基于Agent的直升机海上救助任务仿真与效能评估.pdf

第 卷第 期计算机应用与软件 年 月 基于 的直升机海上救助任务仿真与效能评估姜涛王睿李雅婧蔡子诺（河南大学人工智能学院河南 开封 ）（上海宇航系统工程研究所上海 ）（上海交通大学上海 ）收稿日期：。姜涛，高工，主研领域：指挥控制与计算机仿真。王睿，助工。李雅婧，工程师。蔡子诺，博士生。摘要直升机是常用的海上救助力量之一，通常在实际救助行动开展前，需要对救助任务进行预先仿真推演及效能评估，这能够有效提升救助效率与成功率。该文面向该任务场景，开展任务流程与建模需求分析，基于 构建直升机海上救助任务仿真模型；同时基于对各方面专家的调研，从指标体系构建、指标获取及处理、指标权重计算等方面构建救助任务效能评估模型；基于仿真数据开展救助任务效能综合评估，从而有效支撑直升机海上救助决策过程。关键词海上救助直升机 任务仿真效能评估中图分类号 文献标志码 ：（，）（，）（，），引言我国拥有 万平方公里的海洋国土面积和长达 多公里的海岸线，辽阔的海域与丰富的海洋资源推动物资运输、资源开采等海事活动频繁开展。在海洋经济繁荣发展的同时，大量的海上突发事件也随之而产生，给国家和人民带来巨大损失。直升机是海上险情救助过程中常用救助力量，特别是在特大海上险情救助任务中，直升机多机多架次救助模式是最可靠且有效的救助模式之一。在实际救助任务执行前，采用仿真手段对救助过程进行预推演，能够协助指挥决策人员掌握救助全程情况、了解预计救助效果，有效提升指挥决策效率与应急处置成功率。当前的海上搜 计算机应用与软件 年集任务仿真大多局限于单一搜救设备或单次搜救任务，缺少对复杂救援任务的研究。本文面向特大海上险情特点，针对直升机多机多架次救助任务模式，分析典型救助任务流程以及任务参与主体，进而提取建模需求。采用基于 的建模与仿真方法，从状态参数定义和行为决策过程等方面开展分层 细化建模。基于建模需求分析，构建细化的任务仿真模型，实现对直升机救助任务过程的仿真推演。同时，从任务执行过程安全性和任务执行效率两方面出发，构建直升机救助任务效能评估指标体系和评估模型。最后，基于构建的仿真模型和评估模型，开展仿真实例分析，并基于仿真数据对任务效能进行综合评估，以支撑海上搜救决策过程。本文采用渤海海域某特大海上险情救助任务实例，构建 套直升机救助方案，并基于构建的任务仿真模型，对方案进行仿真。基于仿真数据和评估模型，计算各方案的多项评估指标值，并最终得到方案的任务完成时间和效能评估，从而实现不同方案之间的比较和最终救助方案的选择。相关工作 海上救助为减少特大海上险情带来的财产损失和人员伤亡，研究者开展海上救助方案和技术的研究。胡腾 基于覆盖衰减模型，对海上救助基地选址优化开展了研究。郑文涛 探究了“三位一体”立体救助方案的可行性，将直升机和潜水队投入海上救助中。等 提出了将神经网络 模糊控制器应用于海上救援无人机，提高了海上无人机轨迹跟踪效率。郑云亮 分析我国水上应急救援力量特别是救助船舶的装备技术等智能技术在海上救助中的应用。周玉川 分析了海上救援任务中，对救援时间和速度影响较大的因素，为海上救援方案选择提供参考。熊伟等 提出了基于模糊决策理论的海上救助力量优选排序方法，为海事机构对于海上人命搜救工作救助力量选取提供了有效的评估依据。依据 国际航空和海上搜寻救助手册（，），海上险情救助任务通常可分为目标搜寻与人员财产救助两步。