海上大數據應急救援指揮系統設計與實現

胡志強 申翔

海上應急救援是指在海上發生災變時所進行的緊急救援行動.在人類的海洋活動中,由于各種自然的或人為的因素隨時可能導致一些突發性事故,如海上鉆探平臺倒塌、航行船舶碰撞、擱淺、沉船,飛機墜海、海上火災、爆炸、臺風襲擊、海嘯、海上人質劫持、突發性人員疾病等等,古今中外,曾發生很多情況下的海上事故.1912年4月14日,“泰坦尼克號”豪華郵輪處女航遭遇海上冰山沉沒,造成1520人死亡的特大事故,震驚了全世界.1967年,一艘利比亞籍油輪“托雷·卡尼翁號”裝載12萬噸原油從波斯灣啟航前往美國米爾福港,3月18日在英吉利海峽靠近英國一側觸礁破損,導致大量原油溢漏,造成了大面積的海洋污染.1999年11月24日,我國煙臺–大連航線客輪“大舜號”突然在煙臺近海沉沒,282人死亡,成為那年冬天最冰冷的一天.2000年8月12日,俄羅斯海軍最為現代化的大型核潛艇“庫爾斯克號”在巴倫支海參加俄北方艦隊演習時意外失事,艇員全部遇難,各種原因至今沒有準確說法.2014年3月8日凌晨,載有227名乘客、飛往北京的馬航MH370航班在馬來西亞與越南的雷達覆蓋邊界與空中交通管制失去聯系,搜索至今沒有最后結果.據統計,僅人員傷亡,全球每年有約10萬人死于各種海難事故.已經發生的各種海上事故不但造成了慘重的人員傷亡、巨額財產損失,還污染了海洋環境,嚴重影響地區經濟的發展和社會穩定.海上應急救援行動就是預防和控制緊急事件災難的發生與擴大,最大限度地保護人員和財產安全,消除影響,恢復周邊正常的環境.

隨著大數據的發展,大數據已成為繼云計算、物聯網之后信息技術的重大發展.對社會發展、國家治理、企業決策,乃至人們的思維方式變革和生產生活模式產生了重大影響.目前,大數據技術已廣泛應用于商業、金融、科研、交通、智慧城市、人工智能等許多領域[1].海上大數據應急救援指揮控制是在公共安全和國家海洋大數據集中和整合的基礎上,通過挖掘、預測和評估相關大數據,提供安全預警、準備應急救援預案、實時實施應急救援方案,即所謂“大數據主導海上應急救援”[1?2].盡管目前全球大數據在海上應急救援領域的應用還處于探索階段,但隨著大數據技術的發展以及大數據在海上應急救援行動中的巨大優勢,沿海各國,特別是海洋大國都在瞄準海上應急救援服務需求,積極開展海上大數據應急救援指揮控制研究.我國是海洋大國,也是世界航運大國.同時,我國也是國際海事組織(IMO)A類理事國,必須履行和承擔相關國際義務.文獻[3]在分析現有海上應急救援平臺現狀的基礎上,提出了基于.Net和J2EE的海上應急指揮系統架構、海量異構數據融合技術和多媒體一體化集成通信技術；文獻[4]具體研究了基于我國自行研制開發的“北斗”衛星導航系統的海上應急救援系統,給出了相應的海上應急救援搜救中心設計和海上遇險求救終端設計.本文基于大數據的應用,探討基于大數據的海上應急救援指揮控制的基本概念和內容,分析大數據應急救援指揮控制模式和指揮控制信息流程、關鍵系統和關鍵技術.

1 海上大數據應急救援指揮控制的基本概念和能力需求

1.1 海上大數據應急救援指揮控制的基本概念

大數據海上應急救援即基于并采用大數據技術,以預警防范為基礎,融合公共安全大數據、國家海洋大數據和國際海事信息大數據,融合各類新聞媒體和互聯網上的國際政治、經濟、安全等各種相關信息和數據,對海上各類人工建造物、過往船舶、飛機、海上作業平臺大數據進行實時有效整合和采集,提供關聯規則分析、時序分析、聚類分析、數據挖掘等大數據分析挖掘服務,為構建預測預警、方案預定、效果評估等不同層次和方面服務和指導.大數據的應用貫穿于整個海上應急救援行動的始終.其主要內容包括以下5個方面.

