民用航空器搜尋作業輔助決策平臺

周進 朱新平

摘 要：為支持進行科學高效的民用航空器搜尋作業指揮，構建了搜尋作業輔助決策指揮平臺。分析了民用航空器搜尋作業的特點，確定平臺研發的功能目標和體系結構。研究平臺研發中面臨的關鍵技術問題，如基于搜尋基準點、基于搜尋基準線和基于搜尋基準區域的航空器概率型失事區域初始預測方法，以及考慮搜尋區域特征和設備能力的搜尋作業任務規劃。以某民用航空器的搜尋仿真為例展示了該平臺的功能。

關鍵詞：空中交通管理;航空器;搜尋;輔助決策

中圖分類號：V355.1

Abstract：In order to conduct the aircraft search effectively，a decision-making support platform is constructed.The characteristic of aircraft search work is analyzed，and the function object and architecture is designed.Some key technologies are investigated，such as probabilistic crash area prediction based on search base point，base line or area，and also the search work planning considering crash area and equipment feature.The function of the platform in demonstrated based on a simulated aircraft search example.

Key words：Air traffic control;aircraft，search;decision-making support

民用航空安全一直是社會和民航業界廣泛關注的問題，而民用航空器搜尋救援則是關乎安全的重要工作。對失事航空器高效地展開搜尋是后續救援迅速展開的前提。通常而言，在人口密聚區域，失事航空器的搜尋過程較短，多以事后救援為主。但是，當航空器在人口稀少區域失事時，比如山區、沙漠、海洋，航空器的搜尋工作就顯得特別重要。尤其是航空器在沒有任何跡象的情況下失去通信聯系，或來不及報告其準確位置就已失事，或者地形復雜、天氣惡劣、沒有目擊者報告等情形下，搜尋工作就顯得十分困難。此外，民用航空器搜尋涉及部門眾多，信息流轉和協調程序復雜，如何基于先進的信息化技術手段，構建民用航空器搜尋作業輔助決策指揮平臺，成為有效整合各方搜救力量，協同開展搜救作業的關鍵所在。這也是本文的出發點。

近年來，國家相關部門出臺了一系列的文件[1-4]，要求制定詳細的、可操作的應急救援預案，為民用航空器搜尋的組織、協調和指揮提供了制度保障。然而，在實際搜救作業中，民用航空器搜尋援救多依賴一線指揮人員經驗，盡管建立了相應的搜尋專項預案，但由于缺少相應的信息綜合處理和輔助決策平臺，極易造成分析不全面、決策不合理、行動不及時而影響搜尋援救的效率。鑒于此，可考慮利用計算機技術、GIS技術輔助開展民用航空器搜尋援救決策。目前，針對民航領域搜尋援救的輔助決策平臺較少，相關研究多集中在海事搜尋方面。美國海岸警衛隊研發了海事搜尋輔助決策系統，能夠實現搜尋區域的計算和標繪，以及搜尋援救任務規劃與管理[5]。加拿大海岸警衛隊推出了CANSARP系統，該系統采用C/S結構，基于實時觀測及預報數據來標繪網格化搜尋區域[6]。也有美國相關機構基于國家搜救手冊建立海上目標的漂移模型，并提供搜尋目標軌跡預測過程的可視化展示[7]。英國相關結構綜合考慮海洋中環境的特殊性，尤其是風和潮流的作用，建立目標漂移模型來確定目標的搜尋區域[8]。加拿大國防研究發展中心研發了SARPlan系統，可以統籌安排失蹤航空器的搜尋任務安排，可增加失蹤航空器的發現概率[9]。相比較而言，我國對民用航空器的搜尋輔助決策平臺研究較晚，很少有針對有陸上搜尋輔助決策系統的研究[10]。

本文設計和開發了民用航空器搜尋作業輔助決策指揮平臺，介紹了平臺開發過程及其中涉及的多項關鍵技術，包括平臺功能及需求、平臺架構以及涉及的關鍵技術等。基于該平臺的優勢在于，首先其具有良好搜尋作業基礎數據管理能力，其次可為搜尋指揮人員在失事區域預測、搜尋任務規劃等方面提供輔助決策支持，有助于提高搜尋指揮水平。

1 平臺功能及需求

民用航空器搜尋援救指揮平臺采用C#作為編程語言，在VS2010集成平臺上進行系統開發，采取模塊化的方式建立失事航空器軌跡推測模型，以及面向航空器搜尋作業的資源調度模型。平臺可實現以下功能：

