金 浩，張英香，王吉武，宋煊懿，胡敏瑞，范 壯，金 晶

(1. 中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101；2. 中國中小企業(yè)發(fā)展促進中心，北京 100082；3. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005；4. 山東省蓬渤安全環(huán)保服務有限公司，山東 煙臺 265600)

0 引 言

對于水上應急救援演練，傳統(tǒng)的實際場地模型演練方式有著造價高、污染大、危險性極強、進程不易把握、演練內容單一等缺點。隨著計算機虛擬技術的發(fā)展，由計算機整合模型庫、案例庫、應急知識庫、方法庫、圖形庫、裝備庫等數(shù)據(jù)庫研發(fā)出的應急救援模擬訓練系統(tǒng)[1-2]，能夠綜合模擬出災害爆發(fā)場景、救援進展和事故態(tài)勢等進程信息，不僅避免了傳統(tǒng)演練造價高、內容單一的缺點，還能提高參與人員應急救援水平，便于組織者、參演方交互，對演練評估等，完全能達到比實際場地演練更好的演練效果。

應急救援模擬訓練應當具備對各種類型訓練試驗進行模擬規(guī)劃，實時顯示失事船舶運動狀態(tài)信息，并對動態(tài)模擬救援效果進行評估的能力?；谔摂M現(xiàn)實技術的水上應急救援模擬訓練是提高模擬救援水平的重要支撐。

為提高水上應急救援模擬訓練質量，確實達到復雜狀況下實施應急救援作業(yè)的能力要求，本文聚焦我國水上應急救援應對需求，探討水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)概念和設計需求，構建水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)總體設計，分析其關鍵技術，并對水下應急救援模擬訓練子系統(tǒng)設計。

1 水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)概念和設計需求

1.1 水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)概念

應急救援模擬訓練也稱為應急虛擬訓練，指的是依托于實應急救援的虛擬現(xiàn)實仿真演練平臺，全真模擬各類事故、災害或事故現(xiàn)場，通過人機交互的操作對各項救援作業(yè)進行訓練，對救援作業(yè)方案進行演練。按照國務院應急管理辦公室印發(fā)《突發(fā)事件應急演練指南》的要求，結合各類應急救援的實際情況，大體可將整個模擬訓練過程分為計劃演練、記錄過程、總結評估3部分，每一部分又包含很多具體的操作步驟。整個模擬訓練需要模型庫、案例庫、應急知識庫、方法庫、圖形庫、裝備庫、標準庫等數(shù)據(jù)庫作為支撐，計算機根據(jù)訓練進程要求，調用相關數(shù)據(jù)合成出整個應急事件爆發(fā)前后場景，根據(jù)參演人員的操作，自動調整災害進程，最終達到演練預案、鍛煉人員的目的。同時，訓練過程中所應用到的知識、方法以及訓練過程本身也可作為案例保存至知識庫、方法庫、案例庫。水上應急救援模擬訓練仿真系統(tǒng)[3]在保障應急救援作業(yè)人員安全、創(chuàng)新監(jiān)管模式和提高應急救援作業(yè)人員水平等方面具有重要意義。

1.2 水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)設計需求

通過對“世越”號[4]、“東方之星[5]”、“重慶公交墜江[6]”等事故進行分析可知，水上應急救援涉及到救援過程、救援技術、救援裝備和救援作業(yè)等各方面，整個救援流程較復雜，涉及面廣，故迫切需要應急救援模擬訓練系統(tǒng)對整個救援過程進行演練、對救援作業(yè)人員進行訓練，以提高救援組織指揮、救援作業(yè)和輔助作業(yè)等各類人員的水平。模擬訓練和綜合演練能暴露出應急救援體系、作業(yè)流程和實際指揮作業(yè)等過程中所存在的問題，通過模擬訓練來發(fā)現(xiàn)和解決水下應急救援作業(yè)中所存在的問題，進而進行流程和制度上的改進和優(yōu)化。