目标搜寻阶段中，救助直升机、救助船舶等采用目视搜寻、红外搜寻、雷达搜寻等多种搜寻手段，在指定的搜寻区域内，沿规划路径开展目标搜寻行动。由于特大海上险情遇险平台通常为客滚船、国际邮轮、海上钻井平台等大型海上设施，且往往携带完备的海上定位装置，在目标搜寻阶段较容易被发现。因此，本文研究重点为人员财产救助阶段中直升机救助任务仿真与评估，即在遇险平台及人员已定位情况下，通过直升机将平台上大量遇险人员转移至救助基地、医院、沿岸临时安置点及周边救助船舶等安全位置的行动过程。该过程中，直升机典型救助任务剖面如图 所示。图 直升机海上救助任务剖面 海上搜救任务仿真针对海上搜救任务仿真，国内外均开展了深入的研究。美国、加拿大等国家相继基于目标搜寻理论开发了 、等海上搜救决策支持系统，提供包括人员存活时间计算 、搜寻方案仿真评估等功能。国内，肖方兵 采用蒙特卡罗方法对最优搜寻区域确定与搜寻资源分配问题进行了仿真求解。上述研究成果大多面向船舶或直升机单装单架次或多装单架次搜救任务，且研究重点均集中在搜救任务的搜寻过程，未针对多装多架次转移大量遇险人员任务模式开展研究。基于 的建模与仿真基于数学模型的传统建模方式在对个体进行建模时，能够较为精确地刻画个体行为。但是对于建模对象为多个体组成的复杂系统，由于多个体间的交互而产生的“涌现”现象使得传统建模方式无法满足复杂系统的建模仿真需求 。基于 的建模与仿真方法能够对复杂系统中的实体以 形式进行抽象建模，从而构建跨层次的仿真模型，更好地刻画复杂系统中各基本元素个体及其之间的交互。等 将基于 的建模与仿真（）作为一种有效的自底向上的工具应用于土方作业建模，提出了一种由智能、自适应 组成的基于 的（）土方移动模型。庞维建等 基于 多智能仿真平台构建了集群无人机攻防对抗仿真场景，分析了集群无第 期姜涛，等：基于 的直升机海上救助任务仿真与效能评估 人机突防效能的影响因素。饶明波 提出了基于 的 联邦成员仿真结构，研究了 仿真联邦成员的组成；在基本反应型和慎思型 体系结构的基础上，提出了符合作战仿真模型特点、基于目标任务行动（）的混合型 仿真模型体系结构。上述基于 的建模仿真方式有利于将多主体的复杂过程的消息传递情景。直升机海上救助任务过程是多部门、多装备协同参与的复杂过程，救助指挥与装备之间、装备与装备之间存在复杂的信息交互、决策与指令传输过程。因此，本文采用基于 的建模仿真方法，构建分层级的 仿真模型，实现对特大海上险情中直升机多机多架次救助这一复杂过程相对准确的描述与刻画。直升机救助任务仿真模型 任务流程与建模需求分析采用基于 的建模仿真方法对直升机救助过程进行建模仿真，首先需要对任务过程及任务参与主体进行分析，从而提取建模需求。传统救助任务中往往仅考虑如图 所示的单个直升机采取的任务行动，在 建模仿真的基础上可以扩展至更丰富更真实的救助场景。依据对救助飞行队的实际调研结果，可以将直升机海上救助任务过程参与主体归纳为救助总指挥、救助现场指挥、救助基地、救助直升机、救助船舶、各类安置点以及遇险人员等 类。因此，单一的直升机救助流程，在与其他 类主体的信息传递中扩展成了更加复杂的救助任务仿真流程，如图所示。图 典型直升机救助任务流程直升机救助任务建模过程中应能够体现上述 类任务主体在任务流程中各阶段的行为特征与信息交互。同时，直升机救助过程受气象、海况等环境因素影响，也需在建模过程中进行考虑。