劉志晨，李 穎，于文博，張照億

(大連海事大學(xué) a.航海學(xué)院； b.環(huán)境信息研究所， 遼寧 大連 116026 )

我國是海洋大國，加強(qiáng)海上搜救能力建設(shè)是落實“海洋興國”國策的重要保障。據(jù)中國海上搜救中心統(tǒng)計，2015—2018年，我國每年海上搜救相關(guān)單位總計接到各類遇險報警達(dá)3 000余次，每年組織搜救行動約2 000次，協(xié)調(diào)出動搜救艦船達(dá)1萬艘次、搜救飛機(jī)約300架次，平均每年搜尋遇險船舶約1 800艘，其中成功搜救約1 450艘船舶，成功營救遇險人員約1.5萬人，搜救成功率超過85%。然而，當(dāng)前我國的海上救助能力仍與發(fā)達(dá)國家相差甚遠(yuǎn)。近幾年，我國相繼實施了“海上強(qiáng)國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議，我國海上搜救中心聯(lián)合大連海事大學(xué)發(fā)布了《國家海上搜救手冊》等文件[1]，對海上搜救工作提出更高的要求，搜救能力不斷加強(qiáng)。

目前，國外的海上搜救輔助決策系統(tǒng)平臺(如SARMAP和SAROPS)[2]主要基于ArcGIS的圖形化用戶接口實現(xiàn)，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)的存儲與可視化、多場景搜救目標(biāo)建模和搜救方案優(yōu)化等方面為搜救決策提供一體化支撐。全球海上遇險呼救安全系統(tǒng)(Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS)是一種海上救助裝置，由海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)(International Maritime Satelite Organization, INMARSAT)和極軌道衛(wèi)星搜救系統(tǒng)等無線電通信方式實現(xiàn)船-岸、船-船通信互聯(lián)，從而輔助海上搜尋工作。國內(nèi)主要擁有海上遇險報警管理系統(tǒng)和中國搜救信息管理系統(tǒng)等，能有效實現(xiàn)落水漂移預(yù)測，具有強(qiáng)大的搜救計劃管理功能，為調(diào)動各類海上救助力量(包括商船、漁船等)開展救助行動提供支撐，但系統(tǒng)尚未建立完善的海上搜救保障體系，主要問題是該系統(tǒng)未能充分融合遇險目標(biāo)、海域環(huán)境等多源異構(gòu)數(shù)據(jù),海上搜救情景分析模型、遇險目標(biāo)搜尋與救助危險性預(yù)測等多項關(guān)鍵技術(shù)尚不成熟。[3-5]

在發(fā)生船舶遇險事故時，若無法及時為救援工作提供準(zhǔn)確的搜救數(shù)據(jù)，會嚴(yán)重影響海上搜救行動的有效開展。MH370事件和法國航空公司的AF447事件反映的搜救工作的困難性表明:搜救信息統(tǒng)一整合和搜救海域危險度信息確定是保證救援成功的關(guān)鍵因素。[6]

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)在海上搜救信息融合與數(shù)據(jù)分析方面具有2個重要特點：

1.GIS的分層管理技術(shù)，針對多種相關(guān)的搜救空間數(shù)據(jù)(屬性數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)和空間關(guān)系數(shù)據(jù)等)采用多圖層聯(lián)合的方式進(jìn)行存儲管理，并保證數(shù)據(jù)內(nèi)容與空間的邏輯一致性。

2.GIS的空間分析技術(shù)是GIS的核心功能，通過疊加、分割等挖掘并提取其潛在的信息。潘衛(wèi)軍等[7]、方爭楠[8]、劉偉[9]和高強(qiáng)等[10]通過GIS技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)齊全、分析功能豐富的城市救援管理平臺和交通應(yīng)急管理系統(tǒng)等。因此，本文提出基于GIS技術(shù)的海上搜救和撤離模型系統(tǒng)軟件的設(shè)計方案，研究基于GIS的海上搜救與撤離模型系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。該研究可為搜救決策指揮的規(guī)范化、流程化和科學(xué)化提供一定的技術(shù)保障。