水下應急救援模擬訓練系統(tǒng)的設計需求包括救援任務可拆解，信息接口擴展靈活，數(shù)據(jù)傳輸帶寬大，接入設備同步性強，以及系統(tǒng)安全性高。

1.2.1 救援任務可拆解

救援任務是指救援力量在救援中所要達到的目標及承擔的責任。關于救援任務的行動方案就是一個目標任務集，任務由目標觸發(fā)，并可以進一步分解為更小的任務，這些更小的任務對應于更低層次的目標，救援作業(yè)實體間通過協(xié)作實現(xiàn)救援目標從而完成救援任務。救援作業(yè)實體之間的交互過程構成了實現(xiàn)救援目標的救援情景。

1.2.2 信息接口擴展靈活

各類導航傳感器、機艙信息傳輸設備、水聲通信、探測設備、報警設備產生的信息由信息接口進行采集后，通過高速局域網絡，提供給各信息顯示與模擬訓練操縱臺，模擬訓練操縱臺對各種探測設備和救援船舶進行操縱，從而形成一套完整、統(tǒng)一的操縱控制環(huán)境，使救援指揮人員在視野無阻的中心工作位置方便地獲得船舶、環(huán)境、氣象及電子海圖等信息。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸帶寬大

傳感器模擬器模擬多類傳感器信息，內容豐富、傳輸數(shù)據(jù)量大，占用帶寬較多；聲吶模擬器模擬聲吶水聽器生成的原始回波信號，并要將其通過網絡傳輸給聲吶設備，傳輸數(shù)據(jù)量大，占用帶寬較多。

1.2.4 接入設備同步性強

多臺視景通道計算機生成3D視頻圖像，需要各路通道輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性強，才能保障整體視頻圖像的同步，所需帶寬傳輸速率高。

1.2.5 系統(tǒng)安全性高

仿真中心是為了可視化模擬多種類型大型水面船舶在海上的航行、事故及救援作業(yè)，對海上事故救援系統(tǒng)進行工程論證，對救援作業(yè)進行模擬訓練，整個系統(tǒng)網絡所傳輸數(shù)據(jù)應具有較強的保密性，對接入網絡各設備應有實時監(jiān)控，對異常情況應有相應的措施進行及時處理。

2 水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)總體設計

水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)頂層設計主要包括水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)各個組件的功能設計以及應急救援模擬訓練系統(tǒng)架構、交互設計。

2.1 系統(tǒng)的組成

整個水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)[7]由模擬訓練規(guī)劃臺、船舶（失事船舶和救援船舶）系統(tǒng)和視景系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

圖1 平臺系統(tǒng)構成Fig. 1 Platform system composition

模擬訓練規(guī)劃臺控制著本模擬訓練系統(tǒng)的正常運行，通過圖形、對話框、菜單等簡便的操作，為操作人員提供友好的操作界面。船舶系統(tǒng)包括失事船舶和救援船舶兩部分，可實現(xiàn)同組協(xié)同對抗救援訓練，也可以分組進行不同的練習，兩類船舶之間設計由網絡連接。視景系統(tǒng)采用柱面大屏幕五通道180°視角無縫拼接投影系統(tǒng)，可實現(xiàn)重建海上各種海況環(huán)境，如圖2所示。

圖2 應急救援陸上模擬訓練實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of land simulation training experiment system for emergency rescue

