摘要：为提高重特大自然灾害发生后的应急决策效率，基于临近空间无人飞行器平台，结合物联网等先进网络技术研发出一套面向重特大自然灾害的应急辅助平台。灾害发生后的第一时间临近空间无人飞行器快速升空，大范围采集灾害点的视频，图像等宏观数据，通过机载通信模块建立数据传输通道，服务器端实时收集数据，并进行分析与处理，为应急决策提供强有力的支撑。经飞行试验验证平台能够提供实时、可靠的信息，在重特大自然灾害发生之后的应急辅助决策中具有很大的作用。
关键词：临近空间无人飞行器、数据传输、重特大自然灾害、应急辅助决策
一、 概述
由于地质板块的分布特点，我国是世界上地震和地质灾害最严重的国家之一，灾害应急工作的成效关乎人民生命财产安全和政府形象，是国家社会公共安全事业的重要工作任务。
突发性重大地质灾害包括地震、滑坡、泥石流、火山喷发等，其中地震灾害通常是最为严重的地质灾害类型，往往又是群发性地质灾害以及地质灾害链的起因。灾害现场应急工作在现有科技和经济条件下突出具有“较为现实、投入较少、见效较快、实效显著”等优点，因此受到世界各国的普遍重视。理想的灾害应急工作应做到：迅速准确地掌握震情灾情，果断确定救援行动方案，合理调配各种救灾资源[1][2][3]。
灾害应急的突出特点是时间紧迫、事关重大、任务繁重，并要求在灾后尽量短的时间内判断灾情，拟定救灾方案，完成指挥决策，部署救援力量。因此，以灾害应急为目标的灾情服务也需要快速、准确和全面。若采用传统常规手段开展突发性重特大自然灾害应急监测不仅在时效性方面存在问题，同时也会对应急救援人员的人身安全造成严重的威胁。针对已经发生了重大自然灾害的区域，可以利用临近空间无人飞行器快速搜集现场情况，获取现场视频、图像等数据，为应急辅助决策提供数据支撑[4-6]。
二、临近空间无人飞行器系统构成
临近空间飞行器与一般大气层飞行器主要区别在于，临近空间飞行器飞行环境空气稀薄，飞行器面临的一个共性的问题是螺旋桨、机翼、安定面或动力系统的工作雷诺数（Re）低， 通常处于104～105量级，存在气动性能恶化和强非线性非定常效应，并且常规的数值方法难以给出准确预测，严重制约临近空间飞行器的发展。
图1 临近空间飞行器示意图
（1）动力系统。动力系统是飞行器平台的核心部件，临近空间无人飞行器与一般的大气层内飞行器在动力系统方面有明显区别，主要表现为工作面上空气介质稀薄，气流流动特性存在明显的层流效应，低雷诺数下边界层流动存在层流分离、转捩、再附等复杂流动现象，流动处于强非平衡的状态，对外界的小扰动十分敏感，使得对其准确预测变得非常困难。为有效增加飞行器工作时间，并满足灾情监测的实时性要求，避免观测条件不确定性问题，采用螺旋桨飞行器结合无动力翼伞的组合是较为合理的动力系统方案，一方面可以有效降低对动力的消耗率，另一方面也可以实现长时间固定目标位置的监测要求，避免因天气情况导致的遮蔽效应，尽可能满足灾情检测需求。
（2）飞控系统。用来保证飞行器的稳定性和操纵性、提高完成任务的能力与飞行品质、增强飞行的安全性能。临近空间飞无人行器的自动飞行控制系统，控制指令是系统本身自动产生的，同时增加地面遥控功能。飞行器的偏航控制，增升和增阻控制，人工配平，直接力控制以及其它改变飞行器的构形控制，也属于飞行控制系统。
（3）机身。机身是所有其他部件的连接件，结构可以是焊接管、金属片、复合材料、单管栓接或混合结构方式，最大强度重量比的机身是碳纤维材料或焊接管结构[7]。
（4）载荷系统。为完成灾情决策辅助支持系统的信息采集和灾情监测任务，临近空间飞行器平台根据不同任务需求搭载不同的载荷设备，通常为光学、红外，或者雷达等传感器设备组成的信息采集载荷系统，也可根据救灾任务搭载应急通讯临时组网设备构建应急通讯平台。
三、临近空间无人飞行器重特大自然灾害点监测方案设计
以某型临近空间无人飞行器在应急响应辅助决策系统中的应用为例，开展临近空间无人飞行器平台重特大自然灾害的应急辅助决策系统中发挥作用的流程进行分析。
图2 临近空间无人飞行器在自然灾害应急辅助决策系统中工作流程
针对不同情况下应急响应任务要求，临近空间无人飞行器平台可以从合理的起飞点快速升空，对大范围地形地貌进行自主数据采集和灾情监测，具体工作流程主要包含几个方面：
（1）飞行路径确定。灾情发生激发应急响应系统后，根据现有的地形地貌信息，对飞行任务路径进行规划和制定，是完成灾情监测和数据采集的首要任务。因此，接收到决策系统的指令后，必须结合三维数字地形图对任务重点监测地区进行全面的数据调查和系统分析，安全合理的制定航行路线，从而为确保完成数据采集任务奠定基础。
