陳啟祥，姚 笛

新型船用救生設(shè)備定位裝置的電量分配優(yōu)化分析

陳啟祥，姚 笛

（湖北工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北武漢430068）

船用救生設(shè)備是為了對(duì)落水人員實(shí)施救助，或是船舶遇到危險(xiǎn)時(shí)撤離船上人員所設(shè)置的重要保障性專用設(shè)備。為提高對(duì)遇險(xiǎn)人員的救援效率，人們對(duì)救生設(shè)備的定位方法和裝置進(jìn)行了大量改進(jìn)，如研制自亮浮燈、自放煙霧救生圈等。在此基礎(chǔ)上提出一種新型船用救生設(shè)備的定位裝置，并重點(diǎn)探討該裝置的功能設(shè)計(jì)及在確保最大續(xù)航能力條件下各功能電量匹配及優(yōu)化。

定位裝置；遞階層次結(jié)構(gòu)模型；電量分配；功能優(yōu)化

船舶救生設(shè)備是為救助落水人員，或當(dāng)船舶遇險(xiǎn)時(shí)撤離乘員而在船上設(shè)置的專用設(shè)備及其附件的總稱，主要包括救生載具、個(gè)人生命維持設(shè)備、視覺(jué)信號(hào)、救生拋繩器、通訊器材、降落裝置等?！秶?guó)際海上人命安全公約》對(duì)其配備數(shù)量和位置有明確要求，船舶需按人數(shù)每人配備一件救生衣，客船還應(yīng)附加配備船上總?cè)藬?shù)5%的救生衣；需按照船舶種類和船體長(zhǎng)度配置足量的救生圈；所有海船都需常備供救生艇用的手提無(wú)線電臺(tái)，該電臺(tái)應(yīng)能手搖供電且一定高度落水不損并能浮于水面，質(zhì)量不得超過(guò)23 kg。船舶救生設(shè)備可以在人員遇險(xiǎn)時(shí)有效保障遇險(xiǎn)人員即時(shí)生存率，并提供一定程度的聯(lián)絡(luò)求救能力，但對(duì)提高遇險(xiǎn)人員的后續(xù)救援效率幫助有限。為了有效減短對(duì)遇險(xiǎn)人員的搜救時(shí)間，救生設(shè)備對(duì)待救人員的定位具有重要的意義?，F(xiàn)有對(duì)救生設(shè)備定位裝置的相關(guān)研究主要集中在救生設(shè)備的遇水自動(dòng)觸發(fā)和對(duì)落水位置自動(dòng)定位等方面，而對(duì)遇險(xiǎn)人員所配備的救生設(shè)備上附加準(zhǔn)確的電子定位涉獵并不多，多是利用視覺(jué)信號(hào)（如自亮浮燈、煙霧等）或遇險(xiǎn)人員通過(guò)無(wú)線電臺(tái)匯報(bào)大致位置等方式來(lái)定位。本文提出一種新型船用救生設(shè)備的定位裝置，在設(shè)計(jì)其需具備功能的同時(shí)，探討該裝置在確保最大電源續(xù)航力條件下的各功能電量匹配及優(yōu)化，提高該定位裝置的續(xù)航時(shí)間和可靠性，為搜救人員迅速準(zhǔn)確尋找到遇險(xiǎn)人員提供有效援助。

1 救生設(shè)備定位裝置設(shè)計(jì)概要

近幾年可穿戴設(shè)備的技術(shù)逐漸發(fā)展，在船用救生設(shè)備上配備一塊小的定位裝置可以極大增加遇險(xiǎn)人員的獲救幾率，如當(dāng)落水者被海水沖到一個(gè)峭壁圍繞的比較隱蔽的環(huán)境時(shí)，所釋放的浮燈或者煙霧很難被搜救人員發(fā)現(xiàn)，但一個(gè)電子定位裝置可以將遇險(xiǎn)人員的準(zhǔn)確位置信息告知搜救隊(duì)遇險(xiǎn)人員。這種電子定位裝置需具備多樣化的功能，并能有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的海上環(huán)境。定位裝置需具備防水、定位、發(fā)信、照明等功能［1］，在白天、黑夜、孤島、環(huán)山等各種環(huán)境下仍能發(fā)揮有限作用。

1.1 用途與功能實(shí)現(xiàn)

