水上应急救援装备与技术体系构建

2022-03-30赵杰超陈健金浩张英香王吉武郭建华王永杰

科学技术与工程 2022年8期

赵杰超，陈健，金浩，张英香，王吉武，郭建华，王永杰

(中国船舶集团有限公司第七一四研究所，北京 100101)

中国是一个海洋大国，海岸线超过1.8×104km，拥有渤海、黄海、东海、南海四大海域，6 500多个岛屿，海疆总面积达473×104km2，同时还有5 800超过条天然河流、900多个湖泊，以及近100 000座水库[1-5]。近年来，随着“海洋强国”等重大战略的持续推进，中国水上活动日趋频繁[6-7]，随之而来的是水上突发险情的频发。据中国海上救援中心发布的数据，平均每年中国突发水上险情1 700余次，造成超过10 000人遇险，600余人死亡，水上安全形势非常严峻，突发险情应急救援任务繁重艰巨[8]。

应急救援装备与技术是处理突发事件，实施应急救援的物质基础。在整个应急救援体系中，应急救援装备与技术是重要的支撑和保障[9-12]，美国、日本等发达国家非常重视应急救援装备与技术的研究工作，中国也不例外，在水上应急救捞领域，《救捞系统“十三五”发展规划》《国家水上交通安全监管和救助系统布局规划(2021—2035)》等文件都从加强救捞装备设施建设、救捞人才队伍建设、科技创新能力建设等方面对水上应急救助和打捞关键装备与技术的未来发展进行了布局规划。2021年发布的《国家综合立体交通网规划纲要》提出：在2035年基本建成陆海空天立体协同救助体系的宏伟目标[13]。加快水上应急救援关键装备与技术研发，对于提升中国水上突发险情的应急处置能力，促进中国经济社会高速发展都是十分必要的。

1 中外水上应急救援装备与技术研发现状

美国、英国、日本、澳大利亚、俄罗斯等国家在水上救捞领域起步较早，具备先进的水上应急救援能力，拥有数量庞大的水上应急救援装备[14-17]。如美国水上应急救助职责主要由海岸警卫队承担，拥有830艘大中小型海上搜救船艇、55架固定翼飞机、146架救助直升机；日本海上保安厅担负日本的海上执法责任，拥有366艘大中小型海上搜救船艇、26架固定翼飞机、48架救助直升机[18]。目前，中国水上专业应急救捞力量主要由交通运输部南海救助局等3家救助局、广州打捞局等3家打捞局和武汉长江航道救助打捞局等组成，拥有救助直升机20架、各型救助打捞工程船舶209艘，装备了6 000 m级深水搜寻探测装备、6 000 m级水下机器人、300 m饱和潜水系统，具备在9级海况下出动执行搜救任务和5万t级沉船整体打捞的能力，成功完成“世越号”沉船打捞工程、泰国吉普岛倾覆游船跨国救援等一系列国际救助打捞任务[19-22]。此外，交通运输部海事局、军队、社会力量等救助力量也拥有数量庞大的人命救助、消防灭火、抢险打捞等方面的水上应急救助装备与技术，中国水上应急救捞能力基本达到了国际先进水平[23-27]。

近年来，中外专家学者对水上应急救援装备与技术的未来发展进行了大量的研究，并给出了一些针对性发展建议。为应对恶劣海洋环境下的人命救助，无人船、无人机、无人艇等无人化搜救装备日益受到关注[28-30]。为弥补海上搜救视觉不佳的缺陷，视觉增强系统的开发也取得了突破[31]。为提升水上突发险情的应急处置效率，各型水上应急救援辅助决策系统相继被开发[32-35]。在顶层设计方面，刘瑞等[36]从医疗救援的角度出发，对比分析了中外救助医疗船舶装备的建设现状，提出了确立水上救援装备研发规划等5条水上救援装备研制建议。王祖温[37]对中国救助装备和打捞装备两大领域9种关键装备类型的建设现状进行了系统分析，指出了救助打捞装备领域未来发展的建议。针对交通运输部提出的构建“陆海空天”一体化水上交通安全监管和救助体系的规划布局，张杨等[38]从救助装备建设的角度出发探讨了陆海空天协同救助体系的救助装备建设目标及建设重点内容，指出未来中国在船舶能力建设、救助打捞能力建设等方面的关键装备与技术发展建议。

