重大災害條件下的航空應(yīng)急救援效率研究

夏正洪，潘衛(wèi)軍，林瑞春，陳 通

（中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院，四川 廣漢618307）

0 引 言

5.12 汶川大地震發(fā)生后，直升機作為航空救援的主要力量在搶險救災中發(fā)揮了極為重要的作用。然而，由于災區(qū)天氣和環(huán)境的影響，參與救援的直升機只能在能見度好的3～5個小時內(nèi)開展救援工作；并且又受到升限和載重能力的限制，救援能力和效率極為低下。因此，如何提高重大災害條件下航空救援效率是一個亟待研究和突破的關(guān)鍵問題。

歐美發(fā)達國家已經(jīng)形成了符合各自國情的航空應(yīng)急救援體系，并在各自應(yīng)對自然災害和突發(fā)事件的過程中也表現(xiàn)出了很強的應(yīng)急救援能力［1］。而國內(nèi)的應(yīng)急救援研究工作還處于起步階段，主要集中在應(yīng)急指揮救援路徑的規(guī)劃［2－3］及相應(yīng)關(guān) 鍵 技 術(shù) 的 研 究［4－6］； 既 沒 有 分 析 重 大 災 害 條件下航空應(yīng)急救援工作效率低下的根本原因，也沒有給出提高應(yīng)急救援效率的方案，更沒有關(guān)于航空應(yīng)急救援指揮輔助系統(tǒng)的實現(xiàn)。

針對目前重大災害條件下航空救援效率低的現(xiàn)狀，本文提出了要建立三級中心為基礎(chǔ)的應(yīng)急救援體系，在此基礎(chǔ)上對救援指揮點和災區(qū)之間的航空器分配算法進行了研究；分析設(shè)計了關(guān)于航線和航空器飛行的相關(guān)算法，提出并實現(xiàn)了基于高精度等高線地圖的航空救援指揮輔助系統(tǒng)；基于該系統(tǒng)建立重大災害條件下的應(yīng)急救援預案對救援效率的提高有重大意義。

1 航空應(yīng)急救援體系的建立

目前，面對重大災害突發(fā)事件，我國尚不能發(fā)揮通用航空直升機快速、高效、受地理空間限制小等優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在缺乏完善的航空應(yīng)急救援機制、沒有統(tǒng)一的救援指揮中心以及正確應(yīng)對突發(fā)自然災害的應(yīng)急預案、救援的航空器基礎(chǔ)設(shè)施不完善以及救援隊伍不專一；這些因素都嚴重影響了航空救援的效率和安全性。因此，我們總結(jié)了汶川、玉樹地震應(yīng)急救援的經(jīng)驗；科學地構(gòu)建了航空應(yīng)急救援體系，提出建立專業(yè)的航空救援隊伍并快速發(fā)展通用航空 （配備和更新救援航空設(shè)備），建立與重大災害突發(fā)事件相對應(yīng)的應(yīng)急預案并定期組織演練。

航空應(yīng)急救援體系應(yīng)該堅持國務(wù)院航空應(yīng)急救援辦的領(lǐng)導核心，堅持以民航救援力量為主、軍航救援力量為輔的方針，建立以民航七大地區(qū)空管分局為主導的區(qū)域救援力量，并在各區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)置省級救援中心的三級航空應(yīng)急管理體系。其中，國務(wù)院航空應(yīng)急救援辦作為我國航空救援的最高領(lǐng)導機構(gòu)，負責全國范圍內(nèi)航空救援的決策、協(xié)調(diào)、監(jiān)督和管理工作；區(qū)域應(yīng)急救援機構(gòu)負責各自區(qū)域范圍內(nèi)的航空救援相關(guān)工作，并與軍區(qū)航空器救援進行協(xié)調(diào)；省級救援中心依據(jù)中央指示，第一時間快速高效地將救援決策和調(diào)度工作進行落實。同時，建立專業(yè)的救援隊伍可以提高航空救援的能力，更新航空救援設(shè)備，配置超美洲豹、米－26等重型直升機；建立各級救援指揮中心的應(yīng)急救援專用通訊網(wǎng)絡(luò)，并建立救援指揮中心的航空救援能力數(shù)據(jù)庫，這些對于航空救援效率的提升是十分必要的。

