新型船用救生设备定位装置的电量分配优化分析

陈启祥，姚 笛

新型船用救生设备定位装置的电量分配优化分析

陈启祥，姚 笛

（湖北工业大学工业设计学院，湖北武汉430068）

船用救生设备是为了对落水人员实施救助，或是船舶遇到危险时撤离船上人员所设置的重要保障性专用设备。为提高对遇险人员的救援效率，人们对救生设备的定位方法和装置进行了大量改进，如研制自亮浮灯、自放烟雾救生圈等。在此基础上提出一种新型船用救生设备的定位装置，并重点探讨该装置的功能设计及在确保最大续航能力条件下各功能电量匹配及优化。

定位装置；递阶层次结构模型；电量分配；功能优化

船舶救生设备是为救助落水人员，或当船舶遇险时撤离乘员而在船上设置的专用设备及其附件的总称，主要包括救生载具、个人生命维持设备、视觉信号、救生抛绳器、通讯器材、降落装置等。《国际海上人命安全公约》对其配备数量和位置有明确要求，船舶需按人数每人配备一件救生衣，客船还应附加配备船上总人数5%的救生衣；需按照船舶种类和船体长度配置足量的救生圈；所有海船都需常备供救生艇用的手提无线电台，该电台应能手摇供电且一定高度落水不损并能浮于水面，质量不得超过23 kg。船舶救生设备可以在人员遇险时有效保障遇险人员即时生存率，并提供一定程度的联络求救能力，但对提高遇险人员的后续救援效率帮助有限。为了有效减短对遇险人员的搜救时间，救生设备对待救人员的定位具有重要的意义。现有对救生设备定位装置的相关研究主要集中在救生设备的遇水自动触发和对落水位置自动定位等方面，而对遇险人员所配备的救生设备上附加准确的电子定位涉猎并不多，多是利用视觉信号（如自亮浮灯、烟雾等）或遇险人员通过无线电台汇报大致位置等方式来定位。本文提出一种新型船用救生设备的定位装置，在设计其需具备功能的同时，探讨该装置在确保最大电源续航力条件下的各功能电量匹配及优化，提高该定位装置的续航时间和可靠性，为搜救人员迅速准确寻找到遇险人员提供有效援助。

1 救生设备定位装置设计概要

近几年可穿戴设备的技术逐渐发展，在船用救生设备上配备一块小的定位装置可以极大增加遇险人员的获救几率，如当落水者被海水冲到一个峭壁围绕的比较隐蔽的环境时，所释放的浮灯或者烟雾很难被搜救人员发现，但一个电子定位装置可以将遇险人员的准确位置信息告知搜救队遇险人员。这种电子定位装置需具备多样化的功能，并能有效应对复杂的海上环境。定位装置需具备防水、定位、发信、照明等功能［1］，在白天、黑夜、孤岛、环山等各种环境下仍能发挥有限作用。

1.1 用途与功能实现

新型船用救生定位装置的设计目的是为了准确提供遇险人员的定位信息，增加落水人员的生存几率，因此需要具备发送求救信号、精准定位以及重要信息获取等基本功能。

发送求救信号是遇险人员最重要的寻求援助的方法之一。国际通用的呼救信号有三种，分别为SOS、CQD和Mayday，其中SOS求救信号最为普及，可通过电波电报以及电话的方式发出。

精确定位是遇险人员获知自己所在位置的重要功能，除了能让遇险人员明白自己离岸边的距离和据此来判断合理的行为方式（自救或等待救援），更能提高搜救效率。准确的定位信息能帮助搜救人员迅速赶往海难地点，在最短的时间内完成搜救行动。实验数据显示，穿着常服且保持静止状态的一般人员，在海水中的存活时间和海水温度有关，超过20℃的海水中，可能存活24h；在15～20℃的海水中，存活时间少于12h；10～15℃，少于6h；2～10℃，少于3h；而在0℃以下的情况下，10多min就可能导致死亡［2］。事实上，由于低温导致的肢体麻木以及恐惧导致的盲目挣扎，多数受难者会早于上述时间死亡。可以看出，搜救行动是在和时间赛跑，能够早一点到达海难现场，就能救出更多的受难者。精确定位主要依靠GPS定位和电子罗盘等方式，其中GPS通过卫星定位和GPRS辅助定位可以快速且精确实现精密定位，包括获取所在地点的经纬度等信息；而电子罗盘采用地磁场的工作原理，环境适应性较好，当GPS信号受地形环境影响无法工作时，电子罗盘可以指明方向［3］。定位装置通过内置地图信息结合精确定位把受难者位置信息显示在屏幕上，使受难者获知自己的定位信息，以便制定自救计划或将位置信息发送给救援力量。