1.1.1 確定海上災變及其性質

海上災變具有突發性、迅速變化性,具有人為和自然災害多種原因.當海上災變發生時,一般有兩種發現形式：一是現場人員通過各種求救設備(如EPIRB設備、SOS發生器等)發出信號進行求救；二是海洋監視衛星、海上巡邏船、岸基雷達、海上巡邏機、漁民等第三方發現的災變.無論通過哪種形式,獲得海上災變信息,第一時間就要盡力確定海上災變是否發生,發生的時間、地點,災變的對象和災變的性質.

海上災變根據原因可分為人為災難、自然災難和混合災難；根據損失大小和嚴重程度,海上災變可分為一級災變、二級災難和二級以下災難.

1.1.2 大數據預警、估計和大數據應急救援預案制定

最好的海上救援是規避和避免海上災難的發生,這就要事先提出警示.即事先通過大數據分析進行預警.真正海難發生時,海上應急救援要及早發現、快速行動、預先準備.預先根據歷史和現實情況,針對各類海上事故擬制應急救援預案.

獲知海上災變后,就要第一時間進行估計,分析事故情況、事故性質、發生地點、發生原因；第一時間形成一致的現場狀況圖；依據預案行動,提出救援路線、救援手段、救援裝備、估計救援所需時間.

1.1.3 大數據決策

1)空間環境分析.隨著高新技術的飛速發展,特別是在GPS、RS、先進傳感器平臺及智能系統的支持下,GIS可以實現海洋環境信息空間查詢與分析、海洋環境信息敏感特征參數提取、航行路徑分析、可搜救區域分析、空間距離量算、面積(體積)量算等,為數據化智能化行動決策提供支持.

2)戰術和戰略層次智能任務規劃.根據海上災變應急救援的特點,進行戰略戰術不同層次的智能任務規劃,如應急救援基地規劃、基礎設施管理、管理區規劃、聯合行動救援任務規劃、行動方案支持、特種救援行動支持、救援效果評估、應急準備規劃、應急救援目標分析等.

3)戰術層次智能化行動管理.包括應急救援模擬、救援現場監測、行動管理、區域戰區規劃、航行計劃、導航管理與控制、救援平臺規劃與配置、救援行動戰術原則、后勤保障規劃、救援行動過程分析與效能評估等.

4)實時航路規劃與救援行動信息支持.包括抵近航路、搜索航路,實時數字海圖、救援行動方案優化、地形匹配與精細目標識別、航行路徑優化等,并為聯合應急救援提供不同層次和粒度的COP/CTP支持與多媒體專題信息服務.

1.1.4 大數據現場管理

海上應急救援行動涉及的方面、人員、物資、裝備、保障、后勤等十分復雜.大數據現場管理是一個臨場決策的過程,包括多方行動管理和搜救資源調配,因此,也是一個多因素動態統籌規劃的過程.

1.1.5 風險規避與效果評估

海上災變種類多樣、多態,情況復雜,各種風險存在,處置不當或處置稍有不慎,就可能造成災害擴大或造成其他意外災害.因此,依據大數據分析,實施風險的有效管控和規避.實時評估各種應急救援方法和手段的效果.

可見,海上大數據應急救援指揮控制是在海上發生災變時依托大數據所實施和進行的緊急救援指揮控制行動.海上災難和海上事故范圍廣,往往發現難、打撈難、急救難,具有突發性、復雜性和迅速變化性.歷史上,“泰坦尼克號”郵輪首航遭遇冰山沉沒、俄羅斯“庫爾斯克”號核潛艇突然失事都是如此.也因此,海上應急救援行動是一種對專業性、技術性要求極高的海上指揮控制行動,具有以下特點.

1)時效性

海上災變往往發展很快,如對失事人員的搜救、對火災、核災的處置都需要在極短的時間內完成,需要救援力量在時限內及時趕到,快速進行處置.

2)技術性

海上搜救技術性要求很高,特別是對于核事故、水下事故的救援需要具有相應的技術裝備、手段和專業技能,甚至特殊的技術技能.

3)軍事性

一是必要時需要軍方力量參與應急救援；二是有些應急救援本身就具有高度的軍事機密性,比如核潛艇事故、海上軍機事故等.

