航空应急救援立体协同关键技术研究

郭爱斌，刘 斌，付 林，高少辉，金 洋，杨志平

（1.海丰通航科技有限公司，北京 100070；2.巴彦淖尔市医院，内蒙古自治区巴彦淖尔 015000）

引言

航空应急救援是指在各类突发事件或灾害发生时，采用航空技术手段和装备，拯救民众生命和减少财产损失，阻止灾害及次生灾害蔓延和发展的一种行为。航空应急救援能力作为一个国家社会公共服务水平、综合实力和现代化程度的体现，关系国计民生、和谐社会建设、民众安危和公共安全［1］。

直升机作为航空应急救援的重要手段，具有其他装备不可替代的重要作用，也因其搜索速度快、覆盖面积广、救援效率高、受地理空间限制少等优势［2-3］，被世界许多国家广泛使用［2，5］。随着《关于深化我国低空空域管理改革的意见》和《关于促进通用航空产业发展的指导意见》等鼓励通航产业发展的政策实施，通航直升机也逐步参与到森林消防、灾害搜救、事故救援、医疗救护等应急救援事件中。但是，由于我国航空应急救援体系尚未建立、航空应急救援标准和法律法规缺失［3］，我国航空救援力量、能力和水平与发达国家差距较大，立体协同救援能力亟待形成，直升机航空应急救援在我国仍有巨大提升和发展空间［3，6］。

本文通过分析我国航空应急救援现状，提出基于云平台构建区域级航空应急救援体系方案，对航空应急救援立体协同关键技术进行研究，利用基于通航云的指挥调度技术、空天地互联互通网络通信技术、基于物联网的便携式机动保障技术和基于VR/AR/MR协同训练技术等关键技术研究成果，促进航空应急救援立体协同救援能力提升。

1 现状分析

航空应急救援与常规地面、水上救援相比，需要应急、公安、消防、卫生等多部门配合，飞行计划申请需要军民航、机场、航空公司等多部门或单位协调，指挥调度关系复杂，涉及空管、飞行、指挥、气象、地面保障等专业，专业性强且涉及飞行安全保障问题［7］。由于我国航空应急救援起步较晚，尚未形成立体协同救援能力。航空应急救能力现状如下：

（1）航空应急救援体系亟需构建

灾害或事故发生后，为了提高救援效率和质量，降低灾害损失程度，必须实施统一、高效、快速的应急救援［8］。航空应急救援体系是为了快速高效地完成救援任务，按照应急预案、指挥流程、飞行规则和气象地形条件，组织航空器、机载救援装备、地面保障装备、保障物资、救援人员等有序运行，是由多个系统组成的复杂巨系统。目前，欧美、日本、澳大利亚等发达国家高度重视航空应急救援体系建设，制定相应发展规划，包括应急救援法规、管理机构、应急救援信息服务系统、应急队伍和资源保障等，形成了比较完善的应急救援体系［9］。随着对应急救援工作的重视，我国已开始着手构建航空应急救援体系。但是，从航空应急救援总体覆盖范围、响应时间到救援效率都落后于发达国家。

（2）综合保障能力亟待提升

航空应急救援需要完善的救援保障设施，如保障基础设施、监视和通信设施等。保障基础设施包括救援基地、直升机起降点、培训演练设施及装备，救援装备（吊桶、光电吊舱、机载医疗设备等）和地面保障装备（移动加油站、太阳能加油站、一站式保障设备、气象仪等）。然而，机载救援装备国产化程度低，现有航空应急地面保障能力不足，缺少能提供专业化服务的保障机场及救援起降点。在监视和通信设施方面，需要利用卫星通信（北斗/天通）、移动通信（4G/5G）和相关专网（如无线自组网［10］）等现有资源及成果，整合和完善空地应急通信网络资源，形成天地一体、互通共享的立体化应急通信服务保障网络，为立体应急保障提供通信、预警、决策、调度支撑服务，满足突发事件处置中各部门、各领域的应急通信需求。

（3）协同应对能力尚未形成

航空应急救援实施和保障过程中需要应急指挥员、120调度员、飞行机组、任务设备操作人员（如绞车手）、随机医护、急诊急救医护、地面保障人员、交警、空管及机场管制员高度协同。针对地震灾害、森林火灾或重大事故救援时，需要多架直升机［11］或直升机与地面救援力量协同完成应急救援任务。目前，我国航空应急力量分散，空域未完全开放，立体协同机制尚未形成。航空应急救援人员培训训练标准缺失，仍以国外培训认证为主，严重制约了救援协同应对能力形成。

