民用航空器搜寻作业辅助决策平台

周进 朱新平

摘 要：为支持进行科学高效的民用航空器搜寻作业指挥，构建了搜寻作业辅助决策指挥平台。分析了民用航空器搜寻作业的特点，确定平台研发的功能目标和体系结构。研究平台研发中面临的关键技术问题，如基于搜寻基准点、基于搜寻基准线和基于搜寻基准区域的航空器概率型失事区域初始预测方法，以及考虑搜寻区域特征和设备能力的搜寻作业任务规划。以某民用航空器的搜寻仿真为例展示了该平台的功能。

关键词：空中交通管理;航空器;搜寻;辅助决策

中图分类号：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会和民航业界广泛关注的问题，而民用航空器搜寻救援则是关乎安全的重要工作。对失事航空器高效地展开搜寻是后续救援迅速展开的前提。通常而言，在人口密聚区域，失事航空器的搜寻过程较短，多以事后救援为主。但是，当航空器在人口稀少区域失事时，比如山区、沙漠、海洋，航空器的搜寻工作就显得特别重要。尤其是航空器在没有任何迹象的情况下失去通信联系，或来不及报告其准确位置就已失事，或者地形复杂、天气恶劣、没有目击者报告等情形下，搜寻工作就显得十分困难。此外，民用航空器搜寻涉及部门众多，信息流转和协调程序复杂，如何基于先进的信息化技术手段，构建民用航空器搜寻作业辅助决策指挥平台，成为有效整合各方搜救力量，协同开展搜救作业的关键所在。这也是本文的出发点。

近年来，国家相关部门出台了一系列的文件[1-4]，要求制定详细的、可操作的应急救援预案，为民用航空器搜寻的组织、协调和指挥提供了制度保障。然而，在实际搜救作业中，民用航空器搜寻援救多依赖一线指挥人员经验，尽管建立了相应的搜寻专项预案，但由于缺少相应的信息综合处理和辅助决策平台，极易造成分析不全面、决策不合理、行动不及时而影响搜寻援救的效率。鉴于此，可考虑利用计算机技术、GIS技术辅助开展民用航空器搜寻援救决策。目前，针对民航领域搜寻援救的辅助决策平台较少，相关研究多集中在海事搜寻方面。美国海岸警卫队研发了海事搜寻辅助决策系统，能够实现搜寻区域的计算和标绘，以及搜寻援救任务规划与管理[5]。加拿大海岸警卫队推出了CANSARP系统，该系统采用C/S结构，基于实时观测及预报数据来标绘网格化搜寻区域[6]。也有美国相关机构基于国家搜救手册建立海上目标的漂移模型，并提供搜寻目标轨迹预测过程的可视化展示[7]。英国相关结构综合考虑海洋中环境的特殊性，尤其是风和潮流的作用，建立目标漂移模型来确定目标的搜寻区域[8]。加拿大国防研究发展中心研发了SARPlan系统，可以统筹安排失踪航空器的搜寻任务安排，可增加失踪航空器的发现概率[9]。相比较而言，我国对民用航空器的搜寻辅助决策平台研究较晚，很少有针对有陆上搜寻辅助决策系统的研究[10]。

本文设计和开发了民用航空器搜寻作业辅助决策指挥平台，介绍了平台开发过程及其中涉及的多项关键技术，包括平台功能及需求、平台架构以及涉及的关键技术等。基于该平台的优势在于，首先其具有良好搜寻作业基础数据管理能力，其次可为搜寻指挥人员在失事区域预测、搜寻任务规划等方面提供辅助决策支持，有助于提高搜寻指挥水平。

1 平台功能及需求

民用航空器搜寻援救指挥平台采用C#作为编程语言，在VS2010集成平台上进行系统开发，采取模块化的方式建立失事航空器轨迹推测模型，以及面向航空器搜寻作业的资源调度模型。平台可实现以下功能：

（1）航空器失事区域预测。为了制定航空器搜寻救援计划，首先应该确定航空器失事区域。具体而言，该区域应包含失事航空器残骸、可能幸存者分布区域。所研发的平台将面向已知航空器迫降时的大概位置、未知航空器失事，建立失去航空器的轨迹推测模型。通常情况下，由于对失事目标的信息了解十分有限且目标自身動力学模型不同于正常工作状态，对其轨迹预测具有很大的不确定性，因而最终航空器失事区域的预测将以空间上的概率分布形式予以呈现。

