面向海上搜救任務的直升機性能參數分析方法

陳子坤，張潤澤，建志旭，田永亮

(1.中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001；2.北京航空航天大學，北京 100083)

0 引言

2018年，應急管理部正式成立，我國加快了國家應急救援體系的建設。航空應急救援體系作為其中的一個重要組成部分，受到越來越高的關注。其實我國的航空應急救援問題早在2008年汶川大地震之后就開始進入公眾視野。2009年，27位院士聯名發表的《關于建設國家航空應急救援體系的建議》提到：我國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，但目前我國的航空應急救援能力嚴重不足，其中又以直升機問題最為嚴重。

近十年來，我國的綜合國力快速提升，經濟活動也進入了快速發展階段，但隨之帶來的突發險情也越來越多，險情的影響也越來越顯著。因此，為了保障這些經濟活動的安全進行，需要加快航空應急救援體系的建設。直升機在應急救援工作中發揮著重要作用，例如海上搜救、地震救援、森林滅火等。這些情況的救援活動對于普通交通工具來說需要付出很高的代價才能完成，包括時間代價、人力代價和金錢代價。

針對航空應急救援，直升機設計部門需要充分了解應急救援領域的現狀以及發展趨勢，并在研制初期有效識別救援型直升機的使用需求。劉虎等將這種設計思路定義為面向運行的設計(Design for Operation, DfO)，如圖1所示。

圖1 面向運行的直升機設計

航空應急救援領域的運行主要指的是搜尋和救援過程，但二者不一定同時出現。例如，對于地震救援、森林滅火等應急任務，其目標位置通常是確定的或者可以定位的，因此主要關注其救援過程。但對于海上搜救任務來說，由于落水物體會受表面風場和流場的作用發生隨機漂移，當直升機到達現場后遇險目標位置通常難以確定。同時，海上氣象、水文條件通常比較復雜，因此海上搜尋與救助過程均具有一定的復雜性。

本文針對直升機海上搜救問題，通過建立面向運行的性能參數分析模型，研究了直升機性能參數與任務效能之間的相關關系。該模型的核心過程包括基于離散事件系統(DEVS)的直升機海上搜救任務流程，以及基于網絡分析法(ANP)的海上搜救任務評估。直升機的性能參數和任務效能是模型的輸入與輸出。前者與任務流程直接關聯，后者與任務評估直接關聯，以此建立了二者的關系。在此基礎上，可以根據直升機性能參數與總體參數之間的關系，分析總體參數的合理范圍。因此，對具有不同任務性能的直升機，進行大量海上搜救任務過程的仿真分析，進而結合系統工程的組織管理思想對海上搜救型直升機的設計需求進行識別，面向直升機的全生命周期開展總體設計工作。

1 海上搜救型直升機性能參數識別模型

張呈林在《直升機總體設計》中的定義：直升機總體參數主要包括直升機總重、槳盤載荷、功率載荷、旋翼實度和槳尖速度；直升機性能參數主要包括懸停升限、垂直爬升速度、實用升限、最大爬升速度、最小自轉下滑速度、最大續航時間、最大航程和最大飛行速度。總體參數可選范圍的縮小對于直升機總體設計部門具有重要意義，它可以指導直升機各分系統的需求分析以及詳細設計。但是，實際使用部門通常關注直升機性能參數，它們直接影響任務是否能夠成功。因此，針對海上搜救型直升機的DfO，需要通過對實際任務進行分析及評估，進而分析直升機性能參數與評估結果之間的影響。因此，面向海上搜救任務的直升機的設計，是通過直升機性能參數建立起總體參數與任務效能之間的關系，從而通過敏度分析結果開展海上搜救型直升機的總體設計或者在原有直升機平臺上發展演進型號。其總體思路如圖2所示。

圖2 海上搜救型直升機性能參數分析模型

1.1 直升機海上搜救任務流程

海上搜救過程具有很多的不確定性，而且針對不同突發事件，該過程的差別很大，因此很難采取純數學的方法對其進行分析。根據實際海上搜救流程可知，直升機機組人員會在任務過程中的各個環節，按照關鍵決策點來開展下一步的搜救行動。由Zeigler提出的離散事件系統(DEVS)方法論可以用來分析該類問題，并將直升機海上搜救過程用“事件-活動-事件”的元模型來表示。因此，直升機海上搜救任務流程可以表示為如圖3所示的形式。其中，A表示流程中的主要活動，E表示流程中的事件，而菱形表示關鍵決策點。其具體描述如表1所示。

圖3 基于DEVS的直升機海上搜救任務流程

表 1 直升機海上搜救流程中的事件與活動

通過對任務流程中離散“事件-活動”流程的分析可知，根據事件和活動的相互關系的緊密程度，可以將以上任務模型劃分成6個主要階段，即A信息接收階段、A決策階段、A導航階段、A搜尋階段、A救援階段、A后送階段。進而根據DEVS原子模型和耦合模型的理論，得到直升機海上搜救任務流程的簡化模型，如圖 4所示。

