民用航空器搜尋作業(yè)輔助決策平臺

周進(jìn) 朱新平

摘 要：為支持進(jìn)行科學(xué)高效的民用航空器搜尋作業(yè)指揮，構(gòu)建了搜尋作業(yè)輔助決策指揮平臺。分析了民用航空器搜尋作業(yè)的特點(diǎn)，確定平臺研發(fā)的功能目標(biāo)和體系結(jié)構(gòu)。研究平臺研發(fā)中面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題，如基于搜尋基準(zhǔn)點(diǎn)、基于搜尋基準(zhǔn)線和基于搜尋基準(zhǔn)區(qū)域的航空器概率型失事區(qū)域初始預(yù)測方法，以及考慮搜尋區(qū)域特征和設(shè)備能力的搜尋作業(yè)任務(wù)規(guī)劃。以某民用航空器的搜尋仿真為例展示了該平臺的功能。

關(guān)鍵詞：空中交通管理;航空器;搜尋;輔助決策

中圖分類號：V355.1

Abstract：In order to conduct the aircraft search effectively，a decision-making support platform is constructed.The characteristic of aircraft search work is analyzed，and the function object and architecture is designed.Some key technologies are investigated，such as probabilistic crash area prediction based on search base point，base line or area，and also the search work planning considering crash area and equipment feature.The function of the platform in demonstrated based on a simulated aircraft search example.

Key words：Air traffic control;aircraft，search;decision-making support

民用航空安全一直是社會和民航業(yè)界廣泛關(guān)注的問題，而民用航空器搜尋救援則是關(guān)乎安全的重要工作。對失事航空器高效地展開搜尋是后續(xù)救援迅速展開的前提。通常而言，在人口密聚區(qū)域，失事航空器的搜尋過程較短，多以事后救援為主。但是，當(dāng)航空器在人口稀少區(qū)域失事時，比如山區(qū)、沙漠、海洋，航空器的搜尋工作就顯得特別重要。尤其是航空器在沒有任何跡象的情況下失去通信聯(lián)系，或來不及報告其準(zhǔn)確位置就已失事，或者地形復(fù)雜、天氣惡劣、沒有目擊者報告等情形下，搜尋工作就顯得十分困難。此外，民用航空器搜尋涉及部門眾多，信息流轉(zhuǎn)和協(xié)調(diào)程序復(fù)雜，如何基于先進(jìn)的信息化技術(shù)手段，構(gòu)建民用航空器搜尋作業(yè)輔助決策指揮平臺，成為有效整合各方搜救力量，協(xié)同開展搜救作業(yè)的關(guān)鍵所在。這也是本文的出發(fā)點(diǎn)。

近年來，國家相關(guān)部門出臺了一系列的文件[1-4]，要求制定詳細(xì)的、可操作的應(yīng)急救援預(yù)案，為民用航空器搜尋的組織、協(xié)調(diào)和指揮提供了制度保障。然而，在實際搜救作業(yè)中，民用航空器搜尋援救多依賴一線指揮人員經(jīng)驗，盡管建立了相應(yīng)的搜尋專項預(yù)案，但由于缺少相應(yīng)的信息綜合處理和輔助決策平臺，極易造成分析不全面、決策不合理、行動不及時而影響搜尋援救的效率。鑒于此，可考慮利用計算機(jī)技術(shù)、GIS技術(shù)輔助開展民用航空器搜尋援救決策。目前，針對民航領(lǐng)域搜尋援救的輔助決策平臺較少，相關(guān)研究多集中在海事搜尋方面。美國海岸警衛(wèi)隊研發(fā)了海事搜尋輔助決策系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)搜尋區(qū)域的計算和標(biāo)繪，以及搜尋援救任務(wù)規(guī)劃與管理[5]。加拿大海岸警衛(wèi)隊推出了CANSARP系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，基于實時觀測及預(yù)報數(shù)據(jù)來標(biāo)繪網(wǎng)格化搜尋區(qū)域[6]。也有美國相關(guān)機(jī)構(gòu)基于國家搜救手冊建立海上目標(biāo)的漂移模型，并提供搜尋目標(biāo)軌跡預(yù)測過程的可視化展示[7]。英國相關(guān)結(jié)構(gòu)綜合考慮海洋中環(huán)境的特殊性，尤其是風(fēng)和潮流的作用，建立目標(biāo)漂移模型來確定目標(biāo)的搜尋區(qū)域[8]。加拿大國防研究發(fā)展中心研發(fā)了SARPlan系統(tǒng)，可以統(tǒng)籌安排失蹤航空器的搜尋任務(wù)安排，可增加失蹤航空器的發(fā)現(xiàn)概率[9]。相比較而言，我國對民用航空器的搜尋輔助決策平臺研究較晚，很少有針對有陸上搜尋輔助決策系統(tǒng)的研究[10]。

