海上搜救组织指挥演练系统设计与实现∗

刘 伟 崔 嘉 王仲晖 赵中正 高永健

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.中国人民解放军91911部队 三亚 572000）（3.海丰通航科技有限公司 北京 100071）

1 引言

海上环境险恶，情况复杂多变，时刻威胁着遇险人员的生命。因此一旦接收到海上遇险事故报警，应迅速收集各种有利信息，快速制定合理有效的搜救计划，并以最快的速度派遣搜救力量，根据影响搜救行动因素变化，快速组织、协调、指挥整个搜救行动，达到搜救资源的合理利用，这是搜救行动成功的关键［1～2］。

提高海上遇险事故应急反应能力和救助成功率，需要进行大量的海上搜救训练，目前真实场景的海上搜救组织演练需要消耗大量的人力、物力和时间成本，搜救组织受现场因素影响较大，并且在演练过程中还存在一定的风险性［3～4］。为了保障复杂海况及突发事故条件下海上搜救演练实施，提高海上搜救资源有效利用，降低海上搜救演练成本，提升搜救人员应急救援能力，设计一套海上搜救组织指挥演练系统。系统利用虚拟仿真技术构建海上搜救场景态势，模拟海上搜救组织处置过程，包括：险情设定、险情发出、搜救方案制定、搜救方案审核、搜救演练、应急情况处置、搜救总结与评估，并根据搜救人员角色不同，设置不同的任务需求和考核评价标准，满足人员演练的实际需要。

2 海上搜救组织一般流程

海上搜救是指国家或有关部门针对海上事故做出的搜索、救援等工作。海上搜救过程一般分为五个阶段，即初始行动阶段、计划制定阶段、搜索实施阶段、救援实施阶段、任务结束阶段。

1）初始行动阶段。确认险情信息，包括遇险人员情况、遇险时间地点、海洋气象水文信息，并向所在责任区海上搜救机构报告。

2）计划制定阶段。搜救责任区人员根据相关模型判断海上遇险漂移位置［5～6］，确定搜寻区域的大小［7］、搜寻方式以及搜索救援力量，并将计划通知搜救单位。

3）搜索实施阶段。搜救单位派遣搜救队伍进入现场，按照计划实施搜索行动，并及时与搜救中心联系，汇报现场情况。

4）救援实施阶段。当发现遇险目标时，搜救人员携带相应装备对遇险目标实施救援，直到遇险目标脱离危险为止。

5）任务结束阶段。搜救任务结束后，搜救部门、人员对本次搜救任务进行总结，整理搜救任务书，并向上一级搜救中心汇报。

搜救组织是执行海上搜索与救援任务时单独成立的组织，它既是搜救活动的组织者，也是搜救活动的执行者，搜救组织的构成主要包括搜救指挥员、搜救任务协调员、现场指挥员、现场搜救员，他们的职责与层级关系如图1所示。

图1 海上搜救组织职责与层级关系

3 海上搜救组织指挥演练系统设计

3.1 系统总体框架结构

海上搜救组织指挥演练系统的体系结构设计依托于美国军方提出的TENA（试验与训练使能体系结构）结构框架［8］，它提供了一种大规模、分布式的、实时仿真环境，可以把各种资源整合起来，构建一个逼真高效的综合试验平台来模拟海上搜救组织过程，提高了搜救资源利用效率。海上搜救组织指挥演练系统总体框架共分为五个部分，分别为数据层、支撑层、业务逻辑层、仿真层和应用层，具体内容如图2所示。

图2 系统总体框架结构图

海上搜救组织指挥演练系统平台具有多种数据库资源，并采用DDS数据通信手段［9］，对数据库中资源进行实时调用、记录、存储，模拟海上搜救场景，为搜救指挥流程仿真提供数据支持，设计人机交互界面，显示搜救指挥过程，并形成系统文件安装包。系统平台以VS2017和Qt Creator作为平台开发工具，采用C/S架构，计算机操作系统为Win⁃dows7，用户首次使用时需要安装客户端，并根据自身角色，输入相应的登录口令，基于保密性考虑，管理员角色有权限更改用户信息。

3.2 数据库设置

海上搜救组织指挥演练系统采用SQLite数据库用于数据管理，SQLite数据库是世界上部署最广泛的SQL数据库［10］，独立性强、占用资源少、能够允许多个进程或线程安全访问，跨平台不需要在系统中配置，可直接使用。

系统数据来源包括三部分，一部分为已存入系统中的典型数据信息，包括用户信息、遇险目标信息、典型的风场、流场和海温场等搜救环境数据信息、搜救力量数据、仿真模型数据、历史案例数据等。这些信息方便用户登录系统，并模拟典型搜救场景，为平台执行搜救任务提供快速的服务响应。

另一部分为用户根据实际需要输入的险情信息和搜救方案信息。海上遇险事故具有突发性、紧急性和复杂性等特点，因此在进行海上险情场景设定时要考虑险情时间背景、险情类型、险情位置、险情目标、险情状态、遇险人数、人员情况等信息，这些信息都可以通过用户设定，并储存到数据库中，遇险信息设定界面如图3所示。在制定搜救方案时，需要对险情信息进行分析，考虑资源区域规划、搜救力量资源选择、搜救区域规划、搜寻方式规划以及需要携带的相关搜救装备等方面，最终形成搜救报告。

