基于Agent的直升機(jī)海上救助任務(wù)仿真與效能評(píng)估

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(guó)擁有473萬平方公里的海洋國(guó)土面積和長(zhǎng)達(dá)18 000多公里的海岸線,遼闊的海域與豐富的海洋資源推動(dòng)物資運(yùn)輸、資源開采等海事活動(dòng)頻繁開展。在海洋經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展的同時(shí),大量的海上突發(fā)事件也隨之而產(chǎn)生,給國(guó)家和人民帶來巨大損失。直升機(jī)是海上險(xiǎn)情救助過程中常用救助力量,特別是在特大海上險(xiǎn)情救助任務(wù)中,直升機(jī)多機(jī)多架次救助模式是最可靠且有效的救助模式之一。在實(shí)際救助任務(wù)執(zhí)行前,采用仿真手段對(duì)救助過程進(jìn)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(jì)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(duì)復(fù)雜救援任務(wù)的研究。

本文面向特大海上險(xiǎn)情特點(diǎn),針對(duì)直升機(jī)多機(jī)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(jìn)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(xì)化建模。基于建模需求分析,構(gòu)建細(xì)化的任務(wù)仿真模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)直升機(jī)救助任務(wù)過程的仿真推演。同時(shí),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(jī)救助任務(wù)效能評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估模型。最后,基于構(gòu)建的仿真模型和評(píng)估模型,開展仿真實(shí)例分析,并基于仿真數(shù)據(jù)對(duì)任務(wù)效能進(jìn)行綜合評(píng)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(xiǎn)情救助任務(wù)實(shí)例,構(gòu)建3套直升機(jī)救助方案,并基于構(gòu)建的任務(wù)仿真模型,對(duì)方案進(jìn)行仿真?；诜抡鏀?shù)據(jù)和評(píng)估模型,計(jì)算各方案的多項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)值,并最終得到方案的任務(wù)完成時(shí)間和效能評(píng)估,從而實(shí)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(xiǎn)情帶來的財(cái)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(duì)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(jī)和潛水隊(duì)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(jī),提高了海上無人機(jī)軌跡跟蹤效率。鄭云亮[4]分析我國(guó)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(duì)救援時(shí)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?jī)?yōu)選排序方法,為海事機(jī)構(gòu)對(duì)于海上人命搜救工作救助力量選取提供了有效的評(píng)估依據(jù)。

依據(jù)《國(guó)際航空和海上搜尋救助手冊(cè)》(International Aeronautical and Maritime Search and Rescue Manual,IAMSAR manual)[7-9],海上險(xiǎn)情救助任務(wù)通常可分為目標(biāo)搜尋與人員財(cái)產(chǎn)救助兩步。目標(biāo)搜尋階段中,救助直升機(jī)、救助船舶等采用目視搜尋、紅外搜尋、雷達(dá)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(dòng)。由于特大海上險(xiǎn)情遇險(xiǎn)平臺(tái)通常為客滾船、國(guó)際郵輪、海上鉆井平臺(tái)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(diǎn)為人員財(cái)產(chǎn)救助階段中直升機(jī)救助任務(wù)仿真與評(píng)估,即在遇險(xiǎn)平臺(tái)及人員已定位情況下,通過直升機(jī)將平臺(tái)上大量遇險(xiǎn)人員轉(zhuǎn)移至救助基地、醫(yī)院、沿岸臨時(shí)安置點(diǎn)及周邊救助船舶等安全位置的行動(dòng)過程。該過程中,直升機(jī)典型救助任務(wù)剖面如圖1所示。

圖1 直升機(jī)海上救助任務(wù)剖面

1.2 海上搜救任務(wù)仿真

針對(duì)海上搜救任務(wù)仿真,國(guó)內(nèi)外均開展了深入的研究。美國(guó)、加拿大等國(guó)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(shí)間計(jì)算[13]、搜尋方案仿真評(píng)估等功能。國(guó)內(nèi),肖方兵[14]采用蒙特卡羅方法對(duì)最優(yōu)搜尋區(qū)域確定與搜尋資源分配問題進(jìn)行了仿真求解。

上述研究成果大多面向船舶或直升機(jī)單裝單架次或多裝單架次搜救任務(wù),且研究重點(diǎn)均集中在搜救任務(wù)的搜尋過程,未針對(duì)多裝多架次轉(zhuǎn)移大量遇險(xiǎn)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(duì)個(gè)體進(jìn)行建模時(shí),能夠較為精確地刻畫個(gè)體行為。但是對(duì)于建模對(duì)象為多個(gè)體組成的復(fù)雜系統(tǒng),由于多個(gè)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]?；贏gent的建模與仿真方法能夠?qū)?fù)雜系統(tǒng)中的實(shí)體以Agent形式進(jìn)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(gè)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(dòng)模型。龐維建等[17]基于AnyLogic多智能仿真平臺(tái)構(gòu)建了集群無人機(jī)攻防對(duì)抗仿真場(chǎng)景,分析了集群無人機(jī)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(diǎn)、基于目標(biāo)—任務(wù)—行動(dòng)(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(jī)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(jí)的Agent仿真模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)特大海上險(xiǎn)情中直升機(jī)多機(jī)多架次救助這一復(fù)雜過程相對(duì)準(zhǔn)確的描述與刻畫。

