海上搜救与撤离模型系统设计

刘志晨，李 颖，于文博，张照亿

(大连海事大学 a.航海学院； b.环境信息研究所， 辽宁 大连 116026 )

我国是海洋大国，加强海上搜救能力建设是落实“海洋兴国”国策的重要保障。据中国海上搜救中心统计，2015—2018年，我国每年海上搜救相关单位总计接到各类遇险报警达3 000余次，每年组织搜救行动约2 000次，协调出动搜救舰船达1万艘次、搜救飞机约300架次，平均每年搜寻遇险船舶约1 800艘，其中成功搜救约1 450艘船舶，成功营救遇险人员约1.5万人，搜救成功率超过85%。然而，当前我国的海上救助能力仍与发达国家相差甚远。近几年，我国相继实施了“海上强国”战略和“一带一路”倡议，我国海上搜救中心联合大连海事大学发布了《国家海上搜救手册》等文件[1]，对海上搜救工作提出更高的要求，搜救能力不断加强。

目前，国外的海上搜救辅助决策系统平台(如SARMAP和SAROPS)[2]主要基于ArcGIS的图形化用户接口实现，系统从数据的存储与可视化、多场景搜救目标建模和搜救方案优化等方面为搜救决策提供一体化支撑。全球海上遇险呼救安全系统(Global Maritime Distress and Safety System, GMDSS)是一种海上救助装置，由海事卫星通信系统(International Maritime Satelite Organization, INMARSAT)和极轨道卫星搜救系统等无线电通信方式实现船-岸、船-船通信互联，从而辅助海上搜寻工作。国内主要拥有海上遇险报警管理系统和中国搜救信息管理系统等，能有效实现落水漂移预测，具有强大的搜救计划管理功能，为调动各类海上救助力量(包括商船、渔船等)开展救助行动提供支撑，但系统尚未建立完善的海上搜救保障体系，主要问题是该系统未能充分融合遇险目标、海域环境等多源异构数据,海上搜救情景分析模型、遇险目标搜寻与救助危险性预测等多项关键技术尚不成熟。[3-5]

在发生船舶遇险事故时，若无法及时为救援工作提供准确的搜救数据，会严重影响海上搜救行动的有效开展。MH370事件和法国航空公司的AF447事件反映的搜救工作的困难性表明:搜救信息统一整合和搜救海域危险度信息确定是保证救援成功的关键因素。[6]

地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术在海上搜救信息融合与数据分析方面具有2个重要特点：

1.GIS的分层管理技术，针对多种相关的搜救空间数据(属性数据、图形数据和空间关系数据等)采用多图层联合的方式进行存储管理，并保证数据内容与空间的逻辑一致性。

2.GIS的空间分析技术是GIS的核心功能，通过叠加、分割等挖掘并提取其潜在的信息。潘卫军等[7]、方争楠[8]、刘伟[9]和高强等[10]通过GIS技术构建数据齐全、分析功能丰富的城市救援管理平台和交通应急管理系统等。因此，本文提出基于GIS技术的海上搜救和撤离模型系统软件的设计方案，研究基于GIS的海上搜救与撤离模型系统功能实现的关键技术。该研究可为搜救决策指挥的规范化、流程化和科学化提供一定的技术保障。

1 需求分析

研发一个复杂软件通常需采用多种图形描述，因为系统拥有的功能信息和复杂度问题使系统无法全面概括，完整的系统一般从功能模块、数据库结构、系统逻辑流程和物理部署等方面描述。[11]本文设计的海上搜救与撤离模型系统基于GIS平台集成开发，可有效整合基础空间信息数据、遇险目标信息和搜救应急资源等并综合显示。构建空间信息分析模块，实现对搜救过程信息的数据挖掘与提取，为制订搜救行动的最佳解决方案提供技术支撑。海上搜救与撤离模型系统需求模块，见表1。

