新型船用救生設備定位裝置的電量分配優化分析

陳啟祥，姚 笛

新型船用救生設備定位裝置的電量分配優化分析

陳啟祥，姚 笛

（湖北工業大學工業設計學院，湖北武漢430068）

船用救生設備是為了對落水人員實施救助，或是船舶遇到危險時撤離船上人員所設置的重要保障性專用設備。為提高對遇險人員的救援效率，人們對救生設備的定位方法和裝置進行了大量改進，如研制自亮浮燈、自放煙霧救生圈等。在此基礎上提出一種新型船用救生設備的定位裝置，并重點探討該裝置的功能設計及在確保最大續航能力條件下各功能電量匹配及優化。

定位裝置；遞階層次結構模型；電量分配；功能優化

船舶救生設備是為救助落水人員，或當船舶遇險時撤離乘員而在船上設置的專用設備及其附件的總稱，主要包括救生載具、個人生命維持設備、視覺信號、救生拋繩器、通訊器材、降落裝置等。《國際海上人命安全公約》對其配備數量和位置有明確要求，船舶需按人數每人配備一件救生衣，客船還應附加配備船上總人數5%的救生衣；需按照船舶種類和船體長度配置足量的救生圈；所有海船都需常備供救生艇用的手提無線電臺，該電臺應能手搖供電且一定高度落水不損并能浮于水面，質量不得超過23 kg。船舶救生設備可以在人員遇險時有效保障遇險人員即時生存率，并提供一定程度的聯絡求救能力，但對提高遇險人員的后續救援效率幫助有限。為了有效減短對遇險人員的搜救時間，救生設備對待救人員的定位具有重要的意義。現有對救生設備定位裝置的相關研究主要集中在救生設備的遇水自動觸發和對落水位置自動定位等方面，而對遇險人員所配備的救生設備上附加準確的電子定位涉獵并不多，多是利用視覺信號（如自亮浮燈、煙霧等）或遇險人員通過無線電臺匯報大致位置等方式來定位。本文提出一種新型船用救生設備的定位裝置，在設計其需具備功能的同時，探討該裝置在確保最大電源續航力條件下的各功能電量匹配及優化，提高該定位裝置的續航時間和可靠性，為搜救人員迅速準確尋找到遇險人員提供有效援助。

1 救生設備定位裝置設計概要

近幾年可穿戴設備的技術逐漸發展，在船用救生設備上配備一塊小的定位裝置可以極大增加遇險人員的獲救幾率，如當落水者被海水沖到一個峭壁圍繞的比較隱蔽的環境時，所釋放的浮燈或者煙霧很難被搜救人員發現，但一個電子定位裝置可以將遇險人員的準確位置信息告知搜救隊遇險人員。這種電子定位裝置需具備多樣化的功能，并能有效應對復雜的海上環境。定位裝置需具備防水、定位、發信、照明等功能［1］，在白天、黑夜、孤島、環山等各種環境下仍能發揮有限作用。

1.1 用途與功能實現

新型船用救生定位裝置的設計目的是為了準確提供遇險人員的定位信息，增加落水人員的生存幾率，因此需要具備發送求救信號、精準定位以及重要信息獲取等基本功能。

發送求救信號是遇險人員最重要的尋求援助的方法之一。國際通用的呼救信號有三種，分別為SOS、CQD和Mayday，其中SOS求救信號最為普及，可通過電波電報以及電話的方式發出。