1 需求分析

研發(fā)一個復(fù)雜軟件通常需采用多種圖形描述，因為系統(tǒng)擁有的功能信息和復(fù)雜度問題使系統(tǒng)無法全面概括，完整的系統(tǒng)一般從功能模塊、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)邏輯流程和物理部署等方面描述。[11]本文設(shè)計的海上搜救與撤離模型系統(tǒng)基于GIS平臺集成開發(fā)，可有效整合基礎(chǔ)空間信息數(shù)據(jù)、遇險目標(biāo)信息和搜救應(yīng)急資源等并綜合顯示。構(gòu)建空間信息分析模塊，實現(xiàn)對搜救過程信息的數(shù)據(jù)挖掘與提取，為制訂搜救行動的最佳解決方案提供技術(shù)支撐。海上搜救與撤離模型系統(tǒng)需求模塊，見表1。

表1 海上搜救與撤離模型系統(tǒng)需求模塊表

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)需求分析，軟件采用交互式、可視化和可擴(kuò)展架構(gòu)設(shè)計[12]，系統(tǒng)總體框架圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1) 通信層是以甚小口徑終端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)衛(wèi)星、海事衛(wèi)星和船舶自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System, AIS)等構(gòu)成搜救通信鏈路，提供遇險船舶船位、船速、船向、船舶種類和海況等動態(tài)/靜態(tài)信息。

2) 數(shù)據(jù)層以電子海圖為基礎(chǔ)地理信息，集成船舶動態(tài)數(shù)據(jù)、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和搜救資源數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)多源搜救信息融合共享。數(shù)據(jù)層為系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)，其中:船舶動態(tài)信息指船舶AIS信息(船位、船速等);海洋環(huán)境信息包含海域能見度、氣溫、雷暴、浪高浪向、表面流和臺風(fēng)信息等；搜救資源數(shù)據(jù)為救助基地位置分布和基本信息；搜救責(zé)任區(qū)指不同救援基地負(fù)責(zé)的海域范圍。系統(tǒng)在使用這些數(shù)據(jù)之前，需對其進(jìn)行解碼解譯、數(shù)值修正、時空對準(zhǔn)和數(shù)據(jù)聚合等相關(guān)預(yù)處理。

3) 邏輯層是救援任務(wù)展開后系統(tǒng)的基本業(yè)務(wù)流程。在展開搜救時,系統(tǒng)根據(jù)遇險目標(biāo)位置,結(jié)合漂移模型確定搜救區(qū)域，先通過海洋環(huán)境數(shù)據(jù)對海區(qū)進(jìn)行適航評估，合理調(diào)配搜救力量。系統(tǒng)集成緩沖區(qū)分析和疊置分析(Overlay Analysis,OA)方法獲得遇險目標(biāo)影響范圍及搜救海域救助危險度的空間布局，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)分析(Network Analysis,NA)成本矩陣模型，輔助選取最佳搜救路徑，綜合模型分析結(jié)果返回系統(tǒng)界面端，結(jié)合搜救案例知識庫制訂搜救方案。

4) 應(yīng)用層是系統(tǒng)模塊設(shè)計部分，包含搜救信息融合模塊、空間信息分析模塊和搜救信息發(fā)布模塊等3個模塊。

(1) 搜救信息融合模塊用于構(gòu)建搜救應(yīng)急數(shù)據(jù)、電子海圖和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)等信息；

(2) 空間信息分析模塊實現(xiàn)搜救海域的空間分析功能，包括遇險船舶影響范圍分析、搜救海域危險度分析和撤離路徑分析；

(3) 搜救信息發(fā)布模塊主要實現(xiàn)海洋基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫的分層管理與共享服務(wù)。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫模型

系統(tǒng)采用GIS的ArcSDE空間數(shù)據(jù)引擎服務(wù)[13]，借助ArcSDE將搜救過程中的地理數(shù)據(jù)和關(guān)系型數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲在同一數(shù)據(jù)庫下，使數(shù)據(jù)庫既能提供搜救數(shù)據(jù)的空間特征(圖形、拓?fù)潢P(guān)系)信息，又能提供對應(yīng)的屬性信息，形成空間數(shù)據(jù)與關(guān)系型數(shù)據(jù)的交互調(diào)用、無縫連接的數(shù)據(jù)管理方式，并增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展性和訪問效率，以便實現(xiàn)在RDBMS間的操作和靈活配置，保證更高的存儲效率和更優(yōu)的數(shù)據(jù)完整性。