2 航空应急救援体系设计

2.1 体系方案

以构建区域级立体救援能力为出发点，结合森林消防、灾害救援、巡逻巡察、物资投放、搜救、医疗救护等救援急救任务，构建涵盖指挥中心、救援网络、救援力量和综合保障的航空应急救援体系（如图1所示），实现体系构建与救援资源融合、效能评估与任务流程融合、机载装备与地面装备融合、应急指挥和日常训练融合，并以任务类型、响应速度、覆盖范围、环境条件、安全保障能力为衡量标准，对救援任务及运行情况进行动态监控、整体布局、统一管理，实现军民资源共享、空地互联互通、人机协同作业，构建安全、高效、快速的应急救援体系，提升区域级立体协同救援能力。

图1 航空应急救援体系建设框架Fig.1 Construction framework of aviation emergency rescue architecture

航空应急救援体系基于云平台实现救援航空器、起降保障场地设施、救援装备、救援机构和救援人员的信息管理和调度功能，以服务方式为各指挥中心提供现有航空器、起降场地和救援装备等航空应急救援资源统计、能力评估与状态管理服务，为航空企业、救援机构和救援人员之间提供业务对接服务。

2.2 立体协同关键技术

航空应急救援体系作为立体协同救援能力形成的基础，需要航空应急救援指挥调度技术、空天地互联互通网络通信技术、机动保障技术和协同训练技术等立体协同关键技术支撑，确保体系完备和可实现。

（1）指挥调度技术

航空应急救援需要跨部门、跨行业协同，救援时各级指挥人员需要掌握应急救援资源调度情况、航空器救援飞行情况、灾害处理情况、病患救治情况，基于一张图实现各级指挥中心、救援基地、起降地点、医疗机构、事故或灾害现场等救援参与方的任务调度情况，实时展示救援事件，救援航空器、救援人员、医护人员、救援车辆、救援物资及装备等资源动态调配情况，提供救援现场起降情况、空域信息、航空气象情报、交通情报等信息支撑立体协同救援指挥调度。

（2）空天地互联互通网络通信技术

航空应急救援任务执行实时性和安全性要求高，由于航空应急救援任务环境复杂，存在救援航空器看不着，叫不到的情况。目前由于单一的监视和通信手段不能满足空天地互联互通通信要求，主要是现有的基于广播自动相关监视（Automatic Dependent Sureillance⁃Broadcast，ADS⁃B）的低空监视，依赖于地面站的支持，航空应急救援飞行任务区域广泛无法实现全国覆盖，且ADS⁃B仅能实现对航空器位置的监视，不支持语音通话功能；救援直升机在进行空地语音通信时仅能依靠起降两个机场的甚高频（Very high frequency，VHF）电台呼叫，无法满足全航程的语音覆盖；偏远地区无手机信号基站地区，无法采用4G/5G技术进行全程定位和通信；北斗卫星系统实时性有待进一步提高，同时其带宽窄，无法进行语音和视频传输；海上救援时使用国外卫星通信产品，无法满足飞行动态数据的安全、可控要求，且设备贵、通信费高。因此，需要综合多种通讯手段，实现空天地互联互通以支持航空应急救援立体协同调度。

（3）机动保障技术

随着通航机场及起降点建设，增强了航空应急救援定点常态化保障能力。针对灾害现场救援条件复杂或事故地点的不确定，需要提升保障设备设施的灵活机动能力，以满足野外航空应急救援任务的指挥、助降、加油等保障需求。除了提升保障设备设施的模块化、集成化水平和适配能力外，需要利用物联网［12］等智能化技术进一步提升保障设施智能化水平，满足救援直升机应急保障和再次连续出动保障的需求，以确保救援直升机高效、安全运行。

