海上大数据应急救援指挥系统设计与实现

胡志强 申翔

海上应急救援是指在海上发生灾变时所进行的紧急救援行动.在人类的海洋活动中,由于各种自然的或人为的因素随时可能导致一些突发性事故,如海上钻探平台倒塌、航行船舶碰撞、搁浅、沉船,飞机坠海、海上火灾、爆炸、台风袭击、海啸、海上人质劫持、突发性人员疾病等等,古今中外,曾发生很多情况下的海上事故.1912年4月14日,“泰坦尼克号”豪华邮轮处女航遭遇海上冰山沉没,造成1520人死亡的特大事故,震惊了全世界.1967年,一艘利比亚籍油轮“托雷·卡尼翁号”装载12万吨原油从波斯湾启航前往美国米尔福港,3月18日在英吉利海峡靠近英国一侧触礁破损,导致大量原油溢漏,造成了大面积的海洋污染.1999年11月24日,我国烟台–大连航线客轮“大舜号”突然在烟台近海沉没,282人死亡,成为那年冬天最冰冷的一天.2000年8月12日,俄罗斯海军最为现代化的大型核潜艇“库尔斯克号”在巴伦支海参加俄北方舰队演习时意外失事,艇员全部遇难,各种原因至今没有准确说法.2014年3月8日凌晨,载有227名乘客、飞往北京的马航MH370航班在马来西亚与越南的雷达覆盖边界与空中交通管制失去联系,搜索至今没有最后结果.据统计,仅人员伤亡,全球每年有约10万人死于各种海难事故.已经发生的各种海上事故不但造成了惨重的人员伤亡、巨额财产损失,还污染了海洋环境,严重影响地区经济的发展和社会稳定.海上应急救援行动就是预防和控制紧急事件灾难的发生与扩大,最大限度地保护人员和财产安全,消除影响,恢复周边正常的环境.

随着大数据的发展,大数据已成为继云计算、物联网之后信息技术的重大发展.对社会发展、国家治理、企业决策,乃至人们的思维方式变革和生产生活模式产生了重大影响.目前,大数据技术已广泛应用于商业、金融、科研、交通、智慧城市、人工智能等许多领域[1].海上大数据应急救援指挥控制是在公共安全和国家海洋大数据集中和整合的基础上,通过挖掘、预测和评估相关大数据,提供安全预警、准备应急救援预案、实时实施应急救援方案,即所谓“大数据主导海上应急救援”[1−2].尽管目前全球大数据在海上应急救援领域的应用还处于探索阶段,但随着大数据技术的发展以及大数据在海上应急救援行动中的巨大优势,沿海各国,特别是海洋大国都在瞄准海上应急救援服务需求,积极开展海上大数据应急救援指挥控制研究.我国是海洋大国,也是世界航运大国.同时,我国也是国际海事组织(IMO)A类理事国,必须履行和承担相关国际义务.文献[3]在分析现有海上应急救援平台现状的基础上,提出了基于.Net和J2EE的海上应急指挥系统架构、海量异构数据融合技术和多媒体一体化集成通信技术；文献[4]具体研究了基于我国自行研制开发的“北斗”卫星导航系统的海上应急救援系统,给出了相应的海上应急救援搜救中心设计和海上遇险求救终端设计.本文基于大数据的应用,探讨基于大数据的海上应急救援指挥控制的基本概念和内容,分析大数据应急救援指挥控制模式和指挥控制信息流程、关键系统和关键技术.

1 海上大数据应急救援指挥控制的基本概念和能力需求

1.1 海上大数据应急救援指挥控制的基本概念

大数据海上应急救援即基于并采用大数据技术,以预警防范为基础,融合公共安全大数据、国家海洋大数据和国际海事信息大数据,融合各类新闻媒体和互联网上的国际政治、经济、安全等各种相关信息和数据,对海上各类人工建造物、过往船舶、飞机、海上作业平台大数据进行实时有效整合和采集,提供关联规则分析、时序分析、聚类分析、数据挖掘等大数据分析挖掘服务,为构建预测预警、方案预定、效果评估等不同层次和方面服务和指导.大数据的应用贯穿于整个海上应急救援行动的始终.其主要内容包括以下5个方面.