表1 海上搜救与撤离模型系统需求模块表

2 系统总体设计

根据系统需求分析，软件采用交互式、可视化和可扩展架构设计[12]，系统总体框架图见图1。

图1 系统总体框架

1) 通信层是以甚小口径终端(Very Small Aperture Terminal, VSAT)卫星、海事卫星和船舶自动识别系统(Automatic Identification System, AIS)等构成搜救通信链路，提供遇险船舶船位、船速、船向、船舶种类和海况等动态/静态信息。

2) 数据层以电子海图为基础地理信息，集成船舶动态数据、海洋环境数据和搜救资源数据等，实现多源搜救信息融合共享。数据层为系统所需数据，其中:船舶动态信息指船舶AIS信息(船位、船速等);海洋环境信息包含海域能见度、气温、雷暴、浪高浪向、表面流和台风信息等；搜救资源数据为救助基地位置分布和基本信息；搜救责任区指不同救援基地负责的海域范围。系统在使用这些数据之前，需对其进行解码解译、数值修正、时空对准和数据聚合等相关预处理。

3) 逻辑层是救援任务展开后系统的基本业务流程。在展开搜救时,系统根据遇险目标位置,结合漂移模型确定搜救区域，先通过海洋环境数据对海区进行适航评估，合理调配搜救力量。系统集成缓冲区分析和叠置分析(Overlay Analysis,OA)方法获得遇险目标影响范围及搜救海域救助危险度的空间布局，构建网络分析(Network Analysis,NA)成本矩阵模型，辅助选取最佳搜救路径，综合模型分析结果返回系统界面端，结合搜救案例知识库制订搜救方案。

4) 应用层是系统模块设计部分，包含搜救信息融合模块、空间信息分析模块和搜救信息发布模块等3个模块。

(1) 搜救信息融合模块用于构建搜救应急数据、电子海图和海洋环境数据等信息；

(2) 空间信息分析模块实现搜救海域的空间分析功能，包括遇险船舶影响范围分析、搜救海域危险度分析和撤离路径分析；

(3) 搜救信息发布模块主要实现海洋基础地理信息数据库和海洋环境数据库的分层管理与共享服务。

3 数据库设计

3.1 数据库模型

系统采用GIS的ArcSDE空间数据引擎服务[13]，借助ArcSDE将搜救过程中的地理数据和关系型数据统一存储在同一数据库下，使数据库既能提供搜救数据的空间特征(图形、拓扑关系)信息，又能提供对应的属性信息，形成空间数据与关系型数据的交互调用、无缝连接的数据管理方式，并增强数据的可扩展性和访问效率，以便实现在RDBMS间的操作和灵活配置，保证更高的存储效率和更优的数据完整性。

