姜 濤 王 睿 李雅婧 蔡子諾

1(河南大學(xué)人工智能學(xué)院 河南 開封 475000)2(上海宇航系統(tǒng)工程研究所 上海 201109)3(上海交通大學(xué) 上海 200240)

0 引 言

我國擁有473萬平方公里的海洋國土面積和長達18 000多公里的海岸線,遼闊的海域與豐富的海洋資源推動物資運輸、資源開采等海事活動頻繁開展。在海洋經(jīng)濟繁榮發(fā)展的同時,大量的海上突發(fā)事件也隨之而產(chǎn)生,給國家和人民帶來巨大損失。直升機是海上險情救助過程中常用救助力量,特別是在特大海上險情救助任務(wù)中,直升機多機多架次救助模式是最可靠且有效的救助模式之一。在實際救助任務(wù)執(zhí)行前,采用仿真手段對救助過程進行預(yù)推演,能夠協(xié)助指揮決策人員掌握救助全程情況、了解預(yù)計救助效果,有效提升指揮決策效率與應(yīng)急處置成功率。當(dāng)前的海上搜集任務(wù)仿真大多局限于單一搜救設(shè)備或單次搜救任務(wù),缺少對復(fù)雜救援任務(wù)的研究。

本文面向特大海上險情特點,針對直升機多機多架次救助任務(wù)模式,分析典型救助任務(wù)流程以及任務(wù)參與主體,進而提取建模需求。采用基于Agent的建模與仿真方法,從狀態(tài)參數(shù)定義和行為決策過程等方面開展分層Agent細化建模。基于建模需求分析,構(gòu)建細化的任務(wù)仿真模型,實現(xiàn)對直升機救助任務(wù)過程的仿真推演。同時,從任務(wù)執(zhí)行過程安全性和任務(wù)執(zhí)行效率兩方面出發(fā),構(gòu)建直升機救助任務(wù)效能評估指標(biāo)體系和評估模型。最后,基于構(gòu)建的仿真模型和評估模型,開展仿真實例分析,并基于仿真數(shù)據(jù)對任務(wù)效能進行綜合評估,以支撐海上搜救決策過程。

本文采用渤海海域某特大海上險情救助任務(wù)實例,構(gòu)建3套直升機救助方案,并基于構(gòu)建的任務(wù)仿真模型,對方案進行仿真?；诜抡鏀?shù)據(jù)和評估模型,計算各方案的多項評估指標(biāo)值,并最終得到方案的任務(wù)完成時間和效能評估,從而實現(xiàn)不同方案之間的比較和最終救助方案的選擇。

1 相關(guān)工作

1.1 海上救助

為減少特大海上險情帶來的財產(chǎn)損失和人員傷亡,研究者開展海上救助方案和技術(shù)的研究。胡騰[1]基于覆蓋衰減模型,對海上救助基地選址優(yōu)化開展了研究。鄭文濤[2]探究了“三位一體”立體救助方案的可行性,將直升機和潛水隊投入海上救助中。Pham等[3]提出了將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-模糊控制器應(yīng)用于海上救援無人機,提高了海上無人機軌跡跟蹤效率。鄭云亮[4]分析我國水上應(yīng)急救援力量特別是救助船舶的裝備技術(shù)等智能技術(shù)在海上救助中的應(yīng)用。周玉川[5]分析了海上救援任務(wù)中,對救援時間和速度影響較大的因素,為海上救援方案選擇提供參考。熊偉等[6]提出了基于模糊決策理論的海上救助力量優(yōu)選排序方法,為海事機構(gòu)對于海上人命搜救工作救助力量選取提供了有效的評估依據(jù)。