然而，“桑吉”轮碰撞事故、“东方之星”沉船事故、“马航MH370”水下搜寻等一些典型事故救援行动在取得巨大成效的同时也反映出中国在水上应急救援装备与技术发展方面存在的一些不容忽视的关键问题。张鹏等[39]、胡泽江[40]、段杰[41]通过对“桑吉”轮燃爆事故救援行动进行分析指出，中国救捞系统目前仅有的一艘溢油回收船难以有效应对大规模溢油事故。段雪薇[42]结合中国水上救捞能力建设实际，分析了“东方之星”轮翻沉救捞经验教训指出，中国专业水上救捞装备主要分布在沿海地区，而事发水域至长江口存在诸多跨江桥梁，导致先进的救捞装备与技术无法抵达现场，不得不使用传统落后的装备与技术。张勣翔[43]根据“东方之星”轮翻沉救援实际，指出救援装备建设不能一味追求“大而全”，要科学合理健全救援装备力量体系建议。贾大山等[44]、王雷等[14]研究表明，由于事发水域水深较深(最深处5 576 m)，在“马航MH370”搜寻过程中，真正发挥搜寻作用的深海探测装备只有“海巡01”船上携带的旁扫声呐和黑匣子搜寻仪等设备，而中国救捞系统配备的6 000 m深拖系统(包括旁扫声呐、多波束测深系统等设备)、6 000 m深水超短基线定位设备等深水搜寻设备由于操作、定位精度等原因并未得到有效利用。分析可知，由某一个或一类典型事故驱动，在特定方向恶补某一类救助装备与技术的发展方式弊端明显，这种“补丁式”发展理念虽然能够取得一定的成效，但是不能真正的从全局出发、统筹规划。

从战国时期的田忌赛马，到20世纪的海湾战争，高技术局部对抗中无不凸显着“非对称对抗”，而高技术“非对称对抗”关键在于体系建设[45]。世界各国都非常重视装备体系建设，中外学者在武器装备[46-50]、海警执法装备[51]、科考装备[52]、应急装备[53-56]等领域体系建设方面开展了大量的研究，为相关行业的快速发展提供了重要支撑。因此，开展系统化、体系化的装备与技术发展研究，是科学指出最迫切发展需求的重要途径。

虽然中国在水上应急救援装备与技术发展方面开展了一定的研究，但现有研究的核心主要聚焦在被动的填补漏洞，而关于水上应急救援装备与技术体系建设的研究却鲜有报道，无法满足现代化水上救捞队伍发展的需求。因此，开展水上应急救援装备与技术体系构建研究具有重要的科学意义和实用价值。

2 水上应急救援装备与技术体系内涵与特点

水上应急救援装备与技术体系结构是在一定装备需求、技术发展条件下，以水上应急救援发展战略为指导，根据有效完成使命任务和高技术条件下救援任务的需要，依据能力建设需求，对装备与技术体系内各种水上应急救援装备、技术及各个组成要素的关联关系，以及对支持应急救援装备与技术体系建设的各项关键技术发展原则和指南的描述。

水上应急救援装备与技术体系结构不仅是一种结构树，还是一种装备体系结构到技术层面的映射，是一种能力的体现。水上应急救援装备体系是由支持水上应急救援任务的各项装备组成；水上应急救援技术体系是支持装备体系建设过程中所涉及基础理论、基础技术、应用技术等组成的统一整体，非单项技术特征的简单重复，具有如下特点。

(1)关联性：技术体系结构与装备体系结构相互关联，技术体系对装备体系提供技术支持，而装备体系满足技术体系需求的技术指标水平。

(2)层次性：装备体系结构具有体系级、系统之系统级、系统级、平台级和单元级；同样，技术体系也可基于纵向联系分为体系层、使命层、领域层、方向层和单元层。

(3)整体性：装备体系和技术体系都是为了实现一定的体系目标而构成的有机整体，各种装备与技术相互影响、互为关联，形成一个整体结构。

(4)功能性：各项装备和技术按照一定结构组成有机整体，完成救援任务，满足救援能力需求。

3 水上应急救援装备与技术体系的构建要素

3.1 装备体系构建要素

根据水上应急救援作业活动特点，将装备体系结构层级要素分为体系级、系统之系统级、系统级、平台级和单元级5级，每个层级对应对水上应急救援装备不同结构层次的抽象，如图1(a)所示。

(1)体系级：在统一管理背景下为完成一定的协同救援任务，由功能上相互联系的各救援队伍及作业系统群，在统一指挥和联合保障下耦合而成的大系统，层级最高。

(2)系统之系统级：基于不同水上救援力量的职责使命，由能够完成不同救援任务的装备系统，按照特定救援任务组合而成的系统集群。

(3)系统级：根据不同救援能力需求和救援特

图1 水上应急救援装备与技术体系结构层级Fig.1 System structure level of maritime emergency rescue equipment and technology