4)系統性

參加應急救援的有多種力量和專業分隊,組織協調方面多；參與的各類艦船、飛機平臺和設備多,需要相互配合,形成統一的整體.應急救援處置受天氣海況變化、通信報知、搜索定位、航行距離等因素影響,程序復雜多變、難度大,系統性強.

1.2 海上大數據應急救援指揮控制的能力需求

海上應急救援是在海上發生災變時所進行的緊急救援行動,需要在第一時間快速準確地獲知海上災變事故的情況,掌握地點、事故性質,要求情報準確、信息精確、目標明確、行動快速,需要做到“及時了解、快速反應、準確決策、統一調度、妥善處置、全程監控”,在黃金救援時間有針對性地采取措施和行動.海上應急救援應具備應急準備、監測分析、預測預警、反應處置、事件中止、恢復評估等能力.

1)應急準備能力

具備快速反應、快速部署、快速處置能力,包括條件保障、物資裝備準備、完善法律法規,進行預案準備,平時進行實戰模擬訓練.

2)實時監測分析能力

實時接收、分析、檢測海上活動情況、海洋狀況、各類飛行器和船舶運行狀況,不間斷進行動態監測,實時跟蹤事態、實時評估.

3)預測預警能力

根據海洋活動的特點和近期海洋情況、歷史數據,對有關海域、水道和海峽進行預測評估；對有關船舶、啟航飛機、海上活動進行提示和預警.

4)快速指揮與控制能力

按照有關規定,啟動海上救援應急預案,迅速展開指揮與執行工作,快速而有條不紊地組織、調度人員和物資,協調國際、國內,軍民各方救援力量,調配海陸空天相關資源,展開應急救援的專業處理與相關配合工作.同時,根據反饋情況,動態評估事件的發展情況,及時調整處置措施,最大限度地實施救援和恢復工作.

5)全過程評估完善能力

具有包括預先情況評估、傷害等級評估、行動過程評估、風險評估、保障條件評估、完成時間評估,以及災害修復評估等能力.

2 海上大數據應急救援模式與應急救援指揮中心組成

2.1 海上大數據應急救援模式

海上應急救援主要的問題和難點是：1)對于遇險平臺和遇險者,如何在第一時間將遇險信息準確、可靠地報告到海上應急救援中心；2)對于海上應急救援中心,如何提前預測及發現遇險情報信息并對搜救工作進行迅速而科學的決策,拿出最合適的搜救方案；3)對于搜救現場,如何快速、準確地發現和定位遇險目標和遇險者,從而第一時間施救；4)應急救援中心如何達成與搜救現場快速可靠的通信,從而實施持續準確的指揮[4].

大數據海上應急救援模式按照不同情況可分為4種：1)面向全球海洋的戰略級海上大數據應急救援,它是國際性的、戰略級的；2)面向固定區域海洋的戰役級海上大數據應急救援,它是區域性的、戰役級的,如面向南中國海的大數據海上應急救援指揮控制系統；3)面向特定平臺或海面的戰術級海上應急救援,如針對大型集裝箱貨輪、石油鉆井平臺的海上應急救援；4)針對某個海域或某條航道的集成式海上應急救援,如針對馬六甲航道的海上應急救援.

2.2 海上大數據應急救援指揮中心組成

目前,海上應急救援指揮控制中心主要有岸基國家海上應急救援指揮中心、車載機動式應急救援指揮中心和船載機動式應急救援指揮中心.岸基國家海上應急救援指揮中心是一國海上應急救援指揮控制的主體單位,通常設置于國家負責海上應急救援行動的行政主體機構內(如海事局),組成復雜、功能全面,因而也是一國海上應急救援指揮控制的中心；車載機動式應急救援指揮中心主要部署在各岸基指揮中心的直屬派出支隊/分隊,組成相對簡單,功能相對簡化,主要用于海上應急救援的前進指揮,就近協調應急救援的相關事務,如安全警戒、醫療保障、事故調查、應急保障和宣傳報道等；船載機動式應急救援指揮中心部署于現場搜救指揮船舶,功能相對齊全,主要用于開展海上應急救援的直接指揮.

以岸基海上應急救援指揮中心和船載機動式應急救援指揮中心為例,大數據海上應急救援指揮中心通常由大數據情報接收處理裝備、應急救援指揮作業設備、網絡通信設備、多媒體通信設備,以及供電等配套設備組成[4].海上大數據應急救援指揮控制中心組成如圖1所示.