本文設(shè)計和開發(fā)了民用航空器搜尋作業(yè)輔助決策指揮平臺，介紹了平臺開發(fā)過程及其中涉及的多項關(guān)鍵技術(shù)，包括平臺功能及需求、平臺架構(gòu)以及涉及的關(guān)鍵技術(shù)等。基于該平臺的優(yōu)勢在于，首先其具有良好搜尋作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理能力，其次可為搜尋指揮人員在失事區(qū)域預(yù)測、搜尋任務(wù)規(guī)劃等方面提供輔助決策支持，有助于提高搜尋指揮水平。

1 平臺功能及需求

民用航空器搜尋援救指揮平臺采用C#作為編程語言，在VS2010集成平臺上進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，采取模塊化的方式建立失事航空器軌跡推測模型，以及面向航空器搜尋作業(yè)的資源調(diào)度模型。平臺可實現(xiàn)以下功能：

（1）航空器失事區(qū)域預(yù)測。為了制定航空器搜尋救援計劃，首先應(yīng)該確定航空器失事區(qū)域。具體而言，該區(qū)域應(yīng)包含失事航空器殘骸、可能幸存者分布區(qū)域。所研發(fā)的平臺將面向已知航空器迫降時的大概位置、未知航空器失事，建立失去航空器的軌跡推測模型。通常情況下，由于對失事目標(biāo)的信息了解十分有限且目標(biāo)自身動力學(xué)模型不同于正常工作狀態(tài)，對其軌跡預(yù)測具有很大的不確定性，因而最終航空器失事區(qū)域的預(yù)測將以空間上的概率分布形式予以呈現(xiàn)。

（2）失事航空器搜尋作業(yè)規(guī)劃。在航空器失事區(qū)域預(yù)測的基礎(chǔ)上，將相應(yīng)的待搜尋區(qū)域劃分成若干個子區(qū)域，并基于不同區(qū)域的子區(qū)域自然環(huán)境和設(shè)備資源特性進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)度安排。在搜尋作業(yè)過程中，前方作業(yè)傳回的信息將會影響后方搜尋作業(yè)指揮決策。鑒于此，所研發(fā)的平臺將建立失事航空器搜尋作業(yè)的動態(tài)規(guī)劃模型，基于不斷更新的搜尋作業(yè)進(jìn)程信息，確定不同子搜尋子區(qū)域的搜尋次序以及開展搜尋作業(yè)時的物資、人員調(diào)度方案。

（3）民用航空器搜尋作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理。為可持續(xù)性地提升搜尋作業(yè)水平，所研發(fā)的平臺還將實際搜尋作業(yè)或搜尋演練中產(chǎn)生的相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（如搜尋隊伍集結(jié)速度、搜尋設(shè)備資源性能等）進(jìn)行存儲，并通過數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等途徑，為民用航空器搜尋決策提供輔助分析功能。

2 平臺架構(gòu)設(shè)計

平臺架構(gòu)如圖1所示。采用面向?qū)ο蟮姆椒?，在VS2010環(huán)境中實現(xiàn)多個功能模塊。搜尋指揮員通過人機(jī)界面設(shè)置軟件運(yùn)行參數(shù)，并將設(shè)置方案通過相應(yīng)的交互管理模塊輸入給平臺。該平臺具有的圖形化用戶交互接口可支持用戶在其環(huán)境中進(jìn)行數(shù)據(jù)管理或交互操作，如獲取民用航空器搜尋的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、開展航空器失事區(qū)域預(yù)測等。航空器失事區(qū)域預(yù)測模塊將集成實現(xiàn)失事航空器軌跡推測算法，根據(jù)失事航空器的對應(yīng)的空氣動力學(xué)模型、下落過程受力分析以及失事前的性能參數(shù)等，預(yù)測航空器的可能墜落區(qū)域。航空器搜尋作業(yè)規(guī)劃模塊將根據(jù)歷史信息及航空事故調(diào)查專家的評估得出失事航空器的初始概率分布，利用最優(yōu)搜尋理論開展搜尋設(shè)備資源調(diào)度優(yōu)化，以支持航空器搜尋作業(yè)快速高效展開。航空器搜尋資源管理模塊將用于航空器搜尋過程的相關(guān)設(shè)備資源進(jìn)行全面管理，動態(tài)制定運(yùn)行維護(hù)方案，確保各項設(shè)備資源處于良好的工作狀態(tài)。此外，航空器搜尋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊將在實際搜尋作業(yè)或演練過程中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并基于數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析等功能，將相關(guān)參數(shù)反饋應(yīng)用于航空器失事區(qū)域預(yù)測模塊和搜尋作業(yè)規(guī)劃模塊的性能提升。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 面向不同搜尋基準(zhǔn)的航空器失事區(qū)域預(yù)測