（2）失事航空器搜寻作业规划。在航空器失事区域预测的基础上，将相应的待搜寻区域划分成若干个子区域，并基于不同区域的子区域自然环境和设备资源特性进行统筹调度安排。在搜寻作业过程中，前方作业传回的信息将会影响后方搜寻作业指挥决策。鉴于此，所研发的平台将建立失事航空器搜寻作业的动态规划模型，基于不断更新的搜寻作业进程信息，确定不同子搜寻子区域的搜寻次序以及开展搜寻作业时的物资、人员调度方案。

（3）民用航空器搜寻作业基础数据管理。为可持续性地提升搜寻作业水平，所研发的平台还将实际搜寻作业或搜寻演练中产生的相关基础数据（如搜寻队伍集结速度、搜寻设备资源性能等）进行存储，并通过数据挖掘、大数据分析等途径，为民用航空器搜寻决策提供辅助分析功能。

2 平台架构设计

平台架构如图1所示。采用面向对象的方法，在VS2010环境中实现多个功能模块。搜寻指挥员通过人机界面设置软件运行参数，并将设置方案通过相应的交互管理模块输入给平台。該平台具有的图形化用户交互接口可支持用户在其环境中进行数据管理或交互操作，如获取民用航空器搜寻的基础数据、开展航空器失事区域预测等。航空器失事区域预测模块将集成实现失事航空器轨迹推测算法，根据失事航空器的对应的空气动力学模型、下落过程受力分析以及失事前的性能参数等，预测航空器的可能坠落区域。航空器搜寻作业规划模块将根据历史信息及航空事故调查专家的评估得出失事航空器的初始概率分布，利用最优搜寻理论开展搜寻设备资源调度优化，以支持航空器搜寻作业快速高效展开。航空器搜寻资源管理模块将用于航空器搜寻过程的相关设备资源进行全面管理，动态制定运行维护方案，确保各项设备资源处于良好的工作状态。此外，航空器搜寻基础数据管理模块将在实际搜寻作业或演练过程中产生的相关数据进行存储，并基于数据挖掘和大数据分析等功能，将相关参数反馈应用于航空器失事区域预测模块和搜寻作业规划模块的性能提升。

3 关键技术

3.1 面向不同搜寻基准的航空器失事区域预测

航空器搜寻过程中所参考的位置点、线或区域称之为搜寻基准。航空器的失事区域预测主要面向上述三种不同的基准来进行。其中：

（1）如果已知失事航空器进行空地联络的最后一个位置，可基于此结合航空器性能、气象环境等参数计算航空器的坠落轨迹，并根据此来确定航空器坠落点。该坠落点代表了航空器的最有可能存在的位置，可作为搜寻区域基点，具体的失事区域可基于该搜寻基点来推测。在基点区域内，失事航空器的坠落区域呈圆形正态分布，离所确定的搜寻基点越近，则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。基于搜寻基准点的航空器概率型失事区域预测如图2所示。

（2）如果航空器在失踪前位于某一条航线上的两个位置报告点之间飞行，但无法确定失事航空器具体在哪一个位置失事，则可认为航空器在该航线上每个位置点的可能性相等。此时，可根据已知航空器导航参数、气象参数等，以航空器所在位置报告点之间的航线作为基准，推测航空器坠落轨迹并得到一个缩小的矩形搜寻区域，作为搜寻的基线区域。在该区域内，失事航空器的位置在基线两边为正态分布，离搜寻基线越近，失事航空器存在的分布概率越高，反之，分布概率越低[11]。基于搜寻基准线的航空器概率型失事区域初始预测如图3所示。

（3）如果航空器是由于绕飞恶劣天气偏离计划航路或空中出现故障等原因而失事，航空器最后在某一片区域失去联系，则可基于该区域并根据航空器续航能力、坠落轨迹来确定失事区域。假设航空器航向不变，则整个下落过程近似在一个平面上，通过失事航空器的空气动力学分析得到航空器空中漂移距离，确定航空器可能坠落区域的半径，然后分已知航空器失事大概位置、未知航空器失事位置两种情况分别建立航空器失事区域预测模型。基于搜寻基准区域的航空器概率型失事区域初始预测如图4所示。

在所研发的搜寻指挥辅助决策平台中，选取合适的基准计算航空器坠落的轨迹，得到航空器搜寻范围，在该范围内失事航空器的位置服从一定的概率分布，选取的基准不同，得到的搜寻区域形状、范围也不一样。此外，基于搜寻作业获得的信息，相应的航空器失事区域初始预测结果会进一步的更新，以便于搜寻指挥员做出科学决策。

