智能救援救生圈優化設計

吳寶有 尹英磊 李曉琪

摘 要：智能救援救生圈是一種帶有動力裝置的新型水上救生裝置。采用U型結構，由尾部的兩個推進器、內部的電路系統、定位系統、配套的遙控及接收裝置等組成。救生圈連接三種不同的控制器可實現三種不同的救援功能。（1）遙控救援救生圈。連接遙控裝置，由施救人員遙控救生圈前往救援落水者。（2）距離感應式救生圈。連接配套手環，游泳者佩戴手環下水游泳，救生圈將始終與佩戴的手環保持一米左右的距離。（3）樁站式自動救援救生圈。連接定位手環，游泳者佩戴手環下水游泳，遇到緊急情況，按下手環紅色按鈕，在救生圈存放點的對應救生圈會自動脫鉤，滑下水面，以最大速度奔向求助者！目前使用的救生圈體積大，重量重，在實際使用時，由于重量重，投擲距離不遠，救援范圍有很大限制，并且對救援人員的素質和能力有較高的要求，同時還存在投擲的救生圈砸中落水者的風險。我們所設計的智能救援救生圈是一種能遙控前往救援的新型水上救生裝置，整體長度86厘米，寬度70厘米，總重約為4kg，使用簡單、安全，可靠。一鍵啟動既可以使用，適用于消防專業救援及家庭旅游防護救援。

關鍵詞：智能;救生圈;遙控;距離感應

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.166

0 引言

救生圈是水上救援最為常用的救生設備之一，應用較為廣泛，在船舶航運、水上作業、水上旅游休閑以及抗洪救災等場合均需配備。目前市面上使用的救生圈只有單一的漂浮功能，救援效率上顯然不足。在國內，日益頻發的溺水悲劇從側面也反映出救援人員的意識措施和裝置存在很多方面的不足，尤其高效救援裝置的普及化存在很大的空白。一個不用救援人員涉險而又能高效迅速的傳遞給被救人員的救生圈，在分秒必爭的救援中顯得尤為珍貴。

1 救生圈結構設計

智能救援救生圈采用U型殼體結構、殼體內部安裝有動力電池、中央處理單元、定位裝置、遙控信號接收裝置，電調，無刷電機及噴水推進器。救生圈的三維模型圖如圖1，整體結構布置圖如圖2，1處噴水推進器及無刷電機安裝在尾部左右各一個（左側為1號推進器，右側為2號推進器），2處安裝電調左右各一個左側為1號電調，右側為2號電調，3處安裝遙控接受裝置，4處安裝中央處理器和定位裝置，5處安裝發光而二極管，6處安裝動力電池組。外環預留的四個穿繩孔穿上符合救生圈規范的直徑為12mm的合成纖維把手索繩。

該智能救援救生圈外殼整體U型，救生圈本體符合《SOLLA公約》要求，外表呈現橙黃色，貼有50mm發光帶圈四處，由前段半個橢圓及中間橢圓柱以及后端圓柱和由鉸鏈相連的套筒組成。救生圈與推進器套筒鉸鏈連接，可自由旋轉，實現了救生圈任意一面落水，推進器均可以埋沒于水線之下，增強其可靠性，且可以提高推進效率。救生圈左右兩邊各兩個拉繩固定孔，穿上繩子方便落水者抓住救生圈。救生圈尾部兩端蓋可以拆開，將內部電池、主控、接收器、電調等置入救生圈內，避免了多處開孔，保證了密封性能。

2 救生圈的功能使用

本救生圈圈體連接三種不同的裝置實現三種不同的救援功能。

2.1 遙控式救生圈

救生圈圈體內中央處理器連接遙控器，實現一個可遙控救生圈。

該裝置在平時懸掛于船舷側，配套遙控器存放于傍邊專用存放箱。在需要救援時，取出救生圈，打開救生圈和遙控器電源，將其盡量擲向落水者，救生圈與遙控器無線連接，操作者操作救生圈遙控器控制救生圈靠近落水者。落水者抓住救生圈繩索，將腋下部卡入U型內部，雙手拉住兩側拉繩，操作者將遙控救生圈將其帶回岸邊。