3.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要來自于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫、遇險船舶信息數(shù)據(jù)庫、搜救應(yīng)急資源數(shù)據(jù)庫、搜救預(yù)案數(shù)據(jù)庫等5類數(shù)據(jù)庫。

1) 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫包含電子海圖、中國地圖等基本地理數(shù)據(jù)。

2) 海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫中的信息是基于GIS平臺展示的，包括事故海區(qū)內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向、能見度、氣溫、相對濕度、降水、浪高、浪向、表面流、臺風(fēng)參數(shù)(路徑、強(qiáng)度、風(fēng)圈)等。

3) 遇險船舶信息數(shù)據(jù)庫中的信息包括遇險船舶AIS信息、遇險目標(biāo)漂移范圍信息、航行狀態(tài)和事故險情級別等。

4) 搜救應(yīng)急資源數(shù)據(jù)庫中的信息包括救助基地分布位置和救助力量基本信息、搜救責(zé)任區(qū)范圍信息、救助船舶實時位置信息和搜救設(shè)施的適航性能等。

5) 搜救預(yù)案數(shù)據(jù)庫中的信息包括救援應(yīng)急知識信息、專家經(jīng)驗和搜救歷史救援案例基本信息等。

系統(tǒng)對這些關(guān)鍵數(shù)據(jù)建立邏輯模型，詳細(xì)描述數(shù)據(jù)的流程和在系統(tǒng)中的處理過程，見圖2。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與初步實現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)融合模型

搜救系統(tǒng)通常需要大量的相關(guān)數(shù)據(jù)。搜救基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一般包括海洋環(huán)境數(shù)據(jù)信息、船舶動態(tài)信息搜救應(yīng)急資源數(shù)據(jù)、搜救部門的數(shù)據(jù)和模型分析的結(jié)果數(shù)據(jù)等，具有典型的多源異構(gòu)特征。因此，數(shù)據(jù)融合和共享是系統(tǒng)一大問題，有必要建立一個能集成結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)模型。利用GIS平臺自身具有的強(qiáng)大空間信息整合與分層管理能力，基于空間數(shù)據(jù)模型(包括arc/info、geomedia和arcview等)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，對相關(guān)搜救數(shù)據(jù)進(jìn)行分層轉(zhuǎn)換與整合，通過相應(yīng)的GIS組件對不同搜救數(shù)據(jù)的空間模式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)解譯與集成，最終實現(xiàn)以電子海圖為底層，集成海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和海上目標(biāo)矢量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的綜合顯示。GIS數(shù)據(jù)庫下異構(gòu)信息建模見圖3。這種數(shù)據(jù)融合方法能滿足大量空間數(shù)據(jù)的分層管理和一體化顯示，同時在后期數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析處理方面保留高度可用性。

圖3 GIS數(shù)據(jù)庫下異構(gòu)信息建模

4.2 事故影響范圍分析模型

該系統(tǒng)采用改進(jìn)的緩沖區(qū)方法計算海上事故的影響范圍。以分析遇險船舶影響范圍為例，將事故點的坐標(biāo)位置確定為中心單元，建立半徑為R的圓環(huán)(在系統(tǒng)中為新的圖層單元)為受影響海域。由于這種緩沖區(qū)分析僅以R為固定寬度生成受影響海域緩沖區(qū)，考慮的因素單一，很難準(zhǔn)確反映事故的真實狀態(tài)。本文采用改進(jìn)的緩沖區(qū)分析方法，引入事故險情等級因素參與計算，即從數(shù)學(xué)的角度將事故點看成一個空間集合，緩沖區(qū)是集合的鄰域，其鄰域半徑R依據(jù)海洋環(huán)境動力數(shù)據(jù)和海上事故嚴(yán)重程度確定，事故點影響范圍分析流程見圖4。通過研究分析可知：海上事故點緩沖區(qū)主要受風(fēng)、浪、流合力的作用，對遇險事故擴(kuò)散有一定的影響，各種事故的嚴(yán)重程度不盡相同，其指標(biāo)因素主要包括環(huán)境險情(危險品遇險),人員險情(落水、傷亡數(shù))和船舶險情(破艙進(jìn)水、船舶擱淺、船舶火災(zāi)、船舶失控、船舶傾斜和船舶失蹤)等。設(shè)定各個指標(biāo)對應(yīng)的判別標(biāo)準(zhǔn)，在不同事故等級下為對應(yīng)指標(biāo)賦予不同權(quán)重P，P=1,2，…，a，設(shè)g事故的固定影響值為N(g)，則對于遇險船舶O實體對象，其緩沖區(qū)可定義為