海上應急救援指揮中心由大數據決策席(總指揮席)、大數據預警席(協同指揮席)、大數據接警席(態勢監控席)、大數據評估席(專家咨詢席)和大數據現場管理席等5個席位組成,可實時顯示海洋氣象環境、海上災難現場狀態、搜救裝備位置,提供大數據預警、搜救方案,提供大數據決策,供各職能人員進行海上大數據應急救援預警、決策、接警、評估和現場指揮管理使用.

大數據分析處理平臺由大型信息處理服務器、大數據存儲服務器和社會互聯網等組成,接收各類目標位置信息,存儲海量大數據,接收相關社會網絡信息,實時分析處理,提供相關各類信息和情報,進行險情預警、救援決策、行動規劃,是整個海上大數據應急救援指揮控制系統的核心.

大數據通信網絡設備包括有線、無線和衛星通信網絡、路由器、防火墻等,用于有效傳輸和接收通過各種渠道來源的海上應急救援用大數據；音視頻多媒體顯示系統顯示搜救現場實時狀況,開展音視頻電視電話會議和在線指揮.

配套設備包括供電設備、各種機柜等,為各系統設備提供用電保障和維護保障.

3 海上大數據應急救援指揮控制信息流程分析

3.1 基本想定

假定在南中國海某海域有颶風突然生成來襲,一艘正在航行的某國大型集裝箱船處于風險之中,該集裝箱船通過船用無線電信號(EPIRB、G4GPS、海事衛星E型終端等)發出求救信號.如圖2所示,海事衛星截獲信號后立即將求救信號發送給相關國岸基海上應急救援指揮中心；國家岸基海上大數據應急救援指揮中心依據大數據預測和氣象水文數據分析第一時間提出預警并形成應急救援行動方案；國家岸基海上大數據應急救援中心接警后第一時間根據求救信號和預案進行大數據決策,同時協調國際、國內,軍民各方救援力量,緊急調配海陸空天相關搜救平臺和專業搜救裝備,展開大數據海上應急救援指揮控制行動.

3.2 海上大數據應急救援指揮控制信息流程分析

海上大數據應急救援行動通過大數據搜集、大數據預測、決策和評估指揮控制整個海上應急救援行動.以戰役級、區域性的大數據海上應急救援指揮控制行動為例,其海上應急救援指揮控制信息流程如圖3所示.

圖1 海上大數據應急救援指揮控制中心組成

圖2 海上大數據應急救援指揮控制基本想定

船舶、飛機、鉆井平臺等通過EPIRB等標配的海上應急救援求救設備自動向外發出求救信號；海上遇險人員通過定制的個人求救終端,以及煙霧信號、信號彈、反光鏡乃至衣物等方式方法主動向外發出求救信號；海上巡邏機、海巡船,以及各類社會人員發現險情及時向當地海上應急救援中心報告險情.岸基海上應急救援指揮中心24h接收AIS系統信息,實時接收海圖信息、國家海洋大數據信息,獲取相關海域海事信息、當地社會信息,實時進行大數據分析與預警.在獲悉海洋險情時,迅速啟動海上應急救援預案,進行大數據決策行動規劃,包括搜救方案規劃、搜救航路規劃和支援保障規劃,展開海上大數據應急救援行動,同時展開應急救援行動推演和效果評估.在有全球衛星導航系統的今天,在通信和定位上,岸基海上應急救援指揮中心和全球衛星導航系統相互通信,確定事發海域,定位目標位置；指示就近海域的車載/船載機動式指揮中心前往事發海域展開現場海上應急救援指揮控制行動.

4 海上大數據應急救援指揮控制關鍵系統與技術

4.1 海上大數據應急救援指揮控制關鍵系統

4.1.1 海上應急救援大數據保障系統

海上應急救援大數據是確定海上災變發生、發展、性質和實施緊急救援的關鍵.包括AIS系統數據、海洋地理大數據、海洋監視衛星數據、海洋磁場聲場變化數據、各類通信數據、船舶飛機等航行動力大數據、相關設備狀態大數據、地震海嘯資料數據、歷史資料數據、GPS數據、機場港口活動數據、相關人員活動大數據、網絡數據、社會大數據,等等.