新型船用救生定位裝置的設(shè)計(jì)目的是為了準(zhǔn)確提供遇險(xiǎn)人員的定位信息，增加落水人員的生存幾率，因此需要具備發(fā)送求救信號(hào)、精準(zhǔn)定位以及重要信息獲取等基本功能。

發(fā)送求救信號(hào)是遇險(xiǎn)人員最重要的尋求援助的方法之一。國(guó)際通用的呼救信號(hào)有三種，分別為SOS、CQD和Mayday，其中SOS求救信號(hào)最為普及，可通過(guò)電波電報(bào)以及電話的方式發(fā)出。

精確定位是遇險(xiǎn)人員獲知自己所在位置的重要功能，除了能讓遇險(xiǎn)人員明白自己離岸邊的距離和據(jù)此來(lái)判斷合理的行為方式（自救或等待救援），更能提高搜救效率。準(zhǔn)確的定位信息能幫助搜救人員迅速趕往海難地點(diǎn)，在最短的時(shí)間內(nèi)完成搜救行動(dòng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，穿著常服且保持靜止?fàn)顟B(tài)的一般人員，在海水中的存活時(shí)間和海水溫度有關(guān)，超過(guò)20℃的海水中，可能存活24h；在15～20℃的海水中，存活時(shí)間少于12h；10～15℃，少于6h；2～10℃，少于3h；而在0℃以下的情況下，10多min就可能導(dǎo)致死亡［2］。事實(shí)上，由于低溫導(dǎo)致的肢體麻木以及恐懼導(dǎo)致的盲目掙扎，多數(shù)受難者會(huì)早于上述時(shí)間死亡?？梢钥闯觯丫刃袆?dòng)是在和時(shí)間賽跑，能夠早一點(diǎn)到達(dá)海難現(xiàn)場(chǎng)，就能救出更多的受難者。精確定位主要依靠GPS定位和電子羅盤(pán)等方式，其中GPS通過(guò)衛(wèi)星定位和GPRS輔助定位可以快速且精確實(shí)現(xiàn)精密定位，包括獲取所在地點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息；而電子羅盤(pán)采用地磁場(chǎng)的工作原理，環(huán)境適應(yīng)性較好，當(dāng)GPS信號(hào)受地形環(huán)境影響無(wú)法工作時(shí)，電子羅盤(pán)可以指明方向［3］。定位裝置通過(guò)內(nèi)置地圖信息結(jié)合精確定位把受難者位置信息顯示在屏幕上，使受難者獲知自己的定位信息，以便制定自救計(jì)劃或?qū)⑽恢眯畔l(fā)送給救援力量。

重要信息獲取是指通過(guò)該定位裝置，遇險(xiǎn)人員獲取到包括所處位置、求救反饋和環(huán)境信息等。在很多案例中，遇難者都是由于恐慌、孤獨(dú)和絕望導(dǎo)致的無(wú)理智行為而遇難，甚至有遇難者距離救援隊(duì)只有不到1km的距離，卻因?yàn)榫癖罎⒍鴽](méi)能獲救。能夠照明、能夠接收救援信號(hào)、能夠聯(lián)絡(luò)附近電波設(shè)備、能夠得知自己所在地點(diǎn)具體經(jīng)緯度可以使遇險(xiǎn)人員情緒得到安撫，并在一定范圍內(nèi)規(guī)劃自己的行動(dòng)，從而提升獲救幾率。

1.2 外觀設(shè)計(jì)及尺寸

該救生設(shè)備定位裝置是一種裝配在船用救生設(shè)備上的小型電子設(shè)備，可以分為無(wú)顯示屏版和觸屏版兩種。無(wú)顯示屏版定位裝置主要有發(fā)送SOS信號(hào)、一鍵撥打救援電話、照明、指明方向等功能，通過(guò)裝置側(cè)面的按鈕來(lái)激活各功能，通過(guò)正面的信號(hào)燈顏色變化提示各功能的開(kāi)啟情況，通過(guò)表面的羅盤(pán)來(lái)指明方向。雖然無(wú)顯示屏版定位裝置在電源續(xù)航和防水抗摔等可靠性方面比觸屏版強(qiáng)，但因其功能比觸屏版要少，操作性也不如觸屏版。

