海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)設計與實現?

劉 偉 崔 嘉 王仲暉 趙中正 高永健

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.中國人民解放軍91911部隊 三亞 572000）（3.海豐通航科技有限公司 北京 100071）

1 引言

海上環(huán)境險惡，情況復雜多變，時刻威脅著遇險人員的生命。因此一旦接收到海上遇險事故報警，應迅速收集各種有利信息，快速制定合理有效的搜救計劃，并以最快的速度派遣搜救力量，根據影響搜救行動因素變化，快速組織、協調、指揮整個搜救行動，達到搜救資源的合理利用，這是搜救行動成功的關鍵［1～2］。

提高海上遇險事故應急反應能力和救助成功率，需要進行大量的海上搜救訓練，目前真實場景的海上搜救組織演練需要消耗大量的人力、物力和時間成本，搜救組織受現場因素影響較大，并且在演練過程中還存在一定的風險性［3～4］。為了保障復雜海況及突發(fā)事故條件下海上搜救演練實施，提高海上搜救資源有效利用，降低海上搜救演練成本，提升搜救人員應急救援能力，設計一套海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)。系統(tǒng)利用虛擬仿真技術構建海上搜救場景態(tài)勢，模擬海上搜救組織處置過程，包括：險情設定、險情發(fā)出、搜救方案制定、搜救方案審核、搜救演練、應急情況處置、搜救總結與評估，并根據搜救人員角色不同，設置不同的任務需求和考核評價標準，滿足人員演練的實際需要。

2 海上搜救組織一般流程

海上搜救是指國家或有關部門針對海上事故做出的搜索、救援等工作。海上搜救過程一般分為五個階段，即初始行動階段、計劃制定階段、搜索實施階段、救援實施階段、任務結束階段。

1）初始行動階段。確認險情信息，包括遇險人員情況、遇險時間地點、海洋氣象水文信息，并向所在責任區(qū)海上搜救機構報告。

2）計劃制定階段。搜救責任區(qū)人員根據相關模型判斷海上遇險漂移位置［5～6］，確定搜尋區(qū)域的大?。?］、搜尋方式以及搜索救援力量，并將計劃通知搜救單位。

3）搜索實施階段。搜救單位派遣搜救隊伍進入現場，按照計劃實施搜索行動，并及時與搜救中心聯系，匯報現場情況。

4）救援實施階段。當發(fā)現遇險目標時，搜救人員攜帶相應裝備對遇險目標實施救援，直到遇險目標脫離危險為止。

5）任務結束階段。搜救任務結束后，搜救部門、人員對本次搜救任務進行總結，整理搜救任務書，并向上一級搜救中心匯報。

搜救組織是執(zhí)行海上搜索與救援任務時單獨成立的組織，它既是搜救活動的組織者，也是搜救活動的執(zhí)行者，搜救組織的構成主要包括搜救指揮員、搜救任務協調員、現場指揮員、現場搜救員，他們的職責與層級關系如圖1所示。

圖1 海上搜救組織職責與層級關系

3 海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)總體框架結構

海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)的體系結構設計依托于美國軍方提出的TENA（試驗與訓練使能體系結構）結構框架［8］，它提供了一種大規(guī)模、分布式的、實時仿真環(huán)境，可以把各種資源整合起來，構建一個逼真高效的綜合試驗平臺來模擬海上搜救組織過程，提高了搜救資源利用效率。海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)總體框架共分為五個部分，分別為數據層、支撐層、業(yè)務邏輯層、仿真層和應用層，具體內容如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架結構圖

海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)平臺具有多種數據庫資源，并采用DDS數據通信手段［9］，對數據庫中資源進行實時調用、記錄、存儲，模擬海上搜救場景，為搜救指揮流程仿真提供數據支持，設計人機交互界面，顯示搜救指揮過程，并形成系統(tǒng)文件安裝包。系統(tǒng)平臺以VS2017和Qt Creator作為平臺開發(fā)工具，采用C/S架構，計算機操作系統(tǒng)為Win?dows7，用戶首次使用時需要安裝客戶端，并根據自身角色，輸入相應的登錄口令，基于保密性考慮，管理員角色有權限更改用戶信息。

