楊克巍梁笑天郭 玙楊清清姜 江

(國(guó)防科技大學(xué)系統(tǒng)工程學(xué)院管理科學(xué)與工程系,湖南 長(zhǎng)沙 410073)

海洋工程包括海洋工作平臺(tái)、海上風(fēng)電、海底工程等不同形式,是人類開(kāi)發(fā)利用海洋資源過(guò)程中產(chǎn)生的一種特殊工程技術(shù)。隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展,海上生物、礦產(chǎn)資源、海水的開(kāi)發(fā)利用,海洋運(yùn)輸?shù)裙こ添?xiàng)目日益增多,海上活動(dòng)的規(guī)模越來(lái)越大,海難事故頻發(fā)。表1為我國(guó)2020年的海上搜救統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1],從表1可以直觀地看出,我國(guó)海上事故發(fā)生頻次不容小覷,海上搜救行動(dòng)的效能也有一定的提升空間。海上搜救是海上搜尋和救助的簡(jiǎn)稱,是以政府為主導(dǎo),協(xié)調(diào)一切力量,為海上遇險(xiǎn)人員提供搜救服務(wù)的公益性活動(dòng)?！秶?guó)際海上搜救公約》(1998年修正案)[2]中對(duì)海上搜尋和救援行動(dòng)分別做出了相關(guān)界定:“搜尋是指通常由救助協(xié)調(diào)中心或救助分中心協(xié)調(diào)的、利用現(xiàn)有的人員和設(shè)施以確定遇險(xiǎn)人員位置的行動(dòng);救助則是指拯救遇險(xiǎn)人員,為其提供初步的醫(yī)療或其他所需要的服務(wù),并將其轉(zhuǎn)移到安全地點(diǎn)的行動(dòng)?！蹦壳案鱾€(gè)國(guó)家根據(jù)各自的國(guó)情和特點(diǎn)都制定了相關(guān)海上搜救體制和流程規(guī)范。我國(guó)已成立了中國(guó)海上搜救中心及相關(guān)各省的搜救中心、分中心,具體承擔(dān)海上搜救的組織、指揮、預(yù)警、培訓(xùn)等各項(xiàng)職能,這些部門(mén)負(fù)責(zé)海上搜救行動(dòng)的響應(yīng)與決策。由于海上遇險(xiǎn)事故具有突發(fā)性強(qiáng)、情況危急、任務(wù)緊迫和水文氣象環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn),而且海上搜救過(guò)程涉及預(yù)警信息確認(rèn)、搜救資源選擇、搜尋區(qū)域確定、搜尋模式選擇等一系列問(wèn)題,單憑專家隊(duì)伍難以在短時(shí)間內(nèi)處理多源信息,快速做出科學(xué)、準(zhǔn)確的決策,因此為了提高我國(guó)海上搜救行動(dòng)的效率及成功率,研究相關(guān)決策支持方法及工具十分必要。國(guó)內(nèi)外針對(duì)海上搜尋方法與搜救決策支持系統(tǒng)開(kāi)展了很多工作,本文關(guān)注的是海上搜救領(lǐng)域整體的發(fā)展現(xiàn)狀和規(guī)劃。由于海上搜尋是海上救助的前提,也是眾多學(xué)者進(jìn)行量化建模研究的重點(diǎn),因此我們從海上搜尋規(guī)劃方法出發(fā),收集了來(lái)自中國(guó)知網(wǎng)、Web of Science等網(wǎng)站關(guān)于海上搜尋規(guī)劃方法和海上搜救決策支持系統(tǒng)的相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)其現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理與概括,最后結(jié)合新時(shí)代的特點(diǎn),給出了未來(lái)我國(guó)海上搜救決策支持領(lǐng)域的發(fā)展方向。

表1 中國(guó)2020年海上搜救統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[1]Table 1 Statistics of MSAR in China in 2020[1]

