海上搜救航线评估技术研究

孙源 赵英梅

摘要

随着我国海洋事业的快速发展，海上搜救的重要性和迫切性变得越来越明显。本文以大型水陆两栖飞机搜索救援技术研究项目为背景，研究和设计了一种搜救航线效果评估系统，对搜索航线进行效果评估。

【关键词】海上搜救 航线评估

1 引言

我国是一个海洋大国，有18000多千米的海岸线，6500多个岛屿，300万平方公里的海疆。随着我国海洋事业的快速发展，在海洋方面所开展的海洋调查、海洋勘探、海洋开发、海上运输、海上生产和海洋旅游服务等生产、生活和科研活动日益频繁，海难事故发生的频率相对较高。当前我国的海上搜救主要以船舰为主，同时配套为数不多的直升机和极少的小型固定翼飞机。搜救区域以近海、浅海为主。搜救半径约200海里，只能满足我国领海内西沙群岛等范围的搜救需要。

大型水陆两栖飞机是根据国家应急救援体系建设的整体规划和应急救援装备的发展现状，结合水陆两栖飞机的独特优点，着重围绕满足森林灭火、海难救护等方面的迫切需求而研制的一种大型应急救援航空装备。本文以工信部民用飞机专项科研项目——大型水陆两栖飞机搜索救援技术研究（MIZ-2015-F-035）为基础，提出一种搜救航线效果评估系统，对项目中所设计的搜索航线进行效果评估。

2 国内外发展现状

1957年美国海岸警卫队出版了其部门使用的第一部民用搜救手册。以该搜救手册为基础，1959年美国出版了第一部国家搜救手册并取代了1957年海岸警卫队制订的搜救手册。以搜救手册为代表的一类搜寻方法通常被称为经典搜寻规划方法，是搜索理论经过大量的简化和总结提炼出来的符合当时搜救中纸笔计算需要的搜寻准则。鉴于当时技术的局限性，经典的搜救规划方法仅适用于简单的搜救场景，1963年后，陆续出现了一些财经典搜寻规划方法的局部最优化修改。1999年，美国海岸警卫队Allen等对以往不同类型搜救目标的风压实验数据进行了总结并通过线性回归的方法建立8大类共63种常见搜救目标的风压与10m风速之间的线性回归方程。2005年，Allen将风压沿下风方向和垂直下风方向进行分解，分别得到下风方向矢量与横风方向矢量。

20世纪70年代起，随着计算机技术与自动化技术的逐渐普及，人们开始着手研究计算机应用到海上搜寻规划之中。1970年前后，第一个在计算机实现的搜寻规划系统SARP由美国海岸警卫队开发完成。该系统是当时改进的经典搜寻规划方法的一个计算机化版本。随后，加拿大、美国、英国均陆续开发了自己的搜寻规划系统，在搜寻的成功率及可视化输出界面上都有了明显的提高。

我国学者从20世纪90年代末才开始海上搜寻规划系统的研究。1998年，陈彦宏对建立海上搜救辅助决策系统的可行性进行了评估，开发了一个电脑辅助海上搜救系统。2004年，罗永宏对海上搜救智能辅助决策系统的功能、特点以及实现条件进行了阐述，从技术层面对如何实现海上搜救智能辅助决策提出了一种具体途径和实现方法。于卫红提出了XML构建基于多Agent的海上搜救智能决策支持系统知识库的新方法，研究了洋面模式下根据最后已知的位置报告及风流信息，将BP神经网络应用到救助船选优之中。

2 海上搜救航线评估系统设计

2.1 总体架构

海上搜救航线评估系统主要分为任务输入模块、参数预处理模块、碰撞检测模块、效果评价模块、数据管理与统计模块。搜索效果评估软件的总体架构如图1所示。

2.2 工作流程

海上搜救航线评估系统的工作流程分析如下：

（1）在主界面相应接口位置输入天气、海况、风场、路径、搜索资源等信息;

（2）根据用户输入的天气环境及搜索资源确定扫海宽度;

（3）根据用户输入的海况环境确定当前海面的海况模型;

（4）根据用户输入的风压环境确定当前海面的风压模型;

