重大災(zāi)害條件下的航空應(yīng)急救援效率研究

夏正洪，潘衛(wèi)軍，林瑞春，陳 通

（中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院，四川 廣漢618307）

0 引 言

5.12 汶川大地震發(fā)生后，直升機(jī)作為航空救援的主要力量在搶險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮了極為重要的作用。然而，由于災(zāi)區(qū)天氣和環(huán)境的影響，參與救援的直升機(jī)只能在能見度好的3～5個(gè)小時(shí)內(nèi)開展救援工作；并且又受到升限和載重能力的限制，救援能力和效率極為低下。因此，如何提高重大災(zāi)害條件下航空救援效率是一個(gè)亟待研究和突破的關(guān)鍵問題。

歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了符合各自國情的航空應(yīng)急救援體系，并在各自應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害和突發(fā)事件的過程中也表現(xiàn)出了很強(qiáng)的應(yīng)急救援能力［1］。而國內(nèi)的應(yīng)急救援研究工作還處于起步階段，主要集中在應(yīng)急指揮救援路徑的規(guī)劃［2－3］及相應(yīng)關(guān) 鍵 技 術(shù) 的 研 究［4－6］； 既 沒 有 分 析 重 大 災(zāi) 害 條件下航空應(yīng)急救援工作效率低下的根本原因，也沒有給出提高應(yīng)急救援效率的方案，更沒有關(guān)于航空應(yīng)急救援指揮輔助系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)目前重大災(zāi)害條件下航空救援效率低的現(xiàn)狀，本文提出了要建立三級(jí)中心為基礎(chǔ)的應(yīng)急救援體系，在此基礎(chǔ)上對(duì)救援指揮點(diǎn)和災(zāi)區(qū)之間的航空器分配算法進(jìn)行了研究；分析設(shè)計(jì)了關(guān)于航線和航空器飛行的相關(guān)算法，提出并實(shí)現(xiàn)了基于高精度等高線地圖的航空救援指揮輔助系統(tǒng)；基于該系統(tǒng)建立重大災(zāi)害條件下的應(yīng)急救援預(yù)案對(duì)救援效率的提高有重大意義。

1 航空應(yīng)急救援體系的建立

目前，面對(duì)重大災(zāi)害突發(fā)事件，我國尚不能發(fā)揮通用航空直升機(jī)快速、高效、受地理空間限制小等優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在缺乏完善的航空應(yīng)急救援機(jī)制、沒有統(tǒng)一的救援指揮中心以及正確應(yīng)對(duì)突發(fā)自然災(zāi)害的應(yīng)急預(yù)案、救援的航空器基礎(chǔ)設(shè)施不完善以及救援隊(duì)伍不專一；這些因素都嚴(yán)重影響了航空救援的效率和安全性。因此，我們總結(jié)了汶川、玉樹地震應(yīng)急救援的經(jīng)驗(yàn)；科學(xué)地構(gòu)建了航空應(yīng)急救援體系，提出建立專業(yè)的航空救援隊(duì)伍并快速發(fā)展通用航空 （配備和更新救援航空設(shè)備），建立與重大災(zāi)害突發(fā)事件相對(duì)應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案并定期組織演練。

航空應(yīng)急救援體系應(yīng)該堅(jiān)持國務(wù)院航空應(yīng)急救援辦的領(lǐng)導(dǎo)核心，堅(jiān)持以民航救援力量為主、軍航救援力量為輔的方針，建立以民航七大地區(qū)空管分局為主導(dǎo)的區(qū)域救援力量，并在各區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置省級(jí)救援中心的三級(jí)航空應(yīng)急管理體系。其中，國務(wù)院航空應(yīng)急救援辦作為我國航空救援的最高領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)全國范圍內(nèi)航空救援的決策、協(xié)調(diào)、監(jiān)督和管理工作；區(qū)域應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)各自區(qū)域范圍內(nèi)的航空救援相關(guān)工作，并與軍區(qū)航空器救援進(jìn)行協(xié)調(diào)；省級(jí)救援中心依據(jù)中央指示，第一時(shí)間快速高效地將救援決策和調(diào)度工作進(jìn)行落實(shí)。同時(shí)，建立專業(yè)的救援隊(duì)伍可以提高航空救援的能力，更新航空救援設(shè)備，配置超美洲豹、米－26等重型直升機(jī)；建立各級(jí)救援指揮中心的應(yīng)急救援專用通訊網(wǎng)絡(luò)，并建立救援指揮中心的航空救援能力數(shù)據(jù)庫，這些對(duì)于航空救援效率的提升是十分必要的。