3.2 數據庫設置

海上搜救組織指揮演練系統(tǒng)采用SQLite數據庫用于數據管理，SQLite數據庫是世界上部署最廣泛的SQL數據庫［10］，獨立性強、占用資源少、能夠允許多個進程或線程安全訪問，跨平臺不需要在系統(tǒng)中配置，可直接使用。

系統(tǒng)數據來源包括三部分，一部分為已存入系統(tǒng)中的典型數據信息，包括用戶信息、遇險目標信息、典型的風場、流場和海溫場等搜救環(huán)境數據信息、搜救力量數據、仿真模型數據、歷史案例數據等。這些信息方便用戶登錄系統(tǒng)，并模擬典型搜救場景，為平臺執(zhí)行搜救任務提供快速的服務響應。

另一部分為用戶根據實際需要輸入的險情信息和搜救方案信息。海上遇險事故具有突發(fā)性、緊急性和復雜性等特點，因此在進行海上險情場景設定時要考慮險情時間背景、險情類型、險情位置、險情目標、險情狀態(tài)、遇險人數、人員情況等信息，這些信息都可以通過用戶設定，并儲存到數據庫中，遇險信息設定界面如圖3所示。在制定搜救方案時，需要對險情信息進行分析，考慮資源區(qū)域規(guī)劃、搜救力量資源選擇、搜救區(qū)域規(guī)劃、搜尋方式規(guī)劃以及需要攜帶的相關搜救裝備等方面，最終形成搜救報告。

圖3 遇險信息設定界面

最后一部分為系統(tǒng)產生的數據，包括用戶操作數據、仿真模擬產生的航線航跡、搜救結果，這些數據方便使用者對整個搜救組織過程進行評估。

3.3 仿真模型建立

1）遇險目標漂移模型

相較于陸地環(huán)境來說，任何漂浮在海上的目標存在著漂移運動，漂移位置主要受兩方面因素的影響，即表層水流和風壓漂移［11～12］。表層水流是搜尋目標所處海域的實際水流，它是由各種水流，如海流、當地風生流、潮流、河口流、沿岸流等疊加而來，其中對表層水流影響最大的是潮流和風生流，在計算表層水流時可以通過風力大小、潮流信息獲取。風壓是指由于風作用于目標水上部分而導致目標對水的相對運動，包括運動速度的大小和方向，目標的形狀、大小、浸沒比例［13］都對風壓產生影響。

在計算漂移速度時，可以由這兩個因素作用的矢量疊加獲得，假設Vwater為遇險區(qū)域表層水流矢量流速，Vwind為風壓，即某一位置處海上遇險目標產生的矢量速度V可用下式表示：

式中，α為風對漂移目標的影響因子，具體取值根據遇險目標特性決定。

在t時刻，遇險目標相較于零點漂移的軌跡可用下式表示：

2）搜尋方式模型

海上目標搜尋需要考慮遇險環(huán)境、遇險目標類型以及探測設備性能，在制定搜救方案過程中，需要選擇適當的搜尋方式，以達到最佳的搜尋效果。目前常用的搜尋方式有扇形搜索、擴展方形搜索、航跡線搜索、平行線搜索等方式，在仿真過程中，根據不同的搜尋方式設定相應模型，搜救力量沿著既定的軌道進行目標搜尋。以擴展方形搜索為例，如圖4所示，O為搜尋基準點，S代表搜尋間距，搜尋行動以O點為起始點向外按照一定距離進行擴展，達到搜尋區(qū)域邊界處停止搜尋。如果同一區(qū)域需要進行連續(xù)搜索時，則在搜尋起始點轉向45°開始第二次搜尋。

圖4 擴展方形搜索方式示意圖

編程實現方式如下：

ListsquareArea（SPoint O，double R，double S）｛//O為搜尋基準點經度、緯度和方向的列表，R為搜尋區(qū)域邊長，S搜尋間距