2.2 系統(tǒng)各組件功能設計

1）通過180°（或360°）的仿真視景演示，將數(shù)字化的港口及相關設施動態(tài)、逼真地展現(xiàn)在操作人員面前；

2）為救援作業(yè)提供高度逼真的救援作業(yè)體驗，同時也可結合實物進行實物訓練；

3）為復雜船舶模型提供有效的救援模擬訓練；

4）生成圖像聲吶原始信號模擬源，通過聲吶定位救援目標，同時也便于自研聲吶系統(tǒng)的開發(fā)和功能指標驗證；

5）發(fā)送應急救援所需的導航信息、環(huán)境信息、氣象信息；

6）提供各種船舶操縱設備、告警設備的操作；

7）支撐應急救援系統(tǒng)及相關設備的仿真測試、系統(tǒng)聯(lián)調。

2.3 應急救援模擬訓練系統(tǒng)架構

模擬訓練作為應急救援的的數(shù)字化表現(xiàn)，具備對船舶建模、管理、演進的能力，是實現(xiàn)應急救援遠程支持的重要技術手段。重點研究模擬訓練系統(tǒng)架構、交互關系、運行模式等設計與分析驗證技術。設計開放性好、兼容性強的服務架構，兼顧與云計算技術、大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術的有機融合，為應急救援模擬訓練系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展奠定技術基礎，如圖3所示。

圖3 水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)架構Fig. 3 System structure of simulation training experiment for emergency rescue

3 水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)關鍵技術

3.1 船舶數(shù)字建模及實現(xiàn)技術

通過研究船舶實體和三維數(shù)字模型之間高通量數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、可視化增強交互、系統(tǒng)狀態(tài)推演與測試等關鍵技術，解決船舶模型描述模糊、狀態(tài)和運維管控數(shù)字化程度低、缺乏有效的船舶全生命周期數(shù)據(jù)支持等問題。同時構建模擬仿真系統(tǒng)，研究典型救援設備及系統(tǒng)、船體結構的實時健康狀態(tài)及船舶航行操縱性能趨勢，為實現(xiàn)以應急救援模擬訓練為目標的性能評估、故障預測、遠程操控等奠定基礎。

3.2 數(shù)據(jù)庫建設及管理軟件開發(fā)技術

數(shù)據(jù)庫包括基于海洋圖形統(tǒng)計學原理生成的海面和海浪數(shù)學模型。數(shù)據(jù)庫管理軟件可通過通信接口模塊連接仿真系統(tǒng)局域網，與船舶運動仿真工作站、任務工況編輯工作站和虛擬航海模擬視景顯示系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互?？蓪邮盏降娜蝿展r初始設置信息和船舶運動姿態(tài)信息，管理數(shù)據(jù)庫相關數(shù)據(jù)，將航姿信息關聯(lián)船舶數(shù)據(jù)庫所選船模，通過集成處理后，將實時更新的仿真模型相關集成數(shù)據(jù)傳送給虛擬航海模擬視景顯示系統(tǒng)的視景通道生成裝置。

數(shù)據(jù)庫管理軟件接收的輸入數(shù)據(jù)主要包括船舶運動仿真系統(tǒng)的船舶運動姿態(tài)信息以及訓練任務工況初始設置信息。

數(shù)據(jù)庫管理軟件的輸出數(shù)據(jù)主要包括集成處理后的仿真模型集成信息。

3.3 綜合環(huán)境信息與應用數(shù)據(jù)集成技術

水上搜救業(yè)務流程涉及環(huán)境、作業(yè)裝備、失事船舶狀態(tài)等大量異構信息數(shù)據(jù)，為了進行模擬訓練，需要對所有異構信息數(shù)據(jù)進行同化和集成，構建遇險接警、評估、決策、搜救執(zhí)行等全業(yè)務信息鏈，為搜救作業(yè)模擬訓練的決策控制支持提供數(shù)據(jù)信息輸入。

數(shù)據(jù)信息包括：海況、氣象數(shù)據(jù)、地圖、地形相關數(shù)據(jù)、AIS/VTS/GPS等位置數(shù)據(jù)、有關探測、實測數(shù)據(jù)、本項目涉及設備功能數(shù)據(jù)信息輸入、浮標、模擬假體、失事船舶狀態(tài)以及其他海上監(jiān)測設備涉及的功能數(shù)據(jù)等。