航空器搜尋過程中所參考的位置點(diǎn)、線或區(qū)域稱之為搜尋基準(zhǔn)。航空器的失事區(qū)域預(yù)測主要面向上述三種不同的基準(zhǔn)來進(jìn)行。其中：

（1）如果已知失事航空器進(jìn)行空地聯(lián)絡(luò)的最后一個位置，可基于此結(jié)合航空器性能、氣象環(huán)境等參數(shù)計算航空器的墜落軌跡，并根據(jù)此來確定航空器墜落點(diǎn)。該墜落點(diǎn)代表了航空器的最有可能存在的位置，可作為搜尋區(qū)域基點(diǎn)，具體的失事區(qū)域可基于該搜尋基點(diǎn)來推測。在基點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，失事航空器的墜落區(qū)域呈圓形正態(tài)分布，離所確定的搜尋基點(diǎn)越近，則失事航空器存在的概率越高，反之，失事航空器存在的概率就越低。基于搜尋基準(zhǔn)點(diǎn)的航空器概率型失事區(qū)域預(yù)測如圖2所示。

（2）如果航空器在失蹤前位于某一條航線上的兩個位置報告點(diǎn)之間飛行，但無法確定失事航空器具體在哪一個位置失事，則可認(rèn)為航空器在該航線上每個位置點(diǎn)的可能性相等。此時，可根據(jù)已知航空器導(dǎo)航參數(shù)、氣象參數(shù)等，以航空器所在位置報告點(diǎn)之間的航線作為基準(zhǔn)，推測航空器墜落軌跡并得到一個縮小的矩形搜尋區(qū)域，作為搜尋的基線區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)，失事航空器的位置在基線兩邊為正態(tài)分布，離搜尋基線越近，失事航空器存在的分布概率越高，反之，分布概率越低[11]。基于搜尋基準(zhǔn)線的航空器概率型失事區(qū)域初始預(yù)測如圖3所示。

（3）如果航空器是由于繞飛惡劣天氣偏離計劃航路或空中出現(xiàn)故障等原因而失事，航空器最后在某一片區(qū)域失去聯(lián)系，則可基于該區(qū)域并根據(jù)航空器續(xù)航能力、墜落軌跡來確定失事區(qū)域。假設(shè)航空器航向不變，則整個下落過程近似在一個平面上，通過失事航空器的空氣動力學(xué)分析得到航空器空中漂移距離，確定航空器可能墜落區(qū)域的半徑，然后分已知航空器失事大概位置、未知航空器失事位置兩種情況分別建立航空器失事區(qū)域預(yù)測模型?；谒褜せ鶞?zhǔn)區(qū)域的航空器概率型失事區(qū)域初始預(yù)測如圖4所示。

在所研發(fā)的搜尋指揮輔助決策平臺中，選取合適的基準(zhǔn)計算航空器墜落的軌跡，得到航空器搜尋范圍，在該范圍內(nèi)失事航空器的位置服從一定的概率分布，選取的基準(zhǔn)不同，得到的搜尋區(qū)域形狀、范圍也不一樣。此外，基于搜尋作業(yè)獲得的信息，相應(yīng)的航空器失事區(qū)域初始預(yù)測結(jié)果會進(jìn)一步的更新，以便于搜尋指揮員做出科學(xué)決策。