1 海上搜尋相關(guān)概念與理論

1.1 海上搜救相關(guān)問(wèn)題分類

海上搜救體系是由有關(guān)部門(mén)構(gòu)建的、集組織指揮、搜救力量、搜救手段和法規(guī)制度等要素于一體的復(fù)雜巨系統(tǒng)。其構(gòu)建目的是為了實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的海上救援環(huán)境中,為救援對(duì)象(失事飛行員、沉船船員等)提供及時(shí)、快速、有效的救援活動(dòng)。為了更加全面地了解海上搜救的現(xiàn)狀,從不同角度理解海上搜救中存在的難點(diǎn)、總結(jié)歸納應(yīng)對(duì)海上搜救問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù),本文按照指揮體系、搜救對(duì)象、沖突模式等不同的標(biāo)準(zhǔn),對(duì)海上搜救問(wèn)題進(jìn)行分類說(shuō)明,以進(jìn)行深入的研究。

1)按指揮體系分類

根據(jù)指揮體系的不同,可以將海上搜救體系分為一元化指揮體系、專業(yè)化指揮體系、和協(xié)調(diào)指揮體系等。其中:組建統(tǒng)一的海上執(zhí)法隊(duì)伍,通過(guò)中央垂直管理實(shí)現(xiàn)一元化指揮體系的國(guó)家以美國(guó)、日本、韓國(guó)、加拿大等為代表;通過(guò)構(gòu)建專門(mén)的政府或民間海上搜救協(xié)會(huì),實(shí)現(xiàn)專業(yè)化指揮體系的國(guó)家以西班牙、英國(guó)和德國(guó)等為代表;法國(guó)、澳大利亞等國(guó)家則通過(guò)建立更高級(jí)別的統(tǒng)一協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)指揮體系。我國(guó)海上搜救工作由隸屬于中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部的中國(guó)海上搜救中心統(tǒng)一協(xié)調(diào),實(shí)行部級(jí)聯(lián)席會(huì)議制度,各省橫向管理,各部門(mén)垂直管理。表2列出了海上搜救指揮體系的分類、特點(diǎn)及主要代表國(guó)家。

表2 海上搜救指揮體系分類Table 2 Classification of the command system of MSAR

2)按搜救對(duì)象分類

Frost和Stone[3]根據(jù)搜救對(duì)象的不同特點(diǎn),將海上搜救問(wèn)題分為單邊搜救和雙邊搜救兩大類(圖1)。單邊搜救中,搜救者可以選擇自己的策略,但搜救對(duì)象既不選擇策略,也不以任何方式對(duì)搜救做出反應(yīng);單邊搜救包括靜止目標(biāo)搜救和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)搜救兩類。而大多數(shù)雙邊搜救問(wèn)題涉及運(yùn)動(dòng)的搜尋對(duì)象,根據(jù)搜尋對(duì)象是否合作,可以分為合作目標(biāo)搜救和非合作目標(biāo)搜救。

圖1 海上搜救問(wèn)題分類Fig.1 Classification of MSAR

3)按沖突模式分類

根據(jù)海上搜救行動(dòng)過(guò)程中搜救環(huán)境之間的沖突是否可以調(diào)和,本文將海上搜救沖突分為兩大類:強(qiáng)沖突和弱沖突。其中,強(qiáng)沖突具有明顯的威脅和對(duì)抗因素,一般不能進(jìn)行調(diào)解;弱沖突是指在搜救合作或聯(lián)合搜救過(guò)程中搜救主體間存在的沖突,一般可以為了共同的利益,通過(guò)某種方式或手段進(jìn)行調(diào)和。表3為海上搜救沖突模式的分類、特點(diǎn)以及典型場(chǎng)景。

表3 海上搜救沖突模式分類Table 3 Classification of MSAR conflict modes

前文給出了與海上搜救問(wèn)題相關(guān)的3種典型分類,特別是結(jié)合目前海上安全態(tài)勢(shì)的不確定性,提出了沖突背景下海上搜救問(wèn)題的分類,有助于為不同類型沖突條件下搜救樣式的選擇提供有益的參考。特別地,當(dāng)面臨極端沖突時(shí)(例如戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境),如何開(kāi)展有效的搜救行動(dòng)將是未來(lái)需要關(guān)注的。

