海上搜救航線評估技術(shù)研究

孫源 趙英梅

摘要

隨著我國海洋事業(yè)的快速發(fā)展，海上搜救的重要性和迫切性變得越來越明顯。本文以大型水陸兩棲飛機搜索救援技術(shù)研究項目為背景，研究和設(shè)計了一種搜救航線效果評估系統(tǒng)，對搜索航線進(jìn)行效果評估。

【關(guān)鍵詞】海上搜救 航線評估

1 引言

我國是一個海洋大國，有18000多千米的海岸線，6500多個島嶼，300萬平方公里的海疆。隨著我國海洋事業(yè)的快速發(fā)展，在海洋方面所開展的海洋調(diào)查、海洋勘探、海洋開發(fā)、海上運輸、海上生產(chǎn)和海洋旅游服務(wù)等生產(chǎn)、生活和科研活動日益頻繁，海難事故發(fā)生的頻率相對較高。當(dāng)前我國的海上搜救主要以船艦為主，同時配套為數(shù)不多的直升機和極少的小型固定翼飛機。搜救區(qū)域以近海、淺海為主。搜救半徑約200海里，只能滿足我國領(lǐng)海內(nèi)西沙群島等范圍的搜救需要。

大型水陸兩棲飛機是根據(jù)國家應(yīng)急救援體系建設(shè)的整體規(guī)劃和應(yīng)急救援裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合水陸兩棲飛機的獨特優(yōu)點，著重圍繞滿足森林滅火、海難救護等方面的迫切需求而研制的一種大型應(yīng)急救援航空裝備。本文以工信部民用飛機專項科研項目——大型水陸兩棲飛機搜索救援技術(shù)研究（MIZ-2015-F-035）為基礎(chǔ)，提出一種搜救航線效果評估系統(tǒng)，對項目中所設(shè)計的搜索航線進(jìn)行效果評估。

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1957年美國海岸警衛(wèi)隊出版了其部門使用的第一部民用搜救手冊。以該搜救手冊為基礎(chǔ)，1959年美國出版了第一部國家搜救手冊并取代了1957年海岸警衛(wèi)隊制訂的搜救手冊。以搜救手冊為代表的一類搜尋方法通常被稱為經(jīng)典搜尋規(guī)劃方法，是搜索理論經(jīng)過大量的簡化和總結(jié)提煉出來的符合當(dāng)時搜救中紙筆計算需要的搜尋準(zhǔn)則。鑒于當(dāng)時技術(shù)的局限性，經(jīng)典的搜救規(guī)劃方法僅適用于簡單的搜救場景，1963年后，陸續(xù)出現(xiàn)了一些財經(jīng)典搜尋規(guī)劃方法的局部最優(yōu)化修改。1999年，美國海岸警衛(wèi)隊Allen等對以往不同類型搜救目標(biāo)的風(fēng)壓實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)并通過線性回歸的方法建立8大類共63種常見搜救目標(biāo)的風(fēng)壓與10m風(fēng)速之間的線性回歸方程。2005年，Allen將風(fēng)壓沿下風(fēng)方向和垂直下風(fēng)方向進(jìn)行分解，分別得到下風(fēng)方向矢量與橫風(fēng)方向矢量。

20世紀(jì)70年代起，隨著計算機技術(shù)與自動化技術(shù)的逐漸普及，人們開始著手研究計算機應(yīng)用到海上搜尋規(guī)劃之中。1970年前后，第一個在計算機實現(xiàn)的搜尋規(guī)劃系統(tǒng)SARP由美國海岸警衛(wèi)隊開發(fā)完成。該系統(tǒng)是當(dāng)時改進(jìn)的經(jīng)典搜尋規(guī)劃方法的一個計算機化版本。隨后，加拿大、美國、英國均陸續(xù)開發(fā)了自己的搜尋規(guī)劃系統(tǒng)，在搜尋的成功率及可視化輸出界面上都有了明顯的提高。

我國學(xué)者從20世紀(jì)90年代末才開始海上搜尋規(guī)劃系統(tǒng)的研究。1998年，陳彥宏對建立海上搜救輔助決策系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了評估，開發(fā)了一個電腦輔助海上搜救系統(tǒng)。2004年，羅永宏對海上搜救智能輔助決策系統(tǒng)的功能、特點以及實現(xiàn)條件進(jìn)行了闡述，從技術(shù)層面對如何實現(xiàn)海上搜救智能輔助決策提出了一種具體途徑和實現(xiàn)方法。于衛(wèi)紅提出了XML構(gòu)建基于多Agent的海上搜救智能決策支持系統(tǒng)知識庫的新方法，研究了洋面模式下根據(jù)最后已知的位置報告及風(fēng)流信息，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到救助船選優(yōu)之中。

2 海上搜救航線評估系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

海上搜救航線評估系統(tǒng)主要分為任務(wù)輸入模塊、參數(shù)預(yù)處理模塊、碰撞檢測模塊、效果評價模塊、數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計模塊。搜索效果評估軟件的總體架構(gòu)如圖1所示。

2.2 工作流程

海上搜救航線評估系統(tǒng)的工作流程分析如下：

（1）在主界面相應(yīng)接口位置輸入天氣、海況、風(fēng)場、路徑、搜索資源等信息;

（2）根據(jù)用戶輸入的天氣環(huán)境及搜索資源確定掃海寬度;

（3）根據(jù)用戶輸入的海況環(huán)境確定當(dāng)前海面的海況模型;

（4）根據(jù)用戶輸入的風(fēng)壓環(huán)境確定當(dāng)前海面的風(fēng)壓模型;