ListLineList；//航路點集合

LineList.append（O）；

int newA=O.azimuth；//基準點角度

double sLen=0；//搜尋距離

SPoint tmpPnt=0；//航路點緩存變量

While（（sLen+=S）

3）搜救能力模型

海上常用的搜救力量有船舶和飛機兩種方式，以直升機搜救為例，搜救直升機的燃油量、飛行速度以及在某飛行速度下的燃油消耗率等性能指標對搜救行動至關重要，通過建立直升機搜救能力模型，根據直升機救援過程中的燃油消耗率計算直升機的飛行距離，為搜救行動的順利開展提供數據支持。

在實際的搜救作業(yè)中，直升機可能需要懸停開展救援作業(yè)，同時直升機往返航程應保證油量充足，留有一定的剩余油量，則搜救直升機的最大飛行距離為

式中：Yzy表示搜救直升機的載油量，Ysy表示直升機的剩余余油量，Yxy表示直升機懸停救援時的燃油消耗量，Vss表示直升機搜救時的飛行速度，Yx?表示在對應飛行速度下的燃油消耗率。

根據上述模型，可以計算直升機的最大飛行距離，在搜救過程中，直升機已完成搜救距離與直升機返程距離之和應小于直升機最大飛行距離，系統(tǒng)仿真界面如圖5所示。

圖5 搜救過程仿真界面

3.4 搜救組織指揮流程

海上搜救組織指揮過程主要包括海上險情設定階段、搜救方案制定階段、搜救方案審批階段、搜救方案執(zhí)行階段和搜救結果評估階段，海上搜救組織指揮流程如圖6所示。

圖6 海上搜救組織指揮流程

導調人員負責險情設定，登錄個人信息后，導調人員可以根據演練要求設定險情信息，也可以通過數據庫直接導入險情案例，生成險情方案之后，并對險情信息進行發(fā)布。

搜救任務協調員要響應險情信息，并根據險情信息和目前擁有的搜救資源，完成搜救方案的制定和上報。

搜救指揮員要對搜救方案進行審批，審批通過，進行搜救方案的發(fā)布、顯示和存儲；審批不通過，需要搜救任務協調員重新制定搜救方案。

當現場指揮員執(zhí)行搜救指令后，平臺可以實時顯示險情信息，動態(tài)模擬搜救過程。若搜救不成功，可以現場制定搜救方案，也可以上報任務協調員，重新制定搜尋方案，重復以上過程，直至完成搜救或資源油量耗盡搜救失敗。

最后，系統(tǒng)根據搜救結果對整個搜救過程以及參與者進行評估，并將結果儲存到數據庫中，完成搜救任務書。

4 系統(tǒng)仿真測試分析

設置局域網絡環(huán)境，搭建系統(tǒng)仿真試驗平臺，合理規(guī)劃演練角色站位，利用系統(tǒng)平臺模擬海上搜救指揮過程，場地布置如圖7所示。演練人員按照角色分工，通過客戶端輸入用戶名和密碼，完成系統(tǒng)測試。

圖7 場地布置圖

導調人員、搜救任務協調員、搜救指揮員、現場指揮員按照演練方案參與海上搜救行動，測試結果如表1所示。通過仿真測試，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，能完成多角色間指令的發(fā)出與接收，同時隨著測試次數的增加，完成搜救任務時間減少，搜救成功率增加，達到了測試預期的目的。

表1 仿真測試結果

5 結語

根據任務需求，本系統(tǒng)可以模擬多種海上險情發(fā)生，并通過相關模型的運用，真實再現海上搜救組織指揮過程，在仿真過程中可以將險情狀況、搜救計劃、救援過程、結果評估等信息儲存到數據庫中，方便學習與分析。本系統(tǒng)的研究成果為多角色協同搜救演練仿真提供了有效的解決途徑，為切實提高應對海上重大突發(fā)事件的搜救處置能力積累了有利的技術經驗。