圖4 直升機海上搜救任務簡化流程

由此可以看出，直升機海上搜救的主要過程包含3個階段。第1個階段是信息接收階段。該階段需要獲取并篩選大量的有用信息：對于遇險船舶需要獲取其遇險位置、遇險時間、遇險人數、當前風場和流場等信息；對于直升機需要獲取其基地位置、搜救性能等信息。第2個階段是處置決策階段。該階段需要根據已掌握的有用信息，確定遇險船舶的漂移軌跡及范圍，并劃定任務區域，然后制定出相應的處置方案。第3個階段是任務執行階段。該階段由最適合執行任務的直升機按照處置方案執行海上搜救任務。任務執行階段占據直升機海上搜救任務的絕大部分，而且是不確定性因素主要影響的階段，因此是本文重點研究的部分。由于A和A為直升機往返基地與任務區域的過程，一般以固定高度和巡航速度進行運動，因此為方便后續評估指標體系的建立，可以將它們合并稱為運輸階段。

1.2 直升機海上搜救任務評估

海上搜救屬于突發事件應急響應的范疇，其效能可以定義為：一種評價海上搜救力量所能達到某一特定海上搜救任務要求的度量，即在海上突發事件處置過程中，搜救力量根據不同處置方案采取相應的行動，該行動的結果能夠達到相應海上搜救任務要求的程度。在本文中討論直升機性能參數與任務效能時，采用控制變量法的思想將處置方案進行固定。

對于直升機海上搜救效能的評估，從本質上來說是一個多指標綜合評估問題，構建合理的指標體系是對其進行科學評價的重要前提。根據相關研究可知，指標體系的建立需要重點考慮安全性與任務效能2個方面。例如GuoChuanfu等提出主要的評估標準包括：遇險單位的安全性、搜救單位的安全性、搜尋效能、救助效能和時間成本等5個方面。根據簡化的任務流程可知，運輸階段的效能還未單獨考慮。因此，將時間成本指標調整為運輸效能指標，可以盡可能降低評估準則之間的耦合程度，有利于更準確地提出海上搜救任務的評估指標。

表2 標準與指標之間的對應關系

圖5 海上搜救任務的評估指標體系

評估目標的不同將導致指標體系結構形式的不同，主要有兩種形式：層次型和網絡型，對應于采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)和網絡分析法(Analytic Network Process, ANP)。但是，直升機海上搜救任務的評估指標之間會產生相互影響，而且指標之間并不是相互獨立的。通過對比AHP方法和ANP方法可知，后者更適合用于確定海上搜救任務評估指標的權重。一個ANP評估模型分為兩部分：第一部分是評估目標層和評估準則層為基本元素構成的控制層部分，并且各個準則之間被認為是相互獨立的，不受其他準則的影響，只是受到評估目標的支配；第二部分是網絡層，它主要由控制層中準則層的指標元素組成，形成了基于準則層的多個指標組，并且各個指標之間存在相互影響的作用。其形式如圖6所示。

圖6 網絡型指標體系

1.3 總體參數與性能參數之間的關系

在進行直升機總體設計時，其中最為重要的一步就是根據直升機的性能參數來分析總體參數的要求，從而在直升機的總體設計階段論證實際任務對總體參數的主要需求。在進行這項分析工作時，需要充分分析二者的相互影響關系。對于海上搜救任務來說，影響任務效果的直升機主要性能參數是最大航程和最大飛行速度。

最大航程的大小與需用功率曲線中的最有利狀態有關，其相互關系如式(1)所示。

(1)

因此，可以根據最大航程來初步確定直升機燃油效率、單位需用功率等參數的關系。

隨著飛行速度的增加，單位需用功率不斷增加，當達到某一飛行速度時，發動機可用功率等于需用功率，這個飛行速度就是直升機的最大飛行速度，其表達式如式(2)所示。

(2)

由此可知，全機單位廢阻越小，單位型阻功率越低，發動機單位可用功率越高，都有利于提高最大飛行速度。此外，氣流分離和局部激波也會對最大飛行速度產生影響，主要與槳尖速度和槳葉載荷有關，槳尖速度越大，槳葉載荷越小，則可達到的最大飛行速度也越大。

2 直升機任務性能分析系統

2.1 系統組成

在以往的研究工作中，已經建立了直升機海上搜救處置決策支持系統。其主要的作用是根據已有直升機的性能參數以及任務要求來制定海上突發事件的處置方案，并且根據海上搜救流程包含大量不確定性因素的特殊性，對不同的處置方案進行Monte Carlo大樣本仿真，通過對比不同處置方案的仿真評估效能篩選最優處置方案。