2 航空器的分配算法研究

重大自然災(zāi)害的特點(diǎn)是波及范圍廣、破壞性特別大，這就導(dǎo)致有多個(gè)災(zāi)區(qū)同時(shí)需要航空救援的情況，針對(duì)目前國內(nèi)通用航空發(fā)展緩慢、能參與救援的航空器的數(shù)量有限等問題，如何將航空器合理地分配到相應(yīng)的災(zāi)區(qū)顯得至關(guān)重要。三級(jí)航空應(yīng)急救援體系存在多個(gè)指揮中心點(diǎn) （配置一定數(shù)量的救援直升機(jī)），那么指揮點(diǎn)和災(zāi)區(qū)之間的航空器分配算法是建立應(yīng)急救援預(yù)案的核心內(nèi)容之一，航空器分配算法的好壞是航空救援是否成功以及救援效率高低的關(guān)鍵因素。

航空器的分配算法實(shí)際上是一個(gè)多目標(biāo)分配問題［6－7］，其計(jì)算量隨問題規(guī)模的增大呈指數(shù)增長，目前普遍采用啟發(fā)式搜索算法［8］來求解，其缺點(diǎn)是不能保證所得解一定是最優(yōu)的。本文針對(duì)結(jié)合航空器分配規(guī)模較小的特點(diǎn)，提出并實(shí)現(xiàn)了重大自然災(zāi)害下的救援指揮點(diǎn)與災(zāi)區(qū)間的航空器分配算法，該算法能在n2的時(shí)間復(fù)雜度內(nèi)求得問題的最優(yōu)解［9－10］。航空器分配算法如圖1所示。

首先應(yīng)該在第一時(shí)間對(duì)受災(zāi)地區(qū)的災(zāi)情進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)災(zāi)情將災(zāi)區(qū)分為一般災(zāi)區(qū)、重災(zāi)區(qū)、極重災(zāi)區(qū)3類并進(jìn)行排序；根據(jù)救援航空器的機(jī)型將其救援能力分為3類（重型直升機(jī)救援能力為3，中型直升機(jī)救援能力為2，輕型直升機(jī)救援能力為1），通過累加的方式統(tǒng)計(jì)各救援指揮點(diǎn)的航空救援能力；按照災(zāi)區(qū)的嚴(yán)重程度對(duì)航空器進(jìn)行多目標(biāo)分配，分配的核心原則是［11－12］：盡量使用本省或本區(qū)域救援指揮中心的航空救援力量，從而保障航空救援的快速性和高效性；在本省或本區(qū)域救援能力不足的情況下需要向上級(jí)匯報(bào)，由國務(wù)院應(yīng)急指揮中心調(diào)動(dòng)國內(nèi)其它管制區(qū)域進(jìn)行跨區(qū)支援；此時(shí)主要應(yīng)該考慮各相鄰救援指揮中心與受災(zāi)地區(qū)之間的距離；優(yōu)先選擇距離災(zāi)情嚴(yán)重地區(qū)最近的救援指揮中心，保證航空救援效率。

圖1 救援航空器多目標(biāo)分配算法

3 航空救援算法研究

3.1 航線設(shè)計(jì)算法

在航空應(yīng)急救援過程中，航空器飛行路線的選擇關(guān)系到救援的效率和安全性。而重大的自然災(zāi)害多發(fā)生在氣象條件和環(huán)境都十分惡劣的山區(qū)，其能見度特別差且伴隨強(qiáng)烈的短時(shí)天氣變化［13］。因此，在飛行前首先需要進(jìn)行航線設(shè)計(jì)，救援航空器飛行路線應(yīng)盡量選擇低障礙物且不存在低空風(fēng)切變、積雨云、雷暴等惡劣天氣現(xiàn)象。在實(shí)際救援飛行中，救援航空器常選擇沿等高線飛行，基于等高線的航線設(shè)計(jì)方法如圖2所示。

