水上多元救助力量協同調度系統總體研究

金浩 ，張英香，王吉武，宋煊懿，胡敏瑞，范壯，金晶

(1.中國船舶集團有限公司第七一四研究所，北京 100101；2.中國中小企業發展促進中心，北京 100082；3.大連船舶集團有限公司，遼寧 大連 116005；4.山東蓬渤安全環保服務有限公司，山東 煙臺 265600)

0 引言

近些年隨著國家戰略的部署，我國的水上活動越來越頻繁，水上突發事件數量較多，且時有發生重特大事故，因此水上多元救助力量技術的需求日益提升。

從“東方之星”輪傾覆、重慶公交墜江等事故救援經驗來看，水上突發事件的風險增加，水上多元救助力量技術的需求日益提升。近海水上應急事件時有發生，據不完全統計，我國某河流每年發生水上突發事件高達70 起左右，約5 000 余人遇險。我國的應急救援任務非常繁重，應急指揮和協同調度系統建設非常重要，時間緊迫，任務艱巨，且需要長期性[1]。

水上突發事故不僅容易造成財產損失，嚴重情況下還會危害群眾生命，社會影響極大，有些突發事件持續時間長，危害空間廣，處理復雜，需要調動和協調多個有關部門和單位[2]。要有效的處置應對，則必須建立結構化的協同調度系統，才能做到及時防范，快速響應[3]。

近些年來，如何進行突發事件的指揮調度問題在我國引起了廣泛關注。相關學者做過很多研究，劉丹等[4]針對我國的國情，運用組織理論，提出了一種應急指揮組織結構，包括各級政府應急部門、現場指揮部和會商小組，并結合三峽防洪應急指揮組織對其進行分析。張強等[5]主要研究了突發事件現場應急指揮系統軟件的設計，對比分析美日突發事件應急指揮體系，對武漢應急指揮體系提出了改進建議。吳杰[6]使用鏈接圖法建立救援航行的空間模型,并在建立的模型基礎上規劃路徑，使得搜索時間短、訪問節點次數少。

國外從很久之前就已開始研究突發事件如何進行應急指揮。美國有專門的應急指揮系統，它是國家應急系統的核心，能在突發事件發生時使各級組織運行效率變高[7]。但其應急指揮系統也曾受到相關學者的質疑，因此研究應急指揮系統在不同緊急情況下如何應用很有必要[8]。德國的應急指揮系統由政府部門、軍隊、警察等組成[9]。

水上應急救援任務涉及來自不同部門、擁有不同資源的人員及裝備來完成，只有基于“協同”思想才能最大限度地發揮一線救援人員的智慧和主動性[10]。大數據技術、融合視頻監控技術、人工智能技術、5G 傳輸技術等的發展，為我國水上突發事件的應對指揮提供了技術基礎。本文聚焦我國水上突發事件應對需求，探討基于智慧協同救援理念和內容，分析水上多元救助力量協同調度系統的基本概念、能力需求、功能組成和關鍵技術。

1 水上多元救助力量協同調度系統的概念

水上多元救助力量協同調度系統的作用是在應急響應期間，建立臨時機構，以“多元”架構下的智能應急救助為目標，在參照相應的應急管理制度、應急預案要求的基礎上，結合救援的實際情況，并且遵從指揮關系和調度原則，對各方面的救助力量進行綜合協調，對水上突發事件進行應急處理的活動。

水上多元救助力量協同調度系統是以水上搜救技術為核心，以大數據技術、人工智能技術等為支撐的水上突發事件應急救援指揮系統，作為工具對水上應急預案進發布實施，可以進行日常的應急管理、事故預測、信息交換共享，以及動態生成指揮救援方案，其主要內容包括4 個方面：

1.1 確定水上突發事件類型及性質

水上突發事件通常由于天災或者人禍等原因導致，可通過2 種形式來發現水上發生突發事件：一是事件現場人員利用事件發生現場的各種救援設備發射求救信號；二是由巡邏船、漁民等第三方報告。無論哪種形式，必須首先獲取水上突發事件的基本信息，突發事件發生與否、事件發生的確切坐標位置、突發事件的對象等。

水上突發事件根據原因可分為人為突發事件、自然災害突發事件和混合突發事件，按照其后果影響大小，從高到低依次分為特大、重大、較大、一般4 級[11]。

1.2 基于大數據技術的應急救援預案生成

在收到水上突發事件已經發生的消息后，必須立刻估計事態會如何發展，通過分析突發事件引起的事故情況、發生地點和原因等相關信息，第一時間形成現場態勢圖，并基于歷史數據庫和實時天氣、水文、應急救援力量配備等情況形成應急預案，明確救援路線、人員、方法、裝備等。

