引言

破坏性地震发生后，建筑物倒塌造成大量人员埋压，被困人员的快速搜索救援成为各类救援队伍的重要任务（李小军等，2008；刘晶晶等，2017）。将微波成像生命探测仪应用于地震救援，取得了一定成效，实现了埋压空间下的人体目标探测。微波成像生命探测仪工作原理为通过发射特定频段的电磁波，穿透墙壁、废墟等非金属障碍物，并接收隐蔽人员的回波，通过人体呼吸和心跳等微动产生的多普勒频率的提取，判别幸存者是否存在及可能埋压的空间位置（孙学燕，2014；祁富贵等，2016）。目前，该类装备应用于地震废墟搜索中主要分为一维测距、二维定位和三维成像（冯奇等，2020），实现了从最初的简单定向发展到立体化的人员埋压姿态识别。基于技术角度，微波成像生命探测仪满足了当前地震救援的实际需求。但在当前国内各类救援队伍日常训练体系中，缺乏针对此类新型设备的有效测试和验证方法，通常仅能按照设备厂家给出的各类单项指标衡量装备性能，专业队员无法深入了解装备使用方法，从而在救援现场中更依赖犬搜索等传统搜索方式（顾建华等，2003）。专业队员使用频率的下降和操作生疏造成了装备效能无法得到最大发挥，甚至深层次的技术需求反馈。以上问题极大地限制了微波搜索装备的技术发展和应用。因此，本文进行了充分调研，并分析了当前国内外重型救援队伍训练测试场景在微波搜索装备测试验证方面的不足，提出并构建了基于权重指标体系效能评估的综合测试和测试验证平台，并以三维微波成像雷达为例，开展相关测试，取得了较好的应用效果，为后期搜索装备的实战性测试方法和环境搭建提供参考。

1.   现状与不足

模拟地震测试废墟环境，作为国际主流地震救援专业队伍主要日常培训设施（刘晶波等，2006a，2006b），在特种装备的验证和试验测试中起到了关键作用（张涛等，2012）。中国、美国、日本的国家地震专业救援队作为联合国国际城市搜索救援组织（International Search And Rescue Advisory Group，INSARAG）体系框架下的国际中型救援队，救援经验丰富，且均建有专业化的地震模拟废墟作业环境，并开展了大量针对城市搜索救援技术和装备的培训和验证工作，如图1所示。

图 1  国内外典型救援训练场地

Figure 1.  Typical rescue training base over the world

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在充分调研和分析的基础上，结合微波搜索装备的作业特点，发现现有地震模拟废墟作业环境虽模拟了地震灾害后的多种建筑结构类型的不同等级破坏效果，但由于为了保持严格仿真的理念，局部科目设置较固定（刘晶波等，2008），且由于大型建筑物构件过于沉重，现场临时调整难度较大。此外，由于实际救援过程中，重型救援队大量工作集中在幸存者搜索定位后的建（构）筑物破拆、顶撑、移除和伤员转运等作业方面。因此，对于废墟环境的模拟，救援内容远多于搜索，救援装备的验证测试效果远好于搜索装备。因此，构建适用于搜索装备专项培训和测试验证的环境与方法，成为提升装备水平和救援效率的重点。针对以上问题，结合微波成像生命搜索设备的作业特点和实战需求，提出以下建议。

（1）小型化的量化可调设计

针对搜索装备测试需求，简化和量化个别测试和训练科目。以微波搜索装备为例，利用真实材质和厚度的小尺寸构件模拟倒塌后的墙体和楼板，从而实现以灵活可调模式模拟不同建筑结构和层数的建筑物局部倒塌，在穿透性方面既能保证真实度，又能提高现场测试灵活性。

（2）完善信息化评测方法

通过城市消防、森林消防、安全生产和地震地质等专业救援专家的调研论证，构建搜索装备评价指标及权重体系，并开发专业化效能评测软件。在装备现场作业测量过程中，通过各项测试内容的现场数据记录，后台自动调用评价指标及权重体系，并生成装备评价报告。