觸屏版定位裝置是配備了電阻觸摸屏的定位裝置，和無(wú)顯示屏版相比，觸屏版的功能更加全面，人機(jī)交互性更好。其主要具備SOS電波求救、求救電話、求救信息、GPS地圖定位、照明等功能。觸屏版定位裝置能夠通過(guò)GPS衛(wèi)星定位、GPRS輔助定位的方式得到精確的遇險(xiǎn)人員的經(jīng)緯度數(shù)值和地圖信息，并將這些信息發(fā)送給救援機(jī)構(gòu)遇險(xiǎn)人員。

以救生圈上的定位裝置為例，根據(jù)救生圈GB 4302—2007B，救生圈外徑應(yīng)不大于800mm，內(nèi)徑應(yīng)不小于400mm，因此該定位裝置對(duì)角線長(zhǎng)度應(yīng)不大于100mm，若裝置配備屏幕，屏幕應(yīng)不大于10 cm（圖1）。

圖1 救生圈定位裝置示意圖

1.3 電源續(xù)航力與規(guī)格

由于船用救生設(shè)備的尺寸所限，救生設(shè)備定位裝置的體積難免較小，只能配備小容量的鋰電池，而一旦電池電量耗盡，定位裝置的各種功能就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此有限的電量資源須合理分配到重要功能上，通過(guò)關(guān)閉次要功能來(lái)增加定位裝置的續(xù)航。

目前鋰電池主要應(yīng)用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品，通過(guò)不斷增加活性物質(zhì)在電池中的占比來(lái)實(shí)現(xiàn)電池能量密度的提升。高功率密度動(dòng)力電池目前單體電芯的能量密度在120～250Wh／kg，實(shí)際應(yīng)用時(shí)電池組的能量密度可以達(dá)到80－200Wh／kg，在所有儲(chǔ)能體系中是最高的。由于在有限的電池空間填入更多的活性儲(chǔ)能物質(zhì)從技術(shù)層面已達(dá)到瓶頸，現(xiàn)在已很難再有突破［4］。代表世界先進(jìn)技術(shù)的蘋(píng)果公司的Apple Watch使用3.8V，0.78鋰電子電池，容量為205mA，理論續(xù)航時(shí)間為18h，此數(shù)值應(yīng)該為實(shí)驗(yàn)室待機(jī)使用時(shí)間，實(shí)際使用時(shí)間應(yīng)該不超過(guò)15h。故應(yīng)當(dāng)首先分析哪個(gè)功能因素對(duì)于遇險(xiǎn)人員來(lái)說(shuō)最為必需，然后根據(jù)當(dāng)前鋰電池發(fā)展現(xiàn)狀，研究如何把有限的電量合理分配到各個(gè)功能，并且在低電量的情況下保留哪些功能，確保主要設(shè)備或主要功能以更長(zhǎng)時(shí)間發(fā)揮作用。

2 基于AHP的各功能電量匹配及優(yōu)化評(píng)價(jià)體系

2.1 功能及優(yōu)化原則

救生設(shè)備定位裝置的功能可細(xì)分為電子羅盤(pán)、GPS（GPRS）定位地圖、發(fā)送求救電波、求救電話和照明警示燈等。除了觸屏版定位裝置的屏幕耗電這個(gè)因素是必須首要考慮的之外，其他功能的相對(duì)重要性并不好判斷，尤其是涉及各功能的電池電量配比及優(yōu)化，即使是定性分析比較出各個(gè)功能的重要性也不好具體來(lái)分配電池電量，需要一定的定量分析來(lái)確定各功能的電量分配?？梢酝ㄟ^(guò)層次分析法［6］來(lái)定量分析定位裝置各功能的重要性排序和占比，再根據(jù)權(quán)重的不同來(lái)安排各功能的關(guān)閉順序以節(jié)省電量資源。把電量資源的分配和各功能的重要性排序相映射，權(quán)重低的功能先關(guān)閉，保留權(quán)重高的功能，權(quán)重越高就保障其供電時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)成

船舶定位裝置的目標(biāo)是增加落難人員的生存率，形成目標(biāo)層A；為了這個(gè)目的，該裝置必須滿足具備發(fā)送求救信號(hào)、精準(zhǔn)定位和重要信息獲取的功能，構(gòu)成準(zhǔn)則層C；而這些功能可以通過(guò)電子羅盤(pán)、GPS（GPRS）定位地圖、發(fā)送求救電波、求救電話、照明警示燈等方案實(shí)現(xiàn)，構(gòu)成方案層P。