異構數(shù)據(jù)信息的同化與集成應用是模擬訓練控制支持系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)輸入之一，也是模擬訓練系統(tǒng)真正能發(fā)揮作用的前提保障。該部分沒有特定專項技術層面的要求，主要是大量功能性數(shù)據(jù)的同化和集成，但對不同要求的系統(tǒng)，必須結合各類型數(shù)據(jù)的實際需求，進行整合、同化和集成。

3.4 應急救援模擬訓練系統(tǒng)狀態(tài)推演及優(yōu)化算法

應急訓練模擬系統(tǒng)可以對自身的各種能力實現(xiàn)迭代和優(yōu)化，可隨時復現(xiàn)船舶系統(tǒng)任一時刻的狀態(tài)，并可根據(jù)認知機理和規(guī)則推演或仿真未來時刻的“假設”場景，并預判其狀態(tài)。重點研究通過建模、數(shù)據(jù)采集、處理計算等方式將實體或邏輯對象在數(shù)字空間實現(xiàn)全生命周期的動態(tài)復制，通過豐富的歷史和實時數(shù)據(jù)，利用先進算法模型實現(xiàn)對實體或邏輯對象實現(xiàn)數(shù)字化表征，進而達到對船舶運行狀態(tài)深入認知、正確推理和精準操作，實現(xiàn)故障預測、健康管控、安全運維、事故救援等功能，提升模擬訓練系統(tǒng)智能化水平。

4 水下應急救援模擬訓練子系統(tǒng)

水下應急救援模擬訓練系統(tǒng)為復雜水域事故現(xiàn)場環(huán)境態(tài)勢快速探測、應急救援裝備快速展開、應急救援作業(yè)快速開展提供技術支撐。通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合處理、三維場景復現(xiàn)這一系列過程，將水域環(huán)境、目標信息、作業(yè)方案、救援進展等內容完整而又簡明地呈現(xiàn)在參與訓練者和訓練控制決策者面前，并且更加直觀。

針對船舶翻扣救助、渾濁水域ROV輔助作業(yè)、水下狹窄空間探摸等典型場景模擬訓練的需求，完成典型場景的再現(xiàn)重構，實現(xiàn)水上應急救援人員對應急場景的模擬訓練。

4.1 翻扣船舶模擬訓練系統(tǒng)

翻扣船舶人員救助有一定的特殊性。一旦船舶發(fā)生翻扣事故，不僅隨時有傾覆沉沒的危險，同時艙內的空氣逐漸減少，密封艙室處在極度黑暗之中，遇險人員承受著巨大的心理壓力。由于船舶處于翻扣狀態(tài)，遇險人員只能躲藏在最低的艙室，而船底部結構比較復雜，給潛水救助或開洞救人帶來較大難度。因此必須有較為完備的應急預案，盡可能詳細地了解遇險船舶信息，如船舶結構、人員情況、水文信息等。

系統(tǒng)地采取防傾覆措施，究其根本離不開安全科學的“人、機、環(huán)境、控制（管理）”四大要素，對每個要素采取本質化的安全措施，按計劃進行經常持久、形式多樣、內容豐富且有重點的培訓和學習，能有效提高船員職業(yè)素質，規(guī)范船員操作，消除不安全行為，有效地預防和減少傾覆事故的發(fā)生。應急模擬訓練系統(tǒng)使船員能綜合運用有關知識和技能，熟悉群體配合，防止意外發(fā)生。模擬訓練是減少傾覆事故發(fā)生的主要手段和措施。

根據(jù)翻扣船舶信息模擬功能的需要，配備傳感器集成模擬設備、船舶裝置模擬臺、船舶狀態(tài)模擬裝置和船舶安全作業(yè)（固定和打孔）裝置模擬器，在船舶運動模擬與模擬訓練規(guī)劃臺的控制下，將翻扣船舶形成的反向（鏡向）信息實時反饋給船舶運動模擬與規(guī)劃臺，實時提供水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)所需的主要運行信息，訓練主要解決模擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的一致性表示及救援人員對反向環(huán)境條件的適應性問題。