1.2 海上搜尋方法現(xiàn)狀

海上搜尋是海上救助的前提,是搜救工作中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的部分。為了避免搜尋過(guò)程的盲目性,在最短時(shí)間內(nèi)合理規(guī)劃和分配有限的搜救資源,提高搜救效率和準(zhǔn)確率,需要研究海上搜尋的基本理論和方法以進(jìn)行輔助決策。

根據(jù)2001年Frost和Stone[3]指出的搜尋領(lǐng)域研究的3個(gè)方向,本文將海上搜尋理論的研究分為3類:海上經(jīng)典搜尋理論、遇險(xiǎn)目標(biāo)的漂流預(yù)測(cè)和海上搜尋規(guī)劃方法。其中搜尋規(guī)劃方法可以分為海上搜尋行動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估、搜救資源的選擇與分配、搜尋路徑規(guī)劃等。以下重點(diǎn)介紹海上經(jīng)典搜尋理論與搜尋規(guī)劃方法的研究現(xiàn)狀。

1)經(jīng)典的海上搜尋理論

搜尋理論是海上搜救規(guī)劃的理論基礎(chǔ)。搜尋理論的數(shù)學(xué)和作戰(zhàn)研究課題源于第二次世界大戰(zhàn)期間美國(guó)對(duì)德國(guó)潛艇威脅的反應(yīng)。早期的工作是由Koopman開(kāi)創(chuàng)的[4-6],他在一系列開(kāi)創(chuàng)性的論文中概述了搜尋理論的基礎(chǔ),并闡明其內(nèi)涵:搜尋理論研究如何最有效地利用有限的資源去試圖找到一個(gè)位置不確定的對(duì)象。此外,他還提出了3個(gè)目前被廣泛使用的概念:包含概率(Probability Of Containment,POC)、發(fā)現(xiàn)概率(Probability Of Detection,POD)和成功概率(Probability Of Success,POS)。POS主要受兩個(gè)因素的影響:待搜尋區(qū)域內(nèi)包含搜尋目標(biāo)的概率以及當(dāng)假設(shè)搜尋目標(biāo)位于搜尋區(qū)域時(shí)搜尋設(shè)備探測(cè)到搜尋目標(biāo)的概率(POD),三者之間POS為POC和POD的乘積。POD作為在給定區(qū)域內(nèi)花費(fèi)的努力的函數(shù),可以通過(guò)搜尋時(shí)間、搜尋區(qū)域、軌跡長(zhǎng)度或任何其他合適的度量來(lái)衡量,對(duì)于搜尋理論的研究的重點(diǎn)在于提高POC或者POD[7-9]。之后Cooper[10]、Stone[11]、Brown[12]等學(xué)者[13-14]對(duì)搜尋理論的內(nèi)涵、搜尋目標(biāo)的探測(cè)算法、搜尋過(guò)程中資源的最優(yōu)分配等問(wèn)題進(jìn)行了更加深入的探索和改進(jìn),經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展,逐漸應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)搜救、飛機(jī)失事救援以及能源勘測(cè)等領(lǐng)域。表4列出了對(duì)搜尋理論的研究做出重要貢獻(xiàn)的專家學(xué)者及其主要貢獻(xiàn)。

表4 搜尋理論主要貢獻(xiàn)者Table 4 Main contributors to the maritime search theory

2)海上搜尋規(guī)劃方法

海上搜尋規(guī)劃方法是指導(dǎo)海上搜救實(shí)踐活動(dòng)的理論方法,主要研究如何利用搜尋理論確定最優(yōu)搜尋區(qū)域、分配搜救資源、規(guī)劃搜救路徑,使得在最短的時(shí)間內(nèi)、耗費(fèi)最少的搜救資源確定遇險(xiǎn)人員位置[15]。此外,環(huán)境的不確定性對(duì)搜救的工作也會(huì)產(chǎn)生影響[16]。自20世紀(jì)50年代美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)(United States Coast Guard,USCG)首次將搜尋理論的原則應(yīng)用于搜尋和救援規(guī)劃以來(lái),海上最優(yōu)搜尋規(guī)劃一直是海上搜救領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[17]。圖2為海上搜救決策流程圖。