2 直升機(jī)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(duì)直升機(jī)救助過程進(jìn)行建模仿真,首先需要對(duì)任務(wù)過程及任務(wù)參與主體進(jìn)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(gè)直升機(jī)采取的任務(wù)行動(dòng),在Agent建模仿真的基礎(chǔ)上可以擴(kuò)展至更豐富更真實(shí)的救助場(chǎng)景。依據(jù)對(duì)救助飛行隊(duì)的實(shí)際調(diào)研結(jié)果,可以將直升機(jī)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(chǎng)指揮、救助基地、救助直升機(jī)、救助船舶、各類安置點(diǎn)以及遇險(xiǎn)人員等7類。因此,單一的直升機(jī)救助流程,在與其他6類主體的信息傳遞中擴(kuò)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(jī)救助任務(wù)流程

直升機(jī)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(shí),直升機(jī)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(jìn)行考慮。因此,可以將直升機(jī)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(chǎng)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(diǎn))、救助目標(biāo)、環(huán)境控制等6層,各層級(jí)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(jī)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(duì)任務(wù)仿真模型中涉及的各類Agent進(jìn)行詳細(xì)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(jī)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(xiǎn)人員Agent用于模擬實(shí)際任務(wù)中的遇險(xiǎn)人員。定義遇險(xiǎn)人員Agent狀態(tài)參數(shù)為:

Cp=(pp,iy,ps,rt)

(2)

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

式中:Tmax為遇險(xiǎn)人員最大存活時(shí)間,t為仿真時(shí)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(xiǎn)人員最大存活時(shí)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(diǎn),承接直升機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)的遇險(xiǎn)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(diǎn)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(diǎn)是否存在作業(yè)直升機(jī)。安置位置層Agent基于自身狀態(tài)判定是否允許直升機(jī)降落進(jìn)行人員安置。

4) 救助力量層。救助直升機(jī)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(duì)其進(jìn)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(jī)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(shí)施階段、返航階段、著陸及人員安置階段六個(gè)階段。在不同任務(wù)階段,直升機(jī)Agent有不同的行為和推理決策過程?；赟OP構(gòu)建直升機(jī)Agent行為模型如圖4所示。

圖4 直升機(jī)Agent行為模型

在任務(wù)執(zhí)行過程中,部分行動(dòng)需現(xiàn)場(chǎng)救助人員臨機(jī)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(jī)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(jī)安全出動(dòng)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(shí),直升機(jī)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(zhǎng)度;Δt為救助單個(gè)遇險(xiǎn)人員的吊運(yùn)時(shí)間;300為SOP規(guī)定的落地燃油余量。單個(gè)遇險(xiǎn)人員吊運(yùn)時(shí)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(yùn)時(shí)間;β為操作熟練度因子,由直升機(jī)隸屬機(jī)隊(duì)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(jī)在空中待命階段會(huì)持續(xù)對(duì)當(dāng)前剩余燃油進(jìn)行監(jiān)控,燃油不足時(shí)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(jī)Agent自進(jìn)入救助實(shí)施階段起會(huì)持續(xù)對(duì)當(dāng)前剩余燃油和機(jī)上遇險(xiǎn)人數(shù)進(jìn)行監(jiān)控,在以下條件下直升機(jī)結(jié)束救助離場(chǎng):

pn=nn

fn≤fr·L/vc+300

(10)

即當(dāng)直升機(jī)Agent判定剩余燃油不足或當(dāng)前機(jī)上遇險(xiǎn)人員已達(dá)到最大承載人數(shù)時(shí),直升機(jī)結(jié)束救助離場(chǎng)。

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

(5) 后續(xù)行動(dòng)決策D5。直升機(jī)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(dòng)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(jī)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(shí)才可繼續(xù)出動(dòng)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(chǎng)至安置點(diǎn)的距離和救助現(xiàn)場(chǎng)與救助基地的距離。

以貴州黔西項(xiàng)目為例，通過評(píng)估，該方案產(chǎn)生的人力成本、時(shí)間成本約是方案二的3倍。特別對(duì)于工期緊張的項(xiàng)目，可行性較低。

5) 一線指揮層。該層包含救助基地與現(xiàn)場(chǎng)指揮兩類Agent,在任務(wù)仿真過程中分別進(jìn)行直升機(jī)Agent起飛階段及進(jìn)場(chǎng)實(shí)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(jī)起飛管制決策,即在同時(shí)收到多架直升機(jī)起飛請(qǐng)求后進(jìn)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(jī)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(jī)抵達(dá)救助現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)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(jī)起飛。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)指揮Agent?，F(xiàn)場(chǎng)指揮Agent主要決策過程為直升機(jī)進(jìn)場(chǎng)管制決策,即當(dāng)有直升機(jī)完成救助離場(chǎng)后向作業(yè)區(qū)派遣新的直升機(jī)進(jìn)場(chǎng)救助。其決策因子定義為:

現(xiàn)場(chǎng)指揮Agent依據(jù)決策因子dsr由大到小的順序安排直升機(jī)進(jìn)場(chǎng)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(jī)發(fā)布任務(wù)指令;當(dāng)救助過程中現(xiàn)場(chǎng)直升機(jī)救助能力不足時(shí),總指揮Agent向救助基地下發(fā)增援任務(wù)指令;當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)所有遇險(xiǎn)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(jī)在完成當(dāng)前任務(wù)后返回基地。

3 直升機(jī)救助任務(wù)效能評(píng)估模型

3.1 救助任務(wù)效能評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建

在海上險(xiǎn)情救助任務(wù)中,對(duì)任務(wù)效能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),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(gè)方面進(jìn)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(jī)人員轉(zhuǎn)運(yùn)任務(wù)評(píng)估指標(biāo)體系如圖5所示。

3.2 評(píng)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(duì)定量指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理,即采用閾值法對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)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(jì)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(duì)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(duì)專家經(jīng)驗(yàn)信息及專家評(píng)判問題的客觀性進(jìn)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(píng)估指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系,從而構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 評(píng)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(shì)度特征,表示為:

式中:aij表示在同一準(zhǔn)則下指標(biāo)i相對(duì)于指標(biāo)j的重要程度,采用1-9標(biāo)度進(jìn)行判斷,并滿足aij·aji=1。此外,各個(gè)專家對(duì)于指標(biāo)相對(duì)重要程度的判斷需要經(jīng)過一致性檢驗(yàn),采用一致性比例C.R.法進(jìn)行一致性檢驗(yàn),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(jī)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(jì)算?；跇?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(jì)算軟件Super Decision[19]進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算。依據(jù)圖6所示的評(píng)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(píng)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(jì)算,得到圖5所示的評(píng)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(píng)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(píng)估值向量E=[E1,E2,…,En],可以得到直升機(jī)人員轉(zhuǎn)運(yùn)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(duì)直升機(jī)救助任務(wù)進(jìn)行綜合效能評(píng)估。

4 仿真實(shí)例分析

本文采用渤海海域某特大海上險(xiǎn)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(píng)估模型,進(jìn)行仿真實(shí)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(shí),因大風(fēng)浪中操作不當(dāng)導(dǎo)致汽車移位起火并傾覆。險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)現(xiàn)場(chǎng)正北風(fēng),風(fēng)力達(dá)10級(jí),現(xiàn)場(chǎng)水溫為0℃,現(xiàn)場(chǎng)能見度5 km。經(jīng)空中力量搜尋,已確認(rèn)各遇險(xiǎn)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(xiǎn)人員分布如表2所示。

表2 遇險(xiǎn)人員分布

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

表3 直升機(jī)起降點(diǎn)分布

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

除表3中的直升機(jī)起降點(diǎn)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(shí)安置點(diǎn)等安置位置,如表5所示。

表5 安置點(diǎn)分布情況

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

表6 直升機(jī)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(duì)上述任務(wù)中3套救助方案進(jìn)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(xiàng)評(píng)估指標(biāo)值如表7所示。

表7 評(píng)估指標(biāo)值

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

表8 效能評(píng)估結(jié)果

根據(jù)表8的評(píng)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(xiàng)指標(biāo)值可以推測(cè)出,該套方案最終評(píng)價(jià)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(dá)險(xiǎn)情現(xiàn)場(chǎng)后平均待命時(shí)間較長(zhǎng),從而影響了救助效率。而方案1與方案3效能評(píng)估結(jié)果相近,其中方案3略優(yōu)于方案1,通過分析各項(xiàng)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(xiǎn)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(shí)施救助。

5 結(jié) 語

本文研究了特大海上險(xiǎn)情中直升機(jī)救助任務(wù)仿真與效能評(píng)估問題。通過對(duì)救助任務(wù)流程的分析,構(gòu)建了分層級(jí)的任務(wù)仿真模型,實(shí)現(xiàn)了基于Agent的救助任務(wù)仿真。同時(shí),本文基于對(duì)各方面專家的調(diào)研,構(gòu)建了直升機(jī)救助任務(wù)效能評(píng)估模型,從任務(wù)過程安全性、任務(wù)執(zhí)行效率等方面對(duì)直升機(jī)救助任務(wù)進(jìn)行綜合效能評(píng)估。如引言部分所述,特大海上險(xiǎn)情中直升機(jī)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(duì)救助過程進(jìn)行任務(wù)級(jí)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(jī)動(dòng)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(xì)地刻畫和模擬直升機(jī)救助過程。