4.2 濁水域ROV輔助作業(yè)及其配套訓練系統(tǒng)

水下遙控無人潛水器（ROV）[8]用于水下輔助作業(yè)，主要有以下典型場景：1）輔助搜索探測的作業(yè)場景；2）輔助物品夾持傳遞的作業(yè)場景；3）輔助潛水員作業(yè)的作業(yè)場景；4）輔助作業(yè)工具使用的作業(yè)場景。

根據(jù)濁水域（ROV）輔助作業(yè)及其配套模擬訓練功能的需要，采用模塊化設計[9]，配備傳感器集成模擬設備、救援作業(yè)模擬臺、ROV水下狀態(tài)模擬裝置和ROV安全裝置模擬器，它們在ROV運動模擬與模擬訓練規(guī)劃臺的控制下工作，又將ROV所攜帶的水下圖像聲吶探測到的信息實時反饋給模擬訓練規(guī)劃臺，使得ROV操作員能實時掌握ROV的主要運行信息，模擬訓練主要解決水下空間布局的感知和可視化技術問題。

ROV模擬訓練系統(tǒng)由水面部分、水下部分組成。水面部分包括供電系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、電纜及纜車等組成，水下部分主要由機器人主體、輔助設備、作業(yè)工具等組成。

4.3 水下狹窄空間探摸及其配套訓練系統(tǒng)研究

水下人工救援作業(yè)包括3個流程：

1）潛水作業(yè)前準備包括人員的配置及組織安排、設備的配置及規(guī)格數(shù)量、詳細了解作業(yè)水區(qū)的基本情況（如水深、水流、風浪、橋梁水下結構等概況）、詳細了解作業(yè)內容及技術要求。

2）作業(yè)實施過程包括潛水員著裝潛水服準備、照料員幫助潛水員穿戴水下裝具、潛水員入水檢查氣密、攜帶圖像采集系統(tǒng)下潛、發(fā)現(xiàn)救援對象后實施救援、上升出水前通知水面人員、照料員接到出水信號后緩慢收回潛水繩，直到潛水員出水、照料員幫助潛水員卸裝。

3）對整個水下作業(yè)期間可能遇到的突發(fā)情況完善預案。根據(jù)水下狹窄空間探摸及其模擬訓練功能的需要，配備傳感器集成模擬設備、機艙狀態(tài)模擬裝置和船舶安全裝置模擬器，使其在船舶運動模擬與模擬訓練規(guī)劃臺的控制下工作，又將潛水員在狹小空間利用所攜帶的水下圖像聲吶等設備探測到的信息實時反饋給模擬訓練規(guī)劃臺，使得潛水員能體驗并掌握狹小空間救援和探測關鍵技術，模擬訓練主要解決在狹小空間及特定水文環(huán)境下人機混合任務組織模式的優(yōu)化技術問題。

5 結 語

本文通過對水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)組成與架構、系統(tǒng)各個組件的功能設計、系統(tǒng)組件間交互等水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)頂層設計內容的研究，完成對船舶數(shù)字建模、數(shù)據(jù)庫建設、環(huán)境信息與應用數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)狀態(tài)推演及優(yōu)化算法等關鍵技術的研究，并對水下應急救援模擬訓練典型場景進行開發(fā)，實現(xiàn)水上應急救援人員對應急場景的模擬訓練，完成對整個水上應急救援模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)工作。

后續(xù)應強化相關核心技術的研究，突破重點救援作業(yè)模擬訓練所需關鍵設備的研發(fā)，結合人工智能等技術設計更具兼容擴展性的系統(tǒng)架構，以應急救援模擬訓練系統(tǒng)的支持控制為目標，構建具備自主學習和進化能力的遠程支持控制中心。