性，由完成不同救援任务的装备平台，按照水上应急救援作业配合关系组成的装备系统。

(4)平台级：能够支持完成某项救援任务的救援装备与搭载工具，为完成特定救援任务组合成的装备平台。

(5)单元级：根据不同救援能力需求，能够独立完成某项救援任务的装备单元。

3.2 技术体系构建要素

通过对水上应急救援装备体系所涉及的各项关键技术进行合理归类与分层，技术体系结构要素可分为体系层、使命层、领域层、方向层和单元层5级，如图1(b)所示。

(1)体系层：在统筹部署背景下为完成特定行业的救援任务，由功能上相互联系的所有救援力量及作业系统，在统筹管控和联合保障下耦合而成的大系统。

(2)使命层：基于不同水上救援队伍的岗位职责，由能够完成不同领域救援任务的技术系统，基于救援对象差异组合而成的系统集群。

(3)能力层：根据不同救援任务需求和救援装备的用途，由支撑不同技术方向的技术群，按照水上应急救援作业配合关系组成的技术能力集群。

(4)方向层：具有不同救援能力的技术单元，为完成特定救援任务组合而成的技术方向。

(5)单元层：具有独立能力，可支撑特定救援技术方向的技术单元。

3.3 装备、技术体系构建要素的关联关系

装备与技术体系构建要素的系统融合是保障装备与技术体系内容完整、结构协调的前提与基础，对水上应急救援技术体系与装备体系内在辩证关系的探索可重点关注2个维度：一是从要素的角度，抽象出各种救援技术的本质特征，将本质特征概括成两个以上的要素，指出各种要素之间的关系，从不同的角度抽象出不同的要素结构；二是从实体的角度，分析装备与技术体系所支撑的各种装备系统，指出各种装备系统之间的层次关系。

从装备与技术体系结构分析的方法来看，技术体系的要素结构是实体结构的基础，同时也是从实体结构中综合梳理出来的；实体结构是要素结构的具体表现形式，也是综合各种要素构建的结果，如图2所示。

图2 基于“双五级”布局的水上应急救援装备与技术体系结构关联图Fig.2 System structure correlation of maritime emergency rescue equipment and technology based on “double 5 levels” layout

4 水上应急救援装备与技术体系构建理念

4.1 水上应急救援装备与技术体系构建模型

为便于从宏观上消除装备与技术体系构建过程中的逻辑错误，保障研究成果的可追溯性和可复用性，充分借鉴军事领域成熟的武器装备体系设计理论方法[57-59]，运用控制论与系统工程理论，提出了基于“双重循环”机制的水上应急救援装备与技术体系构建方法，如图3所示。

水上应急救援装备与技术体系构建过程包括输入I、约束条件R、运行条件M、构建过程G和输出O。其中，I是指体系构建的基础输入信息，主要包括应急救援现状、专家经验知识和体系构建背景。R是指限制体系核心目标实现的各类约束要素，主要涉及国家或行业出台的相关法规标准、经济条件等；M是指影响体系构建系统运行及输出结果的主要因素，包括救援人员、技术人员等；G是体系构建过程的逻辑运行模式，主要包括5大环节，“问题提出与范围界定-体系设计原则-需求分析-体系草案形成-体系草案评估”的循环迭代流程构成了体系构建的“外循环”机制，是提升体系针对性和系统性的关键程序；O是指实现体系构建目标所得出的结果，即水上应急救援装备与技术体系方案，是开展研究的目的。

需求分析(包括任务需求分析、能力需求分析、装备与技术需求分析)是体系构建的核心环节，关乎所构建体系的合理性与实用性。鉴于此，如图4所示，结合应急救援实际，提出了“以使命为牵引、以需求为导向”的需求融合分析理念，即体系建设的“内循环”机制，按照“任务需求↔能力需求↔装备需求”的逻辑线将需求从抽象到具体逐层递进，对不同类型需求逐层向上合并，或向下展开，循环迭代，继而形成同一层次上规范化的需求结构框架和指标体系。

图3 水上应急救援装备与技术体系构建技术路线图Fig.3 Technical route for maritime emergency rescue equipment and technical system construction

图4 水上应急救援装备与技术体系需求分解流程Fig.4 Requirements decomposition process of maritime emergency rescue equipment and technical system