3.2 考虑搜寻区域特征和设备能力的搜寻作业任务规划

在完成民用航空器失事区域预测的前提下，需要研究如何制定搜寻任务计划，并调度相关搜寻资源展开搜寻。民用航空器搜寻作业任务计划的目标是在适当的时间内计算和选择最优或次优的搜寻路线，使得在尽可能短的时间内完成相关区域的搜索，并达到最佳的搜索效果。民用航空器搜寻任务规划需要考虑以下几个方面的因素：（1）航空器出现在不同搜寻区域的概率不同，如何对待搜寻区域进行科学划分，并制定搜寻相关区域的先后顺序;（2）被搜寻目标在不同的区域内失事可能处于不同的事后状态，比如，如果被搜寻的航空器失事区域位于陆地，则其残骸会分布在某一区域内并总体上处于静止状态，而如果被搜寻的航空器失事区域位于海洋，则其一部分残骸可能会随着洋流而漂浮处于一种运动状态;（3）基于航空器失事区域的实地环境情况，不同部门、不同专业搜寻设备能力的配置情况，调度相关设备资源协同展开搜寻作业。

在所研发的搜寻指挥辅助决策平台中，在航空器概率型失事区域初始预测的基础上，平台综合考虑搜寻资源分布和特性，提供了各搜寻单位搜寻能力评价方法，然后采用基于预测模型控制的任务规划建模方法，将前方搜寻作业反馈结果动态集成到后续搜寻任务规划，实现了对搜寻任务的闭环控制与规划。

4 平台界面及仿真应用

4.1 航空器失事区域预测

假设当一架航空器在做完某一位置报告后在航路上某处失去联系，无法知晓航空器失事的大概位置以及具体的失事时间。应用该平台对陆地区域内的民用航空器搜寻辅助决策进行仿真验证。图5为未知航空器失事大概位置情况下的失事区域预测模块的操作界面，在该界面中输入界面提示的失事航空器类型、型号、导航参数、性能参数及气象参数，通过软件后台计算就可以得到三个搜寻区域的半径、面积，扇形搜寻区域的坐标信息以及可能坠落区域的坐标信息。图6为未知航空器失事大概位置情形下的失事区域预测结果。

4.2 搜寻作业任务调度

在该平台上，继续利用获取的已有信息和航空器概率型失事区域的初始预测结果，其结果如图6所示。其中，该平台确定了四个矩形搜寻子区域，每个子区域的包含失事航空器的概率分布为0.15、0.45、0.3、0.1;如调度相关搜寻单位利用直升机开展搜寻作业，其飞行速度为240km/h，扫视宽度为1千米，可得到总的搜寻时间为10小时，其中，子区域Ⅰ应分配109.670分钟，子区域Ⅱ应分配268.477分钟，子区域Ⅲ应分配178.985分钟，子区域Ⅳ应分配42.866分钟，按照这种时间分配方案来调度搜寻资源，搜寻成功的概率最大，为0.75。

5 结论

开发了面向民用航空器搜寻作业的辅助决策指挥平台，研究并实现了航空器失事区域预测、失事航空器搜寻作业规划、搜寻作业基础数据管理等功能，解决了面向不同搜寻基准的航空器失事区域预测、以及考虑搜寻区域特征和设备能力的搜寻作业任务规划两项关键技术，最后，以未知航空器失事大概位置情形下的失事区域预测为例仿真运行了所给平台的功能。进一步应考虑：（1）对软件进行网络化的架构扩展设计，以支持实现搜寻管理单位、搜寻协调单位和搜寻作业部门的协同;（2）参照空中交通管制自动化系统的设计需求和理念，进一步完善软件的人机接口设计。

参考文献：

[1]中国民用航空局.中华人民共和国搜寻援救民用航空器规定，1999.

[2]国务院.国家处置民用航空器飞行事故应急预案，2006.

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[7]Spaulding M L，Howlett E.Application of sarmap to estimate probable search area for objects lost at sea[J].Marine Technology Society Journal，1996，30（2）：17-25.

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[10]羅永宏.海上搜救智能辅助决策系统探究[J].中国航海，2004，3：21-24.

[11]王文博.民用航空器搜寻技术研究[D].四川：中国民用航空飞行技术学院，2015.

作者简介：周进（1982-），男，汉族，江苏南通人，硕士，工程师，主要研究领域为民航安全管理、空管自动化系统。