圖2 海上搜救決策流程Fig.2 Flow chart of MSAR decision

在搜尋規(guī)劃問(wèn)題的研究中,美國(guó)和加拿大的研究相對(duì)比較成熟。美國(guó)國(guó)家工程院院士Stone是搜尋理論與搜尋規(guī)劃方法的集大成者。曾與Kratzke等分析研究了美國(guó)最新的搜救計(jì)劃系統(tǒng)SAROPS(Search and Rescue Optimal Planning System)中用到的搜尋規(guī)劃方法[18],并將貝葉斯方法應(yīng)用到搜尋理論與實(shí)踐中去[19-22],取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。2016年,Stone[23]分析介紹了離散、連續(xù)空間中,靜、動(dòng)態(tài)目標(biāo)搜尋問(wèn)題的基本原理及方法,并介紹了搜尋博弈問(wèn)題,這是搜尋理論與搜尋規(guī)劃方法的最新成果。加拿大國(guó)防研究發(fā)展局(Defence Research and Development Canada,DRDC)的Abi-zeid教授是加拿大新一代搜救規(guī)劃決策系統(tǒng)參與者。2001年,Abi-zeid和Frost[15]基于搜尋理論對(duì)加拿大軍隊(duì)失蹤飛機(jī)的搜尋任務(wù)進(jìn)行了規(guī)劃,并設(shè)計(jì)研發(fā)了SARPlan(Search and Rescue Plan)系統(tǒng);2011年,Abi-zeid等[24]提出了一種基于約束規(guī)劃和經(jīng)典搜尋理論的搜尋模型求解算法,用于解決多矩形搜尋區(qū)域問(wèn)題;2019年,Abi-zeid等[25]在為加拿大設(shè)計(jì)高級(jí)搜尋規(guī)劃工具(Advanced Search Planning Tool,ASPT)時(shí),提出了一個(gè)基于迭代啟發(fā)式的優(yōu)化模型,用于確?？捎盟褜べY源的最佳使用;在最優(yōu)搜尋路徑問(wèn)題求解方面,Abi-zeid團(tuán)隊(duì)使用博弈論[26-27]、約束規(guī)劃[28]等方法做出了一系列成果;其團(tuán)隊(duì)成員Michael等[29]研究了用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法解釋基于優(yōu)化的決策支持系統(tǒng)的輸出結(jié)果。此外,國(guó)外的其他學(xué)者在海上搜救船舶的位置分配[30]、戰(zhàn)場(chǎng)搜救中多智能體的行動(dòng)規(guī)劃[31]、不確定威脅下搜救的博弈模型[32]、已知搜救對(duì)象位置條件下搜救資源的最優(yōu)分配[33]、使用貝葉斯信念網(wǎng)絡(luò)(Bayesian Belief Network,BBN)方法[34]評(píng)估海上搜救行動(dòng)的可靠性方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。

我國(guó)學(xué)者中,中國(guó)大連海事大學(xué)朱玉柱等[35]將搜尋理論應(yīng)用到海上搜救決策中,針對(duì)海上搜救船舶優(yōu)選問(wèn)題提出了搜救船舶排序決策方法。此外,中國(guó)大連海事大學(xué)的學(xué)者圍繞中國(guó)海上搜救體制分析、海上最優(yōu)搜尋區(qū)域確定[36]、最優(yōu)搜尋力量的選擇和任務(wù)分配[37]、搜尋能力評(píng)價(jià)[38]以及海上搜救決策支持系統(tǒng)的建研發(fā)[39-42]等問(wèn)題進(jìn)行了研究。上海海事大學(xué)吳華鋒團(tuán)隊(duì)[43-46]研究了海上搜救過(guò)程中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用,利用相關(guān)優(yōu)化算法和數(shù)據(jù)融合的方法提高了目標(biāo)檢測(cè)與定位的準(zhǔn)確性和效率。