2 航空器的分配算法研究

重大自然災害的特點是波及范圍廣、破壞性特別大，這就導致有多個災區(qū)同時需要航空救援的情況，針對目前國內(nèi)通用航空發(fā)展緩慢、能參與救援的航空器的數(shù)量有限等問題，如何將航空器合理地分配到相應(yīng)的災區(qū)顯得至關(guān)重要。三級航空應(yīng)急救援體系存在多個指揮中心點 （配置一定數(shù)量的救援直升機），那么指揮點和災區(qū)之間的航空器分配算法是建立應(yīng)急救援預案的核心內(nèi)容之一，航空器分配算法的好壞是航空救援是否成功以及救援效率高低的關(guān)鍵因素。

航空器的分配算法實際上是一個多目標分配問題［6－7］，其計算量隨問題規(guī)模的增大呈指數(shù)增長，目前普遍采用啟發(fā)式搜索算法［8］來求解，其缺點是不能保證所得解一定是最優(yōu)的。本文針對結(jié)合航空器分配規(guī)模較小的特點，提出并實現(xiàn)了重大自然災害下的救援指揮點與災區(qū)間的航空器分配算法，該算法能在n2的時間復雜度內(nèi)求得問題的最優(yōu)解［9－10］。航空器分配算法如圖1所示。

首先應(yīng)該在第一時間對受災地區(qū)的災情進行評估，根據(jù)災情將災區(qū)分為一般災區(qū)、重災區(qū)、極重災區(qū)3類并進行排序；根據(jù)救援航空器的機型將其救援能力分為3類（重型直升機救援能力為3，中型直升機救援能力為2，輕型直升機救援能力為1），通過累加的方式統(tǒng)計各救援指揮點的航空救援能力；按照災區(qū)的嚴重程度對航空器進行多目標分配，分配的核心原則是［11－12］：盡量使用本省或本區(qū)域救援指揮中心的航空救援力量，從而保障航空救援的快速性和高效性；在本省或本區(qū)域救援能力不足的情況下需要向上級匯報，由國務(wù)院應(yīng)急指揮中心調(diào)動國內(nèi)其它管制區(qū)域進行跨區(qū)支援；此時主要應(yīng)該考慮各相鄰救援指揮中心與受災地區(qū)之間的距離；優(yōu)先選擇距離災情嚴重地區(qū)最近的救援指揮中心，保證航空救援效率。

圖1 救援航空器多目標分配算法

3 航空救援算法研究

3.1 航線設(shè)計算法

在航空應(yīng)急救援過程中，航空器飛行路線的選擇關(guān)系到救援的效率和安全性。而重大的自然災害多發(fā)生在氣象條件和環(huán)境都十分惡劣的山區(qū)，其能見度特別差且伴隨強烈的短時天氣變化［13］。因此，在飛行前首先需要進行航線設(shè)計，救援航空器飛行路線應(yīng)盡量選擇低障礙物且不存在低空風切變、積雨云、雷暴等惡劣天氣現(xiàn)象。在實際救援飛行中，救援航空器常選擇沿等高線飛行，基于等高線的航線設(shè)計方法如圖2所示。

圖2 高精度等高線下飛行路徑的選擇

救援航空器出發(fā)點為A點 （2340m），需要飛行至B點（2040m）執(zhí)行救災任務(wù)，此時可以有以下幾種航線：

（1）在航空器飛行升限的允許情況下可以選擇在A、B兩點之間進行直飛。

（2）因天氣或障礙物等原因可選擇沿著次低等高線飛行。假如在最低A點與B點之間的最低等高線上E點位置發(fā)生強烈低空風切變，那么不能選擇沿最低等高線飛行；于是可以在風切變的范圍外再選擇次低等高線作為飛行路線。首先可讓航空器沿垂直于等高線飛向C點，在高度為2100m的時候沿D點所在的等高線飛行，最后再沿垂直于等高線的方向飛向B點。

（3）以兩地之間的最低等高線作為飛行的路線。比較A點和B點的等高線高度，以高度較低點所在的等高線作為飛行的路線；然后在起始點垂直于等高線的方向先飛到與B點同高度的C點，然后再沿著等高線的E點飛到B點。

在汶川大地震航空救援過程中，航空器受到最大升限的限制以及惡劣環(huán)境的影響；沿最低等高線飛行的方法得到了廣泛的采用，有效地保障了救援航空器飛行的安全。航空應(yīng)急救援輔助指揮系統(tǒng)所提供的推薦航線的功能，正是采用沿最低等高線飛行的航線設(shè)計算法，指揮航空器保持合理的間隔，使得救援航空器的進出災區(qū)可以同時進行，極大地提高了救援效率。