精確定位是遇險人員獲知自己所在位置的重要功能，除了能讓遇險人員明白自己離岸邊的距離和據此來判斷合理的行為方式（自救或等待救援），更能提高搜救效率。準確的定位信息能幫助搜救人員迅速趕往海難地點，在最短的時間內完成搜救行動。實驗數據顯示，穿著常服且保持靜止狀態的一般人員，在海水中的存活時間和海水溫度有關，超過20℃的海水中，可能存活24h；在15～20℃的海水中，存活時間少于12h；10～15℃，少于6h；2～10℃，少于3h；而在0℃以下的情況下，10多min就可能導致死亡［2］。事實上，由于低溫導致的肢體麻木以及恐懼導致的盲目掙扎，多數受難者會早于上述時間死亡。可以看出，搜救行動是在和時間賽跑，能夠早一點到達海難現場，就能救出更多的受難者。精確定位主要依靠GPS定位和電子羅盤等方式，其中GPS通過衛星定位和GPRS輔助定位可以快速且精確實現精密定位，包括獲取所在地點的經緯度等信息；而電子羅盤采用地磁場的工作原理，環境適應性較好，當GPS信號受地形環境影響無法工作時，電子羅盤可以指明方向［3］。定位裝置通過內置地圖信息結合精確定位把受難者位置信息顯示在屏幕上，使受難者獲知自己的定位信息，以便制定自救計劃或將位置信息發送給救援力量。

重要信息獲取是指通過該定位裝置，遇險人員獲取到包括所處位置、求救反饋和環境信息等。在很多案例中，遇難者都是由于恐慌、孤獨和絕望導致的無理智行為而遇難，甚至有遇難者距離救援隊只有不到1km的距離，卻因為精神崩潰而沒能獲救。能夠照明、能夠接收救援信號、能夠聯絡附近電波設備、能夠得知自己所在地點具體經緯度可以使遇險人員情緒得到安撫，并在一定范圍內規劃自己的行動，從而提升獲救幾率。

1.2 外觀設計及尺寸

該救生設備定位裝置是一種裝配在船用救生設備上的小型電子設備，可以分為無顯示屏版和觸屏版兩種。無顯示屏版定位裝置主要有發送SOS信號、一鍵撥打救援電話、照明、指明方向等功能，通過裝置側面的按鈕來激活各功能，通過正面的信號燈顏色變化提示各功能的開啟情況，通過表面的羅盤來指明方向。雖然無顯示屏版定位裝置在電源續航和防水抗摔等可靠性方面比觸屏版強，但因其功能比觸屏版要少，操作性也不如觸屏版。

觸屏版定位裝置是配備了電阻觸摸屏的定位裝置，和無顯示屏版相比，觸屏版的功能更加全面，人機交互性更好。其主要具備SOS電波求救、求救電話、求救信息、GPS地圖定位、照明等功能。觸屏版定位裝置能夠通過GPS衛星定位、GPRS輔助定位的方式得到精確的遇險人員的經緯度數值和地圖信息，并將這些信息發送給救援機構遇險人員。

以救生圈上的定位裝置為例，根據救生圈GB 4302—2007B，救生圈外徑應不大于800mm，內徑應不小于400mm，因此該定位裝置對角線長度應不大于100mm，若裝置配備屏幕，屏幕應不大于10 cm（圖1）。

圖1 救生圈定位裝置示意圖

1.3 電源續航力與規格

由于船用救生設備的尺寸所限，救生設備定位裝置的體積難免較小，只能配備小容量的鋰電池，而一旦電池電量耗盡，定位裝置的各種功能就無法實現。因此有限的電量資源須合理分配到重要功能上，通過關閉次要功能來增加定位裝置的續航。

目前鋰電池主要應用于消費電子類產品，通過不斷增加活性物質在電池中的占比來實現電池能量密度的提升。高功率密度動力電池目前單體電芯的能量密度在120～250Wh／kg，實際應用時電池組的能量密度可以達到80－200Wh／kg，在所有儲能體系中是最高的。由于在有限的電池空間填入更多的活性儲能物質從技術層面已達到瓶頸，現在已很難再有突破［4］。代表世界先進技術的蘋果公司的Apple Watch使用3.8V，0.78鋰電子電池，容量為205mA，理論續航時間為18h，此數值應該為實驗室待機使用時間，實際使用時間應該不超過15h。故應當首先分析哪個功能因素對于遇險人員來說最為必需，然后根據當前鋰電池發展現狀，研究如何把有限的電量合理分配到各個功能，并且在低電量的情況下保留哪些功能，確保主要設備或主要功能以更長時間發揮作用。