1.1.1 确定海上灾变及其性质

海上灾变具有突发性、迅速变化性,具有人为和自然灾害多种原因.当海上灾变发生时,一般有两种发现形式：一是现场人员通过各种求救设备(如EPIRB设备、SOS发生器等)发出信号进行求救；二是海洋监视卫星、海上巡逻船、岸基雷达、海上巡逻机、渔民等第三方发现的灾变.无论通过哪种形式,获得海上灾变信息,第一时间就要尽力确定海上灾变是否发生,发生的时间、地点,灾变的对象和灾变的性质.

海上灾变根据原因可分为人为灾难、自然灾难和混合灾难；根据损失大小和严重程度,海上灾变可分为一级灾变、二级灾难和二级以下灾难.

1.1.2 大数据预警、估计和大数据应急救援预案制定

最好的海上救援是规避和避免海上灾难的发生,这就要事先提出警示.即事先通过大数据分析进行预警.真正海难发生时,海上应急救援要及早发现、快速行动、预先准备.预先根据历史和现实情况,针对各类海上事故拟制应急救援预案.

获知海上灾变后,就要第一时间进行估计,分析事故情况、事故性质、发生地点、发生原因；第一时间形成一致的现场状况图；依据预案行动,提出救援路线、救援手段、救援装备、估计救援所需时间.

1.1.3 大数据决策

1)空间环境分析.随着高新技术的飞速发展,特别是在GPS、RS、先进传感器平台及智能系统的支持下,GIS可以实现海洋环境信息空间查询与分析、海洋环境信息敏感特征参数提取、航行路径分析、可搜救区域分析、空间距离量算、面积(体积)量算等,为数据化智能化行动决策提供支持.

2)战术和战略层次智能任务规划.根据海上灾变应急救援的特点,进行战略战术不同层次的智能任务规划,如应急救援基地规划、基础设施管理、管理区规划、联合行动救援任务规划、行动方案支持、特种救援行动支持、救援效果评估、应急准备规划、应急救援目标分析等.

3)战术层次智能化行动管理.包括应急救援模拟、救援现场监测、行动管理、区域战区规划、航行计划、导航管理与控制、救援平台规划与配置、救援行动战术原则、后勤保障规划、救援行动过程分析与效能评估等.

4)实时航路规划与救援行动信息支持.包括抵近航路、搜索航路,实时数字海图、救援行动方案优化、地形匹配与精细目标识别、航行路径优化等,并为联合应急救援提供不同层次和粒度的COP/CTP支持与多媒体专题信息服务.

1.1.4 大数据现场管理

海上应急救援行动涉及的方面、人员、物资、装备、保障、后勤等十分复杂.大数据现场管理是一个临场决策的过程,包括多方行动管理和搜救资源调配,因此,也是一个多因素动态统筹规划的过程.

1.1.5 风险规避与效果评估

海上灾变种类多样、多态,情况复杂,各种风险存在,处置不当或处置稍有不慎,就可能造成灾害扩大或造成其他意外灾害.因此,依据大数据分析,实施风险的有效管控和规避.实时评估各种应急救援方法和手段的效果.

可见,海上大数据应急救援指挥控制是在海上发生灾变时依托大数据所实施和进行的紧急救援指挥控制行动.海上灾难和海上事故范围广,往往发现难、打捞难、急救难,具有突发性、复杂性和迅速变化性.历史上,“泰坦尼克号”邮轮首航遭遇冰山沉没、俄罗斯“库尔斯克”号核潜艇突然失事都是如此.也因此,海上应急救援行动是一种对专业性、技术性要求极高的海上指挥控制行动,具有以下特点.

1)时效性

海上灾变往往发展很快,如对失事人员的搜救、对火灾、核灾的处置都需要在极短的时间内完成,需要救援力量在时限内及时赶到,快速进行处置.

2)技术性

海上搜救技术性要求很高,特别是对于核事故、水下事故的救援需要具有相应的技术装备、手段和专业技能,甚至特殊的技术技能.

3)军事性

一是必要时需要军方力量参与应急救援；二是有些应急救援本身就具有高度的军事机密性,比如核潜艇事故、海上军机事故等.

