劉 偉 崔 嘉 王仲暉 趙中正 高永健

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

1 引言

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

提高海上遇險事故應(yīng)急反應(yīng)能力和救助成功率，需要進行大量的海上搜救訓(xùn)練，目前真實場景的海上搜救組織演練需要消耗大量的人力、物力和時間成本，搜救組織受現(xiàn)場因素影響較大，并且在演練過程中還存在一定的風(fēng)險性［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)建海上搜救場景態(tài)勢，模擬海上搜救組織處置過程，包括：險情設(shè)定、險情發(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)需求和考核評價標準，滿足人員演練的實際需要。

2 海上搜救組織一般流程

海上搜救是指國家或有關(guān)部門針對海上事故做出的搜索、救援等工作。海上搜救過程一般分為五個階段，即初始行動階段、計劃制定階段、搜索實施階段、救援實施階段、任務(wù)結(jié)束階段。

1）初始行動階段。確認險情信息，包括遇險人員情況、遇險時間地點、海洋氣象水文信息，并向所在責(zé)任區(qū)海上搜救機構(gòu)報告。

2）計劃制定階段。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，并將計劃通知搜救單位。

3）搜索實施階段。搜救單位派遣搜救隊伍進入現(xiàn)場，按照計劃實施搜索行動，并及時與搜救中心聯(lián)系，匯報現(xiàn)場情況。

4）救援實施階段。當發(fā)現(xiàn)遇險目標時，搜救人員攜帶相應(yīng)裝備對遇險目標實施救援，直到遇險目標脫離危險為止。

5）任務(wù)結(jié)束階段。搜救任務(wù)結(jié)束后，搜救部門、人員對本次搜救任務(wù)進行總結(jié)，整理搜救任務(wù)書，并向上一級搜救中心匯報。

搜救組織是執(zhí)行海上搜索與救援任務(wù)時單獨成立的組織，它既是搜救活動的組織者，也是搜救活動的執(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)場指揮員、現(xiàn)場搜救員，他們的職責(zé)與層級關(guān)系如圖1所示。

圖1 海上搜救組織職責(zé)與層級關(guān)系

3 海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)設(shè)計

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)計依托于美國軍方提出的TENA（試驗與訓(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、實時仿真環(huán)境，可以把各種資源整合起來，構(gòu)建一個逼真高效的綜合試驗平臺來模擬海上搜救組織過程，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)平臺具有多種數(shù)據(jù)庫資源，并采用DDS數(shù)據(jù)通信手段［9］，對數(shù)據(jù)庫中資源進行實時調(diào)用、記錄、存儲，模擬海上搜救場景，為搜救指揮流程仿真提供數(shù)據(jù)支持，設(shè)計人機交互界面，顯示搜救指揮過程，并形成系統(tǒng)文件安裝包。系統(tǒng)平臺以VS2017和Qt Creator作為平臺開發(fā)工具，采用C/S架構(gòu)，計算機操作系統(tǒng)為Win?dows7，用戶首次使用時需要安裝客戶端，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)庫設(shè)置

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

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源包括三部分，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、遇險目標信息、典型的風(fēng)場、流場和海溫場等搜救環(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)，并模擬典型搜救場景，為平臺執(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)實際需要輸入的險情信息和搜救方案信息。海上遇險事故具有突發(fā)性、緊急性和復(fù)雜性等特點，因此在進行海上險情場景設(shè)定時要考慮險情時間背景、險情類型、險情位置、險情目標、險情狀態(tài)、遇險人數(shù)、人員情況等信息，這些信息都可以通過用戶設(shè)定，并儲存到數(shù)據(jù)庫中，遇險信息設(shè)定界面如圖3所示。在制定搜救方案時，需要對險情信息進行分析，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，最終形成搜救報告。

圖3 遇險信息設(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)方便使用者對整個搜救組織過程進行評估。