圖3 海上大數據應急救援指揮控制信息流程

具體來說,海上應急救援大數據保障系統提供：

1)基礎海洋環境信息保障,以掌握有關海域的地理環境、地質地貌數據、氣候、地震帶分布、氣象水文特點、海底電纜管線分布、海上人工建造物種類數量和分布等,如海水溫度、鹽度、密度、聲速、海流、潮汐、地質、地形、透明度、水色、水深分布等,云、霧、降水、濕度、臺風等,海峽水道情況,航行安全參數(海岸線、島礁、禁區、領海、人工設施)等.

2)應用產品信息保障,包括有關的海洋水聲環境信息(如聲傳播損失、海洋噪聲與混響、聲納作用距離、海洋中尺度特征、躍層參數、會聚區參數等),水下航行深度優化參數、磁力場、重力場等,提供關鍵受保護目標的位置、狀態和特征信息.

3)歷史數據與實時信息保障,包括歷史信息數據、實時環境信息、海洋空間數據、應急救援特色數據,以及網絡信息實時獲取、動態更新,按需實時進行網絡化發布.

其中,以地理空間位置為基準的地理信息系統(GIS)可以為海上應急救援行動指揮控制提供多維、多尺度、多分辨率、多數據源、高精度的海洋基礎性數據,可以為海上應急救援指揮控制行動提供精確的導航、制導與控制,可為救援決策提供精確的地理空間信息和事變態勢支持.

GIS的信息和數據來源于海陸空天的各種探測、遙感系統和裝置,包括天基的遙感衛星、海洋監視衛星,以及偵察衛星等；空中有人偵察飛機、無人偵察飛機,以及飛艇等搭載的光電探測雷達、高分辨率成像和遙感裝置、氣體氣旋分析裝置等；岸基的高頻天波雷達、地波雷達、微波超視距雷達、激光探測雷達、光學探測與成像裝置、無線電信號探測與分析裝置,以及海洋氣象與水文探測和分析裝置等；?；臏y量船、浮標、潛標、潛艇(包括UUV)、蛙人、沉底式海床基、接駁器等攜載的各種物理生化傳感器、光電探測器、水聽器等.

4.1.2 大數據海上應急救援通信指揮控制系統

大數據海上應急救援指揮控制突出了海上應急救援指揮控制行動中的大數據分析和大數據應用,保障岸基國家海上應急救援指揮中心、車載機動式應急救援指揮中心和船載機動式應急救援指揮中心之間,以及保障與船載搜救終端、個人搜救終端、搜救船舶、搜救飛機、海事衛星之間通信指揮控制系統的可靠性、通暢性、敏捷性、靈活性是海上大數據應急救援指揮控制行動的關鍵.

如圖2所示,建立基于衛星通信的海上大數據應急救援指揮控制網絡在通信方面能對進入應急救援體系的行動實體或行動單元實時分發所需的關鍵數據和信息(包括救援行動實體或行動單元的位置信息、對災變現場情勢的跟蹤監視信息等)用于產生實時救援態勢和危險報警信息、指揮、控制及引導信息.對于二級及以上災變事故,大數據實時信息分發系統的數據傳輸率應達到10Mbit/s.當用于對二級以下海、陸災變時,信息分發系統的數據傳輸率要求可適當降低,并具有視頻語音通信功能.

在導航定位方面,系統應為進入應急救援系統的行動實體和行動單元提供公共坐標系及相互間精確的相對位置數據.當進入救援體系的成員有兩個或兩個以上能準確知道自己的位置時,它便能對相對坐標系進行地理定位,以接力方式傳送高準確度的地理導航定位信息.在識別方面,體系工作網內各成員之間在交換位置數據信息和識別數據信息時,完成網內成員之間的識別.

4.2 海上大數據應急救援指揮控制關鍵技術

大數據海上應急救援需要處理海量異構的海上大數據,廣泛應用現代最新的高新技術和設備,如基于網絡和云計算的大數據分析處理技術、數據中心,海事衛星、海洋監視衛星、遙感衛星、通信導航衛星、地理信息系統(GIS)等.其中涉及海上大數據應急救援指揮控制的關鍵技術如下.