圖2 高精度等高線下飛行路徑的選擇

救援航空器出發(fā)點(diǎn)為A點(diǎn) （2340m），需要飛行至B點(diǎn)（2040m）執(zhí)行救災(zāi)任務(wù)，此時(shí)可以有以下幾種航線：

（1）在航空器飛行升限的允許情況下可以選擇在A、B兩點(diǎn)之間進(jìn)行直飛。

（2）因天氣或障礙物等原因可選擇沿著次低等高線飛行。假如在最低A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的最低等高線上E點(diǎn)位置發(fā)生強(qiáng)烈低空風(fēng)切變，那么不能選擇沿最低等高線飛行；于是可以在風(fēng)切變的范圍外再選擇次低等高線作為飛行路線。首先可讓航空器沿垂直于等高線飛向C點(diǎn)，在高度為2100m的時(shí)候沿D點(diǎn)所在的等高線飛行，最后再沿垂直于等高線的方向飛向B點(diǎn)。

（3）以兩地之間的最低等高線作為飛行的路線。比較A點(diǎn)和B點(diǎn)的等高線高度，以高度較低點(diǎn)所在的等高線作為飛行的路線；然后在起始點(diǎn)垂直于等高線的方向先飛到與B點(diǎn)同高度的C點(diǎn)，然后再沿著等高線的E點(diǎn)飛到B點(diǎn)。

在汶川大地震航空救援過程中，航空器受到最大升限的限制以及惡劣環(huán)境的影響；沿最低等高線飛行的方法得到了廣泛的采用，有效地保障了救援航空器飛行的安全。航空應(yīng)急救援輔助指揮系統(tǒng)所提供的推薦航線的功能，正是采用沿最低等高線飛行的航線設(shè)計(jì)算法，指揮航空器保持合理的間隔，使得救援航空器的進(jìn)出災(zāi)區(qū)可以同時(shí)進(jìn)行，極大地提高了救援效率。

3.2 航線可飛性檢驗(yàn)

因?yàn)椴煌臋C(jī)型有不同的爬升率、轉(zhuǎn)彎率、最大最小速度、升限，所以在進(jìn)行航線設(shè)計(jì)的時(shí)候就不可能通用。因此，需要針對(duì)不同的航空器進(jìn)行航線的可飛性檢驗(yàn)，即檢驗(yàn)各航路點(diǎn)高度和位置是否滿足所選擇的航空器性能限制。

3.2.1 航路點(diǎn)高度檢驗(yàn)

航路點(diǎn)的高度檢驗(yàn)主要是驗(yàn)證：①該航路點(diǎn)高度是否高于當(dāng)前位置的等高線高度；②該航路點(diǎn)高度是否滿足航空器的性能要求，即航空器以最大上升率或下降率和最小速度飛行時(shí)能否到達(dá)該航路點(diǎn)。如果航路點(diǎn)高度高于等高線的高度，則計(jì)算上一個(gè)航路點(diǎn)與當(dāng)前航路點(diǎn)的垂直高度差H1，以及以航空器最小速度在這兩個(gè)點(diǎn)之間飛行所需的最長時(shí)間Tmax，然后計(jì)算在Tmax內(nèi)使用飛機(jī)的最大上升率或下降率所能上升或下降的最大高度H2。若H1＞H2則航路點(diǎn)高度不符合要求，需要進(jìn)行調(diào)整；否則高度滿足要求［14］。高度檢驗(yàn)算法流程圖如圖3所示。

3.2.2 航路點(diǎn)位置檢驗(yàn)