重要信息获取是指通过该定位装置，遇险人员获取到包括所处位置、求救反馈和环境信息等。在很多案例中，遇难者都是由于恐慌、孤独和绝望导致的无理智行为而遇难，甚至有遇难者距离救援队只有不到1km的距离，却因为精神崩溃而没能获救。能够照明、能够接收救援信号、能够联络附近电波设备、能够得知自己所在地点具体经纬度可以使遇险人员情绪得到安抚，并在一定范围内规划自己的行动，从而提升获救几率。

1.2 外观设计及尺寸

该救生设备定位装置是一种装配在船用救生设备上的小型电子设备，可以分为无显示屏版和触屏版两种。无显示屏版定位装置主要有发送SOS信号、一键拨打救援电话、照明、指明方向等功能，通过装置侧面的按钮来激活各功能，通过正面的信号灯颜色变化提示各功能的开启情况，通过表面的罗盘来指明方向。虽然无显示屏版定位装置在电源续航和防水抗摔等可靠性方面比触屏版强，但因其功能比触屏版要少，操作性也不如触屏版。

触屏版定位装置是配备了电阻触摸屏的定位装置，和无显示屏版相比，触屏版的功能更加全面，人机交互性更好。其主要具备SOS电波求救、求救电话、求救信息、GPS地图定位、照明等功能。触屏版定位装置能够通过GPS卫星定位、GPRS辅助定位的方式得到精确的遇险人员的经纬度数值和地图信息，并将这些信息发送给救援机构遇险人员。

以救生圈上的定位装置为例，根据救生圈GB 4302—2007B，救生圈外径应不大于800mm，内径应不小于400mm，因此该定位装置对角线长度应不大于100mm，若装置配备屏幕，屏幕应不大于10 cm（图1）。

图1 救生圈定位装置示意图

1.3 电源续航力与规格

由于船用救生设备的尺寸所限，救生设备定位装置的体积难免较小，只能配备小容量的锂电池，而一旦电池电量耗尽，定位装置的各种功能就无法实现。因此有限的电量资源须合理分配到重要功能上，通过关闭次要功能来增加定位装置的续航。

目前锂电池主要应用于消费电子类产品，通过不断增加活性物质在电池中的占比来实现电池能量密度的提升。高功率密度动力电池目前单体电芯的能量密度在120～250Wh／kg，实际应用时电池组的能量密度可以达到80－200Wh／kg，在所有储能体系中是最高的。由于在有限的电池空间填入更多的活性储能物质从技术层面已达到瓶颈，现在已很难再有突破［4］。代表世界先进技术的苹果公司的Apple Watch使用3.8V，0.78锂电子电池，容量为205mA，理论续航时间为18h，此数值应该为实验室待机使用时间，实际使用时间应该不超过15h。故应当首先分析哪个功能因素对于遇险人员来说最为必需，然后根据当前锂电池发展现状，研究如何把有限的电量合理分配到各个功能，并且在低电量的情况下保留哪些功能，确保主要设备或主要功能以更长时间发挥作用。

2 基于AHP的各功能电量匹配及优化评价体系

2.1 功能及优化原则

救生设备定位装置的功能可细分为电子罗盘、GPS（GPRS）定位地图、发送求救电波、求救电话和照明警示灯等。除了触屏版定位装置的屏幕耗电这个因素是必须首要考虑的之外，其他功能的相对重要性并不好判断，尤其是涉及各功能的电池电量配比及优化，即使是定性分析比较出各个功能的重要性也不好具体来分配电池电量，需要一定的定量分析来确定各功能的电量分配。可以通过层次分析法［6］来定量分析定位装置各功能的重要性排序和占比，再根据权重的不同来安排各功能的关闭顺序以节省电量资源。把电量资源的分配和各功能的重要性排序相映射，权重低的功能先关闭，保留权重高的功能，权重越高就保障其供电时间越长。

2.2 评价指标体系的构成

船舶定位装置的目标是增加落难人员的生存率，形成目标层A；为了这个目的，该装置必须满足具备发送求救信号、精准定位和重要信息获取的功能，构成准则层C；而这些功能可以通过电子罗盘、GPS（GPRS）定位地图、发送求救电波、求救电话、照明警示灯等方案实现，构成方案层P。

目标层A在电量分配优化中，实际对应的是电池电源资源总量。

准则层为发送求救信号、精确定位和重要信息获取，是为了实现提高遇险人员的生存率，所需要在救生装置中必备的3个用途。通过判定方案层的P5个功能分别对3个用途的影响权重，计算出对应权重和总权重来定量分析各功能电量的分配情况。其中电子罗盘功能对发送求救信号、发送求救电波对精确定位并无直接影响，因此不需要计算相应权重。据此建立递阶层次结构模型（图2）。