清華大學(xué)黃全義等[47]闡述了海洋環(huán)境安全保障平臺(tái)應(yīng)具備的功能,并分析探討了平臺(tái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建過(guò)程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,為海上搜救決策支持系統(tǒng)的建設(shè)提供了參考。國(guó)防科技大學(xué)的應(yīng)急管理智能決策團(tuán)隊(duì)是進(jìn)行海上搜救輔助決策研究的新力量。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃——海洋安全重點(diǎn)保障專項(xiàng)的牽引下,國(guó)防科技大學(xué)與北海預(yù)報(bào)中心等單位針對(duì)海上搜救智能輔助決策技術(shù)、決策支持工具的研發(fā)等內(nèi)容展開(kāi)了研究。國(guó)防科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于體系的思想,綜合運(yùn)用管理學(xué)、運(yùn)籌學(xué)、智能優(yōu)化算法等理論方法,針對(duì)海上搜尋路徑規(guī)劃[48]、搜救資源調(diào)度[49-50]、搜救方案動(dòng)態(tài)調(diào)整[51]以及搜救系統(tǒng)能力評(píng)估[52-53]等問(wèn)題展開(kāi)了研究并取得了一系列成果。

2 海上搜救決策支持系統(tǒng)

海上搜救決策支持系統(tǒng)是由海上搜救規(guī)劃工具發(fā)展而來(lái)的。海上搜救規(guī)劃工具的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段:手工方法階段、手工方法的自動(dòng)化階段以及復(fù)雜的隨機(jī)計(jì)算機(jī)模型或仿真階段[3]。手工方法是經(jīng)典搜尋規(guī)劃方法的手工計(jì)算,當(dāng)可用環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)量和分辨率顯著增加時(shí),會(huì)給搜救計(jì)劃者帶來(lái)了很大的計(jì)算負(fù)擔(dān),這促使手工方法的計(jì)算機(jī)化或自動(dòng)化版本的出現(xiàn)。第一個(gè)手工方法的自動(dòng)化版本是美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)在1970年開(kāi)發(fā)的SARP(Search and Rescue Planning Program)系統(tǒng),大大減輕了手工方法所帶來(lái)的大量計(jì)算和繪圖負(fù)擔(dān)。同時(shí),隨著20世紀(jì)80年代GIS(Geographic Information System)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,各國(guó)開(kāi)始將GIS集成到海上搜救決策支持系統(tǒng)中,如加拿大的CANSARP(Canadian Search and Rescue Program)系統(tǒng)[54]、英國(guó)的SARIS(Search and Rescue Information System)以及美國(guó)的SARMAP(Search and Rescue Mapping and Analysis Program)[55]等。自動(dòng)化工具雖然提高了計(jì)算效率,但并沒(méi)有突破手工計(jì)算理論方法層面的局限性,大量高質(zhì)量、高分辨率的環(huán)境數(shù)據(jù)沒(méi)有得到有效利用。得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,一些學(xué)者開(kāi)始嘗試使用隨機(jī)過(guò)程對(duì)搜救對(duì)象的漂移進(jìn)行建模,最廣泛使用的是Monte-Carlo方法。1972年,美國(guó)實(shí)施的第一個(gè)貝葉斯SAR(Search and Rescue)規(guī)劃系統(tǒng)CASP(Computer-Assisted Search Planning System),被公認(rèn)為是第一個(gè)真正意義上采用Monte-Carlo方法開(kāi)發(fā)的搜救規(guī)劃系統(tǒng)[56],之后各個(gè)國(guó)家開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)大都增加了采用隨機(jī)模型預(yù)測(cè)搜尋目標(biāo)漂流軌跡的功能。圖3給出了不同海上搜救規(guī)劃工具的分類及部分代表系統(tǒng)。