航路點(diǎn)的位置檢驗(yàn)是判斷當(dāng)前航路點(diǎn)的位置與其前面和后面的航路點(diǎn)所構(gòu)成的夾角是否滿足航空器的轉(zhuǎn)彎能力。根據(jù)多次的救援經(jīng)歷，如果轉(zhuǎn)彎航跡距離航路點(diǎn)最遠(yuǎn)時(shí)超過100m，此時(shí)認(rèn)為航空器不能到達(dá)該航路點(diǎn)，即offset＜100表示航路點(diǎn)位置滿足要求，否則需要重新定義航路點(diǎn)位置。

根據(jù)式 （1）可計(jì)算Offset值

式中：Minspeed——當(dāng)前機(jī)型飛機(jī)的最小速度，turnrate——轉(zhuǎn)彎率。

3.3 航空器飛行算法

在航線建立并通過檢驗(yàn)之后，需要對(duì)航空器如何加入航線以及如何沿航線飛行進(jìn)行研究，特別是在災(zāi)區(qū)的山地環(huán)境中，精確地掌握整個(gè)航線的飛行技巧對(duì)航空救援的安全性和效率有重大意義。同時(shí)，航空器飛行算法也是航空應(yīng)急救援預(yù)案建立的核心基礎(chǔ)。航空器可以以當(dāng)前航空器的航向加入航線或以指定航路點(diǎn)的方式加入航線，并沿著預(yù)定的航線執(zhí)行應(yīng)急救援工作。

3.3.1 以當(dāng)前航向加入航線

首先判斷當(dāng)前航向前方是否存在航線，如果航向前方?jīng)]有航線，則變?yōu)閺暮骄€第一點(diǎn)加入［15］。飛機(jī)加入航線的過程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)不斷調(diào)整其目標(biāo)航向的轉(zhuǎn)彎過程，開始轉(zhuǎn)彎的距離為CheckDistance，直到轉(zhuǎn)到目標(biāo)航向與當(dāng)前航路點(diǎn)與下一個(gè)航路點(diǎn)之間的所成的角度時(shí)轉(zhuǎn)彎結(jié)束，需要轉(zhuǎn)過的角度為alpha。圖5中小圓表示飛機(jī)位置，1、2為航路點(diǎn)，圓弧表示飛機(jī)切入航線所要轉(zhuǎn)過的圓弧航跡，聯(lián)立兩直線方程可得到飛機(jī)航向與目的航段交點(diǎn)位置Dp。

圖5 以當(dāng)前航向加入航線

式中：turnrate——飛機(jī)轉(zhuǎn)彎率，（x1，y1）——航段起點(diǎn)坐標(biāo)，（x2，y2）——終點(diǎn)坐標(biāo)，kp——飛機(jī)航向，（xp，yp）為飛機(jī)坐標(biāo)。

3.3.2 指定航路點(diǎn)加入航線

該種方式可以選擇加入某條航線的某個(gè)特定的航路點(diǎn)，可將指定航路點(diǎn)加入航線的過程劃分為兩個(gè)階段：首先是將航空器的航向指向目標(biāo)航路點(diǎn)，并以該航向直飛該目標(biāo)航路點(diǎn)；然后再以當(dāng)前航向加入航線。因此，當(dāng)給航空器向指定的航路點(diǎn)加入航線指令后，航空器首先改變當(dāng)前航向，并直飛給定的航路點(diǎn)，然后以當(dāng)前航向加入航線。

3.3.3 沿航線飛行

航空器在加入航線后將自動(dòng)變?yōu)檠睾骄€飛行模式，該模式可以看作是直飛航路點(diǎn)和轉(zhuǎn)彎過程的不斷重復(fù)，在這個(gè)過程中不斷計(jì)算飛機(jī)位置離當(dāng)前航路點(diǎn)的距離，當(dāng)這個(gè)距離小于規(guī)定的開始轉(zhuǎn)彎距離的時(shí)候，航空器開始轉(zhuǎn)彎，直到將目標(biāo)航向調(diào)整到當(dāng)前航路點(diǎn)N與下一個(gè)航路點(diǎn)N＋1所構(gòu)成的方位角時(shí)轉(zhuǎn)彎結(jié)束，然后直飛下一個(gè)航路點(diǎn)N＋1，該過程的流程圖如圖6所示。