3.2 考慮搜尋區(qū)域特征和設(shè)備能力的搜尋作業(yè)任務(wù)規(guī)劃

在完成民用航空器失事區(qū)域預(yù)測的前提下，需要研究如何制定搜尋任務(wù)計劃，并調(diào)度相關(guān)搜尋資源展開搜尋。民用航空器搜尋作業(yè)任務(wù)計劃的目標(biāo)是在適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)計算和選擇最優(yōu)或次優(yōu)的搜尋路線，使得在盡可能短的時間內(nèi)完成相關(guān)區(qū)域的搜索，并達(dá)到最佳的搜索效果。民用航空器搜尋任務(wù)規(guī)劃需要考慮以下幾個方面的因素：（1）航空器出現(xiàn)在不同搜尋區(qū)域的概率不同，如何對待搜尋區(qū)域進(jìn)行科學(xué)劃分，并制定搜尋相關(guān)區(qū)域的先后順序;（2）被搜尋目標(biāo)在不同的區(qū)域內(nèi)失事可能處于不同的事后狀態(tài)，比如，如果被搜尋的航空器失事區(qū)域位于陸地，則其殘骸會分布在某一區(qū)域內(nèi)并總體上處于靜止?fàn)顟B(tài)，而如果被搜尋的航空器失事區(qū)域位于海洋，則其一部分殘骸可能會隨著洋流而漂浮處于一種運(yùn)動狀態(tài);（3）基于航空器失事區(qū)域的實地環(huán)境情況，不同部門、不同專業(yè)搜尋設(shè)備能力的配置情況，調(diào)度相關(guān)設(shè)備資源協(xié)同展開搜尋作業(yè)。

在所研發(fā)的搜尋指揮輔助決策平臺中，在航空器概率型失事區(qū)域初始預(yù)測的基礎(chǔ)上，平臺綜合考慮搜尋資源分布和特性，提供了各搜尋單位搜尋能力評價方法，然后采用基于預(yù)測模型控制的任務(wù)規(guī)劃建模方法，將前方搜尋作業(yè)反饋結(jié)果動態(tài)集成到后續(xù)搜尋任務(wù)規(guī)劃，實現(xiàn)了對搜尋任務(wù)的閉環(huán)控制與規(guī)劃。

4 平臺界面及仿真應(yīng)用

4.1 航空器失事區(qū)域預(yù)測

假設(shè)當(dāng)一架航空器在做完某一位置報告后在航路上某處失去聯(lián)系，無法知曉航空器失事的大概位置以及具體的失事時間。應(yīng)用該平臺對陸地區(qū)域內(nèi)的民用航空器搜尋輔助決策進(jìn)行仿真驗證。圖5為未知航空器失事大概位置情況下的失事區(qū)域預(yù)測模塊的操作界面，在該界面中輸入界面提示的失事航空器類型、型號、導(dǎo)航參數(shù)、性能參數(shù)及氣象參數(shù)，通過軟件后臺計算就可以得到三個搜尋區(qū)域的半徑、面積，扇形搜尋區(qū)域的坐標(biāo)信息以及可能墜落區(qū)域的坐標(biāo)信息。圖6為未知航空器失事大概位置情形下的失事區(qū)域預(yù)測結(jié)果。

4.2 搜尋作業(yè)任務(wù)調(diào)度

在該平臺上，繼續(xù)利用獲取的已有信息和航空器概率型失事區(qū)域的初始預(yù)測結(jié)果，其結(jié)果如圖6所示。其中，該平臺確定了四個矩形搜尋子區(qū)域，每個子區(qū)域的包含失事航空器的概率分布為0.15、0.45、0.3、0.1;如調(diào)度相關(guān)搜尋單位利用直升機(jī)開展搜尋作業(yè)，其飛行速度為240km/h，掃視寬度為1千米，可得到總的搜尋時間為10小時，其中，子區(qū)域Ⅰ應(yīng)分配109.670分鐘，子區(qū)域Ⅱ應(yīng)分配268.477分鐘，子區(qū)域Ⅲ應(yīng)分配178.985分鐘，子區(qū)域Ⅳ應(yīng)分配42.866分鐘，按照這種時間分配方案來調(diào)度搜尋資源，搜尋成功的概率最大，為0.75。

5 結(jié)論

開發(fā)了面向民用航空器搜尋作業(yè)的輔助決策指揮平臺，研究并實現(xiàn)了航空器失事區(qū)域預(yù)測、失事航空器搜尋作業(yè)規(guī)劃、搜尋作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能，解決了面向不同搜尋基準(zhǔn)的航空器失事區(qū)域預(yù)測、以及考慮搜尋區(qū)域特征和設(shè)備能力的搜尋作業(yè)任務(wù)規(guī)劃兩項關(guān)鍵技術(shù)，最后，以未知航空器失事大概位置情形下的失事區(qū)域預(yù)測為例仿真運(yùn)行了所給平臺的功能。進(jìn)一步應(yīng)考慮：（1）對軟件進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的架構(gòu)擴(kuò)展設(shè)計，以支持實現(xiàn)搜尋管理單位、搜尋協(xié)調(diào)單位和搜尋作業(yè)部門的協(xié)同;（2）參照空中交通管制自動化系統(tǒng)的設(shè)計需求和理念，進(jìn)一步完善軟件的人機(jī)接口設(shè)計。

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作者簡介：周進(jìn)（1982-），男，漢族，江蘇南通人，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域為民航安全管理、空管自動化系統(tǒng)。