4.2 水上应急救援装备与技术体系的结构布局

针对特定的使命任务，按照“任务需求↔能力需求↔装备需求”的循环逻辑线，首先，分析完成具体水上应急救援使命任务所需具备的救援能力需求或技术领域；其次，通过对救援能力或技术领域的细化分解映射出对应的支撑装备平台或技术方向；最后，根据装备平台特性或技术方向总结归纳出与之匹配的救援辅助装备实体单元或技术单元，按照“双5级”结构布局完成对水上应急救援装备体系和技术体系框架的构建，分别如图5、图6所示。

图5 水上应急救援装备体系框架Fig.5 Framework of maritime emergency rescue equipment system

图6 水上应急救援技术体系框架Fig.6 Framework of maritime emergency rescue technology system

5 水上应急救援装备与技术体系的构建实践

5.1 问题提出与范围界定

针对中国水上活动日趋频繁、水上突发险情频发、水上应急救援任务繁重艰巨，而水上应急救援装备与技术研发布局缺乏系统性顶层指导理论的现状，开展水上应急救援装备与技术体系构建研究。

范围界定重点考虑水上应急救援相关的地理范围和任务范围。根据水上活动特点，地理范围聚焦海洋、江河、湖泊和水库4大水域；任务范围聚焦保障人民群众的生命财产安全和生存环境健康。

5.2 需求分析

需求分析，包括任务需求分析、能力需求分析、装备与技术需求分析，是装备与技术体系构建的核心环节，需通过“内循环”机制反复迭代实现，主要流程如下。

(1)开展任务需求分析，根据交通运输部令《水上交通事故统计办法》(2014年第15号)[60]中对水上交通事故类型的划分，同时考虑水上活动过程中非交通类事故的情况，将水上常见事故划分为碰撞事故等10大类。基于对常见水上事故应急救援需要，对完成各项任务所需的救助需求类型进行系统梳理，凝练出支撑水上常见突发险情应急救援的关键救助任务需求，水上常见事故与关键救助任务需求之间的关联关系如图7所示。

图7 水上突发险情与应急救援任务需求关联关系Fig.7 Correlation between sudden danger on water and demand for emergency rescue mission

(2)开展任务与能力映射关系分析研究，基于水上常见事故与应急救援任务需求之间的关联关系，根据事故诱因和遇险对象的差异，可将应对水上10大常见事故的关键应急救援任务需求概括为人命救助、环境救助、财产救助和抢险打捞4大类，针对不同救助大类分析对应的突发险情应急救援场景，梳理各个基元任务、能力需求及其救援流程，完成了对图8所示的“4+22”式水上应急救援场景的梳理。

(3)开展能力需求、装备与技术需求的映射关系研究，基于对常见水上事故应急救援场景的分析，完成对各个场景中所需应急救援能力、装备需求、技术需求的系统梳理分析，总结能力需求、装备与技术需求二者之间的映射关系，整理汇总装备与技术列表。

(4)开展任务需求、能力需求、装备与技术需求的循环迭代分析，完善所形成的装备与技术列表。

5.3 体系方案制定

基于对水上应急救援的需求融合分析，根据人命救助等4大水上应急救援使命任务，结合应对水上突发险情所涉及的“落水人员救助能力”等16项关键救助能力，将需求融合分析得出的应急救援装备与技术进行系统梳理，按照“双5级”结构布局，完成了水上应急救援装备与技术体系结构的构建，如图9所示。

图8 水上应急救援场景框架Fig.8 Framework of maritime emergency rescue scene

N为装备编号图9 水上应急救援装备与技术体系架构图Fig.9 Architecture diagram of maritime emergency rescue equipment and technical system

根据水上突发险情应急救援需要，结合所构建的水上应急救援装备与技术体系框架，一方面，系统梳理每一种装备的名称、分类、型谱、关键性能参数、适用场景等数据，逐步细化完善水上应急救援装备体系；另一方面，根据特定水上应急救援行动用到的平台级装备与单元级装备，凝练出所需要的技术单元，通过不断梳理每个技术单元的技术要点逐步补充完善水上应急救援技术体系。

综上可知，采用基于“双重循环”机制、“双5级”结构布局的水上应急救援装备与技术体系构建方法，不但能够系统包罗救援使命任务、救援能力需求、救援装备、救援技术等水上应急救援能力建设要点，还能将使繁多复杂、涉及“陆海空天”的救援装备与技术实现多维融合，既保障了水上应急救援装备与技术体系实用性与可靠性，又有助于快速发现水上应急救援能力建设的薄弱环节，科学布局未来发展的重点方向。