3.2 航線可飛性檢驗

因為不同的機型有不同的爬升率、轉(zhuǎn)彎率、最大最小速度、升限，所以在進行航線設(shè)計的時候就不可能通用。因此，需要針對不同的航空器進行航線的可飛性檢驗，即檢驗各航路點高度和位置是否滿足所選擇的航空器性能限制。

3.2.1 航路點高度檢驗

航路點的高度檢驗主要是驗證：①該航路點高度是否高于當前位置的等高線高度；②該航路點高度是否滿足航空器的性能要求，即航空器以最大上升率或下降率和最小速度飛行時能否到達該航路點。如果航路點高度高于等高線的高度，則計算上一個航路點與當前航路點的垂直高度差H1，以及以航空器最小速度在這兩個點之間飛行所需的最長時間Tmax，然后計算在Tmax內(nèi)使用飛機的最大上升率或下降率所能上升或下降的最大高度H2。若H1＞H2則航路點高度不符合要求，需要進行調(diào)整；否則高度滿足要求［14］。高度檢驗算法流程圖如圖3所示。

3.2.2 航路點位置檢驗

航路點的位置檢驗是判斷當前航路點的位置與其前面和后面的航路點所構(gòu)成的夾角是否滿足航空器的轉(zhuǎn)彎能力。根據(jù)多次的救援經(jīng)歷，如果轉(zhuǎn)彎航跡距離航路點最遠時超過100m，此時認為航空器不能到達該航路點，即offset＜100表示航路點位置滿足要求，否則需要重新定義航路點位置。

根據(jù)式 （1）可計算Offset值

式中：Minspeed——當前機型飛機的最小速度，turnrate——轉(zhuǎn)彎率。

3.3 航空器飛行算法

在航線建立并通過檢驗之后，需要對航空器如何加入航線以及如何沿航線飛行進行研究，特別是在災區(qū)的山地環(huán)境中，精確地掌握整個航線的飛行技巧對航空救援的安全性和效率有重大意義。同時，航空器飛行算法也是航空應(yīng)急救援預案建立的核心基礎(chǔ)。航空器可以以當前航空器的航向加入航線或以指定航路點的方式加入航線，并沿著預定的航線執(zhí)行應(yīng)急救援工作。

3.3.1 以當前航向加入航線

首先判斷當前航向前方是否存在航線，如果航向前方?jīng)]有航線，則變?yōu)閺暮骄€第一點加入［15］。飛機加入航線的過程實質(zhì)上是一個不斷調(diào)整其目標航向的轉(zhuǎn)彎過程，開始轉(zhuǎn)彎的距離為CheckDistance，直到轉(zhuǎn)到目標航向與當前航路點與下一個航路點之間的所成的角度時轉(zhuǎn)彎結(jié)束，需要轉(zhuǎn)過的角度為alpha。圖5中小圓表示飛機位置，1、2為航路點，圓弧表示飛機切入航線所要轉(zhuǎn)過的圓弧航跡，聯(lián)立兩直線方程可得到飛機航向與目的航段交點位置Dp。

圖5 以當前航向加入航線

式中：turnrate——飛機轉(zhuǎn)彎率，（x1，y1）——航段起點坐標，（x2，y2）——終點坐標，kp——飛機航向，（xp，yp）為飛機坐標。

3.3.2 指定航路點加入航線

該種方式可以選擇加入某條航線的某個特定的航路點，可將指定航路點加入航線的過程劃分為兩個階段：首先是將航空器的航向指向目標航路點，并以該航向直飛該目標航路點；然后再以當前航向加入航線。因此，當給航空器向指定的航路點加入航線指令后，航空器首先改變當前航向，并直飛給定的航路點，然后以當前航向加入航線。

3.3.3 沿航線飛行

航空器在加入航線后將自動變?yōu)檠睾骄€飛行模式，該模式可以看作是直飛航路點和轉(zhuǎn)彎過程的不斷重復，在這個過程中不斷計算飛機位置離當前航路點的距離，當這個距離小于規(guī)定的開始轉(zhuǎn)彎距離的時候，航空器開始轉(zhuǎn)彎，直到將目標航向調(diào)整到當前航路點N與下一個航路點N＋1所構(gòu)成的方位角時轉(zhuǎn)彎結(jié)束，然后直飛下一個航路點N＋1，該過程的流程圖如圖6所示。