（4）协同训练技术

航空应急救援立体协同实施需要各级指挥、保障、作业人员高度协同配合，形成高效协同应对各类应急事件的指挥决策、处置和应变能力，人才队伍建设是航空应急救援综合能力形成的重要体现和抓手。在复杂任务环境下，强大的心理素质和配合能力对救援有序高效运行具有重要作用［13］。相对常规救援救护，立体协同救援对应急管理人员、指挥调度员、保障人员、随机医护/作业人员（如：绞车手）、现场指挥人员、地面配合人员都提出了更高的要求。要求指挥调度员能够根据接报情况在综合考虑救援时效的同时，根据气象和空域条件初步判断是否适合开展空中救援；救援任务实施时能够综合调度不同救援力量和人员协同作业。随机医护/作业人员具备丰富的救援救护经验外，还须具备开展空中急救或作业的能力。现场指挥保障人员除了进行现场资源调度外，能够具备临时处突能力和应急判断能力。飞行机组在确保救援直升机安全飞行同时，能够与地面保障人员、急救医护、随机作业人员协同配合，必要时给予帮助。因此，航空应急救援需要围绕立体协同作业，针对指挥、保障、随机医护/作业人员、现场指挥与配合人员开展全流程、多角色、多任务协同训练，培养符合立体协同应急救援人才队伍。

3 立体协同关键技术解决方案

3.1 基于通航云的指挥调度技术

通航云通过集成管理航空器、机场、起降点、取水点、机载救援装备、地面保障装备等多种资源数据，对接航空情报、天气、交通等数据，构建动态可扩展、实时信息处理、支持不同级别指挥管理人员的航空应急救援指挥调度系统。

基于通航云构建的航空应急救援指挥调度平台架构如图2所示。平台支持从任务接报、指挥调度、事后评估记录、分级管理的全流程管理，通过与现有应急管理平台的融合，实现立体协同指挥调度。该平台作为航空应急救援体系构建的中枢系统，可实现航空救援资源动态监控、航空救援力量整体布局、救援任务统一管理，实现军与民的资源共享、空与地的互联互通、人与机的协同作业，并以单兵终端、车载终端、机载终端、移动终端、PC、指挥大屏等多类终端的数据展示及应用，提升立体协同应急救援能力，达到立体协同指挥调度目标。

图2 基于通航云的航空应急救援指挥平台Fig.2 Aviation emergency rescue command platform based on general aviation cloud

3.2 空天地互联互通网络通信技术

综合北斗、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）定位和北斗卫星通信、天通卫星、4G/5G移动通信等技术，利用多天线一体化终端设备，实现航空应急救援信息数据的全域、全程“零丢失”，连通航空器机载装备、地面救援基地与指挥调度中心，保障立体协同应急救援。打通空-地航空器位置、语音、图像、视频、数据、交互式信息的通信链路，为协同指挥调度提供实时空-地通信通道，实现航空应急救援空-地数据接入、传输、存储、共享和统一管理，实现方案如图3所示。

图3 空天地一体化通信网络Fig.3 Air ground integrated communication network

3.3 基于物联网的便携式机动保障技术

采用机动式保障系统解决方案，集成航空器野外作业时需要的通信、电源、燃料、助降灯光设施、机务维修以及人员生活保障等功能，实现地面保障设备高机动、小型化、模块化、集成化，提升航空器野外作业的保障能力和部署效率。运用物联网技术提升保障设备智能化技术，实时将保障设备的运行状态数据上传到后台数据库，实现对地面保障设备指挥调度，实现方案如图4所示。

图4 基于物联网的航空应急救援保障实现方案Fig.4 Implementation scheme of aviation emergency rescue support based on IOC

3.4 基于VR/AR/MR协同训练技术

采用VR/AR/MR技术构建基于立体协同救援过程的航空应急救援协同训练系统，实现方案如图5所示。该系统可支持沉浸式模拟训练，采用仿真系统和VR技术，支持训练过程数据采集和训练效果评估，可有效降低航空应急救援人才培养成本及安全风险。

图5 航空应急救援协同训练系统方案Fig.5 Scheme of aviation emergency rescue cooperative training system

此外，通过3.1节所构建的航空应急救援指挥调度平台，设置模拟训练模式针对各类救援任务实施预案实现指挥保障人员的协同训练，完成指挥保障人员在具体救援任务中的指挥调度关系、操作指令、操作流程、工作接口、通信信息接口等内容训练，提升指挥人员方案制定、现场指挥、调度和决策能力［14］。通过航空应急模型训练舱（外形如图6所示），配有VR模拟训练平台、绞车模拟操作装置、机载担架（可装卸）和机载医疗设备连接接口等，支持飞行员、随机医护、绞车手的设备模拟操作训练。通过VR模拟训练平台设置不同救援场景（包括森林消防、医疗救护、搜救、野外救援），实现飞行员、随机医护、绞车手和地面保障人员之间的协同训练。