（3）智能化传感网络接入

利用物联网等技术方法，针对装备测试需求和环境变量影响的重要参数，在测试环境搭建过程中选装并预埋相关的智能传感器和组网设备，完成装备作业和测试过程的数据自动记录和存储，支撑指标权重体系和信息化评测软件。

基于以上建议，设计并提出了满足地震救援需求的微波搜索装备综合测试方法，包括布设基于智能传感器的量化可调的模拟废墟测试环境和具备权重指标体系的测评软件系统，如图2所示。开展不同厂家和型号微波成像生命探测仪在模拟测试环境中的综合搜索测试，现场数据分别以人工App记录和传感器自动采集的形式汇聚到服务器软件，系统后台根据权重指标体系进行装备综合打分，从而实现微波搜索装备的实战化效能评价和科学测试验证。

图 2  智能化地震搜索装备测试方法设计

Figure 2.  Design of intelligent equipment test environment

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2.   测试环境设计与搭建

利用无人机和激光点云设备开展汶川地震遗址建筑物倒塌废墟详细数据的采集（陈莉等，2017；高博伟等，2018），最终完成了整个县城遗址的三维建模和测量工作，如图3所示，个别典型废墟利用激光点云技术实现了内部三维模型构建，分析了可能存在人员埋压的狭小空间。本次测量共统计废墟133处，其中部分倒塌23处，完全倒塌24处，轻微破损86处。通过三维模型和救援案例的综合分析，发现穿透类搜索救援装备综合场地布置需体现的变量因素包括作业姿态（角度），探测覆盖层厚度、材质、层数和间隙等。

图 3  汶川地震遗址三维建模

Figure 3.  3D models of Wenchuan earthquake

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除废墟物理变量因素外，作业环境的变量也是微波成像生命探测仪的重要考量因素，如环境温湿度变化对探测性能的影响及作业辐射对被困人员和作业人员的影响等。因此，进行预埋智能监控传感网络的综合测试环境设计和搭建（图4、5），利用承载力较好的轻质钢结构搭建主体框架，并以连廊方式向4个方向扩展，通过每个方向上钢架构角度的调整及不同填充墙体和堆叠覆盖板的搭建，实现了对装备作业姿态、覆盖层材料与厚度等的量化可调。此外，为达到随机搜索测试的检测效果，在4个连廊及中心主体结构上安装了图像、温湿度和电磁辐射传感器，以监测装备作业过程中的作业环境变化。

图 4  测试环境选址和结构设计

Figure 4.  Site selection and structural design of the test environment

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图 5  测试环境搭建

Figure 5.  Construction of the test environment

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主要装备测试功能特点如下：

（1）模拟了多个被困人员所处正方体狭小空间，且空间各立面墙体和顶部采用实心砖、空心砖、钢筋混凝土等材料制作，以模拟不同探测遮挡效果；

（2）除常规的竖向和横向搜索作业面设计外，还具备30°、45°和60°作业坡角的作业面和搜索空间；

（3）预制不同材质、厚度的覆盖板，用于模拟不同厚度的穿透测试，利用具有标准厚度、相同或不同材质覆盖板的叠加模拟不同覆盖层数和震后复杂的建筑物倒塌覆盖层；

（4）测试环境中部设有带空隙的3层作业主体区域和搜索空间，可模拟多层多目标埋压的作业环境；

（5）废墟内部预装可见光、热红外、温湿度和电磁辐射传感器，可实现装备作业过程中的数据实时自动采集。

3.   指标评价体系的建立与测评软件的开发

2018年应急管理部成立以后，“全灾种，大应急”成为综合性救援队伍的发展方向。因此，作为特种搜索装备的微波成像生命探测仪，应具备满足各类灾害现场人员埋压搜索的能力。因此，构建较权威客观的指标和权重体系，通过城市消防、森林消防、安全生产和地震地质等多领域救援专家的充分调研与论证。首先基于搜索救援中心实战经验及汶川地震遗址调研资料，针对三维成像生命探测雷达初步提出了涵盖4大类68项指标的体系，经过专家综合论证，最终凝练为基本设计、环境适应性和作业能力3大类35项指标。针对各项指标向一线救援队员发放了调查问卷，利用专家打分和熵权重方法，建立了最终的评价指标权重体系。

