水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體研究

金 浩，張英香，王吉武，宋煊懿，胡敏瑞，范 壯，金 晶

(1. 中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101；2. 中國中小企業(yè)發(fā)展促進中心，北京 100082；3. 大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116005；4. 山東省蓬渤安全環(huán)保服務(wù)有限公司，山東 煙臺 265600)

0 引 言

對于水上應(yīng)急救援演練，傳統(tǒng)的實際場地模型演練方式有著造價高、污染大、危險性極強、進程不易把握、演練內(nèi)容單一等缺點。隨著計算機虛擬技術(shù)的發(fā)展，由計算機整合模型庫、案例庫、應(yīng)急知識庫、方法庫、圖形庫、裝備庫等數(shù)據(jù)庫研發(fā)出的應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[1-2]，能夠綜合模擬出災(zāi)害爆發(fā)場景、救援進展和事故態(tài)勢等進程信息，不僅避免了傳統(tǒng)演練造價高、內(nèi)容單一的缺點，還能提高參與人員應(yīng)急救援水平，便于組織者、參演方交互，對演練評估等，完全能達到比實際場地演練更好的演練效果。

應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練應(yīng)當(dāng)具備對各種類型訓(xùn)練試驗進行模擬規(guī)劃，實時顯示失事船舶運動狀態(tài)信息，并對動態(tài)模擬救援效果進行評估的能力?；谔摂M現(xiàn)實技術(shù)的水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練是提高模擬救援水平的重要支撐。

為提高水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練質(zhì)量，確實達到復(fù)雜狀況下實施應(yīng)急救援作業(yè)的能力要求，本文聚焦我國水上應(yīng)急救援應(yīng)對需求，探討水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)概念和設(shè)計需求，構(gòu)建水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計，分析其關(guān)鍵技術(shù)，并對水下應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)設(shè)計。

1 水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)概念和設(shè)計需求

1.1 水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)概念

應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練也稱為應(yīng)急虛擬訓(xùn)練，指的是依托于實應(yīng)急救援的虛擬現(xiàn)實仿真演練平臺，全真模擬各類事故、災(zāi)害或事故現(xiàn)場，通過人機交互的操作對各項救援作業(yè)進行訓(xùn)練，對救援作業(yè)方案進行演練。按照國務(wù)院應(yīng)急管理辦公室印發(fā)《突發(fā)事件應(yīng)急演練指南》的要求，結(jié)合各類應(yīng)急救援的實際情況，大體可將整個模擬訓(xùn)練過程分為計劃演練、記錄過程、總結(jié)評估3部分，每一部分又包含很多具體的操作步驟。整個模擬訓(xùn)練需要模型庫、案例庫、應(yīng)急知識庫、方法庫、圖形庫、裝備庫、標(biāo)準(zhǔn)庫等數(shù)據(jù)庫作為支撐，計算機根據(jù)訓(xùn)練進程要求，調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)合成出整個應(yīng)急事件爆發(fā)前后場景，根據(jù)參演人員的操作，自動調(diào)整災(zāi)害進程，最終達到演練預(yù)案、鍛煉人員的目的。同時，訓(xùn)練過程中所應(yīng)用到的知識、方法以及訓(xùn)練過程本身也可作為案例保存至知識庫、方法庫、案例庫。水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)[3]在保障應(yīng)急救援作業(yè)人員安全、創(chuàng)新監(jiān)管模式和提高應(yīng)急救援作業(yè)人員水平等方面具有重要意義。

1.2 水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計需求

通過對“世越”號[4]、“東方之星[5]”、“重慶公交墜江[6]”等事故進行分析可知，水上應(yīng)急救援涉及到救援過程、救援技術(shù)、救援裝備和救援作業(yè)等各方面，整個救援流程較復(fù)雜，涉及面廣，故迫切需要應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對整個救援過程進行演練、對救援作業(yè)人員進行訓(xùn)練，以提高救援組織指揮、救援作業(yè)和輔助作業(yè)等各類人員的水平。模擬訓(xùn)練和綜合演練能暴露出應(yīng)急救援體系、作業(yè)流程和實際指揮作業(yè)等過程中所存在的問題，通過模擬訓(xùn)練來發(fā)現(xiàn)和解決水下應(yīng)急救援作業(yè)中所存在的問題，進而進行流程和制度上的改進和優(yōu)化。