2.2 手環式自動跟隨救生圈

救生圈圈體中央處理器連接一個感應手環，實現一個跟隨救生圈。

此救生圈主要應用于海水浴場、游泳館等大型水上游樂場所。當有人需要下水游泳時，佩戴一個定位手環，開啟救生圈電源，實現手環與救生圈配套連接，將救生圈放入水中，救生圈將始終與游泳者保持一米左右的距離。當遇到緊急情況，按下手環中的紅色按鈕，救生圈將立即縮短與游泳者的距離。實現安全救援，給游泳者帶來保障。

2.3 樁站式自動救援救生圈

救生圈圈體中央處理器連接一個定位手環，當遇到危險時按下緊急求助按鈕，救生圈實現自動救援。

此救生圈同樣主要應用于海水浴場、游泳館等大型水上游樂場所。在離岸100米左右處設置自動救援救生圈樁站。游泳者佩戴定位手環后，下水游泳。當游泳者遇到緊急情況時，按下手環紅色緊急求助按鈕，在救生圈樁站中對應的救生圈會自動脫鉤，滑下水面，以最大速度奔向求助者！當求助者抱住救生圈時，按下綠色一鍵返回按鈕，救生圈自動將其帶回岸邊。

3 具體實施方式

3.1 遙控式救生圈實現功能原理

遙控式救生圈功能實現原理圖如圖4所示。

救生圈內部電源連接中央處理器、遙控接收器、發光二極管、左右電調、遙控器接收機等為其供電，中央處理器接收到遙控器（遙控器擁有獨立電源）的指令控制電調從而控制無刷電機去控制噴水推進器工作實現救生圈功能。操作者操作遙控器的操作手桿去發送速度指令給中央處理器，中央處理器通過調節電調去控制無刷電機的電流，進而控制推進器推進功率，實現速度大小調節。當救生圈需要轉向時，控制操作桿幅度形成左右電機速度差實現救生圈的轉向。

3.2 手環式自動跟隨救生圈實現功能原理

游泳者佩戴的手環內裝有定位裝置，在中央處理單元中編寫好救生圈本體與手環保持一米左右距離的程序。當在水中游泳時，游泳者往向前游泳遠離救生圈，救生圈圈體內部中央處理單元檢測到手環與其距離大于一米，于是根據算法控制兩個電機工作實現前進和轉彎。實現與游泳者保持一米左右的距離。

3.3 樁站式自動救援救生圈實現功能原理

此功能大致與自動跟隨功能相似。區別在于救生圈懸掛于樁站上，樁站上有總處理器。游泳者通過手環向樁站發出求助，樁站根據游泳者位置算出派出最近的救生圈，并將其指令轉接至被派出的救生圈，本派出的救生圈通過算法規劃最佳路線前往救援。

4 總結

智能救援救生圈在一定程度上代表了現在整個救生裝置發展的一個趨勢，即外形上趨于低阻力，輕便化;救生功能趨于多樣化;救援方式趨于安全化;裝置操作性趨于簡單化;救援時間的極速化。

具體的來說本設計的優點有如下：

（1）該救生裝置堅實耐用，易于操作，適用于野外，水上作業等場合，尤其適合中國這個海域遼闊、江川河流眾多的地域;（2）救生圈采用鋰離子電池作為動力源，操作起來可快可慢可轉彎，易以操控，擺脫了傳統救生圈“隨波逐流”的弊端。在大風大浪等惡劣的海況中有傳統救生圈無法比擬的優勢;（3）遙控式救生圈通過遙控前往落水者身邊，救援范圍廣，解決了遠距離救援時間緊，拋落位置不確定等問題，施救人員可站在安全的地方遠程操控，降低了救援人員的風險;（4）手環式自動救援救生圈，游泳者出現危險時自己尋求幫助，無需救援人員發現，由“被救”轉化為“自救”。解決了溺水者發現不及時以及救援不及時等問題?。?）手環式自動跟隨救生圈始終漂浮在游泳者的附近，無形中給游泳者帶來極大安全感，適用于游泳初學者。

可以斷定的是，在可預見的將來一段時間，這種智能高效實用的救生設計理念，將會成為整個救援過程中一個不可或缺的環節，不僅為落水者提高生存概率，更為施救者帶來保障。

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本文由煙臺大學大學生創新創業訓練計劃項目“智能救援救生圈（201811066013）”支持 ? 項目編號：201811066013

作者簡介：吳寶有（1997-），男，江西瑞金人，本科，研究方向：輪機工程。

*為通訊作者