1.3 應急救援智能決策支撐

1）地理空間環境分析。近年來，通信、導航、傳感、人工智能等新科技發展迅速，可以對水上突發事件現場的環境信息空間進行搜索分析，具備提取環境的敏感特征參數、分析路徑、測算空間距離等功能，促進應急救援決策向智能化發展。

2）戰術層次智能任務規劃和行動管理。依據水上突發事件應急救援的特點，進行應急準備、水上救助基地規劃管理、救助目標與對象分析、應急救援仿真模擬、救援現場監測與預警等。

3）救援行動實時支持。包括救援路徑、行動方案優化、實時地理環境分析與目標識別等。

1.4 救援現場的任務協同和調度

水上應急救援行動呈現立體化、多方位的趨勢，涉及多救援主體、多類型救援裝備、多目標救援場景等，各類型救援人員和救援裝備擔負起專門的救援任務，從而形成救援協作網絡。各主體之間協作的程度將直接影響應急救援的整體效能，制約這些任務執行的條件包括信息交換、任務間依賴性以及施救主體的決策和行為等。平臺應為同時開展救援工作的各個參與主體提供動態的施救策略、資源調配和任務節制。調度方案的生成依賴于實時的基礎數據采集、施救作業條件監測、各個子任務執行進程、意料之外的阻礙等因素，整個過程形成感知-決策-執行-反饋的閉環。

2 水上多元救助力量協同調度系統的需求分析

2.1 功能性需求分析

2.1.1 能力需求

水上應急救援是在水上發生突發事件時采取的一系列救援行動，需要及時準確地掌握突發事件的情況，掌握事件發生的地點、性質和危害程度，收集到的信息要準確，采取行動的目標明確并且迅速。水上應急救援應具備應急準備能力、實時分析能力、推測示警能力、多元救援力量協同調度指揮能力等。

2.1.2 協同應急組織需求

水上突發事件的發展趨勢、嚴重程度很難根據現實情況預測準確，并且可能會有次生事件發生。由于這些不確定性，需要進行應急救援的組織具有更為復雜化、動態化的特點，才能使應急救援更為高效。

2.1.3 應急聯動指揮體系需求

當水上突發事件發生時，應急聯動指揮體系能夠依據事件發生特點的不同自動匹配應急預案，提供相應的應急措施，做好資源分配。

2.1.4 數字化預案管理體系需求

數字化預案管理體系含有專家庫和預案庫。專家庫內應包括突發事件相關聯絡負責人的信息，預案庫內應包括不同類型事件預案的相關參數并進行分級分類。數字化預案管理體系應做到當突發事件發生時可以通過預案庫對比匹配最優預案，并且救援結束后可以進行總結分析，對預案進行評價修正。

2.1.5 輔助決策分析體系需求

輔助決策分析體系的作用是作為分析工具幫助指揮人員了解水上突發事件現場情況，更好地為指揮人員作出準確判斷，為決策分析提供保障，也因此輔助決策分析需要大量數據資源接入作為數據基礎。

2.2 非功能性需求

系統數據需要有準確性，系統在穩定運行的前提下能夠快速響應，盡量操作方便，可以靈活修改等。

3 水上多元救助力量協同調度系統總體設計

3.1 多元救助力量協同調度系統總體架構

系統按照模塊化設計，將應急救援的各作業模塊集成于統一框架下。數據探測層利用傳感器實現對事故現場環境信息、氣象水文信息、態勢信息等的探測，利用現場的有線和無線網絡進行通信，傳輸和接收各類救援信息。借助多元系統的數據共享結構、數據表示和存儲方法及數據提取與分發等多元數據系統技術，對各類目標位置信息、環境狀態信息等海量大數據進行存儲和標準檢驗，利用各數據中心實現對現場數據的分析和實時處理，為決策系統提供相關信息和情報。

應急救援部門根據事件發生現場的實時狀態信息和相關領域的技術信息，利用專家系統、數字化預案管理體系、標準和裝備庫體系等，采用多任務協同技術，給出準確可靠的救援作業方案，完成險情預警、救援決策、行動規劃，實現對多元救助力量的的協同調度。圖1 為以應急決策系統為主的復雜水上多元救助力量協同調度系統架構模型。

圖1 多元救助力量協同調度系統架構模型Fig.1 Multi-relief assistance capacity collaborative dispatching system architecture model

3.2 多元救助力量協同調度系統協同規劃設計

多元救助力量協同調度一般由地理、職能分散的多個部門參與，需要這些部門的協作規劃。各部救援力量擔負專門的任務。在整個過程中，根據不同應急方案行動之間的關系，通過協調機制對協作過程進行分析調整。如果協調無效，各部門的信息交互將會發生混亂，導致協調結果難以確定，最終方案調整失敗。