水下應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計需求包括救援任務(wù)可拆解，信息接口擴展靈活，數(shù)據(jù)傳輸帶寬大，接入設(shè)備同步性強，以及系統(tǒng)安全性高。

1.2.1 救援任務(wù)可拆解

救援任務(wù)是指救援力量在救援中所要達到的目標(biāo)及承擔(dān)的責(zé)任。關(guān)于救援任務(wù)的行動方案就是一個目標(biāo)任務(wù)集，任務(wù)由目標(biāo)觸發(fā)，并可以進一步分解為更小的任務(wù)，這些更小的任務(wù)對應(yīng)于更低層次的目標(biāo)，救援作業(yè)實體間通過協(xié)作實現(xiàn)救援目標(biāo)從而完成救援任務(wù)。救援作業(yè)實體之間的交互過程構(gòu)成了實現(xiàn)救援目標(biāo)的救援情景。

1.2.2 信息接口擴展靈活

各類導(dǎo)航傳感器、機艙信息傳輸設(shè)備、水聲通信、探測設(shè)備、報警設(shè)備產(chǎn)生的信息由信息接口進行采集后，通過高速局域網(wǎng)絡(luò)，提供給各信息顯示與模擬訓(xùn)練操縱臺，模擬訓(xùn)練操縱臺對各種探測設(shè)備和救援船舶進行操縱，從而形成一套完整、統(tǒng)一的操縱控制環(huán)境，使救援指揮人員在視野無阻的中心工作位置方便地獲得船舶、環(huán)境、氣象及電子海圖等信息。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸帶寬大

傳感器模擬器模擬多類傳感器信息，內(nèi)容豐富、傳輸數(shù)據(jù)量大，占用帶寬較多；聲吶模擬器模擬聲吶水聽器生成的原始回波信號，并要將其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給聲吶設(shè)備，傳輸數(shù)據(jù)量大，占用帶寬較多。

1.2.4 接入設(shè)備同步性強

多臺視景通道計算機生成3D視頻圖像，需要各路通道輸入數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性強，才能保障整體視頻圖像的同步，所需帶寬傳輸速率高。

1.2.5 系統(tǒng)安全性高

仿真中心是為了可視化模擬多種類型大型水面船舶在海上的航行、事故及救援作業(yè)，對海上事故救援系統(tǒng)進行工程論證，對救援作業(yè)進行模擬訓(xùn)練，整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)所傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)具有較強的保密性，對接入網(wǎng)絡(luò)各設(shè)備應(yīng)有實時監(jiān)控，對異常情況應(yīng)有相應(yīng)的措施進行及時處理。

2 水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計

水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)頂層設(shè)計主要包括水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組成，系統(tǒng)各個組件的功能設(shè)計以及應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)、交互設(shè)計。

2.1 系統(tǒng)的組成

整個水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)[7]由模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺、船舶（失事船舶和救援船舶）系統(tǒng)和視景系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示。

圖1 平臺系統(tǒng)構(gòu)成Fig. 1 Platform system composition

模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺控制著本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的正常運行，通過圖形、對話框、菜單等簡便的操作，為操作人員提供友好的操作界面。船舶系統(tǒng)包括失事船舶和救援船舶兩部分，可實現(xiàn)同組協(xié)同對抗救援訓(xùn)練，也可以分組進行不同的練習(xí)，兩類船舶之間設(shè)計由網(wǎng)絡(luò)連接。視景系統(tǒng)采用柱面大屏幕五通道180°視角無縫拼接投影系統(tǒng)，可實現(xiàn)重建海上各種海況環(huán)境，如圖2所示。

圖2 應(yīng)急救援陸上模擬訓(xùn)練實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of land simulation training experiment system for emergency rescue