依據(jù)《國際航空和海上搜尋救助手冊》(International Aeronautical and Maritime Search and Rescue Manual,IAMSAR manual)[7-9],海上險情救助任務(wù)通?？煞譃槟繕?biāo)搜尋與人員財產(chǎn)救助兩步。目標(biāo)搜尋階段中,救助直升機、救助船舶等采用目視搜尋、紅外搜尋、雷達搜尋等多種搜尋手段,在指定的搜尋區(qū)域內(nèi),沿規(guī)劃路徑開展目標(biāo)搜尋行動。由于特大海上險情遇險平臺通常為客滾船、國際郵輪、海上鉆井平臺等大型海上設(shè)施,且往往攜帶完備的海上定位裝置,在目標(biāo)搜尋階段較容易被發(fā)現(xiàn)。因此,本文研究重點為人員財產(chǎn)救助階段中直升機救助任務(wù)仿真與評估,即在遇險平臺及人員已定位情況下,通過直升機將平臺上大量遇險人員轉(zhuǎn)移至救助基地、醫(yī)院、沿岸臨時安置點及周邊救助船舶等安全位置的行動過程。該過程中,直升機典型救助任務(wù)剖面如圖1所示。

圖1 直升機海上救助任務(wù)剖面

1.2 海上搜救任務(wù)仿真

針對海上搜救任務(wù)仿真,國內(nèi)外均開展了深入的研究。美國、加拿大等國家相繼基于目標(biāo)搜尋理論開發(fā)了SARP、CANSARP、SAROPS[10-12]等海上搜救決策支持系統(tǒng),提供包括人員存活時間計算[13]、搜尋方案仿真評估等功能。國內(nèi),肖方兵[14]采用蒙特卡羅方法對最優(yōu)搜尋區(qū)域確定與搜尋資源分配問題進行了仿真求解。

上述研究成果大多面向船舶或直升機單裝單架次或多裝單架次搜救任務(wù),且研究重點均集中在搜救任務(wù)的搜尋過程,未針對多裝多架次轉(zhuǎn)移大量遇險人員任務(wù)模式開展研究。

1.3 基于Agent的建模與仿真

基于數(shù)學(xué)模型的傳統(tǒng)建模方式在對個體進行建模時,能夠較為精確地刻畫個體行為。但是對于建模對象為多個體組成的復(fù)雜系統(tǒng),由于多個體間的交互而產(chǎn)生的“涌現(xiàn)”現(xiàn)象使得傳統(tǒng)建模方式無法滿足復(fù)雜系統(tǒng)的建模仿真需求[15]。基于Agent的建模與仿真方法能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)中的實體以Agent形式進行抽象建模,從而構(gòu)建跨層次的仿真模型,更好地刻畫復(fù)雜系統(tǒng)中各基本元素個體及其之間的交互。Ahmad等[16]將基于Agent的建模與仿真(ABMS)作為一種有效的自底向上的工具應(yīng)用于土方作業(yè)建模,提出了一種由智能、自適應(yīng)Agent組成的基于Agent的(AB)土方移動模型。龐維建等[17]基于AnyLogic多智能仿真平臺構(gòu)建了集群無人機攻防對抗仿真場景,分析了集群無人機突防效能的影響因素。饒明波[18]提出了基于Agent的HLA/RTI聯(lián)邦成員仿真結(jié)構(gòu),研究了Agent仿真聯(lián)邦成員的組成;在基本反應(yīng)型和慎思型Agent體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提出了符合作戰(zhàn)仿真模型特點、基于目標(biāo)—任務(wù)—行動(GTA)的混合型Agent仿真模型體系結(jié)構(gòu)。上述基于Agent的建模仿真方式有利于將多主體的復(fù)雜過程的消息傳遞情景。直升機海上救助任務(wù)過程是多部門、多裝備協(xié)同參與的復(fù)雜過程,救助指揮與裝備之間、裝備與裝備之間存在復(fù)雜的信息交互、決策與指令傳輸過程。因此,本文采用基于Agent的建模仿真方法,構(gòu)建分層級的Agent仿真模型,實現(xiàn)對特大海上險情中直升機多機多架次救助這一復(fù)雜過程相對準(zhǔn)確的描述與刻畫。