4 航空應(yīng)急救援輔助系統(tǒng)的實現(xiàn)

救援指揮輔助系統(tǒng)的建立對于航空應(yīng)急救援效率的提高以及人民群眾的生命和財產(chǎn)損失的挽回有積極意義。本文基于高精度的等高線地圖和航空器分配算法實現(xiàn)了重大災害條件下的航空應(yīng)急救援指揮輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過加載KML文件的形式將災區(qū)高精度等高線地圖加載并顯示，系統(tǒng)的GIS特性 （放大、縮小、拖動、漫游）方便用戶使用鼠標進行操作；系統(tǒng)可以添加多條航線并針對不同機型的航空器的可飛性進行自動驗證，高精度等高線地圖可以有效地與Google Earth相結(jié)合，利用其飛行演示功能可以實現(xiàn)3D模擬預飛行，讓飛行員了解救援飛行過程中的環(huán)境以及相應(yīng)的飛行技巧。同時，系統(tǒng)還提供了測量地圖上任意兩點間的航向、距離和面積的功能，結(jié)合各航空器的飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)對航空器在下一個時刻的位置、燃油等情況進行估計，據(jù)此控制各救援航空器保持合理的飛行間隔，極大地利用了空域資源并能提高救援飛行的效率。航空救援指揮輔助系統(tǒng)的功能模塊如圖7所示。

圖6 航線飛行算法流程

4.1 航空器加入航線

圖7 航空應(yīng)急救援輔助系統(tǒng)功能模塊

如圖8所示，通過加載高精度等高線可以清晰地掌握災區(qū)的地理環(huán)境，方便用戶創(chuàng)建不同的航線 （以不同的顏色進行區(qū)分），操作者可以通過右鍵刪除航線上的航路點以及拖動航路點的位置來改變已創(chuàng)建的航線；圖中顯示呼號為5321的航空器的飛行狀態(tài) （速度、高度、航向、飛行時間），通過指揮航空器加入指定的航線，那么航空器將按照第3章中的算法進行救援飛行。

圖8 航空器加入航線功能

4.2 地圖測繪

救援指揮輔助系統(tǒng)提供了地圖測繪功能，圖9中顯示了航線上待測量點的經(jīng)緯度坐標以及任意兩點之間的航向和距離；這些信息對飛行計劃的制定和航空器燃油的準備提供了理論基礎(chǔ)。飛行前準備的越充分，航空救援的效率和安全性就越高，如何在災情發(fā)生的最短時間內(nèi)做好充分的飛行前準備顯得相當關(guān)鍵。

5 結(jié)束語

本文提出了建立三級中心為基礎(chǔ)的應(yīng)急救援體系以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫，在此基礎(chǔ)上開展了救援指揮點與災區(qū)的救援航空器分配算法研究，并對實施航空救援的航線設(shè)計算法以及航空器飛行算法進行了研究，為重大災害條件下的應(yīng)急救援預案的建立奠定了核心基礎(chǔ)。同時，基于高精度等高線地圖實現(xiàn)了重大災害條件下的航空救援指揮輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為飛行員提供災區(qū)的地形特征和天氣情況，結(jié)合Google Earth的飛行演示功能可在預定的航線上進行模擬飛行，極大地提高了航空救援的效率和安全性。但是，航空救援指揮輔助系統(tǒng)只提供對救援航空器位置和飛行狀態(tài)的估計以及預飛行演示功能，不能接入實時的監(jiān)視數(shù)據(jù)，不能對航空器進行實時的指揮，這些都有待進一步的研究。

圖9 地圖測繪功能

［1］Performance Review Commission.An assessment of air traffic management in Europe during the calendar ［EB/OL］.http：//www.eurocontrol.int/muac/gallery/content/public/docs/2009annual－report.pdf，2008.