隨著搜尋理論和海上搜尋規(guī)劃方法的不斷進(jìn)步和發(fā)展,世界各國(guó)開(kāi)始建立智能化的海上搜救決策支持平臺(tái)。美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)2003年開(kāi)始實(shí)施、2007年投入使用的SAROPS系統(tǒng)[57]是目前美國(guó)用于海上搜救的唯一搜救計(jì)劃輔助工具,該系統(tǒng)基于GIS平臺(tái)、開(kāi)發(fā)并集成多個(gè)環(huán)境數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)品,并應(yīng)用最新的搜尋規(guī)劃方法,顯著提高了海岸警衛(wèi)隊(duì)在沿岸、大洋以及五大湖環(huán)境中的搜尋效率。21世紀(jì)初,針對(duì)失事飛機(jī)的搜尋問(wèn)題,加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)的Abi-zeid和Frost[15]研發(fā)了SARPlan系統(tǒng),該系統(tǒng)創(chuàng)造性地引入了搜救資源最優(yōu)分配算法,較大程度地提高了搜救成功率。2019年加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)開(kāi)始研發(fā)高級(jí)搜尋規(guī)劃工具ASPT,Abi-Zeid等負(fù)責(zé)該系統(tǒng)中智能搜救規(guī)劃模塊的研究,他提出了一種基于啟發(fā)式的優(yōu)化算法,該算法可以針對(duì)不同搜尋單元提供可行的、最優(yōu)或接近最優(yōu)的搜救區(qū)域和搜救模型規(guī)劃[25]。BMT 公司(1985 年由英國(guó)船舶研究協(xié)會(huì)(the UK's British Ship Research Association)和國(guó)家海事研究所(the UK's National Maritime Institute)合并而成的一家國(guó)際設(shè)計(jì)、工程、科學(xué)和風(fēng)險(xiǎn)管理咨詢公司)開(kāi)發(fā)的搜救響應(yīng)決策支持系統(tǒng)SARIS,自1996年以來(lái)一直供世界各地的搜救部門(mén)使用,該搜救軟件4.0版本是最新的版本,可以提供海上搜尋對(duì)象的漂移軌跡預(yù)測(cè)、搜尋區(qū)域確定、搜尋模式選擇以及搜救資源分配等功能[58]。2016年,意大利海岸警衛(wèi)隊(duì)開(kāi)發(fā)了海上搜救移動(dòng)端決策支持系統(tǒng)——OCEAN-SAR(OCEAN Search And Rescue),基于哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心以及地中海監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心提供的環(huán)境數(shù)據(jù)支持,構(gòu)建了Leeway模型對(duì)16種類型的遇險(xiǎn)目標(biāo)進(jìn)行漂移軌跡預(yù)測(cè),并進(jìn)一步生成搜尋計(jì)劃[59]。

為提高海上搜救通信能力,中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部先后建立了海事衛(wèi)星系統(tǒng),海上安全信息播發(fā)系統(tǒng)、數(shù)字選擇性呼叫系統(tǒng)和搜救衛(wèi)星系統(tǒng)等海上遇險(xiǎn)與安全信息系統(tǒng);并在全國(guó)沿海主要港口建立了船舶交通管理系統(tǒng)、海事電視監(jiān)控系統(tǒng)以及船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)用于監(jiān)控船舶航行信息。2014年,交通運(yùn)輸部與中國(guó)人民解放軍總裝備部聯(lián)合建設(shè)基于北斗的中國(guó)海上搜救信息系統(tǒng)示范工程,有效提升了海上動(dòng)態(tài)監(jiān)管和救助現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)信息監(jiān)測(cè)能力,實(shí)現(xiàn)了跨區(qū)域、跨部門(mén)的信息共享。從前文的分析可知,我國(guó)前期研制的系統(tǒng)更多側(cè)重于數(shù)據(jù)集成和信息共享,隨著海上搜救理論方法研究方面的進(jìn)步,我國(guó)開(kāi)始研制具有漂流預(yù)測(cè)、決策方案智能生成等功能的新一代海上搜救決策支持系統(tǒng)。國(guó)家海上搜救環(huán)境服務(wù)保障平臺(tái)(National Maritime Search And Rescue Support System,NMSARSS)是自然資源部于2016年研發(fā)的,旨在為海上搜救部門(mén)提供海上搜救漂移預(yù)測(cè)和海洋環(huán)境信息查詢服務(wù)的全國(guó)統(tǒng)一業(yè)務(wù)化平臺(tái),能夠在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算出最優(yōu)搜尋區(qū)域。海上突發(fā)事件應(yīng)急處置綜合決策支持系統(tǒng)(Marine Emergency Response Decision Support System,MERDSS)[60]是自然資源部北海局與國(guó)防科技大學(xué)等單位正在共同參與建設(shè)的新一代海上搜救決策支持系統(tǒng),該系統(tǒng)目前主要突破了大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建、智能優(yōu)化算法和運(yùn)籌規(guī)劃模型在海上搜救的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù),與NMSARSS相比,增加了漂移自動(dòng)預(yù)測(cè)、搜尋模式選擇、資源方案自動(dòng)生成和任務(wù)自主分發(fā)等功能。2019年12月,青島海事局在對(duì)“蘇泗洪貨1055”失聯(lián)船進(jìn)行搜救時(shí),使用該系統(tǒng)成功預(yù)測(cè)了失聯(lián)船的漂流位置,圓滿完成了搜救任務(wù)。圖4給出了5個(gè)主要國(guó)家的海上搜救決策支持系統(tǒng)(Maritime Search And Rescue Decision Support System,MSARDSS)的發(fā)展圖,表5對(duì)一些典型系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖4 海上搜救決策支持系統(tǒng)發(fā)展歷程Fig.4 Development of MSARDSS

