楊嘉舜 吳 迪 陽東升 韋定江 劉潤鐸

（1.海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116015）（2.暨南大學(xué) 廣州 510045）（3.中國人民解放軍91593部隊 三亞 572011）（4.海巽云科技有限公司 青島 266440）

1 引言

自2007年至今，我國海上遇險人員、獲救人員、失蹤等死亡人員超10 萬余人，水上遇險人數(shù)與20世紀(jì)初期相比增加2.6 倍，特別是近期，海上風(fēng)電場項目施工浮吊船“福景001”號在廣東陽江附近海域防臺錨地避3 號臺風(fēng)“暹芭”時，出現(xiàn)走錨遇險的重大海上事故導(dǎo)致多位人員落水失聯(lián)，都反映了當(dāng)前我國救生模式存在一定的短板弱項。據(jù)調(diào)研資料，國內(nèi)大部分艦船未安裝海上救生系統(tǒng)，而安裝救生系統(tǒng)的艦船卻未最大程度發(fā)揮單艦救生系統(tǒng)效能。我國傳統(tǒng)海上救生系統(tǒng)的發(fā)展相較于救生需求出現(xiàn)了遲滯，構(gòu)建一款可滿足海上搜救需求的系統(tǒng)顯得尤為重要［1］。

2 系統(tǒng)設(shè)計思路

2.1 傳統(tǒng)海上救生模式的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)海上救生系統(tǒng)在面對人員落水事故發(fā)生時，僅憑落水現(xiàn)場其他人員的反饋與集合清點(diǎn)人數(shù)，目力搜索落水人員，直升機(jī)航空救援［2］等傳統(tǒng)救生手段，存在落水人員即使發(fā)現(xiàn)精確定位難、救援指揮模式層級多、應(yīng)急管理過程復(fù)雜、救援裝備搜救能力不足［3］等主要問題。

2.2 概念框架設(shè)計的基本思想

天基智聯(lián)海上救生系統(tǒng)思想是發(fā)揮系統(tǒng)高精度定位優(yōu)勢，以定位加救援流程優(yōu)化構(gòu)建體系，以經(jīng)典理論——OODA 環(huán)為指導(dǎo)建立高效運(yùn)行模式，實現(xiàn)海上應(yīng)急救援的準(zhǔn)確高效、反應(yīng)迅速、多維救生。

2.2.1 準(zhǔn)確高效

針對存在的人員發(fā)現(xiàn)難、搜救響應(yīng)慢等諸多問題，天基智聯(lián)海上應(yīng)急救生模式可發(fā)揮重要作用，彌補(bǔ)救援行動中存在的短板弱項。該救生模式基于天基系統(tǒng)通過星間、星地鏈路相連的不同軌道、種類、性能的飛行器及相應(yīng)地面設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)，按照空間信息資源的最大有效利用原則所組成的空天地一體化綜合信息網(wǎng)［4］，對海上信息進(jìn)行智能化獲取、存儲、傳輸、處理、融合和分發(fā)，同時還具備高度的自主運(yùn)行和管理能力。

運(yùn)用高效指揮控制理論設(shè)計適用于現(xiàn)場救援的OODA 環(huán)［5］，優(yōu)化救生流程，簡化指揮程序。天基物聯(lián)智能化技術(shù)執(zhí)行OODA 環(huán)運(yùn)行的魯棒性，實現(xiàn)海上搜救的精確定位，同時，全過程實施任務(wù)節(jié)點(diǎn)閉環(huán)評價，對每個環(huán)節(jié)精準(zhǔn)修正，可視化反饋給救援實施單元，推進(jìn)救生系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2.2.2 多維救生

天基智聯(lián)海上應(yīng)急救生模式聯(lián)合通信監(jiān)控設(shè)備，形成分布式覆蓋搜救。利用天基智聯(lián)的核心處理方式，定位救生設(shè)備提供精準(zhǔn)實時定位，接受衛(wèi)星授時與位置信息［6］。將信息與指揮決策傳導(dǎo)至邊緣船只，實現(xiàn)多方位、多角度、多聯(lián)動的智能應(yīng)用。天基太空低軌道衛(wèi)星鏈路提供引導(dǎo)空中救援。處理各項救援信息，分布式網(wǎng)絡(luò)覆蓋天基、空基、海基協(xié)同救援，如圖1。

圖1 多維救生概念理解

3 運(yùn)行模式

3.1 報警示位—“O”觀察

設(shè)計基于RFID和水浸傳感器技術(shù)的前端報警示位系統(tǒng)，在艦船周圍布設(shè)電子圍欄，改裝傳統(tǒng)救生衣，在救生衣后部左下角處加裝水浸傳感器、無線電報警裝置、艦員身份標(biāo)識卡與GPS定位模塊。

RFID 特定的識別卡讀取技術(shù)OODA 環(huán)中“O”觀察階段能夠?qū)崿F(xiàn)對落水人員身份信息的快速識別，及時發(fā)現(xiàn)人員落水。通過定位落水人員穿越電子圍欄位置，判斷落水人員大致位置（前后左右）。為防止異物穿越電子圍欄引起虛假報警，前端報警示位系統(tǒng)根據(jù)救生衣水浸傳感器判斷是否人員真正落水，在水浸傳感器與電子圍欄雙重報警機(jī)制響應(yīng)下，前端報警示位系統(tǒng)報警。報警響應(yīng)后指控中心完成預(yù)案的制定，運(yùn)行模式如圖2。

圖2 “O”觀察環(huán)節(jié)