4)系统性

参加应急救援的有多种力量和专业分队,组织协调方面多；参与的各类舰船、飞机平台和设备多,需要相互配合,形成统一的整体.应急救援处置受天气海况变化、通信报知、搜索定位、航行距离等因素影响,程序复杂多变、难度大,系统性强.

1.2 海上大数据应急救援指挥控制的能力需求

海上应急救援是在海上发生灾变时所进行的紧急救援行动,需要在第一时间快速准确地获知海上灾变事故的情况,掌握地点、事故性质,要求情报准确、信息精确、目标明确、行动快速,需要做到“及时了解、快速反应、准确决策、统一调度、妥善处置、全程监控”,在黄金救援时间有针对性地采取措施和行动.海上应急救援应具备应急准备、监测分析、预测预警、反应处置、事件中止、恢复评估等能力.

1)应急准备能力

具备快速反应、快速部署、快速处置能力,包括条件保障、物资装备准备、完善法律法规,进行预案准备,平时进行实战模拟训练.

2)实时监测分析能力

实时接收、分析、检测海上活动情况、海洋状况、各类飞行器和船舶运行状况,不间断进行动态监测,实时跟踪事态、实时评估.

3)预测预警能力

根据海洋活动的特点和近期海洋情况、历史数据,对有关海域、水道和海峡进行预测评估；对有关船舶、启航飞机、海上活动进行提示和预警.

4)快速指挥与控制能力

按照有关规定,启动海上救援应急预案,迅速展开指挥与执行工作,快速而有条不紊地组织、调度人员和物资,协调国际、国内,军民各方救援力量,调配海陆空天相关资源,展开应急救援的专业处理与相关配合工作.同时,根据反馈情况,动态评估事件的发展情况,及时调整处置措施,最大限度地实施救援和恢复工作.

5)全过程评估完善能力

具有包括预先情况评估、伤害等级评估、行动过程评估、风险评估、保障条件评估、完成时间评估,以及灾害修复评估等能力.

2 海上大数据应急救援模式与应急救援指挥中心组成

2.1 海上大数据应急救援模式

海上应急救援主要的问题和难点是：1)对于遇险平台和遇险者,如何在第一时间将遇险信息准确、可靠地报告到海上应急救援中心；2)对于海上应急救援中心,如何提前预测及发现遇险情报信息并对搜救工作进行迅速而科学的决策,拿出最合适的搜救方案；3)对于搜救现场,如何快速、准确地发现和定位遇险目标和遇险者,从而第一时间施救；4)应急救援中心如何达成与搜救现场快速可靠的通信,从而实施持续准确的指挥[4].

大数据海上应急救援模式按照不同情况可分为4种：1)面向全球海洋的战略级海上大数据应急救援,它是国际性的、战略级的；2)面向固定区域海洋的战役级海上大数据应急救援,它是区域性的、战役级的,如面向南中国海的大数据海上应急救援指挥控制系统；3)面向特定平台或海面的战术级海上应急救援,如针对大型集装箱货轮、石油钻井平台的海上应急救援；4)针对某个海域或某条航道的集成式海上应急救援,如针对马六甲航道的海上应急救援.

2.2 海上大数据应急救援指挥中心组成

目前,海上应急救援指挥控制中心主要有岸基国家海上应急救援指挥中心、车载机动式应急救援指挥中心和船载机动式应急救援指挥中心.岸基国家海上应急救援指挥中心是一国海上应急救援指挥控制的主体单位,通常设置于国家负责海上应急救援行动的行政主体机构内(如海事局),组成复杂、功能全面,因而也是一国海上应急救援指挥控制的中心；车载机动式应急救援指挥中心主要部署在各岸基指挥中心的直属派出支队/分队,组成相对简单,功能相对简化,主要用于海上应急救援的前进指挥,就近协调应急救援的相关事务,如安全警戒、医疗保障、事故调查、应急保障和宣传报道等；船载机动式应急救援指挥中心部署于现场搜救指挥船舶,功能相对齐全,主要用于开展海上应急救援的直接指挥.

