劉 偉 崔 嘉 王仲暉 趙中正 高永健

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）（2.中國(guó)人民解放軍91911部隊(duì) 三亞 572000）（3.海豐通航科技有限公司 北京 100071）

1 引言

海上環(huán)境險(xiǎn)惡，情況復(fù)雜多變，時(shí)刻威脅著遇險(xiǎn)人員的生命。因此一旦接收到海上遇險(xiǎn)事故報(bào)警，應(yīng)迅速收集各種有利信息，快速制定合理有效的搜救計(jì)劃，并以最快的速度派遣搜救力量，根據(jù)影響搜救行動(dòng)因素變化，快速組織、協(xié)調(diào)、指揮整個(gè)搜救行動(dòng)，達(dá)到搜救資源的合理利用，這是搜救行動(dòng)成功的關(guān)鍵［1～2］。

提高海上遇險(xiǎn)事故應(yīng)急反應(yīng)能力和救助成功率，需要進(jìn)行大量的海上搜救訓(xùn)練，目前真實(shí)場(chǎng)景的海上搜救組織演練需要消耗大量的人力、物力和時(shí)間成本，搜救組織受現(xiàn)場(chǎng)因素影響較大，并且在演練過(guò)程中還存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性［3～4］。為了保障復(fù)雜海況及突發(fā)事故條件下海上搜救演練實(shí)施，提高海上搜救資源有效利用，降低海上搜救演練成本，提升搜救人員應(yīng)急救援能力，設(shè)計(jì)一套海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)。系統(tǒng)利用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建海上搜救場(chǎng)景態(tài)勢(shì)，模擬海上搜救組織處置過(guò)程，包括：險(xiǎn)情設(shè)定、險(xiǎn)情發(fā)出、搜救方案制定、搜救方案審核、搜救演練、應(yīng)急情況處置、搜救總結(jié)與評(píng)估，并根據(jù)搜救人員角色不同，設(shè)置不同的任務(wù)需求和考核評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，滿足人員演練的實(shí)際需要。

2 海上搜救組織一般流程

海上搜救是指國(guó)家或有關(guān)部門(mén)針對(duì)海上事故做出的搜索、救援等工作。海上搜救過(guò)程一般分為五個(gè)階段，即初始行動(dòng)階段、計(jì)劃制定階段、搜索實(shí)施階段、救援實(shí)施階段、任務(wù)結(jié)束階段。

1）初始行動(dòng)階段。確認(rèn)險(xiǎn)情信息，包括遇險(xiǎn)人員情況、遇險(xiǎn)時(shí)間地點(diǎn)、海洋氣象水文信息，并向所在責(zé)任區(qū)海上搜救機(jī)構(gòu)報(bào)告。

2）計(jì)劃制定階段。搜救責(zé)任區(qū)人員根據(jù)相關(guān)模型判斷海上遇險(xiǎn)漂移位置［5～6］，確定搜尋區(qū)域的大?。?］、搜尋方式以及搜索救援力量，并將計(jì)劃通知搜救單位。

3）搜索實(shí)施階段。搜救單位派遣搜救隊(duì)伍進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，按照計(jì)劃實(shí)施搜索行動(dòng)，并及時(shí)與搜救中心聯(lián)系，匯報(bào)現(xiàn)場(chǎng)情況。

4）救援實(shí)施階段。當(dāng)發(fā)現(xiàn)遇險(xiǎn)目標(biāo)時(shí)，搜救人員攜帶相應(yīng)裝備對(duì)遇險(xiǎn)目標(biāo)實(shí)施救援，直到遇險(xiǎn)目標(biāo)脫離危險(xiǎn)為止。

5）任務(wù)結(jié)束階段。搜救任務(wù)結(jié)束后，搜救部門(mén)、人員對(duì)本次搜救任務(wù)進(jìn)行總結(jié)，整理搜救任務(wù)書(shū)，并向上一級(jí)搜救中心匯報(bào)。

搜救組織是執(zhí)行海上搜索與救援任務(wù)時(shí)單獨(dú)成立的組織，它既是搜救活動(dòng)的組織者，也是搜救活動(dòng)的執(zhí)行者，搜救組織的構(gòu)成主要包括搜救指揮員、搜救任務(wù)協(xié)調(diào)員、現(xiàn)場(chǎng)指揮員、現(xiàn)場(chǎng)搜救員，他們的職責(zé)與層級(jí)關(guān)系如圖1所示。