3.2 数据库结构

系统中的数据主要来自于基础地理信息数据库、海洋环境数据库、遇险船舶信息数据库、搜救应急资源数据库、搜救预案数据库等5类数据库。

1) 基础地理信息数据库包含电子海图、中国地图等基本地理数据。

2) 海洋环境数据库中的信息是基于GIS平台展示的，包括事故海区内风速、风向、能见度、气温、相对湿度、降水、浪高、浪向、表面流、台风参数(路径、强度、风圈)等。

3) 遇险船舶信息数据库中的信息包括遇险船舶AIS信息、遇险目标漂移范围信息、航行状态和事故险情级别等。

4) 搜救应急资源数据库中的信息包括救助基地分布位置和救助力量基本信息、搜救责任区范围信息、救助船舶实时位置信息和搜救设施的适航性能等。

5) 搜救预案数据库中的信息包括救援应急知识信息、专家经验和搜救历史救援案例基本信息等。

系统对这些关键数据建立逻辑模型，详细描述数据的流程和在系统中的处理过程，见图2。

图2 系统数据流程

4 系统关键技术与初步实现

4.1 数据融合模型

搜救系统通常需要大量的相关数据。搜救基础数据一般包括海洋环境数据信息、船舶动态信息搜救应急资源数据、搜救部门的数据和模型分析的结果数据等，具有典型的多源异构特征。因此，数据融合和共享是系统一大问题，有必要建立一个能集成结构化、半结构化或非结构化的数据模型。利用GIS平台自身具有的强大空间信息整合与分层管理能力，基于空间数据模型(包括arc/info、geomedia和arcview等)的数据转换技术，对相关搜救数据进行分层转换与整合，通过相应的GIS组件对不同搜救数据的空间模式和结构进行数据解译与集成，最终实现以电子海图为底层，集成海洋环境数据和海上目标矢量数据等数据的综合显示。GIS数据库下异构信息建模见图3。这种数据融合方法能满足大量空间数据的分层管理和一体化显示，同时在后期数据进一步分析处理方面保留高度可用性。

图3 GIS数据库下异构信息建模

4.2 事故影响范围分析模型

该系统采用改进的缓冲区方法计算海上事故的影响范围。以分析遇险船舶影响范围为例，将事故点的坐标位置确定为中心单元，建立半径为R的圆环(在系统中为新的图层单元)为受影响海域。由于这种缓冲区分析仅以R为固定宽度生成受影响海域缓冲区，考虑的因素单一，很难准确反映事故的真实状态。本文采用改进的缓冲区分析方法，引入事故险情等级因素参与计算，即从数学的角度将事故点看成一个空间集合，缓冲区是集合的邻域，其邻域半径R依据海洋环境动力数据和海上事故严重程度确定，事故点影响范围分析流程见图4。通过研究分析可知：海上事故点缓冲区主要受风、浪、流合力的作用，对遇险事故扩散有一定的影响，各种事故的严重程度不尽相同，其指标因素主要包括环境险情(危险品遇险),人员险情(落水、伤亡数)和船舶险情(破舱进水、船舶搁浅、船舶火灾、船舶失控、船舶倾斜和船舶失踪)等。设定各个指标对应的判别标准，在不同事故等级下为对应指标赋予不同权重P，P=1,2，…，a，设g事故的固定影响值为N(g)，则对于遇险船舶O实体对象，其缓冲区可定义为

Buffer={x|d(x,O)≤r}

(1)

(2)

图4 事故点影响范围分析流程

参阅《国际海事组织搜索与救助手册(IMOSAR Manual)》《国际海事组织商船搜救手册》《国家海上搜救手册》及相关研究，给出总体搜救行动方面的相关准则，采用漂移或扩散模型分析海上事故影响范围。该系统设计的模型相比传统方法考虑的事故影响因素更全面，模型能随着海上事故数据信息量的逐渐增加具有良好的可扩展性。针对基于多种影响因素建立影响范围模型难度较大的问题，系统采用相对简化的缓冲区分析方法,实现对遇险船舶目标影响范围的计算，降低模型的复杂程度和计算时的冗余度，在结果显示方面更加直观易读。采用的缓冲区分析方法是GIS中较为成熟可靠的方法，基于缓冲区分析提出的事故影响范围分析模型，可对分析结果的可靠性提供方法保障。

4.3 搜救海域救助危险度分析模型

OA是从多个搜救信息图层(对象)中提取隐含信息的方法。[14]在搜救海域危险度计算方面，OA根据多个救援信息图层的空间属性数据进行数学计算。

该系统应用OA方法计算海上遇险区域的搜救危险分级大小，参与叠置的数据主要包括海风数据、海浪数据和海流数据等，其中:海风可影响舵的转向，风压产生的横向力矩容易影响船体平衡；海浪容易造成甲板上浪、螺旋桨空转和船体打横;海流可影响搜寻舰船的船速、舵力和舵效等。将影响救助的主要数据要素加载至系统中，统一转换为栅格形式，对多个栅格图层属性值之间的多条件分析计算，最终获得反映搜救海域救助危险度的信息图层。叠置模型为

(3)