2 基于AHP的各功能電量匹配及優化評價體系

2.1 功能及優化原則

救生設備定位裝置的功能可細分為電子羅盤、GPS（GPRS）定位地圖、發送求救電波、求救電話和照明警示燈等。除了觸屏版定位裝置的屏幕耗電這個因素是必須首要考慮的之外，其他功能的相對重要性并不好判斷，尤其是涉及各功能的電池電量配比及優化，即使是定性分析比較出各個功能的重要性也不好具體來分配電池電量，需要一定的定量分析來確定各功能的電量分配。可以通過層次分析法［6］來定量分析定位裝置各功能的重要性排序和占比，再根據權重的不同來安排各功能的關閉順序以節省電量資源。把電量資源的分配和各功能的重要性排序相映射，權重低的功能先關閉，保留權重高的功能，權重越高就保障其供電時間越長。

2.2 評價指標體系的構成

船舶定位裝置的目標是增加落難人員的生存率，形成目標層A；為了這個目的，該裝置必須滿足具備發送求救信號、精準定位和重要信息獲取的功能，構成準則層C；而這些功能可以通過電子羅盤、GPS（GPRS）定位地圖、發送求救電波、求救電話、照明警示燈等方案實現，構成方案層P。

目標層A在電量分配優化中，實際對應的是電池電源資源總量。

準則層為發送求救信號、精確定位和重要信息獲取，是為了實現提高遇險人員的生存率，所需要在救生裝置中必備的3個用途。通過判定方案層的P5個功能分別對3個用途的影響權重，計算出對應權重和總權重來定量分析各功能電量的分配情況。其中電子羅盤功能對發送求救信號、發送求救電波對精確定位并無直接影響，因此不需要計算相應權重。據此建立遞階層次結構模型（圖2）。

圖2 遞階層次結構模型

3 基于AHP的各功能電量匹配及優化評價

3.1 計算參數及流程

采用九級標度法確定判斷矩陣內各因素的相對重要性（表1）［6］。判斷取自問卷調查和專家意見。

表1 九級標度法

3.1.1 準則層相對應目標層的判斷矩陣 計算判斷矩陣A的最大特征根λmax和對應的特征向量W，其中AW＝λmaxW，特征向量W為對應評價單元的權重。

引入衡量CI大小的隨機一致性指標RI（表2）［7］。

判斷矩陣的一致性指標

表2 隨機一致性指標

判斷矩陣的一致性指標CI與判斷矩陣的同階平均隨機一致性指標RI之比稱為隨機一致性比率，用時，即判斷矩陣

該判斷矩陣的一致性可以接受。

根據計算結果可知求救信號、精確定位和信息獲取對提高遇險人員生存率的重要性占比分別為0.637、0.258、0.105。發送求救信號是定位裝置最重要的用途，精確定位也對后續救援有重要影響。因此電源電量的分配主要集中在保障持續發送求救信號和獲取精確定位上，信息獲取相關的功能在電量不足時可以最先關閉。

3.1.2 構建方案層相對應準則層的判斷矩陣 方案層P相對應準則層C1的判斷矩陣

具有滿意的一致性，否則需要調整判斷矩陣。

通過計算，電子羅盤、GPS定位、求救電波、求救電話、照明警示燈對求救信號用途的權重比分別為0、0.160、0.467、0.278、0.095.發送求救電波和撥打求救電話是實現求救信號的主要手段。

方案層P相對應準則層C2的判斷矩陣

通過計算，5個功能對精確定位的重要性占比為0.236、0.559、0、0.144、0.061。由此可知GPS定位和電子羅盤是實現精確定位的主要方法。

方案層P相對應準則層C3的判斷矩陣

通過計算，5個功能對獲取重要信息用途的權重值分別為0.156、0.268、0.071、0.434、0.072。因而撥打求救電話是主要的獲取信息手段。

通過上述判斷矩陣和表格，計算得出單一準則下各方案的相對重要性，并獲得權重數據。

3.2 計算結果與校核

層次總排序由高層次向低層次逐層進行。若上一層次C包含m個因素C1，C2，…，Cm，其層次總排序權值為c1，c2，…，cm，下一層次P包含n個因素P1，P2，…，Pn，則它們對于因素Cj的層級單排序權值分別為2，…，n）（表3）。即該判斷矩陣具有滿意的一致性。