（5）根据用户输入的飞机飞行路径及步骤（2）中得到的扫海宽度确定扫海路径;

（6）根据海况步骤（3）、步骤（4）得到的海况模型及风压模型确定漂流模型;

（7）根据步骤（6）得到的漂流模型确定漂流路径;

（8）根据步骤（5）、步骤（6）得到的扫海路径及目标漂流路径，使用帧检测法检测当前帧中扫海范围是否覆盖目标当前位置点，从而判断目标是否获救;

（9）循环执行步骤（8）直至搜救结束，可得到最终获救人数，也即救援效果。并且可以得到总救援时间;

（10）根据最终救援效果和救援时间可以得到最终的综合搜救效果评价;

（11）将本次的救援效果、救援时间、获救人员位置分布、扫海路径、目标漂流路径等信息存储入库;

（12）调用历次的救援数据，形成某阶段的统计数据，并以图形的形式显示;

（13）根据扫海路径、漂流路径复现某次救援的情况。

2.3 具体设计

搜索效果评估软件主要分为任务输入模块、参数预处理模块、碰撞检测模块、效果评价模块、数据管理与统计模块。

软件开发采用win7 64位操作系统，采用C#语言编程，开发平台为VisualStudio 2010。搜索效果评估软件的流程图如图2所示。

（1）任务输入模块，研究基于搜索任务的评估模型，根据搜索任务场景、搜索环境条件、搜索资源、搜索目标等模型参数，建立计算机可视化的任务环境设置和显示界面，以进行特定任务下的搜索效果评估。

（2）参数预处理模块，能够分析确定模型中参数、常数系数的功能。由于海上搜索过程的复杂和不确定性，当气象条件不同、搜索的海域不同、使用的设备方法不同都会对最终的结果产生影响。本部分是采取用户通过界面输入实际环境数据，应用程序经过参数的预处理模块，判断数据的合理性和范围，输出对应的模型的参数，输出的参数用于后续效果评估模型的参数输入。

（3）碰撞检测模块，碰撞检测是一种常用的、用于检测和处理两运动物体相对位置关系的方法。该方法通常用于各类游戏的设计中，是一种较成熟的方法。所谓的基于帧检测法的碰撞检测则是将连续的碰撞过程以一定的频率进行采样，从而形成一系列的采样帧，对每一帧进行检测，判断其是否相撞即是基于帧检测的碰撞检测。

（4）效果评价模块，使用帧检测法获得整体救援效果的同时也可以得到整体的救援时间。所谓的整体救援效果即救援人或物的个数是否达到救援既定目标。而救援既定目标则由救援现场的指挥进行确定。例如，确定的救援既定目标为落水人员3人、落水物资2箱，而实际救援结果是营救的落水人员2人，落水物资1箱，则认为救援效果不达标，从而认为本次救援的规划路径不达标，需要重新规划合适的路径。

（5）数据管理与统计模块，主要分为两个部分：数据库服务器、文件服务器。数据管理与统计模块的功能结构如图3所示。

效果评估结果数据的保存，可以累积搜索的模型方法，丰富模型方法的应用经历，增加模型的使用率，确定参数的通用程度，且保存的结果方便后续的查看，为其它情况的搜索模型提供一种经验值。

根據保存的结果数据的详细情况，结果数据文件系统设计中除了保存任务背景、环境数据、模型参数、评估方法和评估效果的数据库服务器之外，还需设计安全保存搜索任务完整报告的文件系统，通过数据检索的页面，可以查看每项搜索任务的全部报告。

3 结束语

本文结合国内外发展现状，提出一种搜救航线效果评估系统，分别从总体架构、工作流程、系统具体设计三方面对搜救航线效果评估系统进行了研究和设计。

参考文献

[1]肖方兵.海上搜救决策支持系统关键技术的研究[D].大连海事大学（博士学位论文），2011.

[2]中国海上搜救中心.海上险情预防、避险、自救、互救知识手册[M].人民交通出版社，2008.

[3]国际海事组织/国际民用航空组织.国际航空和海上搜寻救助手册[M].中华人民共和国海事局译.人民交通出版社，2003.

[4]范希伟.海上搜救环境研究[D]（硕士学位论文）.大连海事大学，2013.