图2 递阶层次结构模型

3 基于AHP的各功能电量匹配及优化评价

3.1 计算参数及流程

采用九级标度法确定判断矩阵内各因素的相对重要性（表1）［6］。判断取自问卷调查和专家意见。

表1 九级标度法

3.1.1 准则层相对应目标层的判断矩阵 计算判断矩阵A的最大特征根λmax和对应的特征向量W，其中AW＝λmaxW，特征向量W为对应评价单元的权重。

引入衡量CI大小的随机一致性指标RI（表2）［7］。

判断矩阵的一致性指标

表2 随机一致性指标

判断矩阵的一致性指标CI与判断矩阵的同阶平均随机一致性指标RI之比称为随机一致性比率，用时，即判断矩阵

该判断矩阵的一致性可以接受。

根据计算结果可知求救信号、精确定位和信息获取对提高遇险人员生存率的重要性占比分别为0.637、0.258、0.105。发送求救信号是定位装置最重要的用途，精确定位也对后续救援有重要影响。因此电源电量的分配主要集中在保障持续发送求救信号和获取精确定位上，信息获取相关的功能在电量不足时可以最先关闭。

3.1.2 构建方案层相对应准则层的判断矩阵 方案层P相对应准则层C1的判断矩阵

具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵。

通过计算，电子罗盘、GPS定位、求救电波、求救电话、照明警示灯对求救信号用途的权重比分别为0、0.160、0.467、0.278、0.095.发送求救电波和拨打求救电话是实现求救信号的主要手段。

方案层P相对应准则层C2的判断矩阵

通过计算，5个功能对精确定位的重要性占比为0.236、0.559、0、0.144、0.061。由此可知GPS定位和电子罗盘是实现精确定位的主要方法。

方案层P相对应准则层C3的判断矩阵

通过计算，5个功能对获取重要信息用途的权重值分别为0.156、0.268、0.071、0.434、0.072。因而拨打求救电话是主要的获取信息手段。

通过上述判断矩阵和表格，计算得出单一准则下各方案的相对重要性，并获得权重数据。

3.2 计算结果与校核

层次总排序由高层次向低层次逐层进行。若上一层次C包含m个因素C1，C2，…，Cm，其层次总排序权值为c1，c2，…，cm，下一层次P包含n个因素P1，P2，…，Pn，则它们对于因素Cj的层级单排序权值分别为2，…，n）（表3）。即该判断矩阵具有满意的一致性。

从各因素总权重的计算结果可以看出，该定位装置最重要的功能是发送求救信号，其次是GPS地图定位功能和拨打求救电话功能。因此在定位装置的设计中，首要考虑的是满足发送求救电波和GPS地图定位功能。而该装置的电池电量分配也以供应不断发送求救电波为主，尤其是当电量不足时，可以酌情切断电子罗盘、照明灯功能，把余电都供应到发送求救信号上。

表3 计算结果与校核

4 结论

通过AHP层次分析法计算分析，可以得出在新型船用救生设备定位装置中最重要和次重要的功能，并依次对应电池资源的分配，从而利用芯片智能控制各功能模块的开关与供电，延长该装置的续航时间，增加受难者的生存几率。如图3所示，当该定位装置全功能开启时，该装置电量在10h以内就会耗尽；而在电量下降到60%时，关闭电子罗盘功能，在电量减至40%时关闭照明功能，当电量低于30%时只保留发送求救信号的功能后，电池电量至少可以维持15h以上，大大增加了该求救装置的续航时间。通过计算装置的各种功能的总权重比，可以得到不同功能重要性程度的数值排序，从而可以合理优化分配电池资源。

除了通过救生设备定位装置的功能的重要性排序来决定电池的供电优先级以外，还需要考虑不同功能的耗电速度以及相关电子元件的耗电率来决定先关闭哪种功能，如电话和GPS定位比起发送电波或电子罗盘在单位时间内的耗电量要多很多。另外，触屏版的定位装置的亮屏会消耗大量电量，屏幕的常亮亮度和时间也是保障电池续航时间时需要考虑的因素。

［1］ 佚名.可以发光的救生圈［J］.工业设计，2014（5）：55－55.

［2］ 漫步月球路.人浸泡在海里生存时间有多长［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的定位系统的设计与实现［D］.中国科学院研究生院，2006.

［4］ 李泓，郑杰允.发展下一代高能量密度动力锂电池——变革性纳米产业制造技术聚焦长续航动力锂电池项目研究进展［J］.中国科学院院刊，2016（9）：1121.

［5］ 张炳江.层次分析法及其应用案例［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［6］ 佟玫，王博.反光材料在海上救生设备上的应用［J］.中国个体防护装备，2012（6）：15－17.

［7］ 于卫红，贾传荧.海难事故的数据挖掘［J］.计算机工程，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

［责任编校：张 众］

1003－4684（2017）04－0065－05

2017－05－18

国家自然科学基金（61370224）

陈启祥（1966－），男，湖北武汉人，湖北工业大学教授，研究方向为数字媒体及交互设计

姚 笛（1989－），男，湖北武汉人，湖北工业大学硕士硕士生，研究方向为产品设计