海上搜救航線評估技術研究

孫源 趙英梅

摘要

隨著我國海洋事業的快速發展，海上搜救的重要性和迫切性變得越來越明顯。本文以大型水陸兩棲飛機搜索救援技術研究項目為背景，研究和設計了一種搜救航線效果評估系統，對搜索航線進行效果評估。

【關鍵詞】海上搜救 航線評估

1 引言

我國是一個海洋大國，有18000多千米的海岸線，6500多個島嶼，300萬平方公里的海疆。隨著我國海洋事業的快速發展，在海洋方面所開展的海洋調查、海洋勘探、海洋開發、海上運輸、海上生產和海洋旅游服務等生產、生活和科研活動日益頻繁，海難事故發生的頻率相對較高。當前我國的海上搜救主要以船艦為主，同時配套為數不多的直升機和極少的小型固定翼飛機。搜救區域以近海、淺海為主。搜救半徑約200海里，只能滿足我國領海內西沙群島等范圍的搜救需要。

大型水陸兩棲飛機是根據國家應急救援體系建設的整體規劃和應急救援裝備的發展現狀，結合水陸兩棲飛機的獨特優點，著重圍繞滿足森林滅火、海難救護等方面的迫切需求而研制的一種大型應急救援航空裝備。本文以工信部民用飛機專項科研項目——大型水陸兩棲飛機搜索救援技術研究（MIZ-2015-F-035）為基礎，提出一種搜救航線效果評估系統，對項目中所設計的搜索航線進行效果評估。

2 國內外發展現狀

1957年美國海岸警衛隊出版了其部門使用的第一部民用搜救手冊。以該搜救手冊為基礎，1959年美國出版了第一部國家搜救手冊并取代了1957年海岸警衛隊制訂的搜救手冊。以搜救手冊為代表的一類搜尋方法通常被稱為經典搜尋規劃方法，是搜索理論經過大量的簡化和總結提煉出來的符合當時搜救中紙筆計算需要的搜尋準則。鑒于當時技術的局限性，經典的搜救規劃方法僅適用于簡單的搜救場景，1963年后，陸續出現了一些財經典搜尋規劃方法的局部最優化修改。1999年，美國海岸警衛隊Allen等對以往不同類型搜救目標的風壓實驗數據進行了總結并通過線性回歸的方法建立8大類共63種常見搜救目標的風壓與10m風速之間的線性回歸方程。2005年，Allen將風壓沿下風方向和垂直下風方向進行分解，分別得到下風方向矢量與橫風方向矢量。

20世紀70年代起，隨著計算機技術與自動化技術的逐漸普及，人們開始著手研究計算機應用到海上搜尋規劃之中。1970年前后，第一個在計算機實現的搜尋規劃系統SARP由美國海岸警衛隊開發完成。該系統是當時改進的經典搜尋規劃方法的一個計算機化版本。隨后，加拿大、美國、英國均陸續開發了自己的搜尋規劃系統，在搜尋的成功率及可視化輸出界面上都有了明顯的提高。

我國學者從20世紀90年代末才開始海上搜尋規劃系統的研究。1998年，陳彥宏對建立海上搜救輔助決策系統的可行性進行了評估，開發了一個電腦輔助海上搜救系統。2004年，羅永宏對海上搜救智能輔助決策系統的功能、特點以及實現條件進行了闡述，從技術層面對如何實現海上搜救智能輔助決策提出了一種具體途徑和實現方法。于衛紅提出了XML構建基于多Agent的海上搜救智能決策支持系統知識庫的新方法，研究了洋面模式下根據最后已知的位置報告及風流信息，將BP神經網絡應用到救助船選優之中。

2 海上搜救航線評估系統設計

2.1 總體架構

海上搜救航線評估系統主要分為任務輸入模塊、參數預處理模塊、碰撞檢測模塊、效果評價模塊、數據管理與統計模塊。搜索效果評估軟件的總體架構如圖1所示。

2.2 工作流程

海上搜救航線評估系統的工作流程分析如下：

（1）在主界面相應接口位置輸入天氣、海況、風場、路徑、搜索資源等信息;