從各因素總權重的計算結果可以看出，該定位裝置最重要的功能是發送求救信號，其次是GPS地圖定位功能和撥打求救電話功能。因此在定位裝置的設計中，首要考慮的是滿足發送求救電波和GPS地圖定位功能。而該裝置的電池電量分配也以供應不斷發送求救電波為主，尤其是當電量不足時，可以酌情切斷電子羅盤、照明燈功能，把余電都供應到發送求救信號上。

表3 計算結果與校核

4 結論

通過AHP層次分析法計算分析，可以得出在新型船用救生設備定位裝置中最重要和次重要的功能，并依次對應電池資源的分配，從而利用芯片智能控制各功能模塊的開關與供電，延長該裝置的續航時間，增加受難者的生存幾率。如圖3所示，當該定位裝置全功能開啟時，該裝置電量在10h以內就會耗盡；而在電量下降到60%時，關閉電子羅盤功能，在電量減至40%時關閉照明功能，當電量低于30%時只保留發送求救信號的功能后，電池電量至少可以維持15h以上，大大增加了該求救裝置的續航時間。通過計算裝置的各種功能的總權重比，可以得到不同功能重要性程度的數值排序，從而可以合理優化分配電池資源。

除了通過救生設備定位裝置的功能的重要性排序來決定電池的供電優先級以外，還需要考慮不同功能的耗電速度以及相關電子元件的耗電率來決定先關閉哪種功能，如電話和GPS定位比起發送電波或電子羅盤在單位時間內的耗電量要多很多。另外，觸屏版的定位裝置的亮屏會消耗大量電量，屏幕的常亮亮度和時間也是保障電池續航時間時需要考慮的因素。

［1］ 佚名.可以發光的救生圈［J］.工業設計，2014（5）：55－55.

［2］ 漫步月球路.人浸泡在海里生存時間有多長［EB／OL］.（2014－04－23）http：／／www.360doc.com／content／14／0423／09／3872310＿371321087.shtml.

［3］ 姜西瑞.基于GPS和GSM／GPRS的定位系統的設計與實現［D］.中國科學院研究生院，2006.

［4］ 李泓，鄭杰允.發展下一代高能量密度動力鋰電池——變革性納米產業制造技術聚焦長續航動力鋰電池項目研究進展［J］.中國科學院院刊，2016（9）：1121.

［5］ 張炳江.層次分析法及其應用案例［M］.北京：電子工業出版社，2014.

［6］ 佟玫，王博.反光材料在海上救生設備上的應用［J］.中國個體防護裝備，2012（6）：15－17.

［7］ 于衛紅，賈傳熒.海難事故的數據挖掘［J］.計算機工程，2007，33（11）：34－36.

An Analysis of the Electricity Distribution Optimization of a New Positioning Device for Marine Life－saving Equipment

CHEN Qixiang，YAO Di
（School of Industrial Design，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China）

Marine life－saving equipment is an important protective equipment set on board when the ship is in danger of evacuating personnel on board or carrying out salvage.In order to improve the efficiency of follow－up rescue workers，people have done a lot of research on the life－saving equipment，positioning methods and devices，such as self－lit lights，smoke from the life buoy.On this basis，this paper attempts to propose a new type of marine life－saving device positioning device，and focuses on the functional design of the device and to ensure maximum power supply under the conditions of the functional power matching and optimization.

positioning device；hierarchical structural model；battery power distribution；functional optimization

U698.92

A

［責任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0065－05

2017－05－18

國家自然科學基金（61370224）

陳啟祥（1966－），男，湖北武漢人，湖北工業大學教授，研究方向為數字媒體及交互設計

姚 笛（1989－），男，湖北武漢人，湖北工業大學碩士碩士生，研究方向為產品設計