图6 航空应急救援协同训练模拟舱Fig.6 Aviation emergency rescue cooperative training simulation cabin

4 应用验证

4.1 区域级立体协同救援体系构建

在蒙西、川西南、湖北等地构建了区域级航空应急救援体系，实现空地一体化的协同指挥调度。以蒙西空地立体协同应急救援体系为例进行说明。

蒙西空地立体协同救援体系由救援基地、空地立体救援网络、航空应急指挥平台、救援直升机、救护车、航空应急救援运行规范等组成。巴彦淖尔市医院作为救援基地，在急诊楼前建设有直升机的停机坪，配有助降灯光设施和气象设备，具备救援直升机备勤保障能力；航空应急救援指挥平台部署在市医院急危重症指挥中心，平台具备急救人员、地面急救、空中救援、院内诊疗资源的综合指挥和监控能力，同时满足突发事件处置时的资源调度和指挥管理需求。空地立体救援网络由市医院、旗县、乡镇（苏木）医院和90个应急起降点组成，为进一步扩大蒙西航空应急救援范围和提升救援能力，在阿拉善左旗乌力吉苏木卫生院部署了便携式灯光助降设施、加油设施和视频监控设备。

120调度员、备勤机组和医院值班人员可依托航空应急救援指挥平台值班调度，一旦有救援任务，可立刻评估，快速调取任务地点位置进行航线申请等准备工作。应急救援力量部署及连接关系如图7所示。自2018年以来，该体系支持完成400余次航空医疗救护、事故救援、灾害搜救等任务。

图7 区域级航空应急救援力量部署关系Fig.7 Deployment relationship of regional aviation emergency rescue forces

4.2 应用效果

4.2.1 空地立体协同院前急救

任务情况：2021年1月8日13：19，120调度员接报乌拉特后旗潮格镇一名74岁女性心梗病人需要紧急救治。

救援方案：属地救护车到事发地开展现场救治，同步申请直升机救援飞行计划，救护车在乌拉特后旗广场和直升机进行病患交接，通过直升机将病患转运到巴彦淖尔市医院进一步救治。

救援过程：13：29飞行计划批复，13：29病人在潮格镇上救护车，并于14：11到达后旗广场，救援直升机14：04后旗广场落地，完成病患交接后，直升机14：20起飞，14：34市医院落地。具体救援保障信息详见表1。

表1 立体救援保障信息Table 1 Air⁃ground rescue support information min

效果分析：后旗潮格镇到市医院车程2h 4 min，从救护车接上病人到直升机落地共用1h 5 min，飞行计划批复仅用10 min，通过空地联合救治为病人多争取59 min救治时间。

4.2.2 空地立体协同事故救援

任务情况：2019年6月21日14：00，120调度员接报靠近边境甘其毛都口岸国道附件发生一起重大交通事故，多人受伤。

救援方案：120值班领导与机组会商初步采用直升机救援，第一时间将市医院急救医护送往事故现场进行现场救治，适时开展空地立体协同救援。

救援过程：14：20申报飞行计划，14：43飞行计划批复。14：50直升机起飞，15：37抵达事故现场，第一时间将医护人员送往事故现场，对现场伤员进行紧急处置，并根据受伤情况，将需要及时救治伤员通过直升机运送到市医院救治，其余伤员紧急处理后通过救护车就近运送到旗县及乡镇医院。截止22：10，完成所有伤员转运任务，直升机当日往返飞行4架次（其中夜航飞行2架次），累计飞行5h35 min，飞行保障信息详见表2。

表2 飞行保障信息Table 2 Flight support information min

效果分析：在该区域首次开展空地联合立体救援，首次单日完成连续4架次往返飞行。通过120指挥中心、交警、救援基地（市医院）、旗县医院、救援机组、地勤指挥保障人员协同配合，顺利完成空地协同事故救援。