因此，可以将直升机救助任务仿真模型自上而下划分为高层指挥、一线指挥（包括现场指挥、救助基地）、救助力量、安置位置（包括救助船舶及其他安置点）、救助目标、环境控制等 层，各层级间信息交互关系如图 所示。图 间信息交互关系 直升机救助任务仿真模型构建基于任务流程与建模需求分析，从状态参数定义、行为及决策过程建模等方面对任务仿真模型中涉及的各类 进行详细建模。）环境控制层。环境控制 影响其他各层 的状态、决策与行为。定义环境控制 状态参数如下：（，）（）式中：代表风力；代表浪高；代表水温；代表能见度。在不考虑随机因素影响的情况下，环境控制 状态参数在仿真过程中维持不变。）救助目标层。救助目标层的遇险人员 用于模拟实际任务中的遇险人员。定义遇险人员 状态参数为：（，）（）式中：代表遇险人员当前位置；代表遇险人员伤情，分为未受伤、轻伤、重伤三级；代表遇险人员当前状态，分为获救、存活、死亡三类；代表遇险人员剩余存活时间。考虑环境因素影响，剩余存活时间表示为：（）式中：为遇险人员最大存活时间，为仿真时刻。受水温及人员伤情影响，考虑伤情影响因子 ，通过历史数据拟合可将遇险人员最大存活时间表示为 ：（）安置位置层。该层包含救助船舶及其他人员 计算机应用与软件 年安置点，承接直升机转运的遇险人员。定义其状态参数如下：（，）（）式中：表示安置点位置；表示已安置人数；表示剩余可安置人数；用于判定当前安置点是否存在作业直升机。安置位置层 基于自身状态判定是否允许直升机降落进行人员安置。）救助力量层。救助直升机 是任务仿真过程的关键主体，采用性能参数、状态参数两类参数对其进行表征：（，）（，）（）式中：表示性能参数，即与直升机自身相关的固定指标值，包括隶属机队、部署基地、巡航速度、最大可承载人数、最大燃油重量、燃油消耗率、航时、最大可出动海况；表示直升机当前状态参数，即随仿真时间推进而变化的状态量，包括当前位置、当前速度、当前剩余燃油、当前目标航路点与当前任务阶段。依据救助飞行标准作业程序（，），可以将救助过程中直升机 的任务阶段划分为起飞阶段、出航阶段、空中待命阶段、救助实施阶段、返航阶段、着陆及人员安置阶段六个阶段。在不同任务阶段，直升机 有不同的行为和推理决策过程。基于 构建直升机 行为模型如图 所示。图 直升机 行为模型在任务执行过程中，部分行动需现场救助人员临机决策后执行。如表 所示，可将决策过程抽象并建模如下：表 直升机 决策过程决策过程决策描述决策输入决策后行为执行任务决策救助总指挥指令、现场海况、当前位置、剩余燃油进行起飞准备或不执行任务燃油安全性决策现场指挥指令、当前位置、剩余燃油继续待命 进场执行救助任务返航救助基地继续救助决策当前位置、剩余燃油、当前机上遇险人数继续救助或离场进行人员安置返航位置决策当前位置、剩余燃油、机上遇险人员情况、安置点位置及剩余可安置人数请求返航进行人员安置后续行动决策当前位置、剩余燃油、救助总指挥指令返回基地或救助现场（）执行任务决策。直升机接救助总指挥下发任务指令后，基于当前海况与剩余燃油判定任务安全性。当海况满足直升机安全出动要求且剩余燃油能够满足其完成单次救助任务并返回基地的燃油需求时，直升机 选择执行本次任务，该条件表示为：（）（）式中：为单程航路长度；为救助单个遇险人员的吊运时间；为 规定的落地燃油余量。单个遇险人员吊运时间受气象海况和操作熟练度影响，故将 定义为：（）式中：为理想情况下吊运时间；为操作熟练度因子，由直升机隶属机队决定；为海况因子，为能见度因子，均受当前环境影响。