2 直升機救助任務(wù)仿真模型

2.1 任務(wù)流程與建模需求分析

采用基于Agent的建模仿真方法對直升機救助過程進行建模仿真,首先需要對任務(wù)過程及任務(wù)參與主體進行分析,從而提取建模需求。傳統(tǒng)救助任務(wù)中往往僅考慮如圖1所示的單個直升機采取的任務(wù)行動,在Agent建模仿真的基礎(chǔ)上可以擴展至更豐富更真實的救助場景。依據(jù)對救助飛行隊的實際調(diào)研結(jié)果,可以將直升機海上救助任務(wù)過程參與主體歸納為救助總指揮、救助現(xiàn)場指揮、救助基地、救助直升機、救助船舶、各類安置點以及遇險人員等7類。因此,單一的直升機救助流程,在與其他6類主體的信息傳遞中擴展成了更加復(fù)雜的救助任務(wù)仿真流程,如圖2所示。

圖2 典型直升機救助任務(wù)流程

直升機救助任務(wù)建模過程中應(yīng)能夠體現(xiàn)上述7類任務(wù)主體在任務(wù)流程中各階段的行為特征與信息交互。同時,直升機救助過程受氣象、海況等環(huán)境因素影響,也需在建模過程中進行考慮。因此,可以將直升機救助任務(wù)仿真模型自上而下劃分為高層指揮、一線指揮(包括現(xiàn)場指揮、救助基地)、救助力量、安置位置(包括救助船舶及其他安置點)、救助目標(biāo)、環(huán)境控制等6層,各層級間信息交互關(guān)系如圖3所示。

圖3 Agent間信息交互關(guān)系

2.2 直升機救助任務(wù)仿真模型構(gòu)建

基于任務(wù)流程與建模需求分析,從狀態(tài)參數(shù)定義、行為及決策過程建模等方面對任務(wù)仿真模型中涉及的各類Agent進行詳細建模。

1) 環(huán)境控制層。環(huán)境控制Agent影響其他各層Agent的狀態(tài)、決策與行為。定義環(huán)境控制Agent狀態(tài)參數(shù)如下:

Ce=(wd,wh,tp,vis)

(1)

式中:wd代表風(fēng)力;wh代表浪高;tp代表水溫;vis代表能見度。在不考慮隨機因素影響的情況下,環(huán)境控制Agent狀態(tài)參數(shù)在仿真過程中維持不變。

2) 救助目標(biāo)層。救助目標(biāo)層的遇險人員Agent用于模擬實際任務(wù)中的遇險人員。定義遇險人員Agent狀態(tài)參數(shù)為:

Cp=(pp,iy,ps,rt)

(2)

式中:pp代表遇險人員當(dāng)前位置;iy代表遇險人員傷情,分為未受傷、輕傷、重傷三級;ps代表遇險人員當(dāng)前狀態(tài),分為獲救、存活、死亡三類;rt代表遇險人員剩余存活時間?？紤]環(huán)境因素影響,剩余存活時間表示為:

式中:Tmax為遇險人員最大存活時間,t為仿真時刻。受水溫及人員傷情影響,考慮傷情影響因子γ,通過歷史數(shù)據(jù)擬合可將遇險人員最大存活時間表示為[13]:

Tmax=5.75·e0.1tp·γ

(4)

3) 安置位置層。該層包含救助船舶及其他人員安置點,承接直升機轉(zhuǎn)運的遇險人員。定義其狀態(tài)參數(shù)如下:

Cs=(sp,ap,rp,io)

(5)

式中:sp表示安置點位置;ap表示已安置人數(shù);rp表示剩余可安置人數(shù);io用于判定當(dāng)前安置點是否存在作業(yè)直升機。安置位置層Agent基于自身狀態(tài)判定是否允許直升機降落進行人員安置。

4) 救助力量層。救助直升機Agent是任務(wù)仿真過程的關(guān)鍵主體,采用性能參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)兩類參數(shù)對其進行表征:

依據(jù)救助飛行標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序(Standard Operation Procedure,SOP),可以將救助過程中直升機Agent的任務(wù)階段劃分為起飛階段、出航階段、空中待命階段、救助實施階段、返航階段、著陸及人員安置階段六個階段。在不同任務(wù)階段,直升機Agent有不同的行為和推理決策過程?；赟OP構(gòu)建直升機Agent行為模型如圖4所示。

圖4 直升機Agent行為模型

在任務(wù)執(zhí)行過程中,部分行動需現(xiàn)場救助人員臨機決策后執(zhí)行。如表1所示,可將決策過程抽象并建模如下:

(1) 執(zhí)行任務(wù)決策D1。直升機接救助總指揮下發(fā)任務(wù)指令后,基于當(dāng)前海況與剩余燃油判定任務(wù)安全性。當(dāng)海況滿足直升機安全出動要求且剩余燃油能夠滿足其完成單次救助任務(wù)并返回基地的燃油需求時,直升機Agent選擇執(zhí)行本次任務(wù),該條件表示為:

msc≥sc

fn≥fr·(2L/vc+nn·Δt)+300

(7)

式中:L為單程航路長度;Δt為救助單個遇險人員的吊運時間;300為SOP規(guī)定的落地燃油余量。單個遇險人員吊運時間受氣象海況和操作熟練度影響,故將Δt定義為:

Δt=Δtn·β·λ·μ

(8)

式中:Δtn為理想情況下吊運時間;β為操作熟練度因子,由直升機隸屬機隊決定;λ為海況因子,μ為能見度因子,均受當(dāng)前環(huán)境影響。

(2) 燃油安全性決策D2。直升機在空中待命階段會持續(xù)對當(dāng)前剩余燃油進行監(jiān)控,燃油不足時返航救助基地,該條件表示為:

fn≤fr·L/vc+300

(9)

(3) 繼續(xù)救助決策D3。直升機Agent自進入救助實施階段起會持續(xù)對當(dāng)前剩余燃油和機上遇險人數(shù)進行監(jiān)控,在以下條件下直升機結(jié)束救助離場:

pn=nn

fn≤fr·L/vc+300

(10)

即當(dāng)直升機Agent判定剩余燃油不足或當(dāng)前機上遇險人員已達到最大承載人數(shù)時,直升機結(jié)束救助離場。

(4) 返航位置決策D4。直升機Agent結(jié)束單次救助任務(wù)后,依據(jù)自身狀態(tài)、機上遇險人員狀態(tài)和安置點狀態(tài)進行決策,選擇最優(yōu)的安置位置并向其發(fā)送安置請求。當(dāng)直升機剩余燃油不足時,必須返航基地;在直升機剩余燃油充足的情況下,當(dāng)機上遇險人員存在生命危險時,必須前往醫(yī)院;當(dāng)直升機剩余燃油充足且人員無生命危險時,選擇就近位置進行安置。

(5) 后續(xù)行動決策D5。直升機若在前序任務(wù)結(jié)束后返回救助基地,則在接到救助總指揮任務(wù)指令后經(jīng)D1決策過程判斷是否繼續(xù)出動執(zhí)行任務(wù);若前序任務(wù)安置位置未選擇在救助基地,則僅在直升機當(dāng)前燃油能夠滿足其由當(dāng)前位置出航完成單次救助任務(wù)返回基地的燃油需求時才可繼續(xù)出動執(zhí)行任務(wù)。該條件表示為:

fn≥(L1+L2)/vc+300

(11)

式中:L1和L2分別為救助現(xiàn)場至安置點的距離和救助現(xiàn)場與救助基地的距離。

以貴州黔西項目為例，通過評估，該方案產(chǎn)生的人力成本、時間成本約是方案二的3倍。特別對于工期緊張的項目，可行性較低。

5) 一線指揮層。該層包含救助基地與現(xiàn)場指揮兩類Agent,在任務(wù)仿真過程中分別進行直升機Agent起飛階段及進場實施救助過程的管控,以保障救助過程安全有序開展。

(1) 救助基地Agent。救助基地Agent主要決策過程為直升機起飛管制決策,即在同時收到多架直升機起飛請求后進行決策,基于專業(yè)優(yōu)先與就近優(yōu)先原則判斷哪架直升機優(yōu)先起飛。其決策因子定義為:

式中:t=L/vc,表示各架直升機抵達救助現(xiàn)場的時間。救助基地Agent依據(jù)決策因子dto由大到小的順序安排直升機起飛。

(2) 現(xiàn)場指揮Agent?，F(xiàn)場指揮Agent主要決策過程為直升機進場管制決策,即當(dāng)有直升機完成救助離場后向作業(yè)區(qū)派遣新的直升機進場救助。其決策因子定義為:

現(xiàn)場指揮Agent依據(jù)決策因子dsr由大到小的順序安排直升機進場救助。

6) 高層指揮層。高層指揮層的救助總指揮Agent負(fù)責(zé)任務(wù)指令與任務(wù)終止指令的發(fā)布。救助開始階段,總指揮Agent向選定的各直升機發(fā)布任務(wù)指令;當(dāng)救助過程中現(xiàn)場直升機救助能力不足時,總指揮Agent向救助基地下發(fā)增援任務(wù)指令;當(dāng)現(xiàn)場所有遇險人員均已獲救或已死亡的情況下,總指揮Agent發(fā)布任務(wù)終止指令,所有直升機在完成當(dāng)前任務(wù)后返回基地。

3 直升機救助任務(wù)效能評估模型

3.1 救助任務(wù)效能評估指標(biāo)體系構(gòu)建

在海上險情救助任務(wù)中,對任務(wù)效能進行評價時,需要從任務(wù)執(zhí)行過程安全性與任務(wù)執(zhí)行效率2個方面進行考慮。本文通過廣泛征求救助專家、救助局及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的意見和建議,確定直升機人員轉(zhuǎn)運任務(wù)評估指標(biāo)體系如圖5所示。

3.2 評估指標(biāo)處理

由于本文的指標(biāo)不涉及定性指標(biāo),因此僅需對定量指標(biāo)進行無量綱化處理,即采用閾值法對評估指標(biāo)進行處理。

1) 效益型指標(biāo)處理。依據(jù)指標(biāo)所表示的含義,本文的效益型指標(biāo)集為IE={I11,I22},采用的處理方法為:

3.3 指標(biāo)權(quán)重計算

考慮到指標(biāo)之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,本文采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(Analytic Network Process,ANP)確定指標(biāo)權(quán)重。

1) 指標(biāo)關(guān)聯(lián)度矩陣構(gòu)造。定義指標(biāo)關(guān)聯(lián)度矩陣為γ=(γij)n×n,其中γij表示指標(biāo)i對指標(biāo)j的影響關(guān)系,取值范圍為[0,1]。本文采用專家信念圖方法對專家經(jīng)驗信息及專家評判問題的客觀性進行分析,形成專家權(quán)重向量為e=[e1,e2,…,en],得到指標(biāo)關(guān)聯(lián)度矩陣為:

依據(jù)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度矩陣得到評估指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系,從而構(gòu)建評估指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 評估指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)

2) 指標(biāo)判斷矩陣構(gòu)造。定義指標(biāo)判斷矩陣為a=(aij)m×m,用于表示所比較的元素之間的優(yōu)勢度特征,表示為:

式中:aij表示在同一準(zhǔn)則下指標(biāo)i相對于指標(biāo)j的重要程度,采用1-9標(biāo)度進行判斷,并滿足aij·aji=1。此外,各個專家對于指標(biāo)相對重要程度的判斷需要經(jīng)過一致性檢驗,采用一致性比例C.R.法進行一致性檢驗,定義矩陣γ=(γij)n×n的一致性比例為:

式中:C.I.為矩陣γ的一致性指標(biāo);RI(n)為矩陣γ的平均隨機一致性指標(biāo),可依據(jù)矩陣階數(shù)查表得到RI(11)=1.52,λmax為矩陣最大特征根。若C.R.<0.1,則矩陣γ的一致性可以接受。

3) 指標(biāo)權(quán)重計算。基于構(gòu)造的指標(biāo)關(guān)聯(lián)度矩陣與指標(biāo)判斷矩陣,采用成熟的ANP模型計算軟件Super Decision[19]進行指標(biāo)權(quán)重計算。依據(jù)圖6所示的評估指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu),在Super Decision軟件中構(gòu)建評估指標(biāo)網(wǎng)絡(luò)模型,如圖7所示。

圖7 Super Decision中構(gòu)建的ANP模型

通過計算,得到圖5所示的評估指標(biāo)體系中各指標(biāo)歸一化權(quán)重向量W=[w1,w2,…,wn]T為:

3.4 任務(wù)效能評估

基于上述指標(biāo)歸一化權(quán)重向量以及仿真中經(jīng)過歸一化處理后的指標(biāo)評估值向量E=[E1,E2,…,En],可以得到直升機人員轉(zhuǎn)運任務(wù)效能值為:

依據(jù)該任務(wù)效能值Ef,可以基于仿真數(shù)據(jù)對直升機救助任務(wù)進行綜合效能評估。

4 仿真實例分析

本文采用渤海海域某特大海上險情救助任務(wù),基于前文中構(gòu)建的任務(wù)仿真模型與效能評估模型,進行仿真實例分析。

4.1 任務(wù)描述

渤海海域的煙大輪渡航線上,一艘搭載280名旅客與30名船員的客滾船行駛至北砣磯水道東北方向附近時,因大風(fēng)浪中操作不當(dāng)導(dǎo)致汽車移位起火并傾覆。險情發(fā)生時現(xiàn)場正北風(fēng),風(fēng)力達10級,現(xiàn)場水溫為0℃,現(xiàn)場能見度5 km。經(jīng)空中力量搜尋,已確認(rèn)各遇險人員位置與人員傷情情況,并在落水人員與救生艇周圍投放了示位信標(biāo)。各遇險人員分布如表2所示。

表2 遇險人員分布

險情發(fā)生時,事發(fā)海域附近有若干部署有救助直升機的救助飛行基地及其他起降點。其位置如表3所示。

表3 直升機起降點分布

不同起降位置處部署有隸屬不同救助飛行隊的多型救助直升機。各直升機部分主要性能參數(shù)如表4所示。

除表3中的直升機起降點可用于人員安置外,事發(fā)海域附近還分布包括醫(yī)院、救助船舶、沿岸臨時安置點等安置位置,如表5所示。

表5 安置點分布情況

經(jīng)研判,初步確定3套直升機救助方案,分別動用如表6所示的裝備執(zhí)行救助任務(wù)。

表6 直升機救助方案

4.2 仿真結(jié)果與分析

基于構(gòu)建的任務(wù)仿真模型,對上述任務(wù)中3套救助方案進行仿真,得到如圖8所示的結(jié)果。

(a) 方案1

通過仿真,得到3套方案的各項評估指標(biāo)值如表7所示。

表7 評估指標(biāo)值

基于指標(biāo)權(quán)重及指標(biāo)歸一化值進行計算,得到上述3套救助方案任務(wù)完成時間與效能評估結(jié)果如表8所示。

表8 效能評估結(jié)果

根據(jù)表8的評估結(jié)果,在3套救助方案中,方案2效能值較低。結(jié)合圖8中的仿真結(jié)果和表7的各項指標(biāo)值可以推測出,該套方案最終評價劣于其他兩套方案的原因可能是由于派遣的救助力量過多而導(dǎo)致各救助力量抵達險情現(xiàn)場后平均待命時間較長,從而影響了救助效率。而方案1與方案3效能評估結(jié)果相近,其中方案3略優(yōu)于方案1,通過分析各項指標(biāo)原始值可知,采用方案3執(zhí)行救助任務(wù)相比于方案1而言遇險人員獲救比例有顯著增加。因此,綜合上述因素考慮,建議在救助過程中采用方案3實施救助。

5 結(jié) 語

本文研究了特大海上險情中直升機救助任務(wù)仿真與效能評估問題。通過對救助任務(wù)流程的分析,構(gòu)建了分層級的任務(wù)仿真模型,實現(xiàn)了基于Agent的救助任務(wù)仿真。同時,本文基于對各方面專家的調(diào)研,構(gòu)建了直升機救助任務(wù)效能評估模型,從任務(wù)過程安全性、任務(wù)執(zhí)行效率等方面對直升機救助任務(wù)進行綜合效能評估。如引言部分所述,特大海上險情中直升機救助過程是多部門、多裝備參與的復(fù)雜過程,本文構(gòu)建的任務(wù)仿真模型僅能對救助過程進行任務(wù)級仿真,存在模型顆粒度較粗的問題,后續(xù)將研究考慮將直升機動力學(xué)模型、落水人員漂移模型等引入仿真模型中,以更精細地刻畫和模擬直升機救助過程。