［2］YOU Yi.Thinking about the methods of taking off and landing the helicopter in fields ［J］.Journal of Civil Aviation Flight University of China，2009，20 （4）：44－46 （in Chinese）.［猶軼.淺談直升機野外起降方法 ［J］.中國民航飛行學院學報，2009，20 （4）：44－46.］

［3］CAI Fei，CUI Jian.Command system for earthquake emergency rescue based on GIS and GPS ［J］.Computer Application and Software，2010，27 （4）：83－86 （in Chinese）.［蔡菲，崔健.基于GIS和GPS的地震應(yīng)急救援指揮系統(tǒng) ［J］.計算機應(yīng)用和軟件，2010，27 （4）：83－86.］

［4］JIN Xiaoshan，ZHANG Guofu，LI Jun.Research and realization of emergent scheduler technologies based on GIS ［J］.Computer Engineering，2004，30 （20）：180－182 （in Chinese）.［靳肖閃，張國富，李軍.基于GIS的應(yīng)急調(diào)度關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn) ［J］.計算機工程，2004，30 （20）：180－182.］

［5］SHEN Zhang.Research and implementation of earthquake disaster medical emergency rescue system based on GIS ［D］.Chengdu：Master Graduation Paper，2010 （in Chinese）. ［申章.基于GIS的地震災害應(yīng)急救援推演系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.成都：四川大學碩士論文，2010.］

［6］SHEN Zhang，WANG Junfeng.Model for multi－sensor targets assignment based on ant colony algorithm ［J］.Journal of Computer Application，2009，29 （6）：131－134 （in Chinese）.［申章，王俊峰.基于蟻群算法的多傳感器目標分配模型 ［J］.計算機應(yīng)用，2009，29 （6）：131－134.］

［7］HU Yunong，XIA Zhenghong，WANG Junfeng.Methods summary for performance evaluation of complex electronic information system ［J］.Application Research of Computers，2009，48 （3）：8－13 （in Chinese）. ［胡玉農(nóng)，夏正洪，王俊峰.復雜電子信息系統(tǒng)效能評估方法綜述 ［J］.計算機應(yīng)用研究，2009，48 （3）：8－13.］

［8］XIA Zhenghong，HU Yunong，WANG Junfeng.Performance evaluation of air traffic control system based on analytic hierarchy process［J］.Journal of Computer Application，2008，28（12）：3264－3267 （in Chinese）. ［夏正洪，胡玉農(nóng)，王俊峰.基于層次分析法的管制中心系統(tǒng)效能評估研究 ［J］.計算機應(yīng)用，2008，28 （12）：3264－3267.］

［9］BAI Songhao，LAN Honglinag，XIA Zhenghong.Effectiveness evaluation of air traffic control system based on the method of system contributory model［J］.Acta Aeronautica ET Astronautica Sinica，2011，32 （3）：438－447 （in Chinese）. ［白松浩，蘭洪亮，夏正洪.基于貢獻度模型方法對空中交通管制中心系統(tǒng)的效能評估［J］.航空學報，2011，32 （3）：438－447.］

［10］XIE Chuanliu，WANG Junfeng，XIA Zhenghong，et al.Scheduling algorithm of largescale call center ［J］.Computer Engineering and Design，2010，31 （23）：5108－5112 （in Chinese）. ［謝傳柳，王俊峰，夏正洪，等.大型呼叫中心排班算法研究 ［J］.計算機工程與設(shè)計，2010，31 （23）：5108－5112.］

［11］MOU Ying，XIE Chuanliu，WANG Junfeng，et al.The telephone traffic prediction of call center based on BP neural network ［J］.Computer Engineering and Design，2010，31（21）：4686－4689 （in Chinese）. ［牟穎，謝傳柳，王俊峰，等.大型呼叫中心話務(wù)量預測 ［J］.計算機工程與設(shè)計，2010，31 （21）：4686－4689.］

［12］FANG Zhiyang，WEN Jin，WANG Junfeng，et al.Research on forecast of earthquake medical emergency rescue ［J］.Application Research of Computers，2011，28 （1）：172－176 （in Chinese）.［方智陽，文進，王俊峰，等.地震災害醫(yī)療應(yīng)急救援推演研究 ［J］.計算機應(yīng)用研究，2011，28 （1）：172－176.］

［13］XIE Chuanliu，WANG Junfeng，MOU Ying.The design and implementation of large－scale call center management system ［C］.Wuhan：The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application，2010：116－119.

［14］FANG Zhiyang，WANG Junfeng.Web－based software reliability analysis and measurement system ［C］.Wuhan：The 3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application，2010：421－424.

［15］Athanassios N，Avramidis Pierre L’Ecuyer.Modeling and simulation of call center ［C］.Canada：Simulation Conference Proceedings of the Winter，2005：144－152.