（）燃油安全性决策。直升机在空中待命阶段会持续对当前剩余燃油进行监控，燃油不足时返航救助基地，该条件表示为：（）（）继续救助决策。直升机 自进入救助实施阶段起会持续对当前剩余燃油和机上遇险人数进行监控，在以下条件下直升机结束救助离场：（）即当直升机 判定剩余燃油不足或当前机上第 期姜涛，等：基于 的直升机海上救助任务仿真与效能评估 遇险人员已达到最大承载人数时，直升机结束救助离场。（）返航位置决策。直升机 结束单次救助任务后，依据自身状态、机上遇险人员状态和安置点状态进行决策，选择最优的安置位置并向其发送安置请求。当直升机剩余燃油不足时，必须返航基地；在直升机剩余燃油充足的情况下，当机上遇险人员存在生命危险时，必须前往医院；当直升机剩余燃油充足且人员无生命危险时，选择就近位置进行安置。（）后续行动决策。直升机若在前序任务结束后返回救助基地，则在接到救助总指挥任务指令后经 决策过程判断是否继续出动执行任务；若前序任务安置位置未选择在救助基地，则仅在直升机当前燃油能够满足其由当前位置出航完成单次救助任务返回基地的燃油需求时才可继续出动执行任务。该条件表示为：（）（）式中：和 分别为救助现场至安置点的距离和救助现场与救助基地的距离。）一线指挥层。该层包含救助基地与现场指挥两类 ，在任务仿真过程中分别进行直升机 起飞阶段及进场实施救助过程的管控，以保障救助过程安全有序开展。（）救助基地 。救助基地 主要决策过程为直升机起飞管制决策，即在同时收到多架直升机起飞请求后进行决策，基于专业优先与就近优先原则判断哪架直升机优先起飞。其决策因子定义为：（）式中：，表示各架直升机抵达救助现场的时间。救助基地 依据决策因子 由大到小的顺序安排直升机起飞。（）现场指挥 。现场指挥 主要决策过程为直升机进场管制决策，即当有直升机完成救助离场后向作业区派遣新的直升机进场救助。其决策因子定义为：（）现场指挥 依据决策因子 由大到小的顺序安排直升机进场救助。）高层指挥层。高层指挥层的救助总指挥 负责任务指令与任务终止指令的发布。救助开始阶段，总指挥 向选定的各直升机发布任务指令；当救助过程中现场直升机救助能力不足时，总指挥 向救助基地下发增援任务指令；当现场所有遇险人员均已获救或已死亡的情况下，总指挥 发布任务终止指令，所有直升机在完成当前任务后返回基地。直升机救助任务效能评估模型 救助任务效能评估指标体系构建在海上险情救助任务中，对任务效能进行评价时，需要从任务执行过程安全性与任务执行效率 个方面进行考虑。本文通过广泛征求救助专家、救助局及相关领域学者的意见和建议，确定直升机人员转运任务评估指标体系如图 所示。图 直升机救助任务效能评估指标体系 评估指标处理由于本文的指标不涉及定性指标，因此仅需对定量指标进行无量纲化处理，即采用阈值法对评估指标进行处理。）效益型指标处理。依据指标所表示的含义，本文的效益型指标集为 ，采用的处理方法为：（）成本型指标处理。除效益型指标外，其余指标为成本型指标，采用的处理方法为：（）指标权重计算考虑到指标之间存在关联关系，本文采用网络层次分析法（，）确定指标权重。计算机应用与软件 年）指标关联度矩阵构造。定义指标关联度矩阵为（），其中 表示指标 对指标 的影响关系，取值范围为 ，。本文采用专家信念图方法对专家经验信息及专家评判问题的客观性进行分析，形成专家权重向量为 ，得到指标关联度矩阵为：（）依据指标关联度矩阵得到评估指标间的相关关系，从而构建评估指标的网络关系结构如图 所示。