测评软件采用前端记录App和后台数据处理软件的开发模式，整体设计架构如图6所示。测评软件与指标权重体系紧密结合，将体系中的指标项转化为电子表单，并固化到前端记录App中，将对应指标的权重算法填入后台数据处理软件，从而实现现场测试的数字化和标准化记录。测评人员可利用前端记录App，实现在微波成像生命探测仪作业过程中的现场数据记录及作业环境智能监控传感网络数据的实时获取。通过局域网或公网无线传输至后台服务器上的数据处理软件，软件根据权重指标进行装备的综合效能评价，最后自动形成装备测评报告，并储存相关试验数据，如图7所示。

图 6  测评软件架构

Figure 6.  Architecture diagram of the evaluation software

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图 7  软件前后端数据交互

Figure 7.  Data interaction of the software

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4.   设备测试与结果

为验证测试环境和软件应用效果，开展微波成像生命探测仪现场验证测试，取得了较好的效果。分别完成了不同材质墙体、水平向多层钢筋混凝土墙体和垂直向多层钢筋混凝土楼板的搜索测试，结果如图8所示。基于雷达废墟搜索角度，得到了较好的试验数据，验证了测试环境模拟地震后废墟复杂条件的可行性。本次测试在有限场地内，做到了多场景的综合模拟。

图 8  现场装备测试及结果

Figure 8.  Equipment testing and results

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在测试过程中，前端记录App除测试人员基本测量数据外，还自动通过预装在测试环境中的传感器获取温湿度和电磁辐射等环境参数，实现了较全面的现场综合数据记录。最终通过后台数据处理软件实现了设备测试数据的记录和权重评价，评价结果如图9所示。

图 9  装备综合效能评价结果

Figure 9.  Evaluation results of equipment test

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5.   不足与改进

通过本次微波成像生命探测仪地震模拟环境测试方法的研究，积累了经验和数据，为具备实战性和科学性要求的地震搜索装备测试提供了参考，但面对测试计量技术和应急救援装备的不断丰富和发展，仍需不断研究和探索。

（1）针对灾害链式破坏造成的救援现场作业复杂性问题，以搜索、救援、保障装备为基础，综合分析地震地质、城市消防、森林消防、安全生产等各类灾害特殊救援场景和专业队伍的业务需求，构建搜索、救援、保障装备全灾种综合指标体系和权重评价方法，并形成相关的检测标准规范，指导应急救援装备体系和行业的发展，为综合性救援队伍装备配备奠定技术基础。

（2）利用相似模型、机电液控制和新材料技术，探索高实战模拟度的量化可调综合测试环境快速构建方法。在有限场地条件下，采用真实与缩尺结合原则构建测试环境关键单元，通过机电液闭环控制系统完成场景快速变换和复杂重构。在主要单元预埋振动、温湿度和电磁辐射等多参量环境感知物联节点中，重点采集大型破拆装备不良振动和穿透式搜索装备电磁辐射等变量衰减的曲线和范围，指导实际救援现场作业，避免废墟二次坍塌和人员伤害。

6.   结语

“人民至上，生命至上”是每名应急救援工作人员的首要要务。应急救援装备作为现场救援工作的重要保障，须对其进行充分的认知和掌握，才能在“战时”发挥最大效益，挽救更多的生命。这就要求在“平时”开展的各类救援装备专项、综合训练中，利用专项训练场地掌握设备的极限水平，利用综合训练场地完成装备的作业经验积累。同时，专业队员应学会总结反思，将现场工作中的装备实战化改进需求，落实到各类新型装备的监测和验证过程中。尤其是通过物联网、大数据和人工智能等新技术的应用，形成科学有效的装备研发技术反馈，构建应急救援装备的技术和产业闭环，推动应急救援装备现代化工程发展，提升我国灾害综合救援能力。

致谢 感谢中科院空天信息创新研究院张群英教授团队给予的装备和测试支持，感谢森林消防救援局李攀同志和北京消防救援总队特勤支队的领导和同事在测试和环境设计中给予的宝贵意见，感谢中国地震局工程力学研究所曲哲研究员和中国建筑科学研究院聂琪研究员在环境设计和施工中给予的帮助。