從表5可以看出,最新的海上搜救系統(tǒng)大都可以提供漂移軌跡預(yù)測(cè)、搜尋區(qū)域確定、搜尋模式選擇、搜救資源分配等功能,但是這些系統(tǒng)依據(jù)的搜尋原理以及搜尋規(guī)劃方法并不相同。以漂移軌跡預(yù)測(cè)功能為例,除了使用Monte-Carlo之外,還可以使用拉格朗日法、馬爾科夫鏈等方法。由于在海上搜救領(lǐng)域,迄今為止的大部分工作都是技術(shù)報(bào)告形式的“灰色文獻(xiàn)”,可能不容易獲得,也無(wú)法通過(guò)同行評(píng)審進(jìn)行適當(dāng)審查,因此我們海上搜救決策支持系統(tǒng)的創(chuàng)新型與實(shí)用性需要在具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用中去進(jìn)行檢驗(yàn)。

表5 典型海上搜救系統(tǒng)的對(duì)比Table 5 Comparison of typical MSAR systems

3 結(jié) 語(yǔ)

本文首先通過(guò)分析給出了海上搜救相關(guān)問(wèn)題的不同分類,然后對(duì)國(guó)內(nèi)外經(jīng)典的海上搜尋理論、搜尋規(guī)劃方法以及搜救決策支持系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后將結(jié)合在本領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)研究,給出對(duì)于我國(guó)海上搜救決策支持領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一些理解和思考。

3.1 搜救模式方面

1)完善我國(guó)海上聯(lián)合搜救體制

隨著海上搜救行動(dòng)復(fù)雜性的提高,我國(guó)需要加強(qiáng)專業(yè)救助隊(duì)伍建設(shè),重視企業(yè)及民間志愿者等社會(huì)力量參與救援行動(dòng)的作用,不斷推進(jìn)“專群結(jié)合、軍地結(jié)合”的海搜救應(yīng)急協(xié)作機(jī)制。因此,需要針對(duì)軍民融合背景下海上聯(lián)合搜救模式、搜救機(jī)制、搜救體系結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、信息指揮鏈路優(yōu)化、智能搜救裝備建設(shè)與運(yùn)用等問(wèn)題展開(kāi)相關(guān)的研究。根據(jù)海上聯(lián)合搜救中存在的沖突類型及特點(diǎn),通過(guò)建立合理的海上搜救聯(lián)動(dòng)機(jī)制,推動(dòng)聯(lián)合搜救指揮組織體系化、情報(bào)信息體系化、法律法規(guī)體系化,從而提高我國(guó)海上搜救協(xié)作能力建設(shè)水平。