图 评估指标网络关系结构）指标判断矩阵构造。定义指标判断矩阵为（），用于表示所比较的元素之间的优势度特征，表示为：（）（）式中：表示在同一准则下指标 相对于指标 的重要程度，采用 标度进行判断，并满足 。此外，各个专家对于指标相对重要程度的判断需要经过一致性检验，采用一致性比例 法进行一致性检验，定义矩阵 （）的一致性比例为：（）（）（）（）（）式中：为矩阵 的一致性指标；（）为矩阵 的平均随机一致性指标，可依据矩阵阶数查表得到 （），为矩阵最大特征根。若 ，则矩阵 的一致性可以接受。）指标权重计算。基于构造的指标关联度矩阵与指标判断矩阵，采用成熟的 模型计算软件 进行指标权重计算。依据图 所示的评估指标网络关系结构，在 软件中构建评估指标网络模型，如图 所示。图 中构建的 模型通过计算，得到图 所示的评估指标体系中各指标归一化权重向量 ，为：，（）任务效能评估基于上述指标归一化权重向量以及仿真中经过归一化处理后的指标评估值向量 ，可以得到直升机人员转运任务效能值为：（）依据该任务效能值 ，可以基于仿真数据对直升机救助任务进行综合效能评估。仿真实例分析本文采用渤海海域某特大海上险情救助任务，基于前文中构建的任务仿真模型与效能评估模型，进行仿真实例分析。任务描述渤海海域的烟大轮渡航线上，一艘搭载 名旅第 期姜涛，等：基于 的直升机海上救助任务仿真与效能评估 客与 名船员的客滚船行驶至北砣矶水道东北方向附近时，因大风浪中操作不当导致汽车移位起火并倾覆。险情发生时现场正北风，风力达 级，现场水温为 ，现场能见度 。经空中力量搜寻，已确认各遇险人员位置与人员伤情情况，并在落水人员与救生艇周围投放了示位信标。各遇险人员分布如表 所示。表 遇险人员分布人数伤情定位点 人轻伤 ，无人受伤 ，无人受伤 ，人重伤人轻伤 ，险情发生时，事发海域附近有若干部署有救助直升机的救助飞行基地及其他起降点。其位置如表 所示。表 直升机起降点分布编号类型经纬度坐标装备数量救助基地 ，救助基地 ，岛屿 ，岛屿 ，石油平台 ，石油平台 ，不同起降位置处部署有隶属不同救助飞行队的多型救助直升机。各直升机部分主要性能参数如表 所示。表 救助直升机部分关键性能参数编号型号位置巡航速度（）载员燃油 耗油率（）直 续表 编号型号位置巡航速度（）载员燃油 耗油率（）米 除表 中的直升机起降点可用于人员安置外，事发海域附近还分布包括医院、救助船舶、沿岸临时安置点等安置位置，如表 所示。表 安置点分布情况经纬度坐标类型容量 ，陆地医院 ，救助船舶 ，救助船舶 ，救助船舶 ，沿岸临时安置点 经研判，初步确定 套直升机救助方案，分别动用如表 所示的装备执行救助任务。表 直升机救助方案编号动用装备，仿真结果与分析基于构建的任务仿真模型，对上述任务中 套救助方案进行仿真，得到如图 所示的结果。（）方案 计算机应用与软件 年（）方案（）方案 图 任务仿真结果通过仿真，得到 套方案的各项评估指标值如表所示。表 评估指标值指标方案 方案 方案 基于指标权重及指标归一化值进行计算，得到上述 套救助方案任务完成时间与效能评估结果如表 所示。表 效能评估结果指标方案 方案 方案 救助完成时间 效能值 根据表 的评估结果，在 套救助方案中，方案 效能值较低。