本文研究多元救助力量協同調度系統任務規劃框架作業中路徑任務規劃算法，其中協作任務規劃框架使規劃過程與協調過程交替展開，提升整體方案的生成效率，即在本地方案規劃的過程中，只要生成一個子行動，就開展與其他部門的協調，協作任務規劃可以使當資源發生沖突時也能保證其協同使用。

圖2 為多元救助力量協同調度方案智能生成與評估的實現原理。

圖2 多元救助力量協同調度方案智能生成與評估的實現原理Fig.2 The realization principle of the intelligent generation and evaluation of the coordinated scheduling scheme of multiple rescue assistance

3.3 信息流程設計

多元救助力量協同調度系統需要大量的數據作為支撐，有來自船舶及航行器的羅盤、GPS 等設備的信息；利用傳感器測得的氣象、風速、水的流速等環境信息；救援船和水下救援作業人員的航速、航跡、航向等信息；被救援人員位置、數量和狀態信息；雷達探測到的視頻圖像數據、聲吶探測圖像等信息。

圖3 為多元救助力量協同調度系統的信息流程。

圖3 多元救助力量協同調度系統的信息流程圖Fig.3 The information flow chart of the coordinated dispatch system for multiple rescue assistance

3.4 數據交換平臺設計

圖4 為數據交換系統的體系結構。數據交換系統主要做到以下幾個方面：首先各個系統要將需要共享的數據根據要求生成統一的XML 文件。每個業務系統都有自己的應用程序，具按照自身業務系統的數據特點開發，生成XML 文件時必須按照共同的數據標準規范。然后將XML 文件傳到數據交換平臺，主要是通過數據采集接口模塊來進行。經過這一系列的轉換傳輸操作，在數據交換平臺中，所有的系統都可以查詢所需數據，達到數據共享的目的。

圖4 數據交換系統架構Fig.4 Data exchange system architecture

數據交換平臺主要包括3 個部分：原始數據池、核心處理模塊、中間數據庫。平臺的主要任務是將各業務系統需要共享的XML 數據文件進行轉換并存儲。

1）原始數據池

它處在數據交換和存儲模塊最前方的位置，主要作用是將通過數據采集接口模塊收集到的共享數據按照各業務系統進行分門別類的存放，數據形式為XML 文件。

2）核心處理模塊

主要有2 種作用：首先將存儲在原始數據池中的XML 文件存放入中間數據庫中，這些數據文件需要按照規定的數據結構進行存儲；其次將中間數據庫中的共享數據傳出給用戶，這些共享數據在其中被處理成XML 文件。因此，核心處理模塊的功能是進行數據處理和轉換并進行數據傳輸。

3）中間數據庫

由核心處理模塊處理后的數據存儲在中間數據庫中，即需要共享的數據被集中存放在此。

利用數據交換平臺的數據處理和存儲功能，各個系統不需要改變自身的數據庫結構，只需要將共享數據轉換成XML 文件等通用的格式，用戶就可以查詢到這些數據，這樣各系統仍然對自身的數據享有控制權。

3.5 最佳救援作業路線設計

使用人工智能算法（A*算法）進行水下最佳救援作業路線設計。A*算法作為尋路算法比較常用和經典，它的主要方法是從開始點向四處發散，不斷逼近目標節點，最終可以得到一條路徑，或者得到不可以到達目的的結論。

1）救援決策方案尋優方法在事故救援現場事態緊急、救援作業難度不一、作業人員和設備眾多的情況下，系統方案的初始作業幅度AC0已充分考慮了救援規則的要求。因此，如果AC0對應的初始作業時機T s(AC0)≥0，則以初始T s(AC0)，AC0和Tr(AC0)作為最佳救援作業路線實施方案；如果AC0對應的T s(AC0)<0，則令T s(AC)=0，并根據作業幅度量化模型重新解算AC0和Tr(AC)，顯然，立即避讓AC和Tr(AC)就是對應的最優作業決策實施方案。

對于某些救援作業態勢特定的情況，在滿足安全的前提條件下，以作業決策實施后的作業時間最小為經濟指標，建立動態決策優化目標函數為：

式中：N=(Tln?T s)/ΔT，△T為搜索步長；A為作業人員在尋優搜索空間T∈{Ts，Tln}內的行為集；S為狀態集；V0為本船的航速。根據搜索步長可以得出相應的Tsk，然后根據Tsk可以算出相應的ACk；根據ACk可以解算所有搜索目標船結束時機Tr(ACk)，式中的Trk(ACk)是它們的最大值，u?就是J(s)極小情況下對應的最優決策。