以岸基海上应急救援指挥中心和船载机动式应急救援指挥中心为例,大数据海上应急救援指挥中心通常由大数据情报接收处理装备、应急救援指挥作业设备、网络通信设备、多媒体通信设备,以及供电等配套设备组成[4].海上大数据应急救援指挥控制中心组成如图1所示.

海上应急救援指挥中心由大数据决策席(总指挥席)、大数据预警席(协同指挥席)、大数据接警席(态势监控席)、大数据评估席(专家咨询席)和大数据现场管理席等5个席位组成,可实时显示海洋气象环境、海上灾难现场状态、搜救装备位置,提供大数据预警、搜救方案,提供大数据决策,供各职能人员进行海上大数据应急救援预警、决策、接警、评估和现场指挥管理使用.

大数据分析处理平台由大型信息处理服务器、大数据存储服务器和社会互联网等组成,接收各类目标位置信息,存储海量大数据,接收相关社会网络信息,实时分析处理,提供相关各类信息和情报,进行险情预警、救援决策、行动规划,是整个海上大数据应急救援指挥控制系统的核心.

大数据通信网络设备包括有线、无线和卫星通信网络、路由器、防火墙等,用于有效传输和接收通过各种渠道来源的海上应急救援用大数据；音视频多媒体显示系统显示搜救现场实时状况,开展音视频电视电话会议和在线指挥.

配套设备包括供电设备、各种机柜等,为各系统设备提供用电保障和维护保障.

3 海上大数据应急救援指挥控制信息流程分析

3.1 基本想定

假定在南中国海某海域有飓风突然生成来袭,一艘正在航行的某国大型集装箱船处于风险之中,该集装箱船通过船用无线电信号(EPIRB、G4GPS、海事卫星E型终端等)发出求救信号.如图2所示,海事卫星截获信号后立即将求救信号发送给相关国岸基海上应急救援指挥中心；国家岸基海上大数据应急救援指挥中心依据大数据预测和气象水文数据分析第一时间提出预警并形成应急救援行动方案；国家岸基海上大数据应急救援中心接警后第一时间根据求救信号和预案进行大数据决策,同时协调国际、国内,军民各方救援力量,紧急调配海陆空天相关搜救平台和专业搜救装备,展开大数据海上应急救援指挥控制行动.

3.2 海上大数据应急救援指挥控制信息流程分析

海上大数据应急救援行动通过大数据搜集、大数据预测、决策和评估指挥控制整个海上应急救援行动.以战役级、区域性的大数据海上应急救援指挥控制行动为例,其海上应急救援指挥控制信息流程如图3所示.

图1 海上大数据应急救援指挥控制中心组成

图2 海上大数据应急救援指挥控制基本想定

船舶、飞机、钻井平台等通过EPIRB等标配的海上应急救援求救设备自动向外发出求救信号；海上遇险人员通过定制的个人求救终端,以及烟雾信号、信号弹、反光镜乃至衣物等方式方法主动向外发出求救信号；海上巡逻机、海巡船,以及各类社会人员发现险情及时向当地海上应急救援中心报告险情.岸基海上应急救援指挥中心24h接收AIS系统信息,实时接收海图信息、国家海洋大数据信息,获取相关海域海事信息、当地社会信息,实时进行大数据分析与预警.在获悉海洋险情时,迅速启动海上应急救援预案,进行大数据决策行动规划,包括搜救方案规划、搜救航路规划和支援保障规划,展开海上大数据应急救援行动,同时展开应急救援行动推演和效果评估.在有全球卫星导航系统的今天,在通信和定位上,岸基海上应急救援指挥中心和全球卫星导航系统相互通信,确定事发海域,定位目标位置；指示就近海域的车载/船载机动式指挥中心前往事发海域展开现场海上应急救援指挥控制行动.

4 海上大数据应急救援指挥控制关键系统与技术

4.1 海上大数据应急救援指挥控制关键系统

4.1.1 海上应急救援大数据保障系统

海上应急救援大数据是确定海上灾变发生、发展、性质和实施紧急救援的关键.包括AIS系统数据、海洋地理大数据、海洋监视卫星数据、海洋磁场声场变化数据、各类通信数据、船舶飞机等航行动力大数据、相关设备状态大数据、地震海啸资料数据、历史资料数据、GPS数据、机场港口活动数据、相关人员活动大数据、网络数据、社会大数据,等等.

