解救人质、处理化学危险品泄漏等等，它们终将成为人类的好帮手。8运用全球定位系统（GPS）防震GPS是一种卫星定位系统。如果被救援对象身上携带了包含GPS功能的设备，就可以充分加以利用以确定被救援对象的准确地点。日本总务省正以具备接收地面数字电视电波功能的手机为基础，开发一套灾害报警系统。地震、水灾等灾害发生后，如果将地面数字电视的电波发送到这种手机上，处于关机状态的手机可以自动开启。利用这套系统，相关部门能及时向受灾者发送灾害状况和避难路线等信息。日本SGI等公司则开发出一种在自然灾害发生后确认人身安全的系统，其中的关键装置是可以上网并带有GPS功能的手机。中央和地方救灾部门通过网络向手机用户发送询问是否安全的电子邮件，用户可以通过手机邮件回答“平安”或“受伤不能动”，这样，在救灾总部的信息终端上就会显示每个用户的准确位置。目前，在日本使用的手机大约有30%都可以由GPS追踪到。日本电信电话-多科莫公司最近还发明了一种带有GPS功能的头盔，如果平时能备有这种头盔，在地震来临时戴上，则不仅可以起到防护的作用，还可以为救援提供方便。参考文献[1]陈维锋等.地震救助生命搜索与定位技术研究进展.地震地磁观测与研究.2003,24(6):89-94.[2]徐雯琪,王绪本.地震灾害搜救技术现状与发展趋势.防灾减灾工程学报.2005,25(1):81-85.[3][4]=1[5]=23237[6]=197066(曾静静曲建升）