目標(biāo)層A在電量分配優(yōu)化中，實(shí)際對(duì)應(yīng)的是電池電源資源總量。

準(zhǔn)則層為發(fā)送求救信號(hào)、精確定位和重要信息獲取，是為了實(shí)現(xiàn)提高遇險(xiǎn)人員的生存率，所需要在救生裝置中必備的3個(gè)用途。通過(guò)判定方案層的P5個(gè)功能分別對(duì)3個(gè)用途的影響權(quán)重，計(jì)算出對(duì)應(yīng)權(quán)重和總權(quán)重來(lái)定量分析各功能電量的分配情況。其中電子羅盤(pán)功能對(duì)發(fā)送求救信號(hào)、發(fā)送求救電波對(duì)精確定位并無(wú)直接影響，因此不需要計(jì)算相應(yīng)權(quán)重。據(jù)此建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型（圖2）。

圖2 遞階層次結(jié)構(gòu)模型

3 基于AHP的各功能電量匹配及優(yōu)化評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算參數(shù)及流程

采用九級(jí)標(biāo)度法確定判斷矩陣內(nèi)各因素的相對(duì)重要性（表1）［6］。判斷取自問(wèn)卷調(diào)查和專家意見(jiàn)。

表1 九級(jí)標(biāo)度法

3.1.1 準(zhǔn)則層相對(duì)應(yīng)目標(biāo)層的判斷矩陣 計(jì)算判斷矩陣A的最大特征根λmax和對(duì)應(yīng)的特征向量W，其中AW＝λmaxW，特征向量W為對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)單元的權(quán)重。

引入衡量CI大小的隨機(jī)一致性指標(biāo)RI（表2）［7］。

判斷矩陣的一致性指標(biāo)

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)

判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI與判斷矩陣的同階平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比稱為隨機(jī)一致性比率，用時(shí)，即判斷矩陣

該判斷矩陣的一致性可以接受。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知求救信號(hào)、精確定位和信息獲取對(duì)提高遇險(xiǎn)人員生存率的重要性占比分別為0.637、0.258、0.105。發(fā)送求救信號(hào)是定位裝置最重要的用途，精確定位也對(duì)后續(xù)救援有重要影響。因此電源電量的分配主要集中在保障持續(xù)發(fā)送求救信號(hào)和獲取精確定位上，信息獲取相關(guān)的功能在電量不足時(shí)可以最先關(guān)閉。

3.1.2 構(gòu)建方案層相對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層的判斷矩陣 方案層P相對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層C1的判斷矩陣

具有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣。

通過(guò)計(jì)算，電子羅盤(pán)、GPS定位、求救電波、求救電話、照明警示燈對(duì)求救信號(hào)用途的權(quán)重比分別為0、0.160、0.467、0.278、0.095.發(fā)送求救電波和撥打求救電話是實(shí)現(xiàn)求救信號(hào)的主要手段。

方案層P相對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層C2的判斷矩陣

通過(guò)計(jì)算，5個(gè)功能對(duì)精確定位的重要性占比為0.236、0.559、0、0.144、0.061。由此可知GPS定位和電子羅盤(pán)是實(shí)現(xiàn)精確定位的主要方法。

方案層P相對(duì)應(yīng)準(zhǔn)則層C3的判斷矩陣

通過(guò)計(jì)算，5個(gè)功能對(duì)獲取重要信息用途的權(quán)重值分別為0.156、0.268、0.071、0.434、0.072。因而撥打求救電話是主要的獲取信息手段。

通過(guò)上述判斷矩陣和表格，計(jì)算得出單一準(zhǔn)則下各方案的相對(duì)重要性，并獲得權(quán)重?cái)?shù)據(jù)。

3.2 計(jì)算結(jié)果與校核

層次總排序由高層次向低層次逐層進(jìn)行。若上一層次C包含m個(gè)因素C1，C2，…，Cm，其層次總排序權(quán)值為c1，c2，…，cm，下一層次P包含n個(gè)因素P1，P2，…，Pn，則它們對(duì)于因素Cj的層級(jí)單排序權(quán)值分別為2，…，n）（表3）。即該判斷矩陣具有滿意的一致性。