4.2.1 海上大數據分析處理技術

海上大數據分析處理技術是海上大數據應急救援指揮控制技術的核心.大數據不同于傳統的堆棧式信息處理,需要共性創造和共同分享.海上大數據處理核心是應用分布式大數據處理平臺分析處理海量結構化、非結構化和半結構化的大數據,完成海上應急救援行動大數據實時分析、災難預測、搜救行動決策和行動效果評估.在諸多大數據分析平臺技術中,Hadoop是目前大數據分析平臺中應用率最高的一種技術,特別是針對諸如文本、社交媒體訂閱以及視頻等非結構化數據處理.該技術平臺基于Google公司2003年研發的Google文件系統GFS和2004年研發的MapReduce編程模型,包括分布式開源產品HDFS(Hadoop Distributed File System)和大數據集處理MapReduce架構及以其為基礎建立的系列產品.如美國在位于美國加州“中國湖”的海軍地球物理中心針對海上作戰和海上應急救援氣象環境需求,采用基于Hadoop的互聯網云計算技術研究和預測全球海洋的氣候和天氣情況.美國海軍與圣地亞哥州立大學合作,使用Google公司的InRelief.org大數據云計算平臺.該平臺是一種協作環境,用來在自然或人為災難時提升國際組織、非政府組織、政府組織和軍隊之間的信息共享水平.海上大數據應急救援分析處理框架如圖4所示.

圖4 海上大數據應急救援分析處理架構

4.2.2 全球衛星定位與導航技術

海上應急救援的前提是定位海上災難發生地,而搜救也需要實時航路規劃自動導航,以最快的速度達到事發地.GPS、“北斗”衛星通信導航系統為代表的全球衛星導航系統為現代海上應急救援指揮控制行動提供了現代化的通信導航定位技術和手段.以我國自行研制的“北斗”衛星通信導航系統為例,可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠導航、定位、授時服務,并具有短報文通信能力.目前其定位精度優于20m,授時精度優于100ns,可對飛機、船舶、人員等目標實現類似于GPS的無源定位、導航和跟蹤功能,并能向有更高要求的授權用戶提供進一步服務,軍用民用目的兼具.

4.2.3 實時、寬帶、大容量、抗干擾多路由通信技術

由于應急救援平臺、岸基指揮控制中心、移動應急指揮控制平臺、海洋監測衛星、海洋通信衛星、導航衛星,空間分布,位置相距遙遠,要求各個應急救援行動實體能構成“智能”共同體,展現從時間協同到空間融合有機統一的行動.這就要跨越時空及時通信,特別是在復雜的海洋環境下,需要及時分類、按需高效地分發海上應急救援所需信息和數據,并盡可能預先為下一個搜救決策提供需要的信息.實時、寬帶、大容量、抗干擾多路由通信技術是提供及時的現場情勢感知,進行高效集中統一指揮、精確實時的救援行動和實時的后勤保障的關鍵技術.針對突發事件處置的圖像、應急救援預案、任務下達、處置的結果等都需要通過移動網絡、衛星等傳輸到應急平臺,并通過政務外網實現多部門共享.其通訊容量、周期時間、數據更新率、報文差錯率和抗干擾能力要求較高.海上應急救援指揮控制系統依托網絡系統實現有線、無線、衛星、微波等信號的接收,并通過大屏幕顯示、數字會議、視頻會議等系統將事件情況向指揮人員顯示,完成輔助決策和命令的下達和情況上報.

在突發事件現場,海上應急救援通過移動式應急平臺實現數據、語音和圖像的傳輸.通信手段主要由CDMA、GSM 等移動網絡和集群通信、無線寬帶網和衛星通信來保證現場與應急平臺、移動應急車之間的通信.

5 結論

海上應急救援行動涉及全球,除了相關當事國需要建立相應的海上應急救援組織體制、高效統一的指揮控制機構和應急救援平臺外,還需要全社會與各有關機構和國際組織通力協作,構建全球海洋大數據應急救援的基礎設施.建立和完善全球海洋大數據應急救援的法律基礎、全球保障體系和運行機制,形成國際國內,國家和地方,軍隊、公安海警和地方指揮控制平臺相互銜接和彼此聯動,形成以大數據為基礎、以海上應急救援大數據中心為依托、以應急救援能力為導向的知識化智能化全球海上應急救援體系機制.