圖1 海上搜救組織職責(zé)與層級(jí)關(guān)系

3 海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依托于美國(guó)軍方提出的TENA（試驗(yàn)與訓(xùn)練使能體系結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)框架［8］，它提供了一種大規(guī)模、分布式的、實(shí)時(shí)仿真環(huán)境，可以把各種資源整合起來(lái)，構(gòu)建一個(gè)逼真高效的綜合試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬海上搜救組織過(guò)程，提高了搜救資源利用效率。海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)總體框架共分為五個(gè)部分，分別為數(shù)據(jù)層、支撐層、業(yè)務(wù)邏輯層、仿真層和應(yīng)用層，具體內(nèi)容如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)圖

海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)平臺(tái)具有多種數(shù)據(jù)庫(kù)資源，并采用DDS數(shù)據(jù)通信手段［9］，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中資源進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用、記錄、存儲(chǔ)，模擬海上搜救場(chǎng)景，為搜救指揮流程仿真提供數(shù)據(jù)支持，設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，顯示搜救指揮過(guò)程，并形成系統(tǒng)文件安裝包。系統(tǒng)平臺(tái)以VS2017和Qt Creator作為平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，采用C/S架構(gòu)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為Win?dows7，用戶首次使用時(shí)需要安裝客戶端，并根據(jù)自身角色，輸入相應(yīng)的登錄口令，基于保密性考慮，管理員角色有權(quán)限更改用戶信息。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置

海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)采用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)用于數(shù)據(jù)管理，SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)是世界上部署最廣泛的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)［10］，獨(dú)立性強(qiáng)、占用資源少、能夠允許多個(gè)進(jìn)程或線程安全訪問(wèn)，跨平臺(tái)不需要在系統(tǒng)中配置，可直接使用。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源包括三部分，一部分為已存入系統(tǒng)中的典型數(shù)據(jù)信息，包括用戶信息、遇險(xiǎn)目標(biāo)信息、典型的風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)和海溫場(chǎng)等搜救環(huán)境數(shù)據(jù)信息、搜救力量數(shù)據(jù)、仿真模型數(shù)據(jù)、歷史案例數(shù)據(jù)等。這些信息方便用戶登錄系統(tǒng)，并模擬典型搜救場(chǎng)景，為平臺(tái)執(zhí)行搜救任務(wù)提供快速的服務(wù)響應(yīng)。

另一部分為用戶根據(jù)實(shí)際需要輸入的險(xiǎn)情信息和搜救方案信息。海上遇險(xiǎn)事故具有突發(fā)性、緊急性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，因此在進(jìn)行海上險(xiǎn)情場(chǎng)景設(shè)定時(shí)要考慮險(xiǎn)情時(shí)間背景、險(xiǎn)情類(lèi)型、險(xiǎn)情位置、險(xiǎn)情目標(biāo)、險(xiǎn)情狀態(tài)、遇險(xiǎn)人數(shù)、人員情況等信息，這些信息都可以通過(guò)用戶設(shè)定，并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，遇險(xiǎn)信息設(shè)定界面如圖3所示。在制定搜救方案時(shí)，需要對(duì)險(xiǎn)情信息進(jìn)行分析，考慮資源區(qū)域規(guī)劃、搜救力量資源選擇、搜救區(qū)域規(guī)劃、搜尋方式規(guī)劃以及需要攜帶的相關(guān)搜救裝備等方面，最終形成搜救報(bào)告。

圖3 遇險(xiǎn)信息設(shè)定界面

最后一部分為系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括用戶操作數(shù)據(jù)、仿真模擬產(chǎn)生的航線航跡、搜救結(jié)果，這些數(shù)據(jù)方便使用者對(duì)整個(gè)搜救組織過(guò)程進(jìn)行評(píng)估。