（2）选取工作模式。确保临近空间无人飞行器安全飞行并圆满完成数据采集和灾情监测任务，是制定应急响应决策方案成败的关键。在执行数据采集和灾情监测任务前通过飞控系统的算法优化，确定合理的工作模式，完成高效的监测任务，完整全面的获取灾情信息。
（3）紧急情况处理。由于灾情发生后的地质气象情况复杂多变，地震云、湍流云团[9][10]等突发状况会威胁临近空间无人飞行器执行任务的安全，影响应急决策支持系统制定方案的准确性。因此针对不同的灾害情况，综合考虑各自特点，确定不同的任务执行模式，并在必要时实时调整飞行路径和工作模式，是排除故障确保信息采集任务顺利完成的必不可少的措施。
（4）数据信息处理和分析。旋翼机平台根据灾情监测要求，搭载光学、红外或SAR雷达等信息采集设备，可以在不同天候下进行灾情监测，原始数据可以在平台上进行初步处理后，通过数据链路实时传递到控制中心进行专业的分析处理，获取全面的灾情信息，以便为应急决策支持系统制定救灾方案提供第一手的情报。
四、无人机系统应用于重特大自然灾害关键事项
（1）临近空间无人飞行器系统稳定性
相比于现有的无人机平台，临近空间无人飞行器系统可以在远距离启动进行灾情观测，因而在侦察范围、适应能力具备了多方面的优势，但面对突发重大自然灾害及其并发的复杂气象条件，要完成对灾情监测的信息采集任务，临近空间无人飞行器系统的稳定性和可靠性还需要结合工作环境的特点进行强化和改进，以便高效可靠完成辅助决策支持。
（2）临近空间无人飞行器系统适应性
由于我国突发性自然灾害通常发生在高海拔、地质条件复杂的区域，且通常伴生降雨，云雾等恶劣气象条件，一般大气层内飞行器难以满足灾后信息黑箱期灾情快速采集的要求，在临近空间无人飞行器的构造简单、结构稳定等特点基础上，绕开复杂地形和气流环境的影响，通过临近空间无人飞行器系统自身性能、结构强度、适应能力的优化，提高平台面对灾情的适应性和工作稳定性，保质保量的完成决策系统的信息搜集任务。
（3）实时数据链路传输
为确保灾情监测的实时有效性，提高灾后救援和决策的快速准确性，避免因恶劣天气或突发原因导致的飞行器故障损毁带来的数据信息丢失，临近空间无人飞行器平台需具备与地面控制中心的实时通信链路数据传输能力，采集系统经过预处理后的元数据通过卫星或基站返回控制中心服务器，通过专业的数据处理和信息提取，为应急预案决策提供可靠情报资料，同时，根据救援任务需求，可搭载应急通讯临时组网设备进行短时间内的应急通讯救援网络建设，实现快速恢复通讯和准确传达信息的目的。
五、结论
基于临近空间无人飞行器系统监测系统在重特大自然灾害应急辅助中的应用是一种有效方法，解决了传统监测手段在应急响应中受地形条件、气候条件限制大的问题。与传统的飞行器相比，虽然在航时、航程、载重、稳定性等性能方面临近空间无人飞行器并不具有明显优势，但其有效填补了大气层飞行器和轨道卫星之间近地空间层的观测手段缺失，也避免了灾后气象条件对观测方法和观测手段的影响，具有实时可控方便有效的特点，在基于临近空间无人飞行器技术的应急辅助决策的应用也将是大势所趋。本文的研究对临近空间无人飞行器系统在重特大自然灾害辅助决策中的监测方案设计、飞控模式选择以及关键注意事项等问题都进行了详细的研究与分析，旨在促进现阶段我国重特大自然灾害应急响应工作的进一步发展。
参考文献
[1] 王海鹰，孙 刚等. 地震应急期关键时间阶段划分研究. 灾害学，2013，28（3）：166-169
[2] 聂高众，安基文，邓砚. 地震应急灾情服务进展. 地震地质，2012，34（4）：782-791
[3] 徐锡珍. 面向移动终端的灾害应急管理系统研究与实现[D]. 成都理工大学。2011
[4] 杨小红. 基于地震空间信息网格的震害损失快速评估方法研究[D]. 华中科技大学，2014.
[5] 周力力. 基于3G技术的救援行动信息发布研究[D]. 成都理工大学，2014.
[6] 周隽，花向红，涂伟等. 基于移动GIS的小型移动应急平台的设计和实现[J]. 测绘工程，2008（2）：39-42.
[7] 旋翼飞机飞行手册，美国运输部 联邦航空管理局 飞行标准处，2000 第十八章
[8] 苏刚，胡维民，付彬，原廷宏. 强震前后短期内的异常天气及灾害叠加. 灾害学，1997，12（1）：34-37
[9] 苏海洋，雍际春，晏波，尤晓妮. 甘肃历史地震与气象异常关联性研究之三－明时期. 安徽农业科学，2011，39（28）：17747－17751
作者：刘利宏，男，生于1978年，山西太原人，硕士研究生，工程师，研究方向：流体力学，系统工程