2.2 系統(tǒng)各組件功能設(shè)計

1）通過180°（或360°）的仿真視景演示，將數(shù)字化的港口及相關(guān)設(shè)施動態(tài)、逼真地展現(xiàn)在操作人員面前；

2）為救援作業(yè)提供高度逼真的救援作業(yè)體驗，同時也可結(jié)合實物進行實物訓(xùn)練；

3）為復(fù)雜船舶模型提供有效的救援模擬訓(xùn)練；

4）生成圖像聲吶原始信號模擬源，通過聲吶定位救援目標(biāo)，同時也便于自研聲吶系統(tǒng)的開發(fā)和功能指標(biāo)驗證；

5）發(fā)送應(yīng)急救援所需的導(dǎo)航信息、環(huán)境信息、氣象信息；

6）提供各種船舶操縱設(shè)備、告警設(shè)備的操作；

7）支撐應(yīng)急救援系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的仿真測試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

2.3 應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)

模擬訓(xùn)練作為應(yīng)急救援的的數(shù)字化表現(xiàn)，具備對船舶建模、管理、演進的能力，是實現(xiàn)應(yīng)急救援遠程支持的重要技術(shù)手段。重點研究模擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)、交互關(guān)系、運行模式等設(shè)計與分析驗證技術(shù)。設(shè)計開放性好、兼容性強的服務(wù)架構(gòu)，兼顧與云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)的有機融合，為應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 3 System structure of simulation training experiment for emergency rescue

3 水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 船舶數(shù)字建模及實現(xiàn)技術(shù)

通過研究船舶實體和三維數(shù)字模型之間高通量數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、可視化增強交互、系統(tǒng)狀態(tài)推演與測試等關(guān)鍵技術(shù)，解決船舶模型描述模糊、狀態(tài)和運維管控數(shù)字化程度低、缺乏有效的船舶全生命周期數(shù)據(jù)支持等問題。同時構(gòu)建模擬仿真系統(tǒng)，研究典型救援設(shè)備及系統(tǒng)、船體結(jié)構(gòu)的實時健康狀態(tài)及船舶航行操縱性能趨勢，為實現(xiàn)以應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練為目標(biāo)的性能評估、故障預(yù)測、遠程操控等奠定基礎(chǔ)。

3.2 數(shù)據(jù)庫建設(shè)及管理軟件開發(fā)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫包括基于海洋圖形統(tǒng)計學(xué)原理生成的海面和海浪數(shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)庫管理軟件可通過通信接口模塊連接仿真系統(tǒng)局域網(wǎng)，與船舶運動仿真工作站、任務(wù)工況編輯工作站和虛擬航海模擬視景顯示系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互?？蓪邮盏降娜蝿?wù)工況初始設(shè)置信息和船舶運動姿態(tài)信息，管理數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)，將航姿信息關(guān)聯(lián)船舶數(shù)據(jù)庫所選船模，通過集成處理后，將實時更新的仿真模型相關(guān)集成數(shù)據(jù)傳送給虛擬航海模擬視景顯示系統(tǒng)的視景通道生成裝置。

數(shù)據(jù)庫管理軟件接收的輸入數(shù)據(jù)主要包括船舶運動仿真系統(tǒng)的船舶運動姿態(tài)信息以及訓(xùn)練任務(wù)工況初始設(shè)置信息。

數(shù)據(jù)庫管理軟件的輸出數(shù)據(jù)主要包括集成處理后的仿真模型集成信息。

3.3 綜合環(huán)境信息與應(yīng)用數(shù)據(jù)集成技術(shù)

水上搜救業(yè)務(wù)流程涉及環(huán)境、作業(yè)裝備、失事船舶狀態(tài)等大量異構(gòu)信息數(shù)據(jù)，為了進行模擬訓(xùn)練，需要對所有異構(gòu)信息數(shù)據(jù)進行同化和集成，構(gòu)建遇險接警、評估、決策、搜救執(zhí)行等全業(yè)務(wù)信息鏈，為搜救作業(yè)模擬訓(xùn)練的決策控制支持提供數(shù)據(jù)信息輸入。

數(shù)據(jù)信息包括：海況、氣象數(shù)據(jù)、地圖、地形相關(guān)數(shù)據(jù)、AIS/VTS/GPS等位置數(shù)據(jù)、有關(guān)探測、實測數(shù)據(jù)、本項目涉及設(shè)備功能數(shù)據(jù)信息輸入、浮標(biāo)、模擬假體、失事船舶狀態(tài)以及其他海上監(jiān)測設(shè)備涉及的功能數(shù)據(jù)等。