從各因素總權(quán)重的計(jì)算結(jié)果可以看出，該定位裝置最重要的功能是發(fā)送求救信號(hào)，其次是GPS地圖定位功能和撥打求救電話功能。因此在定位裝置的設(shè)計(jì)中，首要考慮的是滿足發(fā)送求救電波和GPS地圖定位功能。而該裝置的電池電量分配也以供應(yīng)不斷發(fā)送求救電波為主，尤其是當(dāng)電量不足時(shí)，可以酌情切斷電子羅盤(pán)、照明燈功能，把余電都供應(yīng)到發(fā)送求救信號(hào)上。

表3 計(jì)算結(jié)果與校核

4 結(jié)論

通過(guò)AHP層次分析法計(jì)算分析，可以得出在新型船用救生設(shè)備定位裝置中最重要和次重要的功能，并依次對(duì)應(yīng)電池資源的分配，從而利用芯片智能控制各功能模塊的開(kāi)關(guān)與供電，延長(zhǎng)該裝置的續(xù)航時(shí)間，增加受難者的生存幾率。如圖3所示，當(dāng)該定位裝置全功能開(kāi)啟時(shí)，該裝置電量在10h以內(nèi)就會(huì)耗盡；而在電量下降到60%時(shí)，關(guān)閉電子羅盤(pán)功能，在電量減至40%時(shí)關(guān)閉照明功能，當(dāng)電量低于30%時(shí)只保留發(fā)送求救信號(hào)的功能后，電池電量至少可以維持15h以上，大大增加了該求救裝置的續(xù)航時(shí)間。通過(guò)計(jì)算裝置的各種功能的總權(quán)重比，可以得到不同功能重要性程度的數(shù)值排序，從而可以合理優(yōu)化分配電池資源。

除了通過(guò)救生設(shè)備定位裝置的功能的重要性排序來(lái)決定電池的供電優(yōu)先級(jí)以外，還需要考慮不同功能的耗電速度以及相關(guān)電子元件的耗電率來(lái)決定先關(guān)閉哪種功能，如電話和GPS定位比起發(fā)送電波或電子羅盤(pán)在單位時(shí)間內(nèi)的耗電量要多很多。另外，觸屏版的定位裝置的亮屏?xí)拇罅侩娏浚聊坏某Ａ亮炼群蜁r(shí)間也是保障電池續(xù)航時(shí)間時(shí)需要考慮的因素。

［1］ 佚名.可以發(fā)光的救生圈［J］.工業(yè)設(shè)計(jì)，2014（5）：55－55.

［2］ 漫步月球路.人浸泡在海里生存時(shí)間有多長(zhǎng)［EB／OL］.（2014－04－23）http：／／www.360doc.com／content／14／0423／09／3872310＿371321087.shtml.

［3］ 姜西瑞.基于GPS和GSM／GPRS的定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.中國(guó)科學(xué)院研究生院，2006.

［4］ 李泓，鄭杰允.發(fā)展下一代高能量密度動(dòng)力鋰電池——變革性納米產(chǎn)業(yè)制造技術(shù)聚焦長(zhǎng)續(xù)航動(dòng)力鋰電池項(xiàng)目研究進(jìn)展［J］.中國(guó)科學(xué)院院刊，2016（9）：1121.

［5］ 張炳江.層次分析法及其應(yīng)用案例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［6］ 佟玫，王博.反光材料在海上救生設(shè)備上的應(yīng)用［J］.中國(guó)個(gè)體防護(hù)裝備，2012（6）：15－17.

［7］ 于衛(wèi)紅，賈傳熒.海難事故的數(shù)據(jù)挖掘［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007，33（11）：34－36.

An Analysis of the Electricity Distribution Optimization of a New Positioning Device for Marine Life－saving Equipment

CHEN Qixiang，YAO Di
（School of Industrial Design，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Marine life－saving equipment is an important protective equipment set on board when the ship is in danger of evacuating personnel on board or carrying out salvage.In order to improve the efficiency of follow－up rescue workers，people have done a lot of research on the life－saving equipment，positioning methods and devices，such as self－lit lights，smoke from the life buoy.On this basis，this paper attempts to propose a new type of marine life－saving device positioning device，and focuses on the functional design of the device and to ensure maximum power supply under the conditions of the functional power matching and optimization.

positioning device；hierarchical structural model；battery power distribution；functional optimization

U698.92

A

［責(zé)任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0065－05

2017－05－18

國(guó)家自然科學(xué)基金（61370224）

陳啟祥（1966－），男，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)字媒體及交互設(shè)計(jì)

姚 笛（1989－），男，湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士碩士生，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)