（2）根據用戶輸入的天氣環境及搜索資源確定掃海寬度;

（3）根據用戶輸入的海況環境確定當前海面的海況模型;

（4）根據用戶輸入的風壓環境確定當前海面的風壓模型;

（5）根據用戶輸入的飛機飛行路徑及步驟（2）中得到的掃海寬度確定掃海路徑;

（6）根據海況步驟（3）、步驟（4）得到的海況模型及風壓模型確定漂流模型;

（7）根據步驟（6）得到的漂流模型確定漂流路徑;

（8）根據步驟（5）、步驟（6）得到的掃海路徑及目標漂流路徑，使用幀檢測法檢測當前幀中掃海范圍是否覆蓋目標當前位置點，從而判斷目標是否獲救;

（9）循環執行步驟（8）直至搜救結束，可得到最終獲救人數，也即救援效果。并且可以得到總救援時間;

（10）根據最終救援效果和救援時間可以得到最終的綜合搜救效果評價;

（11）將本次的救援效果、救援時間、獲救人員位置分布、掃海路徑、目標漂流路徑等信息存儲入庫;

（12）調用歷次的救援數據，形成某階段的統計數據，并以圖形的形式顯示;

（13）根據掃海路徑、漂流路徑復現某次救援的情況。

2.3 具體設計

搜索效果評估軟件主要分為任務輸入模塊、參數預處理模塊、碰撞檢測模塊、效果評價模塊、數據管理與統計模塊。

軟件開發采用win7 64位操作系統，采用C#語言編程，開發平臺為VisualStudio 2010。搜索效果評估軟件的流程圖如圖2所示。

（1）任務輸入模塊，研究基于搜索任務的評估模型，根據搜索任務場景、搜索環境條件、搜索資源、搜索目標等模型參數，建立計算機可視化的任務環境設置和顯示界面，以進行特定任務下的搜索效果評估。

（2）參數預處理模塊，能夠分析確定模型中參數、常數系數的功能。由于海上搜索過程的復雜和不確定性，當氣象條件不同、搜索的海域不同、使用的設備方法不同都會對最終的結果產生影響。本部分是采取用戶通過界面輸入實際環境數據，應用程序經過參數的預處理模塊，判斷數據的合理性和范圍，輸出對應的模型的參數，輸出的參數用于后續效果評估模型的參數輸入。

（3）碰撞檢測模塊，碰撞檢測是一種常用的、用于檢測和處理兩運動物體相對位置關系的方法。該方法通常用于各類游戲的設計中，是一種較成熟的方法。所謂的基于幀檢測法的碰撞檢測則是將連續的碰撞過程以一定的頻率進行采樣，從而形成一系列的采樣幀，對每一幀進行檢測，判斷其是否相撞即是基于幀檢測的碰撞檢測。

（4）效果評價模塊，使用幀檢測法獲得整體救援效果的同時也可以得到整體的救援時間。所謂的整體救援效果即救援人或物的個數是否達到救援既定目標。而救援既定目標則由救援現場的指揮進行確定。例如，確定的救援既定目標為落水人員3人、落水物資2箱，而實際救援結果是營救的落水人員2人，落水物資1箱，則認為救援效果不達標，從而認為本次救援的規劃路徑不達標，需要重新規劃合適的路徑。

（5）數據管理與統計模塊，主要分為兩個部分：數據庫服務器、文件服務器。數據管理與統計模塊的功能結構如圖3所示。

效果評估結果數據的保存，可以累積搜索的模型方法，豐富模型方法的應用經歷，增加模型的使用率，確定參數的通用程度，且保存的結果方便后續的查看，為其它情況的搜索模型提供一種經驗值。

根據保存的結果數據的詳細情況，結果數據文件系統設計中除了保存任務背景、環境數據、模型參數、評估方法和評估效果的數據庫服務器之外，還需設計安全保存搜索任務完整報告的文件系統，通過數據檢索的頁面，可以查看每項搜索任務的全部報告。

3 結束語

本文結合國內外發展現狀，提出一種搜救航線效果評估系統，分別從總體架構、工作流程、系統具體設計三方面對搜救航線效果評估系統進行了研究和設計。

參考文獻

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