2)建設(shè)新一代海上搜救資源體系

搜救資源能力是海上搜救工作開(kāi)展的支撐和保障。針對(duì)我國(guó)大多以行政隸屬結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的應(yīng)急資源儲(chǔ)備布局,可以從層級(jí)單位間的協(xié)同合作視角來(lái)研究海上應(yīng)急資源的布局問(wèn)題,優(yōu)化應(yīng)急資源的選址和配置、創(chuàng)新應(yīng)急資源的儲(chǔ)備管理模式。除此之外,還需要發(fā)展研制新一代自動(dòng)化、智能化的海上搜救資源(例如無(wú)人機(jī)、無(wú)人艇等),優(yōu)化資源的配備結(jié)構(gòu),注重物聯(lián)網(wǎng)等前沿科技在應(yīng)急管理和資源建設(shè)中的應(yīng)用,研究發(fā)展有人裝備與無(wú)人裝備的協(xié)同作業(yè),構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)人-環(huán)境-任務(wù)的高效融合、并具有一定決策能力的智能海上搜救資源體系。

3.2 搜救理論、方法及工具方面

1)完善海上搜救理論

針對(duì)搜救行動(dòng)中沖突問(wèn)題的存在,尤其是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的海上搜救問(wèn)題,將對(duì)抗防御因素及沖突博弈理論應(yīng)用到海戰(zhàn)場(chǎng)搜救決策中去,在海上搜尋規(guī)劃的研究中考慮實(shí)際問(wèn)題的動(dòng)態(tài)性和不確定性,以提高搜救決策模型的實(shí)用性。

2)應(yīng)用智能化決策支持方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,探索將機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能方法應(yīng)用于海上搜救決策全鏈條中。目前海上搜救決策支持方法多集中于漂移預(yù)測(cè)模型的完善、傳感器與無(wú)人機(jī)的應(yīng)用上,缺少海上搜救資源調(diào)度和任務(wù)分發(fā)等決策模型。國(guó)防科技大學(xué)應(yīng)急管理與智能決策團(tuán)隊(duì)在將新方法、新技術(shù)應(yīng)用到海上搜救決策支持方面做出了一系列的探索,例如:將強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法應(yīng)用到多無(wú)人機(jī)協(xié)同搜尋規(guī)劃、將多視圖建模方法應(yīng)用于海戰(zhàn)場(chǎng)聯(lián)合搜救體系的設(shè)計(jì)、將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于海上聯(lián)合搜救風(fēng)險(xiǎn)的分析與評(píng)估;后續(xù)將繼續(xù)探索利用智能決策方法以及算法來(lái)制定海上搜救計(jì)劃(包括搜救單元放置數(shù)目、類型搭配的問(wèn)題、搜尋路徑規(guī)劃、搜尋子區(qū)域劃分、搜救任務(wù)的智能分發(fā)以及搜救行動(dòng)方案風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估)的可能性,從而使得智能決策技術(shù)能夠覆蓋海上搜救決策全鏈條。

3)研發(fā)海上搜救決策支持系統(tǒng)

海上搜救決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效地輔助搜救決策者針對(duì)搜救過(guò)程中結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化問(wèn)題做出科學(xué)、合理、高效的決策。前文提及的國(guó)內(nèi)外海上搜救決策支持系統(tǒng)在實(shí)際的海上搜救過(guò)程中得到了一定的應(yīng)用,但是囿于海洋環(huán)境的動(dòng)態(tài)性、復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性等特點(diǎn),相關(guān)的模型算法仍然有很大的提升和改進(jìn)空間;此外,隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,新的技術(shù)架構(gòu)層出不窮,為提高和改善決策支持系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、可擴(kuò)展性提供了更多可能性。利用新的技術(shù)架構(gòu)研發(fā)海上搜救決策支持系統(tǒng)、集成核心決策方法模型、提高多源信息融合處理技術(shù)水平,研發(fā)海上搜救行動(dòng)的模擬推演系統(tǒng)等實(shí)用工具是未來(lái)提高我國(guó)海上搜救能力的重要發(fā)展方向。