異構(gòu)數(shù)據(jù)信息的同化與集成應(yīng)用是模擬訓(xùn)練控制支持系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)輸入之一，也是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)真正能發(fā)揮作用的前提保障。該部分沒有特定專項技術(shù)層面的要求，主要是大量功能性數(shù)據(jù)的同化和集成，但對不同要求的系統(tǒng)，必須結(jié)合各類型數(shù)據(jù)的實際需求，進行整合、同化和集成。

3.4 應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)狀態(tài)推演及優(yōu)化算法

應(yīng)急訓(xùn)練模擬系統(tǒng)可以對自身的各種能力實現(xiàn)迭代和優(yōu)化，可隨時復(fù)現(xiàn)船舶系統(tǒng)任一時刻的狀態(tài)，并可根據(jù)認知機理和規(guī)則推演或仿真未來時刻的“假設(shè)”場景，并預(yù)判其狀態(tài)。重點研究通過建模、數(shù)據(jù)采集、處理計算等方式將實體或邏輯對象在數(shù)字空間實現(xiàn)全生命周期的動態(tài)復(fù)制，通過豐富的歷史和實時數(shù)據(jù)，利用先進算法模型實現(xiàn)對實體或邏輯對象實現(xiàn)數(shù)字化表征，進而達到對船舶運行狀態(tài)深入認知、正確推理和精準(zhǔn)操作，實現(xiàn)故障預(yù)測、健康管控、安全運維、事故救援等功能，提升模擬訓(xùn)練系統(tǒng)智能化水平。

4 水下應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練子系統(tǒng)

水下應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)為復(fù)雜水域事故現(xiàn)場環(huán)境態(tài)勢快速探測、應(yīng)急救援裝備快速展開、應(yīng)急救援作業(yè)快速開展提供技術(shù)支撐。通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合處理、三維場景復(fù)現(xiàn)這一系列過程，將水域環(huán)境、目標(biāo)信息、作業(yè)方案、救援進展等內(nèi)容完整而又簡明地呈現(xiàn)在參與訓(xùn)練者和訓(xùn)練控制決策者面前，并且更加直觀。

針對船舶翻扣救助、渾濁水域ROV輔助作業(yè)、水下狹窄空間探摸等典型場景模擬訓(xùn)練的需求，完成典型場景的再現(xiàn)重構(gòu)，實現(xiàn)水上應(yīng)急救援人員對應(yīng)急場景的模擬訓(xùn)練。

4.1 翻扣船舶模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

翻扣船舶人員救助有一定的特殊性。一旦船舶發(fā)生翻扣事故，不僅隨時有傾覆沉沒的危險，同時艙內(nèi)的空氣逐漸減少，密封艙室處在極度黑暗之中，遇險人員承受著巨大的心理壓力。由于船舶處于翻扣狀態(tài)，遇險人員只能躲藏在最低的艙室，而船底部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，給潛水救助或開洞救人帶來較大難度。因此必須有較為完備的應(yīng)急預(yù)案，盡可能詳細地了解遇險船舶信息，如船舶結(jié)構(gòu)、人員情況、水文信息等。

系統(tǒng)地采取防傾覆措施，究其根本離不開安全科學(xué)的“人、機、環(huán)境、控制（管理）”四大要素，對每個要素采取本質(zhì)化的安全措施，按計劃進行經(jīng)常持久、形式多樣、內(nèi)容豐富且有重點的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，能有效提高船員職業(yè)素質(zhì)，規(guī)范船員操作，消除不安全行為，有效地預(yù)防和減少傾覆事故的發(fā)生。應(yīng)急模擬訓(xùn)練系統(tǒng)使船員能綜合運用有關(guān)知識和技能，熟悉群體配合，防止意外發(fā)生。模擬訓(xùn)練是減少傾覆事故發(fā)生的主要手段和措施。

根據(jù)翻扣船舶信息模擬功能的需要，配備傳感器集成模擬設(shè)備、船舶裝置模擬臺、船舶狀態(tài)模擬裝置和船舶安全作業(yè)（固定和打孔）裝置模擬器，在船舶運動模擬與模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺的控制下，將翻扣船舶形成的反向（鏡向）信息實時反饋給船舶運動模擬與規(guī)劃臺，實時提供水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)所需的主要運行信息，訓(xùn)練主要解決模擬環(huán)境與現(xiàn)實環(huán)境的一致性表示及救援人員對反向環(huán)境條件的適應(yīng)性問題。