（1）航空器失事區域預測。為了制定航空器搜尋救援計劃，首先應該確定航空器失事區域。具體而言，該區域應包含失事航空器殘骸、可能幸存者分布區域。所研發的平臺將面向已知航空器迫降時的大概位置、未知航空器失事，建立失去航空器的軌跡推測模型。通常情況下，由于對失事目標的信息了解十分有限且目標自身動力學模型不同于正常工作狀態，對其軌跡預測具有很大的不確定性，因而最終航空器失事區域的預測將以空間上的概率分布形式予以呈現。

（2）失事航空器搜尋作業規劃。在航空器失事區域預測的基礎上，將相應的待搜尋區域劃分成若干個子區域，并基于不同區域的子區域自然環境和設備資源特性進行統籌調度安排。在搜尋作業過程中，前方作業傳回的信息將會影響后方搜尋作業指揮決策。鑒于此，所研發的平臺將建立失事航空器搜尋作業的動態規劃模型，基于不斷更新的搜尋作業進程信息，確定不同子搜尋子區域的搜尋次序以及開展搜尋作業時的物資、人員調度方案。

（3）民用航空器搜尋作業基礎數據管理。為可持續性地提升搜尋作業水平，所研發的平臺還將實際搜尋作業或搜尋演練中產生的相關基礎數據（如搜尋隊伍集結速度、搜尋設備資源性能等）進行存儲，并通過數據挖掘、大數據分析等途徑，為民用航空器搜尋決策提供輔助分析功能。

2 平臺架構設計

平臺架構如圖1所示。采用面向對象的方法，在VS2010環境中實現多個功能模塊。搜尋指揮員通過人機界面設置軟件運行參數，并將設置方案通過相應的交互管理模塊輸入給平臺。該平臺具有的圖形化用戶交互接口可支持用戶在其環境中進行數據管理或交互操作，如獲取民用航空器搜尋的基礎數據、開展航空器失事區域預測等。航空器失事區域預測模塊將集成實現失事航空器軌跡推測算法，根據失事航空器的對應的空氣動力學模型、下落過程受力分析以及失事前的性能參數等，預測航空器的可能墜落區域。航空器搜尋作業規劃模塊將根據歷史信息及航空事故調查專家的評估得出失事航空器的初始概率分布，利用最優搜尋理論開展搜尋設備資源調度優化，以支持航空器搜尋作業快速高效展開。航空器搜尋資源管理模塊將用于航空器搜尋過程的相關設備資源進行全面管理，動態制定運行維護方案，確保各項設備資源處于良好的工作狀態。此外，航空器搜尋基礎數據管理模塊將在實際搜尋作業或演練過程中產生的相關數據進行存儲，并基于數據挖掘和大數據分析等功能，將相關參數反饋應用于航空器失事區域預測模塊和搜尋作業規劃模塊的性能提升。

3 關鍵技術

3.1 面向不同搜尋基準的航空器失事區域預測

航空器搜尋過程中所參考的位置點、線或區域稱之為搜尋基準。航空器的失事區域預測主要面向上述三種不同的基準來進行。其中：

（1）如果已知失事航空器進行空地聯絡的最后一個位置，可基于此結合航空器性能、氣象環境等參數計算航空器的墜落軌跡，并根據此來確定航空器墜落點。該墜落點代表了航空器的最有可能存在的位置，可作為搜尋區域基點，具體的失事區域可基于該搜尋基點來推測。在基點區域內，失事航空器的墜落區域呈圓形正態分布，離所確定的搜尋基點越近，則失事航空器存在的概率越高，反之，失事航空器存在的概率就越低。基于搜尋基準點的航空器概率型失事區域預測如圖2所示。

（2）如果航空器在失蹤前位于某一條航線上的兩個位置報告點之間飛行，但無法確定失事航空器具體在哪一個位置失事，則可認為航空器在該航線上每個位置點的可能性相等。此時，可根據已知航空器導航參數、氣象參數等，以航空器所在位置報告點之間的航線作為基準，推測航空器墜落軌跡并得到一個縮小的矩形搜尋區域，作為搜尋的基線區域。在該區域內，失事航空器的位置在基線兩邊為正態分布，離搜尋基線越近，失事航空器存在的分布概率越高，反之，分布概率越低[11]。基于搜尋基準線的航空器概率型失事區域初始預測如圖3所示。

（3）如果航空器是由于繞飛惡劣天氣偏離計劃航路或空中出現故障等原因而失事，航空器最后在某一片區域失去聯系，則可基于該區域并根據航空器續航能力、墜落軌跡來確定失事區域。假設航空器航向不變，則整個下落過程近似在一個平面上，通過失事航空器的空氣動力學分析得到航空器空中漂移距離，確定航空器可能墜落區域的半徑，然后分已知航空器失事大概位置、未知航空器失事位置兩種情況分別建立航空器失事區域預測模型。基于搜尋基準區域的航空器概率型失事區域初始預測如圖4所示。