Buffer={x|d(x,O)≤r}

(1)

(2)

圖4 事故點影響范圍分析流程

參閱《國際海事組織搜索與救助手冊(IMOSAR Manual)》《國際海事組織商船搜救手冊》《國家海上搜救手冊》及相關(guān)研究，給出總體搜救行動方面的相關(guān)準(zhǔn)則，采用漂移或擴(kuò)散模型分析海上事故影響范圍。該系統(tǒng)設(shè)計的模型相比傳統(tǒng)方法考慮的事故影響因素更全面，模型能隨著海上事故數(shù)據(jù)信息量的逐漸增加具有良好的可擴(kuò)展性。針對基于多種影響因素建立影響范圍模型難度較大的問題，系統(tǒng)采用相對簡化的緩沖區(qū)分析方法,實現(xiàn)對遇險船舶目標(biāo)影響范圍的計算，降低模型的復(fù)雜程度和計算時的冗余度，在結(jié)果顯示方面更加直觀易讀。采用的緩沖區(qū)分析方法是GIS中較為成熟可靠的方法，基于緩沖區(qū)分析提出的事故影響范圍分析模型，可對分析結(jié)果的可靠性提供方法保障。

4.3 搜救海域救助危險度分析模型

OA是從多個搜救信息圖層(對象)中提取隱含信息的方法。[14]在搜救海域危險度計算方面，OA根據(jù)多個救援信息圖層的空間屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)計算。

該系統(tǒng)應(yīng)用OA方法計算海上遇險區(qū)域的搜救危險分級大小，參與疊置的數(shù)據(jù)主要包括海風(fēng)數(shù)據(jù)、海浪數(shù)據(jù)和海流數(shù)據(jù)等，其中:海風(fēng)可影響舵的轉(zhuǎn)向，風(fēng)壓產(chǎn)生的橫向力矩容易影響船體平衡；海浪容易造成甲板上浪、螺旋槳空轉(zhuǎn)和船體打橫;海流可影響搜尋艦船的船速、舵力和舵效等。將影響救助的主要數(shù)據(jù)要素加載至系統(tǒng)中，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為柵格形式，對多個柵格圖層屬性值之間的多條件分析計算，最終獲得反映搜救海域救助危險度的信息圖層。疊置模型為

(3)

通過參考相關(guān)搜救手冊信息和調(diào)研可知，傳統(tǒng)海洋環(huán)境信息輔助航行系統(tǒng)通過整合風(fēng)、浪和流等多源數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化，生成等值線、等值面。本文所述系統(tǒng)中的搜救海域救助危險度分析模型首先以柵格方式存儲海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過插值計算獲取整個事故海域的風(fēng)浪流特征，針對救援任務(wù)的需求，在保證海洋環(huán)境信息準(zhǔn)確性的同時，引入搜救海域事故影響范圍信息，從而突出海洋環(huán)境對救援危險度的影響情況，該方法適合小范圍海區(qū)救助危險度的精確計算。

4.4 撤離路徑優(yōu)選模型

基于NA構(gòu)建撤離優(yōu)選模型。網(wǎng)絡(luò)鏈?zhǔn)呛降?、航線等資源或通信聯(lián)絡(luò)的通道；站點是搜救艦船、救助船和岸基救援基地等提供資源的救助點；障礙是有不適航海域、密集海域等特征的航線；網(wǎng)絡(luò)鏈中的分割節(jié)點稱為拐角點，如航線中的轉(zhuǎn)向點。障礙和拐角點都有可能對網(wǎng)絡(luò)鏈造成一定的阻抗，影響撤離路徑的規(guī)劃。海上搜救情景的空間網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成示意見圖5。