4.2.3 跨区域多机协同医疗转运

任务情况：2018年12月18日，一名甲醇中毒患者视力模糊，症状持续未见好转，家属请求转至北京接受全面治疗。

救援方案：接到转运任务请求后，指挥中心紧急联系全军中毒救治中心对转运任务进行评估，同备勤机组会商决定采用双机联运方式将患者转运至北京，在包头机场进行病患交接，之后贝尔429直升机返回救援基地备勤；接驳直升机阿古斯塔139由北京密云机场飞往包头机场接上患者后再转运至全军中毒救治中心。

救援过程：当日16：39贝尔429直升机搭载病患由市医院飞往包头机场，18：26到达包头机场；接驳直升机阿古斯塔139于15：09从北京密云机场起飞去往包头机场，18：21到达包头机场；病患交接后，阿古斯塔139于19：10从包头机场飞往北京，21：10到达全军中毒救治中心。

效果分析：首次使用双直升机协同完成跨区域夜航转运，历时4h 15 min，飞行900 km；患者得到及时救治完全康复。

4.2.4 防疫物资立体协同运送

2020年1月武汉新冠疫情爆发，基于通航云构建的航空应急救援指挥调度平台在北京、上海、武汉三地值班，完成3架直升机（其中H125直升机2架，H135直升机1架）指挥调度任务，共保障飞行46架次，累积飞行146 h，运送物资约32万件，合计23.5 t。

以2020年2月19日“固定翼+直升机+地面车辆”立体协同防疫物资转运为例。采用波音737将防疫物资转运平台收集的转运需求，包括口罩、防护服、消毒液等防疫物资共计1 237箱，从上海浦东机场运抵武汉天河机场，之后调用7架直升机和地面车辆对防疫物资进行分发和转运，直升机飞行及转运信息见表3，直升机转运物资飞行监控界面如图8所示。

图8 直升机转运调度情况Fig.8 Helicopter transfer scheduling monitoring

表3 防疫物资直升机转运信息Table 3 Helicopter transfer information of epidemic prevention materials

4.2.5 航空应急救援人员协同训练

2019年9月2日-4日，在湖北荆门与澳大利亚Lifeflight公司共同举办了航空医疗救援培训班。将学员按照医疗组、管理组、飞行员及机组进行分类（人员分类及数量详见表4），首次利用航空应急模型训练舱开展不同角色间协同训练（如图9所示），实现基于VR的多种场景、多类装备虚实结合的沉浸式及实操训练，35名学员通过Lifeflight资质认定。

2020年10月29日-31日，在北京举办航空应急救援（直升机）管理理论与实践技能高级研修班，对来自专业应急救援机构、通航公司、医院和航空院校等单位65名学员进行培训（人员分类及数量详见表4）。首次对航空应急救援协同训练系统方案进行应用验证，采用航空应急训练模拟舱、机载外吊挂救生装备和机载医疗加改装系统等进行航空应急救援各类指挥、保障、任务操作（绞车手）和机组人员协同操作理论和技能培训（如图9所示），65名学员通过考核并获得北京市人社局资质认证。

表4 协同训练人员数量统计Table 4 Statistics on the number of collaborative training personnel

图9 基于VR航空应急救援协同操作训练场景Fig.9 Collaborative operation training scene of aviation emergency rescue based on VR

5 结论

本文结合我国航空应急救援特点、现状及发展需求，提出了航空应急救援体系构建方案和关键技术，提出了立体协同应急救援关键技术解决途径和实现方案，并应用于蒙西、川西南、湖北等区域级航空应急救援体系构建。通过航空应急救援人员培训和立体协同救援实施案例，验证了本文所提关键技术解决方案的可行性。通过460余例航空医疗救援实践和武汉疫情防疫物资转运应用案例，验证了区域级航空应急救援体系实际运行效果。蒙西和川西南立体协同航空医疗救援常态化运行，增强了区域内应对突发灾害或事故协同救援能力和水平。

致谢

感谢项目执行过程中所有成员的辛勤劳动，特别感谢王鹏研究员、宋晗研究员、王伟高工、曹文娟高工、赵昂高工、缪秋云工程师、吕政赢工程师、刘志强工程师、周垒工程师和杨拯工程师，以及巴彦淖尔市医院航空救援执行组、攀钢医院航空救援执行组和中船湖北疫情防控救援队为项目的辛苦付出和努力。