在所研發的搜尋指揮輔助決策平臺中，選取合適的基準計算航空器墜落的軌跡，得到航空器搜尋范圍，在該范圍內失事航空器的位置服從一定的概率分布，選取的基準不同，得到的搜尋區域形狀、范圍也不一樣。此外，基于搜尋作業獲得的信息，相應的航空器失事區域初始預測結果會進一步的更新，以便于搜尋指揮員做出科學決策。

3.2 考慮搜尋區域特征和設備能力的搜尋作業任務規劃

在完成民用航空器失事區域預測的前提下，需要研究如何制定搜尋任務計劃，并調度相關搜尋資源展開搜尋。民用航空器搜尋作業任務計劃的目標是在適當的時間內計算和選擇最優或次優的搜尋路線，使得在盡可能短的時間內完成相關區域的搜索，并達到最佳的搜索效果。民用航空器搜尋任務規劃需要考慮以下幾個方面的因素：（1）航空器出現在不同搜尋區域的概率不同，如何對待搜尋區域進行科學劃分，并制定搜尋相關區域的先后順序;（2）被搜尋目標在不同的區域內失事可能處于不同的事后狀態，比如，如果被搜尋的航空器失事區域位于陸地，則其殘骸會分布在某一區域內并總體上處于靜止狀態，而如果被搜尋的航空器失事區域位于海洋，則其一部分殘骸可能會隨著洋流而漂浮處于一種運動狀態;（3）基于航空器失事區域的實地環境情況，不同部門、不同專業搜尋設備能力的配置情況，調度相關設備資源協同展開搜尋作業。

在所研發的搜尋指揮輔助決策平臺中，在航空器概率型失事區域初始預測的基礎上，平臺綜合考慮搜尋資源分布和特性，提供了各搜尋單位搜尋能力評價方法，然后采用基于預測模型控制的任務規劃建模方法，將前方搜尋作業反饋結果動態集成到后續搜尋任務規劃，實現了對搜尋任務的閉環控制與規劃。

4 平臺界面及仿真應用

4.1 航空器失事區域預測

假設當一架航空器在做完某一位置報告后在航路上某處失去聯系，無法知曉航空器失事的大概位置以及具體的失事時間。應用該平臺對陸地區域內的民用航空器搜尋輔助決策進行仿真驗證。圖5為未知航空器失事大概位置情況下的失事區域預測模塊的操作界面，在該界面中輸入界面提示的失事航空器類型、型號、導航參數、性能參數及氣象參數，通過軟件后臺計算就可以得到三個搜尋區域的半徑、面積，扇形搜尋區域的坐標信息以及可能墜落區域的坐標信息。圖6為未知航空器失事大概位置情形下的失事區域預測結果。

4.2 搜尋作業任務調度

在該平臺上，繼續利用獲取的已有信息和航空器概率型失事區域的初始預測結果，其結果如圖6所示。其中，該平臺確定了四個矩形搜尋子區域，每個子區域的包含失事航空器的概率分布為0.15、0.45、0.3、0.1;如調度相關搜尋單位利用直升機開展搜尋作業，其飛行速度為240km/h，掃視寬度為1千米，可得到總的搜尋時間為10小時，其中，子區域Ⅰ應分配109.670分鐘，子區域Ⅱ應分配268.477分鐘，子區域Ⅲ應分配178.985分鐘，子區域Ⅳ應分配42.866分鐘，按照這種時間分配方案來調度搜尋資源，搜尋成功的概率最大，為0.75。

5 結論

開發了面向民用航空器搜尋作業的輔助決策指揮平臺，研究并實現了航空器失事區域預測、失事航空器搜尋作業規劃、搜尋作業基礎數據管理等功能，解決了面向不同搜尋基準的航空器失事區域預測、以及考慮搜尋區域特征和設備能力的搜尋作業任務規劃兩項關鍵技術，最后，以未知航空器失事大概位置情形下的失事區域預測為例仿真運行了所給平臺的功能。進一步應考慮：（1）對軟件進行網絡化的架構擴展設計，以支持實現搜尋管理單位、搜尋協調單位和搜尋作業部門的協同;（2）參照空中交通管制自動化系統的設計需求和理念，進一步完善軟件的人機接口設計。

參考文獻：

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作者簡介：周進（1982-），男，漢族，江蘇南通人，碩士，工程師，主要研究領域為民航安全管理、空管自動化系統。