3.3 仿真模型建立

1）遇險(xiǎn)目標(biāo)漂移模型

相較于陸地環(huán)境來(lái)說(shuō)，任何漂浮在海上的目標(biāo)存在著漂移運(yùn)動(dòng)，漂移位置主要受兩方面因素的影響，即表層水流和風(fēng)壓漂移［11～12］。表層水流是搜尋目標(biāo)所處海域的實(shí)際水流，它是由各種水流，如海流、當(dāng)?shù)仫L(fēng)生流、潮流、河口流、沿岸流等疊加而來(lái)，其中對(duì)表層水流影響最大的是潮流和風(fēng)生流，在計(jì)算表層水流時(shí)可以通過(guò)風(fēng)力大小、潮流信息獲取。風(fēng)壓是指由于風(fēng)作用于目標(biāo)水上部分而導(dǎo)致目標(biāo)對(duì)水的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向，目標(biāo)的形狀、大小、浸沒(méi)比例［13］都對(duì)風(fēng)壓產(chǎn)生影響。

在計(jì)算漂移速度時(shí)，可以由這兩個(gè)因素作用的矢量疊加獲得，假設(shè)Vwater為遇險(xiǎn)區(qū)域表層水流矢量流速，Vwind為風(fēng)壓，即某一位置處海上遇險(xiǎn)目標(biāo)產(chǎn)生的矢量速度V可用下式表示：

式中，α為風(fēng)對(duì)漂移目標(biāo)的影響因子，具體取值根據(jù)遇險(xiǎn)目標(biāo)特性決定。

在t時(shí)刻，遇險(xiǎn)目標(biāo)相較于零點(diǎn)漂移的軌跡可用下式表示：

2）搜尋方式模型

海上目標(biāo)搜尋需要考慮遇險(xiǎn)環(huán)境、遇險(xiǎn)目標(biāo)類(lèi)型以及探測(cè)設(shè)備性能，在制定搜救方案過(guò)程中，需要選擇適當(dāng)?shù)乃褜し绞?，以達(dá)到最佳的搜尋效果。目前常用的搜尋方式有扇形搜索、擴(kuò)展方形搜索、航跡線搜索、平行線搜索等方式，在仿真過(guò)程中，根據(jù)不同的搜尋方式設(shè)定相應(yīng)模型，搜救力量沿著既定的軌道進(jìn)行目標(biāo)搜尋。以擴(kuò)展方形搜索為例，如圖4所示，O為搜尋基準(zhǔn)點(diǎn)，S代表搜尋間距，搜尋行動(dòng)以O(shè)點(diǎn)為起始點(diǎn)向外按照一定距離進(jìn)行擴(kuò)展，達(dá)到搜尋區(qū)域邊界處停止搜尋。如果同一區(qū)域需要進(jìn)行連續(xù)搜索時(shí)，則在搜尋起始點(diǎn)轉(zhuǎn)向45°開(kāi)始第二次搜尋。

圖4 擴(kuò)展方形搜索方式示意圖

編程實(shí)現(xiàn)方式如下：

ListsquareArea（SPoint O，double R，double S）｛//O為搜尋基準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)度、緯度和方向的列表，R為搜尋區(qū)域邊長(zhǎng)，S搜尋間距

ListLineList；//航路點(diǎn)集合

LineList.append（O）；

int newA=O.azimuth；//基準(zhǔn)點(diǎn)角度

double sLen=0；//搜尋距離

SPoint tmpPnt=0；//航路點(diǎn)緩存變量

While（（sLen+=S）

3）搜救能力模型

海上常用的搜救力量有船舶和飛機(jī)兩種方式，以直升機(jī)搜救為例，搜救直升機(jī)的燃油量、飛行速度以及在某飛行速度下的燃油消耗率等性能指標(biāo)對(duì)搜救行動(dòng)至關(guān)重要，通過(guò)建立直升機(jī)搜救能力模型，根據(jù)直升機(jī)救援過(guò)程中的燃油消耗率計(jì)算直升機(jī)的飛行距離，為搜救行動(dòng)的順利開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支持。

在實(shí)際的搜救作業(yè)中，直升機(jī)可能需要懸停開(kāi)展救援作業(yè)，同時(shí)直升機(jī)往返航程應(yīng)保證油量充足，留有一定的剩余油量，則搜救直升機(jī)的最大飛行距離為