4.2 濁水域ROV輔助作業(yè)及其配套訓(xùn)練系統(tǒng)

水下遙控?zé)o人潛水器（ROV）[8]用于水下輔助作業(yè)，主要有以下典型場景：1）輔助搜索探測的作業(yè)場景；2）輔助物品夾持傳遞的作業(yè)場景；3）輔助潛水員作業(yè)的作業(yè)場景；4）輔助作業(yè)工具使用的作業(yè)場景。

根據(jù)濁水域（ROV）輔助作業(yè)及其配套模擬訓(xùn)練功能的需要，采用模塊化設(shè)計[9]，配備傳感器集成模擬設(shè)備、救援作業(yè)模擬臺、ROV水下狀態(tài)模擬裝置和ROV安全裝置模擬器，它們在ROV運動模擬與模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺的控制下工作，又將ROV所攜帶的水下圖像聲吶探測到的信息實時反饋給模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺，使得ROV操作員能實時掌握ROV的主要運行信息，模擬訓(xùn)練主要解決水下空間布局的感知和可視化技術(shù)問題。

ROV模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由水面部分、水下部分組成。水面部分包括供電系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、電纜及纜車等組成，水下部分主要由機器人主體、輔助設(shè)備、作業(yè)工具等組成。

4.3 水下狹窄空間探摸及其配套訓(xùn)練系統(tǒng)研究

水下人工救援作業(yè)包括3個流程：

1）潛水作業(yè)前準(zhǔn)備包括人員的配置及組織安排、設(shè)備的配置及規(guī)格數(shù)量、詳細了解作業(yè)水區(qū)的基本情況（如水深、水流、風(fēng)浪、橋梁水下結(jié)構(gòu)等概況）、詳細了解作業(yè)內(nèi)容及技術(shù)要求。

2）作業(yè)實施過程包括潛水員著裝潛水服準(zhǔn)備、照料員幫助潛水員穿戴水下裝具、潛水員入水檢查氣密、攜帶圖像采集系統(tǒng)下潛、發(fā)現(xiàn)救援對象后實施救援、上升出水前通知水面人員、照料員接到出水信號后緩慢收回潛水繩，直到潛水員出水、照料員幫助潛水員卸裝。

3）對整個水下作業(yè)期間可能遇到的突發(fā)情況完善預(yù)案。根據(jù)水下狹窄空間探摸及其模擬訓(xùn)練功能的需要，配備傳感器集成模擬設(shè)備、機艙狀態(tài)模擬裝置和船舶安全裝置模擬器，使其在船舶運動模擬與模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺的控制下工作，又將潛水員在狹小空間利用所攜帶的水下圖像聲吶等設(shè)備探測到的信息實時反饋給模擬訓(xùn)練規(guī)劃臺，使得潛水員能體驗并掌握狹小空間救援和探測關(guān)鍵技術(shù)，模擬訓(xùn)練主要解決在狹小空間及特定水文環(huán)境下人機混合任務(wù)組織模式的優(yōu)化技術(shù)問題。

5 結(jié) 語

本文通過對水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成與架構(gòu)、系統(tǒng)各個組件的功能設(shè)計、系統(tǒng)組件間交互等水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)頂層設(shè)計內(nèi)容的研究，完成對船舶數(shù)字建模、數(shù)據(jù)庫建設(shè)、環(huán)境信息與應(yīng)用數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)狀態(tài)推演及優(yōu)化算法等關(guān)鍵技術(shù)的研究，并對水下應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練典型場景進行開發(fā)，實現(xiàn)水上應(yīng)急救援人員對應(yīng)急場景的模擬訓(xùn)練，完成對整個水上應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)工作。

后續(xù)應(yīng)強化相關(guān)核心技術(shù)的研究，突破重點救援作業(yè)模擬訓(xùn)練所需關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，結(jié)合人工智能等技術(shù)設(shè)計更具兼容擴展性的系統(tǒng)架構(gòu)，以應(yīng)急救援模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的支持控制為目標(biāo)，構(gòu)建具備自主學(xué)習(xí)和進化能力的遠程支持控制中心。