结合图 中的仿真结果和表 的各项指标值可以推测出，该套方案最终评价劣于其他两套方案的原因可能是由于派遣的救助力量过多而导致各救助力量抵达险情现场后平均待命时间较长，从而影响了救助效率。而方案 与方案 效能评估结果相近，其中方案 略优于方案 ，通过分析各项指标原始值可知，采用方案 执行救助任务相比于方案 而言遇险人员获救比例有显著增加。因此，综合上述因素考虑，建议在救助过程中采用方案 实施救助。结语本文研究了特大海上险情中直升机救助任务仿真与效能评估问题。通过对救助任务流程的分析，构建了分层级的任务仿真模型，实现了基于 的救助任务仿真。同时，本文基于对各方面专家的调研，构建了直升机救助任务效能评估模型，从任务过程安全性、任务执行效率等方面对直升机救助任务进行综合效能评估。如引言部分所述，特大海上险情中直升机救助过程是多部门、多装备参与的复杂过程，本文构建的任务仿真模型仅能对救助过程进行任务级仿真，存在模型颗粒度较粗的问题，后续将研究考虑将直升机动力学模型、落水人员漂移模型等引入仿真模型中，以更精细地刻画和模拟直升机救助过程。参考文献胡腾 基于覆盖衰减模型的海上救助基地选址优化研究 厦门：集美大学，郑文涛 海上“三位一体”立体救助 航海技术，（）：，（）：郑云亮 智能技术在海上救助领域的应用前景 船舶工程，（）：周玉川 海上救助时间及速度影响因素 水上消防，（）：熊伟，潘涛 基于模糊决策的海上救助力量优选研究 安全与环境学报，（）：，（下转第 页）第 期程远瑶，等：基于 的 缓存系统设计与实现 响应性能由于主主同步中 的消息队列长度参数会对吞吐量产生影响，因此在 配置不同消息队列截取长度参数、有无容忍长度误差的情况下，对不同写入次数的执行时间进行测试。在单连接场景下，系统的吞吐量性能如图 所示。可以看出，执行时间与写入次数呈线性关系；在消息队列截取长度较大时，有容忍长度误差时系统性能更优；相同容忍长度误差情况下，截取长度较小的执行时间更短，性能更优。图 单连接场景下 响应性能 结语本文提出基于 的分布自律的缓存系统设计，实现实时信息的增删改查，基于工业信号系统需求，实现了双网冗余、数据同步等功能，保证了系统的高可用性和数据的高一致性。以重庆五号线的实际业务场景为测试环境对本文所设计的系统进行性能测试，结果表明基于 的分布自律的缓存系统具有响应速度快、吞吐量大的性能，可以满足信号系统高可用性、高数据一致性和高实时性的要求。参考文献吴汶麒 城市轨道交通信号与通信系统 北京：中国铁道出版社，：郜春海，刘波，简锐锋，等 新一代城轨信息化体系中 系统发展 都市快轨交通，（）：，余向海 城市轨道交通列车自动监控系统模块分析 电子工程师，（）：孙章，何宗华，徐金祥 城市轨道交通概论 北京：中国铁道出版社，：郜春海，王伟，李凯，等 全自动运行系统发展趋势及建议 都市快轨交通，（）：，：，董昭通，李小勇 面向大数据的分布式缓存设计 通信技术，（）：，：，（）：曾超宇，李金香 在高速缓存系统中的应用 微型机与应用，（）：（上接第 页）：，：，：，（）：，李勤荣 美英人员落水险情搜救截止时间研究 水运管理，（）：?肖方兵 海上搜救决策支持系统关键技术的研究 大连：大连海事大学，廖守亿 复杂系统基于 的建模与仿真方法研究及应用 长沙：国防科学技术大学，：庞维建，李辉，黄谦，等 集群无人机要地攻防作战 建模仿真分析 信息工程大学学报，（）：饶明波 基于 战场仿真实体模型研究与实现 南京：南京航空航天大学，（）：（）：，