图3 遇险信息设定界面

最后一部分为系统产生的数据，包括用户操作数据、仿真模拟产生的航线航迹、搜救结果，这些数据方便使用者对整个搜救组织过程进行评估。

3.3 仿真模型建立

1）遇险目标漂移模型

相较于陆地环境来说，任何漂浮在海上的目标存在着漂移运动，漂移位置主要受两方面因素的影响，即表层水流和风压漂移［11～12］。表层水流是搜寻目标所处海域的实际水流，它是由各种水流，如海流、当地风生流、潮流、河口流、沿岸流等叠加而来，其中对表层水流影响最大的是潮流和风生流，在计算表层水流时可以通过风力大小、潮流信息获取。风压是指由于风作用于目标水上部分而导致目标对水的相对运动，包括运动速度的大小和方向，目标的形状、大小、浸没比例［13］都对风压产生影响。

在计算漂移速度时，可以由这两个因素作用的矢量叠加获得，假设Vwater为遇险区域表层水流矢量流速，Vwind为风压，即某一位置处海上遇险目标产生的矢量速度V可用下式表示：

式中，α为风对漂移目标的影响因子，具体取值根据遇险目标特性决定。

在t时刻，遇险目标相较于零点漂移的轨迹可用下式表示：

2）搜寻方式模型

海上目标搜寻需要考虑遇险环境、遇险目标类型以及探测设备性能，在制定搜救方案过程中，需要选择适当的搜寻方式，以达到最佳的搜寻效果。目前常用的搜寻方式有扇形搜索、扩展方形搜索、航迹线搜索、平行线搜索等方式，在仿真过程中，根据不同的搜寻方式设定相应模型，搜救力量沿着既定的轨道进行目标搜寻。以扩展方形搜索为例，如图4所示，O为搜寻基准点，S代表搜寻间距，搜寻行动以O点为起始点向外按照一定距离进行扩展，达到搜寻区域边界处停止搜寻。如果同一区域需要进行连续搜索时，则在搜寻起始点转向45°开始第二次搜寻。

图4 扩展方形搜索方式示意图

编程实现方式如下：

ListsquareArea（SPoint O，double R，double S）｛//O为搜寻基准点经度、纬度和方向的列表，R为搜寻区域边长，S搜寻间距

ListLineList；//航路点集合

LineList.append（O）；

int newA=O.azimuth；//基准点角度

double sLen=0；//搜寻距离

SPoint tmpPnt=0；//航路点缓存变量

While（（sLen+=S）

3）搜救能力模型

海上常用的搜救力量有船舶和飞机两种方式，以直升机搜救为例，搜救直升机的燃油量、飞行速度以及在某飞行速度下的燃油消耗率等性能指标对搜救行动至关重要，通过建立直升机搜救能力模型，根据直升机救援过程中的燃油消耗率计算直升机的飞行距离，为搜救行动的顺利开展提供数据支持。

在实际的搜救作业中，直升机可能需要悬停开展救援作业，同时直升机往返航程应保证油量充足，留有一定的剩余油量，则搜救直升机的最大飞行距离为

式中：Yzy表示搜救直升机的载油量，Ysy表示直升机的剩余余油量，Yxy表示直升机悬停救援时的燃油消耗量，Vss表示直升机搜救时的飞行速度，Yxℎ表示在对应飞行速度下的燃油消耗率。

根据上述模型，可以计算直升机的最大飞行距离，在搜救过程中，直升机已完成搜救距离与直升机返程距离之和应小于直升机最大飞行距离，系统仿真界面如图5所示。

图5 搜救过程仿真界面

3.4 搜救组织指挥流程

海上搜救组织指挥过程主要包括海上险情设定阶段、搜救方案制定阶段、搜救方案审批阶段、搜救方案执行阶段和搜救结果评估阶段，海上搜救组织指挥流程如图6所示。

图6 海上搜救组织指挥流程

导调人员负责险情设定，登录个人信息后，导调人员可以根据演练要求设定险情信息，也可以通过数据库直接导入险情案例，生成险情方案之后，并对险情信息进行发布。

搜救任务协调员要响应险情信息，并根据险情信息和目前拥有的搜救资源，完成搜救方案的制定和上报。

搜救指挥员要对搜救方案进行审批，审批通过，进行搜救方案的发布、显示和存储；审批不通过，需要搜救任务协调员重新制定搜救方案。

当现场指挥员执行搜救指令后，平台可以实时显示险情信息，动态模拟搜救过程。若搜救不成功，可以现场制定搜救方案，也可以上报任务协调员，重新制定搜寻方案，重复以上过程，直至完成搜救或资源油量耗尽搜救失败。

最后，系统根据搜救结果对整个搜救过程以及参与者进行评估，并将结果储存到数据库中，完成搜救任务书。

4 系统仿真测试分析

设置局域网络环境，搭建系统仿真试验平台，合理规划演练角色站位，利用系统平台模拟海上搜救指挥过程，场地布置如图7所示。演练人员按照角色分工，通过客户端输入用户名和密码，完成系统测试。

图7 场地布置图

导调人员、搜救任务协调员、搜救指挥员、现场指挥员按照演练方案参与海上搜救行动，测试结果如表1所示。通过仿真测试，系统运行平稳，能完成多角色间指令的发出与接收，同时随着测试次数的增加，完成搜救任务时间减少，搜救成功率增加，达到了测试预期的目的。

表1 仿真测试结果

5 结语

根据任务需求，本系统可以模拟多种海上险情发生，并通过相关模型的运用，真实再现海上搜救组织指挥过程，在仿真过程中可以将险情状况、搜救计划、救援过程、结果评估等信息储存到数据库中，方便学习与分析。本系统的研究成果为多角色协同搜救演练仿真提供了有效的解决途径，为切实提高应对海上重大突发事件的搜救处置能力积累了有利的技术经验。