4 航空應(yīng)急救援輔助系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

救援指揮輔助系統(tǒng)的建立對(duì)于航空應(yīng)急救援效率的提高以及人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)損失的挽回有積極意義。本文基于高精度的等高線地圖和航空器分配算法實(shí)現(xiàn)了重大災(zāi)害條件下的航空應(yīng)急救援指揮輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過加載KML文件的形式將災(zāi)區(qū)高精度等高線地圖加載并顯示，系統(tǒng)的GIS特性 （放大、縮小、拖動(dòng)、漫游）方便用戶使用鼠標(biāo)進(jìn)行操作；系統(tǒng)可以添加多條航線并針對(duì)不同機(jī)型的航空器的可飛性進(jìn)行自動(dòng)驗(yàn)證，高精度等高線地圖可以有效地與Google Earth相結(jié)合，利用其飛行演示功能可以實(shí)現(xiàn)3D模擬預(yù)飛行，讓飛行員了解救援飛行過程中的環(huán)境以及相應(yīng)的飛行技巧。同時(shí)，系統(tǒng)還提供了測量地圖上任意兩點(diǎn)間的航向、距離和面積的功能，結(jié)合各航空器的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)航空器在下一個(gè)時(shí)刻的位置、燃油等情況進(jìn)行估計(jì)，據(jù)此控制各救援航空器保持合理的飛行間隔，極大地利用了空域資源并能提高救援飛行的效率。航空救援指揮輔助系統(tǒng)的功能模塊如圖7所示。

圖6 航線飛行算法流程

4.1 航空器加入航線

圖7 航空應(yīng)急救援輔助系統(tǒng)功能模塊

如圖8所示，通過加載高精度等高線可以清晰地掌握災(zāi)區(qū)的地理環(huán)境，方便用戶創(chuàng)建不同的航線 （以不同的顏色進(jìn)行區(qū)分），操作者可以通過右鍵刪除航線上的航路點(diǎn)以及拖動(dòng)航路點(diǎn)的位置來改變已創(chuàng)建的航線；圖中顯示呼號(hào)為5321的航空器的飛行狀態(tài) （速度、高度、航向、飛行時(shí)間），通過指揮航空器加入指定的航線，那么航空器將按照第3章中的算法進(jìn)行救援飛行。

圖8 航空器加入航線功能

4.2 地圖測繪

救援指揮輔助系統(tǒng)提供了地圖測繪功能，圖9中顯示了航線上待測量點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)以及任意兩點(diǎn)之間的航向和距離；這些信息對(duì)飛行計(jì)劃的制定和航空器燃油的準(zhǔn)備提供了理論基礎(chǔ)。飛行前準(zhǔn)備的越充分，航空救援的效率和安全性就越高，如何在災(zāi)情發(fā)生的最短時(shí)間內(nèi)做好充分的飛行前準(zhǔn)備顯得相當(dāng)關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

本文提出了建立三級(jí)中心為基礎(chǔ)的應(yīng)急救援體系以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上開展了救援指揮點(diǎn)與災(zāi)區(qū)的救援航空器分配算法研究，并對(duì)實(shí)施航空救援的航線設(shè)計(jì)算法以及航空器飛行算法進(jìn)行了研究，為重大災(zāi)害條件下的應(yīng)急救援預(yù)案的建立奠定了核心基礎(chǔ)。同時(shí)，基于高精度等高線地圖實(shí)現(xiàn)了重大災(zāi)害條件下的航空救援指揮輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為飛行員提供災(zāi)區(qū)的地形特征和天氣情況，結(jié)合Google Earth的飛行演示功能可在預(yù)定的航線上進(jìn)行模擬飛行，極大地提高了航空救援的效率和安全性。但是，航空救援指揮輔助系統(tǒng)只提供對(duì)救援航空器位置和飛行狀態(tài)的估計(jì)以及預(yù)飛行演示功能，不能接入實(shí)時(shí)的監(jiān)視數(shù)據(jù)，不能對(duì)航空器進(jìn)行實(shí)時(shí)的指揮，這些都有待進(jìn)一步的研究。

圖9 地圖測繪功能

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