通过参考相关搜救手册信息和调研可知，传统海洋环境信息辅助航行系统通过整合风、浪和流等多源数据并进行可视化，生成等值线、等值面。本文所述系统中的搜救海域救助危险度分析模型首先以栅格方式存储海洋环境信息数据，通过插值计算获取整个事故海域的风浪流特征，针对救援任务的需求，在保证海洋环境信息准确性的同时，引入搜救海域事故影响范围信息，从而突出海洋环境对救援危险度的影响情况，该方法适合小范围海区救助危险度的精确计算。

4.4 撤离路径优选模型

基于NA构建撤离优选模型。网络链是航道、航线等资源或通信联络的通道；站点是搜救舰船、救助船和岸基救援基地等提供资源的救助点；障碍是有不适航海域、密集海域等特征的航线；网络链中的分割节点称为拐角点，如航线中的转向点。障碍和拐角点都有可能对网络链造成一定的阻抗，影响撤离路径的规划。海上搜救情景的空间网络元素构成示意见图5。

图5 海上搜救情景的空间网络元素构成示意

该系统集成NA计算方法，利用GIS技术中的成本矩阵分析方法选取最佳撤离路径，起到路线优化的作用。路径分析以搜救事件地点和岸基搜救中心地点为点图层，根据撤离路线数据建立网络链，确定撤离成本大小判别准则，海域内影响撤离的因素主要包括船舶适航等级、距离、航行时间和海区内船舶密集度等。建立包含撤离成本值的图层，最终基于网络链中成本的大小选取撤离路径方案优化路线。

(4)

式(4)中:Sij为网络链事故点i与救援设施点j之间的平均阻抗大小，是判断撤离路径优劣的依据；tij为航行时间成本，是在不考虑阻抗情况下该航线撤离所需时间;ρij为路径周围船舶密集度等级，船舶密度是指某一时刻单位面积内船舶数量的平均值;dij为事故点与设施点的距离大小;Oij为航行路径的适航等级，即针对海上气象水文海况条件，结合船舶类型(高速救助船舶、快速救助船舶和大功率海洋救助船)、船舶特点等因素，分析对应航线适航信息并分级表示。

参考搜救手册和相关文献，船艇救助任务完成之后的撤离处置是依靠电子海图显示与信息(Electronic Chart Display and Infornation System, ECDIS)完成撤离路线规划的。该系统中的撤离路径优选模型是基于GIS中网络分析方法进行航线优化设计的，与ECDIS中的航线设计相比，在保证航线有效性的同时，引入海域危险度信息，充分融合并考虑其他多元数据信息，实现到达救助点的最优航线设计。NA方法在研究最佳路径方面相对成熟可靠，因此基于NA提出的撤离路径优选模型能为最佳撤离路线结果的可靠性分析提供一定的方法保障。

4.5 系统的初步实现

海上搜救与撤离模型系统主要在ArcGIS平台上进行设计研发，利用嵌入式GIS组件库进行初步实现，界面见图6，其功能包括事故点信息添加、环境影响分析、撤离路径分析、搜救危险度分析和搜救责任区归属分析等。事故点信息添加功能需要搜救业务人员输入事故的相关参数信息，包括船舶险情参数和环境险情参数等，系统根据事故参数，利用第3.2节提出的缓冲区分析方法计算获取事故对周围海域环境的影响范围情况。撤离路径分析即集成NA方法选取路径，搜救海域救助危险度分析利用OA方法生成救助危险度空间布局图。系统分析结果可辅助搜救工作的高效安排。

图6 系统主界面

5 结束语

本文针对海上搜救工作分析决策中存在的不足，设计基于GIS技术的海上搜救与撤离模型系统，提出该系统的总体设计方案、数据库架构、系统关键技术和初步实现，建立海上搜救与撤离模型方案，提出基于空间数据模型的多源数据转换技术、事故影响范围分析模型和搜救海域救助危险度分析模型、撤离路径优选模型等关键技术，后期模型分析结果可为搜救业务的开展提供有力支撑，为搜救行动中解决方案的制订提供参考。