式中：Yzy表示搜救直升機(jī)的載油量，Ysy表示直升機(jī)的剩余余油量，Yxy表示直升機(jī)懸停救援時(shí)的燃油消耗量，Vss表示直升機(jī)搜救時(shí)的飛行速度，Yx?表示在對(duì)應(yīng)飛行速度下的燃油消耗率。

根據(jù)上述模型，可以計(jì)算直升機(jī)的最大飛行距離，在搜救過(guò)程中，直升機(jī)已完成搜救距離與直升機(jī)返程距離之和應(yīng)小于直升機(jī)最大飛行距離，系統(tǒng)仿真界面如圖5所示。

圖5 搜救過(guò)程仿真界面

3.4 搜救組織指揮流程

海上搜救組織指揮過(guò)程主要包括海上險(xiǎn)情設(shè)定階段、搜救方案制定階段、搜救方案審批階段、搜救方案執(zhí)行階段和搜救結(jié)果評(píng)估階段，海上搜救組織指揮流程如圖6所示。

圖6 海上搜救組織指揮流程

導(dǎo)調(diào)人員負(fù)責(zé)險(xiǎn)情設(shè)定，登錄個(gè)人信息后，導(dǎo)調(diào)人員可以根據(jù)演練要求設(shè)定險(xiǎn)情信息，也可以通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)直接導(dǎo)入險(xiǎn)情案例，生成險(xiǎn)情方案之后，并對(duì)險(xiǎn)情信息進(jìn)行發(fā)布。

搜救任務(wù)協(xié)調(diào)員要響應(yīng)險(xiǎn)情信息，并根據(jù)險(xiǎn)情信息和目前擁有的搜救資源，完成搜救方案的制定和上報(bào)。

搜救指揮員要對(duì)搜救方案進(jìn)行審批，審批通過(guò)，進(jìn)行搜救方案的發(fā)布、顯示和存儲(chǔ)；審批不通過(guò)，需要搜救任務(wù)協(xié)調(diào)員重新制定搜救方案。

當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)指揮員執(zhí)行搜救指令后，平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示險(xiǎn)情信息，動(dòng)態(tài)模擬搜救過(guò)程。若搜救不成功，可以現(xiàn)場(chǎng)制定搜救方案，也可以上報(bào)任務(wù)協(xié)調(diào)員，重新制定搜尋方案，重復(fù)以上過(guò)程，直至完成搜救或資源油量耗盡搜救失敗。

最后，系統(tǒng)根據(jù)搜救結(jié)果對(duì)整個(gè)搜救過(guò)程以及參與者進(jìn)行評(píng)估，并將結(jié)果儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，完成搜救任務(wù)書(shū)。

4 系統(tǒng)仿真測(cè)試分析

設(shè)置局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，搭建系統(tǒng)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，合理規(guī)劃演練角色站位，利用系統(tǒng)平臺(tái)模擬海上搜救指揮過(guò)程，場(chǎng)地布置如圖7所示。演練人員按照角色分工，通過(guò)客戶端輸入用戶名和密碼，完成系統(tǒng)測(cè)試。

圖7 場(chǎng)地布置圖

導(dǎo)調(diào)人員、搜救任務(wù)協(xié)調(diào)員、搜救指揮員、現(xiàn)場(chǎng)指揮員按照演練方案參與海上搜救行動(dòng)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過(guò)仿真測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，能完成多角色間指令的發(fā)出與接收，同時(shí)隨著測(cè)試次數(shù)的增加，完成搜救任務(wù)時(shí)間減少，搜救成功率增加，達(dá)到了測(cè)試預(yù)期的目的。

表1 仿真測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)任務(wù)需求，本系統(tǒng)可以模擬多種海上險(xiǎn)情發(fā)生，并通過(guò)相關(guān)模型的運(yùn)用，真實(shí)再現(xiàn)海上搜救組織指揮過(guò)程，在仿真過(guò)程中可以將險(xiǎn)情狀況、搜救計(jì)劃、救援過(guò)程、結(jié)果評(píng)估等信息儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便學(xué)習(xí)與分析。本系統(tǒng)的研究成果為多角色協(xié)同搜救演練仿真提供了有效的解決途徑，為切實(shí)提高應(yīng)對(duì)海上重大突發(fā)事件的搜救處置能力積累了有利的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。