3.3 仿真模型建立

1）遇險目標漂移模型

相較于陸地環(huán)境來說，任何漂浮在海上的目標存在著漂移運動，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所處海域的實際水流，它是由各種水流，如海流、當?shù)仫L(fēng)生流、潮流、河口流、沿岸流等疊加而來，其中對表層水流影響最大的是潮流和風(fēng)生流，在計算表層水流時可以通過風(fēng)力大小、潮流信息獲取。風(fēng)壓是指由于風(fēng)作用于目標水上部分而導(dǎo)致目標對水的相對運動，包括運動速度的大小和方向，目標的形狀、大小、浸沒比例［13］都對風(fēng)壓產(chǎn)生影響。

在計算漂移速度時，可以由這兩個因素作用的矢量疊加獲得，假設(shè)Vwater為遇險區(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目標產(chǎn)生的矢量速度V可用下式表示：

式中，α為風(fēng)對漂移目標的影響因子，具體取值根據(jù)遇險目標特性決定。

在t時刻，遇險目標相較于零點漂移的軌跡可用下式表示：

2）搜尋方式模型

海上目標搜尋需要考慮遇險環(huán)境、遇險目標類型以及探測設(shè)備性能，在制定搜救方案過程中，需要選擇適當?shù)乃褜し绞?，以達到最佳的搜尋效果。目前常用的搜尋方式有扇形搜索、擴展方形搜索、航跡線搜索、平行線搜索等方式，在仿真過程中，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行目標搜尋。以擴展方形搜索為例，如圖4所示，O為搜尋基準點，S代表搜尋間距，搜尋行動以O(shè)點為起始點向外按照一定距離進行擴展，達到搜尋區(qū)域邊界處停止搜尋。如果同一區(qū)域需要進行連續(xù)搜索時，則在搜尋起始點轉(zhuǎn)向45°開始第二次搜尋。

圖4 擴展方形搜索方式示意圖

編程實現(xiàn)方式如下：

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

ListLineList；//航路點集合

LineList.append（O）；

int newA=O.azimuth；//基準點角度

double sLen=0；//搜尋距離

SPoint tmpPnt=0；//航路點緩存變量

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兩種方式，以直升機搜救為例，搜救直升機的燃油量、飛行速度以及在某飛行速度下的燃油消耗率等性能指標對搜救行動至關(guān)重要，通過建立直升機搜救能力模型，根據(jù)直升機救援過程中的燃油消耗率計算直升機的飛行距離，為搜救行動的順利開展提供數(shù)據(jù)支持。

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

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

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

圖5 搜救過程仿真界面

3.4 搜救組織指揮流程

海上搜救組織指揮過程主要包括海上險情設(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)人員負責(zé)險情設(shè)定，登錄個人信息后，導(dǎo)調(diào)人員可以根據(jù)演練要求設(shè)定險情信息，也可以通過數(shù)據(jù)庫直接導(dǎo)入險情案例，生成險情方案之后，并對險情信息進行發(fā)布。

搜救任務(wù)協(xié)調(diào)員要響應(yīng)險情信息，并根據(jù)險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。

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

當現(xiàn)場指揮員執(zhí)行搜救指令后，平臺可以實時顯示險情信息，動態(tài)模擬搜救過程。若搜救不成功，可以現(xiàn)場制定搜救方案，也可以上報任務(wù)協(xié)調(diào)員，重新制定搜尋方案，重復(fù)以上過程，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)果對整個搜救過程以及參與者進行評估，并將結(jié)果儲存到數(shù)據(jù)庫中，完成搜救任務(wù)書。

4 系統(tǒng)仿真測試分析

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

圖7 場地布置圖

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

表1 仿真測試結(jié)果

5 結(jié)語

根據(jù)任務(wù)需求，本系統(tǒng)可以模擬多種海上險情發(fā)生，并通過相關(guān)模型的運用，真實再現(xiàn)海上搜救組織指揮過程，在仿真過程中可以將險情狀況、搜救計劃、救援過程、結(jié)果評估等信息儲存到數(shù)據(jù)庫中，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，為切實提高應(yīng)對海上重大突發(fā)事件的搜救處置能力積累了有利的技術(shù)經(jīng)驗。