圖5 海上搜救情景的空間網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成示意

該系統(tǒng)集成NA計算方法，利用GIS技術(shù)中的成本矩陣分析方法選取最佳撤離路徑，起到路線優(yōu)化的作用。路徑分析以搜救事件地點和岸基搜救中心地點為點圖層，根據(jù)撤離路線數(shù)據(jù)建立網(wǎng)絡(luò)鏈，確定撤離成本大小判別準(zhǔn)則，海域內(nèi)影響撤離的因素主要包括船舶適航等級、距離、航行時間和海區(qū)內(nèi)船舶密集度等。建立包含撤離成本值的圖層，最終基于網(wǎng)絡(luò)鏈中成本的大小選取撤離路徑方案優(yōu)化路線。

(4)

式(4)中:Sij為網(wǎng)絡(luò)鏈?zhǔn)鹿庶ci與救援設(shè)施點j之間的平均阻抗大小，是判斷撤離路徑優(yōu)劣的依據(jù)；tij為航行時間成本，是在不考慮阻抗情況下該航線撤離所需時間;ρij為路徑周圍船舶密集度等級，船舶密度是指某一時刻單位面積內(nèi)船舶數(shù)量的平均值;dij為事故點與設(shè)施點的距離大小;Oij為航行路徑的適航等級，即針對海上氣象水文海況條件，結(jié)合船舶類型(高速救助船舶、快速救助船舶和大功率海洋救助船)、船舶特點等因素，分析對應(yīng)航線適航信息并分級表示。

參考搜救手冊和相關(guān)文獻(xiàn)，船艇救助任務(wù)完成之后的撤離處置是依靠電子海圖顯示與信息(Electronic Chart Display and Infornation System, ECDIS)完成撤離路線規(guī)劃的。該系統(tǒng)中的撤離路徑優(yōu)選模型是基于GIS中網(wǎng)絡(luò)分析方法進(jìn)行航線優(yōu)化設(shè)計的，與ECDIS中的航線設(shè)計相比，在保證航線有效性的同時，引入海域危險度信息，充分融合并考慮其他多元數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)到達(dá)救助點的最優(yōu)航線設(shè)計。NA方法在研究最佳路徑方面相對成熟可靠，因此基于NA提出的撤離路徑優(yōu)選模型能為最佳撤離路線結(jié)果的可靠性分析提供一定的方法保障。

4.5 系統(tǒng)的初步實現(xiàn)

海上搜救與撤離模型系統(tǒng)主要在ArcGIS平臺上進(jìn)行設(shè)計研發(fā)，利用嵌入式GIS組件庫進(jìn)行初步實現(xiàn)，界面見圖6，其功能包括事故點信息添加、環(huán)境影響分析、撤離路徑分析、搜救危險度分析和搜救責(zé)任區(qū)歸屬分析等。事故點信息添加功能需要搜救業(yè)務(wù)人員輸入事故的相關(guān)參數(shù)信息，包括船舶險情參數(shù)和環(huán)境險情參數(shù)等，系統(tǒng)根據(jù)事故參數(shù)，利用第3.2節(jié)提出的緩沖區(qū)分析方法計算獲取事故對周圍海域環(huán)境的影響范圍情況。撤離路徑分析即集成NA方法選取路徑，搜救海域救助危險度分析利用OA方法生成救助危險度空間布局圖。系統(tǒng)分析結(jié)果可輔助搜救工作的高效安排。

圖6 系統(tǒng)主界面

5 結(jié)束語

本文針對海上搜救工作分析決策中存在的不足，設(shè)計基于GIS技術(shù)的海上搜救與撤離模型系統(tǒng)，提出該系統(tǒng)的總體設(shè)計方案、數(shù)據(jù)庫架構(gòu)、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和初步實現(xiàn)，建立海上搜救與撤離模型方案，提出基于空間數(shù)據(jù)模型的多源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、事故影響范圍分析模型和搜救海域救助危險度分析模型、撤離路徑優(yōu)選模型等關(guān)鍵技術(shù)，后期模型分析結(jié)果可為搜救業(yè)務(wù)的開展提供有力支撐，為搜救行動中解決方案的制訂提供參考。