3.2 天基定位—“O”定位

在人員落水后，救生衣定位信標(biāo)觸發(fā)，將定位信息及時間信息通過北斗短衛(wèi)星報文形式（或公網(wǎng)），傳送到接收機(jī)或服務(wù)器，平臺自動接收到相關(guān)信息，并自動聲光報警。定位信息可根據(jù)設(shè)置頻率按時發(fā)送到接收機(jī)，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)訪問。根據(jù)多點(diǎn)定位信息，連線即可顯示漂流軌跡，根據(jù)洋流、風(fēng)向、潮汐等因素，系統(tǒng)自動給出預(yù)計漂流軌跡，供指揮員參考，指揮員根據(jù)漂流軌跡調(diào)整航向，避免艦船推進(jìn)器損傷落水者，如下圖。

圖3 “O”定位環(huán)節(jié)

3.3 救援開展—“D”決策

“D”行動中結(jié)合軌跡漂流預(yù)測系統(tǒng)［7］，根據(jù)氣象水文條件合理預(yù)測落水人員水中漂流運(yùn)動情況。

獲取落水信息獲取后，無人機(jī)第一時間前往天基系統(tǒng)定位的海域范圍內(nèi)進(jìn)行偵察，同時利用成像偵察、電子偵察、紅外偵察和海洋監(jiān)視等衛(wèi)星協(xié)助偵察［8］。無人設(shè)備獲取的信息將實時傳輸給艦船控制室，并經(jīng)天基系統(tǒng)預(yù)處理后，引導(dǎo)無人船前往落水人員位置，由指揮員控制艦艇航向，避免救生過程中艦船對落水人員的二次傷害。根據(jù)無人機(jī)現(xiàn)場救援信息判斷落水人員是否有自主行為能力，如果存在自主行為能力，落水人員能夠由無人船拖拽前往艦船完成艦船［9］。如果不能自主完成救援，需要提前布設(shè)有人快艇和醫(yī)療救生力量快速前往事故地點(diǎn)，配合無人艇［10］，協(xié)同完成救援任務(wù)。另外艦船能與搜救單位共享信息，由指揮員調(diào)度周邊救生力量，形成統(tǒng)一指揮模式，保證共同完成救生任務(wù)。

3.4 天基反饋—“A”行動

海上救援的重點(diǎn)在于救生力量的調(diào)度，不僅在于裝備技術(shù)的使用，還在于救生資源的協(xié)調(diào)［11］。天基智聯(lián)模式能夠與飛行、水面、水下裝備構(gòu)成多維度網(wǎng)絡(luò)式覆蓋搜救。在確認(rèn)落水人員身份后，天基信息系統(tǒng)智能聯(lián)動無人救生設(shè)備，開始對落水人員進(jìn)行搜索鎖定，如圖4。

圖4 無人裝備救援

與此同時，天基系統(tǒng)對救援現(xiàn)場船只發(fā)出救援信息，并調(diào)度就近邊緣艦船救生力量，建立天基臨時搜救指揮平臺。由搜救艦船擔(dān)任總指揮，在臨時搜救平臺中發(fā)布救生指揮信息，反饋救生信息，協(xié)調(diào)各救生資源。

由搜救艦船擔(dān)任總指揮，邊緣船只根據(jù)總指揮艦指揮信息聯(lián)合行動，反饋一線寶貴救生信息資源共享［12］，完成對救援方案的準(zhǔn)備，最大限度提高救生效率。

4 實驗驗證

對天基智聯(lián)海上應(yīng)急救生模式進(jìn)行仿真試驗驗證，圖5 是實際黃海海域，天氣晴朗，氣溫25℃左右，水流速度0.18m/s，風(fēng)向西南，風(fēng)速2.3m/s 時，落水假人的漂移軌跡。

圖5 實際假人落水軌跡

天基智聯(lián)綜合了定位系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)，軌跡漂流預(yù)測系統(tǒng)，導(dǎo)彈攔截，機(jī)械視覺系統(tǒng)等算法，明確算法間的輸入輸出關(guān)系，建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，將實際水文數(shù)據(jù)，天氣情況等數(shù)據(jù)輸入，運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真模擬，輸出結(jié)果如圖6。

圖6 模擬仿真路徑

其中紅綠交錯的區(qū)域為模擬路線區(qū)，點(diǎn)狀是實際定位點(diǎn)，預(yù)計路徑面積越小，圖6所示與上半部分點(diǎn)狀定位點(diǎn)重合度越高，證明預(yù)測路徑較為準(zhǔn)確。

通過實驗驗證，天基智聯(lián)海上救生模式概念設(shè)計能夠高效地完成海上應(yīng)急救生人員落水任務(wù)。

5 結(jié)語

通過對傳統(tǒng)救生系統(tǒng)中加入對天基智聯(lián)的發(fā)展應(yīng)用模式，艦艇救生系統(tǒng)在面對發(fā)現(xiàn)落水人員，確定落水人員信息、信息資源共享等難題上有了巨大的突破，無論是落水人員定位信號是否消失，應(yīng)急救生系統(tǒng)仍可以高效運(yùn)行。利用衛(wèi)星通訊［13］，環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，調(diào)度資源范圍廣，信息精準(zhǔn)高效，為救援救生提供更多的可能。在后期模式設(shè)計中，期待裝備關(guān)鍵技術(shù)的突破［14］，實現(xiàn)天基智聯(lián)海上應(yīng)急救生系統(tǒng)高層次發(fā)展。