2）救援決策方案校驗方法

校驗最佳救援作業路線構成的安全路線帶上是否存在水面或水下礙航物，若不存在，則原作業決策方案可行，輸出由T s(AC)，AC和Tr(AC)構成的最佳作業決策實施方案；若存在，則需要修改原作業決策方案，直至通過方案驗證。

4 水上多元救助力量協同調度系統關鍵技術

4.1 多元探測傳感器信息綜合處理技術

多元救助力量協同調度系統配備的傳感器有GPS、流速傳感器、羅盤、溫度傳感器以及聲吶等。各傳感器的信息通過數據管理模塊進入到LAN，再通過LAN接口進入其中央處理、顯示模塊。系統內部的交互數據主要包括設計水下航行器路線、海圖數據及報警信息等。為了確保救援作業的安全，不僅需要對傳感器進行冗余配備，而且要通過數據管理模塊對傳感器的數據進行綜合優化，以提高信息的精度和可信度。

數據處理的工作過程是：數據信息幀有效性檢查（信號異常識別）；數據合理性檢查；信息幀完好和一致性檢測，包括統一數制和量綱、時間歸一化和坐標歸一化處理；多個位置的傳感器測量的數據進行集成處理；針對完好可信的測量數據，再進一步采用自適應Kalman 濾波，求解出精度更高的、一致可信的位置、航向、速度、流速、流向和航跡向等參數，使救援作業獲取更加精確可靠的信息，為救援作業給予支持。

4.2 多元救助力量協同調度專家系統

近些年來人工智能應用到生活中方方面面，給人類提供了方便，發展迅速，因此專家系統作為該領域的分支被應用到多元救助力量協同調度系統中。多元救助力量協同調度專家系統運用計算機、現代控制、信息融合處理、虛擬現實和水動力學等技術將探測、操縱、作業、通信和控制等設備進行有機聯合起來，建立集決策參數輸入、決策推理、決策結果展示以及仿真的整套系統，并借助于水面遙控和水下自動控制來完成決策的實現。

系統開發結合交通控制理論、人工智能算法，以及計算機軟件技術等多個學科，其目的在于通過救援作業專家數據庫、結合推理機為應急救援人員提供出合理的作業決策支持。

4.3 多元系統異構數據共享技術

大多數現有救援系統之間的一體化程度和數據共享水平普遍不高，為了滿足日益增長的數據共享需求，提高多元救助力量協同調度系統的智能化水平和作業效率，構建數據共享環境是達成這一目標的有效方法。異構數據庫中包含一系列的數據庫，不同的數據庫可以在這些數據庫之間交換軟硬件和數據資源，保持各自的應用特性和安全性等。

4.4 多元智能規劃技術

多元救助力量協同調度是一個涉及多部門的協作任務規劃問題，通常需要多個部門參與，由于全局信息共享較為困難，局部應急態勢均不相同，因此各參與部門不僅需要規劃自身的應急任務，還需要協調所有部門任務規劃方案。作為人工智能研究領域其中一個關鍵的研究內容，智能規劃成為全世界相關專家學者的研究熱門，并且在實踐中得到廣泛應用。智能規劃包含很多種技術，層次任務網絡（Hierarchical task network,HTN）是眾多智能規劃技術中的一種，主要結合領域知識，將開始時比較抽象復雜的任務逐步分解，使其變小，直到只需執行規劃動作就能夠使任務完成為止。這種HTN 方法與領域專家求解規劃問題的思考方式類似。在實際規劃問題中，客觀世界作為一個確定性模型而存在，并且切合確定性假設和完全可觀性假設，因而規劃執行時系統狀態的演化過程與規劃時預測的系統狀態變化過程相一致，保證規劃解的正確性。

5 結語

本文主要針對水上應急救援多元力量調度系統需求，研究水上多元救助力量協同調度系統的概念，分析水上多元救助力量協同調度系統的能力需求，提出多元應急救助力量協同調度系統的總體設計。對多元救助力量協同調度系統關鍵技術?多元探測傳感器信息綜合處理技術、多元救助力量協同調度專家系統、多元系統異構數據共享技術、多元智能規劃技術進行分析。

未來的發展趨勢為：通過利用網絡技術和數據共享技術實現在同一框架下多元救助力量協同調度，創新協同調度模式，把現場指揮部作為水上應急救援多元力量調度系統的核心，將應急救援作業過程中的任務細分，使現場應急指揮組織配置模式協作化、模塊化，確保各項資源的充分高效利用，滿足應急救援作業不斷深入的系統化、智能化、動態化、靈活化要求。