图3 海上大数据应急救援指挥控制信息流程

具体来说,海上应急救援大数据保障系统提供：

1)基础海洋环境信息保障,以掌握有关海域的地理环境、地质地貌数据、气候、地震带分布、气象水文特点、海底电缆管线分布、海上人工建造物种类数量和分布等,如海水温度、盐度、密度、声速、海流、潮汐、地质、地形、透明度、水色、水深分布等,云、雾、降水、湿度、台风等,海峡水道情况,航行安全参数(海岸线、岛礁、禁区、领海、人工设施)等.

2)应用产品信息保障,包括有关的海洋水声环境信息(如声传播损失、海洋噪声与混响、声纳作用距离、海洋中尺度特征、跃层参数、会聚区参数等),水下航行深度优化参数、磁力场、重力场等,提供关键受保护目标的位置、状态和特征信息.

3)历史数据与实时信息保障,包括历史信息数据、实时环境信息、海洋空间数据、应急救援特色数据,以及网络信息实时获取、动态更新,按需实时进行网络化发布.

其中,以地理空间位置为基准的地理信息系统(GIS)可以为海上应急救援行动指挥控制提供多维、多尺度、多分辨率、多数据源、高精度的海洋基础性数据,可以为海上应急救援指挥控制行动提供精确的导航、制导与控制,可为救援决策提供精确的地理空间信息和事变态势支持.

GIS的信息和数据来源于海陆空天的各种探测、遥感系统和装置,包括天基的遥感卫星、海洋监视卫星,以及侦察卫星等；空中有人侦察飞机、无人侦察飞机,以及飞艇等搭载的光电探测雷达、高分辨率成像和遥感装置、气体气旋分析装置等；岸基的高频天波雷达、地波雷达、微波超视距雷达、激光探测雷达、光学探测与成像装置、无线电信号探测与分析装置,以及海洋气象与水文探测和分析装置等；海基的测量船、浮标、潜标、潜艇(包括UUV)、蛙人、沉底式海床基、接驳器等携载的各种物理生化传感器、光电探测器、水听器等.

4.1.2 大数据海上应急救援通信指挥控制系统

大数据海上应急救援指挥控制突出了海上应急救援指挥控制行动中的大数据分析和大数据应用,保障岸基国家海上应急救援指挥中心、车载机动式应急救援指挥中心和船载机动式应急救援指挥中心之间,以及保障与船载搜救终端、个人搜救终端、搜救船舶、搜救飞机、海事卫星之间通信指挥控制系统的可靠性、通畅性、敏捷性、灵活性是海上大数据应急救援指挥控制行动的关键.

如图2所示,建立基于卫星通信的海上大数据应急救援指挥控制网络在通信方面能对进入应急救援体系的行动实体或行动单元实时分发所需的关键数据和信息(包括救援行动实体或行动单元的位置信息、对灾变现场情势的跟踪监视信息等)用于产生实时救援态势和危险报警信息、指挥、控制及引导信息.对于二级及以上灾变事故,大数据实时信息分发系统的数据传输率应达到10Mbit/s.当用于对二级以下海、陆灾变时,信息分发系统的数据传输率要求可适当降低,并具有视频语音通信功能.

在导航定位方面,系统应为进入应急救援系统的行动实体和行动单元提供公共坐标系及相互间精确的相对位置数据.当进入救援体系的成员有两个或两个以上能准确知道自己的位置时,它便能对相对坐标系进行地理定位,以接力方式传送高准确度的地理导航定位信息.在识别方面,体系工作网内各成员之间在交换位置数据信息和识别数据信息时,完成网内成员之间的识别.

4.2 海上大数据应急救援指挥控制关键技术

大数据海上应急救援需要处理海量异构的海上大数据,广泛应用现代最新的高新技术和设备,如基于网络和云计算的大数据分析处理技术、数据中心,海事卫星、海洋监视卫星、遥感卫星、通信导航卫星、地理信息系统(GIS)等.其中涉及海上大数据应急救援指挥控制的关键技术如下.