（5）根據(jù)用戶輸入的飛機飛行路徑及步驟（2）中得到的掃海寬度確定掃海路徑;

（6）根據(jù)海況步驟（3）、步驟（4）得到的海況模型及風(fēng)壓模型確定漂流模型;

（7）根據(jù)步驟（6）得到的漂流模型確定漂流路徑;

（8）根據(jù)步驟（5）、步驟（6）得到的掃海路徑及目標(biāo)漂流路徑，使用幀檢測法檢測當(dāng)前幀中掃海范圍是否覆蓋目標(biāo)當(dāng)前位置點，從而判斷目標(biāo)是否獲救;

（9）循環(huán)執(zhí)行步驟（8）直至搜救結(jié)束，可得到最終獲救人數(shù)，也即救援效果。并且可以得到總救援時間;

（10）根據(jù)最終救援效果和救援時間可以得到最終的綜合搜救效果評價;

（11）將本次的救援效果、救援時間、獲救人員位置分布、掃海路徑、目標(biāo)漂流路徑等信息存儲入庫;

（12）調(diào)用歷次的救援?dāng)?shù)據(jù)，形成某階段的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并以圖形的形式顯示;

（13）根據(jù)掃海路徑、漂流路徑復(fù)現(xiàn)某次救援的情況。

2.3 具體設(shè)計

搜索效果評估軟件主要分為任務(wù)輸入模塊、參數(shù)預(yù)處理模塊、碰撞檢測模塊、效果評價模塊、數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計模塊。

軟件開發(fā)采用win7 64位操作系統(tǒng)，采用C#語言編程，開發(fā)平臺為VisualStudio 2010。搜索效果評估軟件的流程圖如圖2所示。

（1）任務(wù)輸入模塊，研究基于搜索任務(wù)的評估模型，根據(jù)搜索任務(wù)場景、搜索環(huán)境條件、搜索資源、搜索目標(biāo)等模型參數(shù)，建立計算機可視化的任務(wù)環(huán)境設(shè)置和顯示界面，以進(jìn)行特定任務(wù)下的搜索效果評估。

（2）參數(shù)預(yù)處理模塊，能夠分析確定模型中參數(shù)、常數(shù)系數(shù)的功能。由于海上搜索過程的復(fù)雜和不確定性，當(dāng)氣象條件不同、搜索的海域不同、使用的設(shè)備方法不同都會對最終的結(jié)果產(chǎn)生影響。本部分是采取用戶通過界面輸入實際環(huán)境數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序經(jīng)過參數(shù)的預(yù)處理模塊，判斷數(shù)據(jù)的合理性和范圍，輸出對應(yīng)的模型的參數(shù)，輸出的參數(shù)用于后續(xù)效果評估模型的參數(shù)輸入。

（3）碰撞檢測模塊，碰撞檢測是一種常用的、用于檢測和處理兩運動物體相對位置關(guān)系的方法。該方法通常用于各類游戲的設(shè)計中，是一種較成熟的方法。所謂的基于幀檢測法的碰撞檢測則是將連續(xù)的碰撞過程以一定的頻率進(jìn)行采樣，從而形成一系列的采樣幀，對每一幀進(jìn)行檢測，判斷其是否相撞即是基于幀檢測的碰撞檢測。

（4）效果評價模塊，使用幀檢測法獲得整體救援效果的同時也可以得到整體的救援時間。所謂的整體救援效果即救援人或物的個數(shù)是否達(dá)到救援既定目標(biāo)。而救援既定目標(biāo)則由救援現(xiàn)場的指揮進(jìn)行確定。例如，確定的救援既定目標(biāo)為落水人員3人、落水物資2箱，而實際救援結(jié)果是營救的落水人員2人，落水物資1箱，則認(rèn)為救援效果不達(dá)標(biāo)，從而認(rèn)為本次救援的規(guī)劃路徑不達(dá)標(biāo)，需要重新規(guī)劃合適的路徑。

（5）數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計模塊，主要分為兩個部分：數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、文件服務(wù)器。數(shù)據(jù)管理與統(tǒng)計模塊的功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

效果評估結(jié)果數(shù)據(jù)的保存，可以累積搜索的模型方法，豐富模型方法的應(yīng)用經(jīng)歷，增加模型的使用率，確定參數(shù)的通用程度，且保存的結(jié)果方便后續(xù)的查看，為其它情況的搜索模型提供一種經(jīng)驗值。

根據(jù)保存的結(jié)果數(shù)據(jù)的詳細(xì)情況，結(jié)果數(shù)據(jù)文件系統(tǒng)設(shè)計中除了保存任務(wù)背景、環(huán)境數(shù)據(jù)、模型參數(shù)、評估方法和評估效果的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之外，還需設(shè)計安全保存搜索任務(wù)完整報告的文件系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)檢索的頁面，可以查看每項搜索任務(wù)的全部報告。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，提出一種搜救航線效果評估系統(tǒng)，分別從總體架構(gòu)、工作流程、系統(tǒng)具體設(shè)計三方面對搜救航線效果評估系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]肖方兵.海上搜救決策支持系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].大連海事大學(xué)（博士學(xué)位論文），2011.

[2]中國海上搜救中心.海上險情預(yù)防、避險、自救、互救知識手冊[M].人民交通出版社，2008.

[3]國際海事組織/國際民用航空組織.國際航空和海上搜尋救助手冊[M].中華人民共和國海事局譯.人民交通出版社，2003.

[4]范希偉.海上搜救環(huán)境研究[D]（碩士學(xué)位論文）.大連海事大學(xué)，2013.