可以看出，該決策支持系統的主要評估目標是處置方案。但根據控制變量法的思想，若選定某一處置方案而改變所使用的直升機，即輸入不同的直升機性能參數，那么任務評估結果就會隨直升機的不同而改變。這種分析思路可以用于討論直升機的性能參數與其任務效果之間的關系。因此，本文按照這種思路建立了海上搜救型直升機性能分析系統，能夠面向不同類型的海上搜救任務，分析最適用于當前任務的優選機型。并且能夠根據多種機型的仿真評估結果，分析與當前任務相關性最大的性能參數，從而指導直升機的總體設計。其總體結構如圖7所示。

圖7 海上搜救型直升機性能分析系統

需要說明的是，在實際救助任務中決策人員主要關注任務成功率(probability of success, POS)和任務時間，與此同時決策支持系統考慮了海上搜救任務的規劃過程和執行過程，因此需要對應考慮規劃POS值和實際POS值。系統最終輸出的任務效能是對評估指標體系中各指標仿真結果的綜合，相當于為決策人員提供整體的信息。

2.2 海上搜救型直升機任務性能參數

不同型號直升機的任務性能參數如表3所示。

表3 海上搜救型直升機主要性能參數

根據直升機海上搜救任務流程可知，其飛行過程可以分為3個階段，即從基地飛往任務區域，在任務區域搜尋救助和從任務區域返回基地。根據交通運輸部下屬4個救助飛行隊的統一規定，在海上搜救任務區域內，搜尋速度和搜尋高度均有統一要求，即采用速度111km/h、高度60m執行搜尋任務，且均為目視搜尋。根據《國際航空和海上搜尋救助手冊》中的規定，相應的掃視寬度為0.2km。與此同時，出于時效性的考慮，直升機從接到報警到起飛執行任務的時間必須在45min以內。因此，相同級別直升機在海上搜救任務過程中的主要區別是巡航速度和最大航時。

2.3 海上搜救任務仿真結果分析

為了對比不同機型的處置效果，本節以2020年6月21日的一起實際海上搜救任務為例，分析不同機型的海上搜救任務效能。搜救目標的基本信息如表4所示。在單機單架次搜尋中，任務區域是其中最為重要的部分，因此在不同機型的處置方案中保證出航路線和返航路線相同，并且由不同的可用任務時間計算當前狀態下最優的任務區域。使用直升機任務性能分析系統生成了各型號直升機的處置方案，并對其進行Monte Carlo大樣本仿真推演。統計了任務數據并預估了處置效果。主要的仿真結果如表5所示。

表4 搜救目標的基本信息

表5 仿真結果統計

可以看出，各型號直升機處置效果的綜合評分普遍偏低。這是因為搜救目標的遇險時間為6月21日16:00，而險情接收時間是6月22日7:00，期間相差15個小時，處置效果相比遇險后馬上出動的情況自然會降低，這也符合客觀事實。將仿真結果數據按照直升機的性能數據分別進行對比，如圖8-圖 10所示。其數據間的相關關系如表 6所示。

表6 性能數據與仿真結果的相關性

圖8 最大起飛重量與仿真結果的關系

圖9 巡航速度與仿真結果的關系

圖10 續航時間與仿真結果的關系

根據相關性分析的基本理論定義可知，分析結果的符號決定了數據之間相關關系，即符號為正的話為正相關，符號為負的話為負相關。當分析結果的絕對值大于0.5時，可認為兩組數據之間具有一定的相關性，而且絕對值越接近1則相關性越強。根據上述分析結果能夠看出，最大起飛重量與綜合評分呈負相關關系，而巡航速度與綜合評分呈正相關關系。所以對于此任務來說選擇起飛重量較小、巡航速度較大的機型，可以得到更好的效果。續航時間與規劃POS值和實際POS值呈現明顯的正相關關系，這與任務區域規劃算法和處置方案仿真中的探測模型有關。同時續航時間與任務時間也呈現出一定的正相關關系。

因此，通過對不同型號直升機進行海上搜救任務仿真分析，可以從中優選出適合執行相關海上搜救任務的直升機機型；同時還能夠對直升機任務性能與搜救效能的相關關系進行分析，從而指導海上搜救型直升機的總體設計以及改進措施。與此同時，還可以根據正交試驗隨機組合任務性能參數，通過多任務的仿真分析縮小直升機的總體設計參數空間，以達到多任務優化的目的。這兩項研究內容將在今后的研究工作中依托本文研究成果繼續開展。

3 結論

本文面向海上搜救任務建立了一套直升機性能參數分析方法，能夠根據海上搜救任務的實際流程，分析對任務效能影響最大的性能參數。在此基礎上，據總體參數與性能參數之間的關系，在新型直升機的需求論證階段對其設計要求進行充分分析，從而輔助總體設計的順利開展。