4.2.1 海上大数据分析处理技术

海上大数据分析处理技术是海上大数据应急救援指挥控制技术的核心.大数据不同于传统的堆栈式信息处理,需要共性创造和共同分享.海上大数据处理核心是应用分布式大数据处理平台分析处理海量结构化、非结构化和半结构化的大数据,完成海上应急救援行动大数据实时分析、灾难预测、搜救行动决策和行动效果评估.在诸多大数据分析平台技术中,Hadoop是目前大数据分析平台中应用率最高的一种技术,特别是针对诸如文本、社交媒体订阅以及视频等非结构化数据处理.该技术平台基于Google公司2003年研发的Google文件系统GFS和2004年研发的MapReduce编程模型,包括分布式开源产品HDFS(Hadoop Distributed File System)和大数据集处理MapReduce架构及以其为基础建立的系列产品.如美国在位于美国加州“中国湖”的海军地球物理中心针对海上作战和海上应急救援气象环境需求,采用基于Hadoop的互联网云计算技术研究和预测全球海洋的气候和天气情况.美国海军与圣地亚哥州立大学合作,使用Google公司的InRelief.org大数据云计算平台.该平台是一种协作环境,用来在自然或人为灾难时提升国际组织、非政府组织、政府组织和军队之间的信息共享水平.海上大数据应急救援分析处理框架如图4所示.

图4 海上大数据应急救援分析处理架构

4.2.2 全球卫星定位与导航技术

海上应急救援的前提是定位海上灾难发生地,而搜救也需要实时航路规划自动导航,以最快的速度达到事发地.GPS、“北斗”卫星通信导航系统为代表的全球卫星导航系统为现代海上应急救援指挥控制行动提供了现代化的通信导航定位技术和手段.以我国自行研制的“北斗”卫星通信导航系统为例,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠导航、定位、授时服务,并具有短报文通信能力.目前其定位精度优于20m,授时精度优于100ns,可对飞机、船舶、人员等目标实现类似于GPS的无源定位、导航和跟踪功能,并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务,军用民用目的兼具.

4.2.3 实时、宽带、大容量、抗干扰多路由通信技术

由于应急救援平台、岸基指挥控制中心、移动应急指挥控制平台、海洋监测卫星、海洋通信卫星、导航卫星,空间分布,位置相距遥远,要求各个应急救援行动实体能构成“智能”共同体,展现从时间协同到空间融合有机统一的行动.这就要跨越时空及时通信,特别是在复杂的海洋环境下,需要及时分类、按需高效地分发海上应急救援所需信息和数据,并尽可能预先为下一个搜救决策提供需要的信息.实时、宽带、大容量、抗干扰多路由通信技术是提供及时的现场情势感知,进行高效集中统一指挥、精确实时的救援行动和实时的后勤保障的关键技术.针对突发事件处置的图像、应急救援预案、任务下达、处置的结果等都需要通过移动网络、卫星等传输到应急平台,并通过政务外网实现多部门共享.其通讯容量、周期时间、数据更新率、报文差错率和抗干扰能力要求较高.海上应急救援指挥控制系统依托网络系统实现有线、无线、卫星、微波等信号的接收,并通过大屏幕显示、数字会议、视频会议等系统将事件情况向指挥人员显示,完成辅助决策和命令的下达和情况上报.

在突发事件现场,海上应急救援通过移动式应急平台实现数据、语音和图像的传输.通信手段主要由CDMA、GSM 等移动网络和集群通信、无线宽带网和卫星通信来保证现场与应急平台、移动应急车之间的通信.

5 结论

海上应急救援行动涉及全球,除了相关当事国需要建立相应的海上应急救援组织体制、高效统一的指挥控制机构和应急救援平台外,还需要全社会与各有关机构和国际组织通力协作,构建全球海洋大数据应急救援的基础设施.建立和完善全球海洋大数据应急救援的法律基础、全球保障体系和运行机制,形成国际国内,国家和地方,军队、公安海警和地方指挥控制平台相互衔接和彼此联动,形成以大数据为基础、以海上应急救援大数据中心为依托、以应急救援能力为导向的知识化智能化全球海上应急救援体系机制.